鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)計(jì)量保證方案研究

陳春雷，韓廬平，郝晉斐

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081；2. 北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京 100081）

0 引言

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝備是保障鐵路運(yùn)營(yíng)安全的重要手段。依據(jù)運(yùn)營(yíng)于各條線(xiàn)路上的高速綜合檢測(cè)列車(chē)及各類(lèi)專(zhuān)業(yè)檢測(cè)車(chē)（簡(jiǎn)稱(chēng)檢測(cè)車(chē)）的檢測(cè)結(jié)果，可及時(shí)掌握基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備狀況，并指導(dǎo)基礎(chǔ)設(shè)施綜合維修和運(yùn)用管理。近年來(lái)，隨著基礎(chǔ)設(shè)施各類(lèi)檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)用不斷增加，檢測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性、可靠性要求不斷提高。同時(shí)，由于檢測(cè)車(chē)分布在全國(guó)各地，檢測(cè)環(huán)境條件的差異、檢測(cè)裝備的差異、檢測(cè)人員流動(dòng)等問(wèn)題，都會(huì)影響量值傳遞的質(zhì)量，各類(lèi)檢測(cè)系統(tǒng)的溯源、校準(zhǔn)工作面臨較大的困難和挑戰(zhàn)。尤其是車(chē)載檢測(cè)設(shè)備所測(cè)量的參數(shù)均為相關(guān)設(shè)施的動(dòng)態(tài)參數(shù)，因此無(wú)法用傳統(tǒng)的量值傳遞方法實(shí)現(xiàn)量值傳遞，導(dǎo)致各類(lèi)檢測(cè)裝備運(yùn)用過(guò)程中有時(shí)出現(xiàn)不同檢測(cè)車(chē)輛在同一線(xiàn)路、相近的時(shí)間點(diǎn)、檢測(cè)結(jié)果的不同，或者是動(dòng)靜態(tài)檢測(cè)結(jié)果差異較大等現(xiàn)象，降低了檢測(cè)結(jié)果的可靠性和有效性，給進(jìn)一步的數(shù)據(jù)應(yīng)用工作帶來(lái)困擾?，F(xiàn)行的檢測(cè)系統(tǒng)量值溯源方法已不能滿(mǎn)足行業(yè)發(fā)展的需求。因此，提出一套系統(tǒng)、完整、有效的檢測(cè)系統(tǒng)計(jì)量保證方案（MAP），是進(jìn)一步提高鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)能力的重要環(huán)節(jié)。

1 動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)MAP原理

MAP是指測(cè)量過(guò)程的質(zhì)量保證方案。通過(guò)MAP對(duì)測(cè)量過(guò)程總的測(cè)量不確定度實(shí)施控制，包含隨機(jī)因素和系統(tǒng)因素引入的不確定度，并通過(guò)一系列措施，減小測(cè)量不確定度，以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)測(cè)量的要求。

檢測(cè)車(chē)以動(dòng)車(chē)組或單節(jié)車(chē)輛作為載體，加裝了軌道幾何檢測(cè)、軌道狀態(tài)巡檢、鋼軌輪廓檢測(cè)、接觸網(wǎng)檢測(cè)、輪軌動(dòng)力學(xué)檢測(cè)、車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)檢測(cè)、通信檢測(cè)、信號(hào)檢測(cè)、隧道路基檢測(cè)、鋼軌探傷等精密測(cè)量設(shè)備，集成了光學(xué)測(cè)量、電磁學(xué)測(cè)量、超聲測(cè)量、慣性測(cè)量、時(shí)空定位同步、實(shí)時(shí)圖像處理和識(shí)別等先進(jìn)技術(shù)，在檢測(cè)車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中對(duì)工務(wù)、電務(wù)、供電等基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)進(jìn)行等速檢測(cè)的重要技術(shù)裝備。開(kāi)展鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)計(jì)量保證方案的研究，是為滿(mǎn)足檢測(cè)裝備整系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件下的量值高準(zhǔn)確度需要，提升各類(lèi)車(chē)載檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的一致性[1-3]。

MAP有兩大主體，即主持實(shí)驗(yàn)室和參加實(shí)驗(yàn)室。在本方案中鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室即為主持實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)有校準(zhǔn)設(shè)備及校準(zhǔn)試驗(yàn)線(xiàn)。檢測(cè)車(chē)為參加實(shí)驗(yàn)室，裝備有各類(lèi)檢測(cè)系統(tǒng)及人員。

動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)MAP的原理是，通過(guò)量值傳遞和量值溯源獲得與檢測(cè)系統(tǒng)相關(guān)測(cè)量結(jié)果相對(duì)應(yīng)的參考量值，保證檢測(cè)系統(tǒng)量值的準(zhǔn)確性。通過(guò)核查檢測(cè)并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，建立檢測(cè)車(chē)連續(xù)的核查檢測(cè)數(shù)據(jù)，并由此對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的日常檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行評(píng)定與控制，保證量值傳遞的連續(xù)有效。動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)MAP的實(shí)施分為2個(gè)階段，傳遞階段和核查階段。由于檢測(cè)系統(tǒng)的不同特性，需建立不同類(lèi)型檢測(cè)系統(tǒng)的溯源工作路線(xiàn)，建立軌道幾何、鋼軌探傷、接觸網(wǎng)、通信、信號(hào)、車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)等檢測(cè)系統(tǒng)不同參數(shù)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)與核查標(biāo)準(zhǔn)。

2 動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)MAP設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

通常情況下，量值溯源要求計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器、測(cè)量環(huán)境等具有一定的穩(wěn)定性，多是靜態(tài)條件下的一組操作。檢測(cè)車(chē)輛屬于大型專(zhuān)用裝備，受各方面因素的限制，不能隨意調(diào)動(dòng)。因此，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的計(jì)量應(yīng)根據(jù)不同的特點(diǎn)盡量避免不利條件，利用優(yōu)勢(shì)資源，減小對(duì)運(yùn)營(yíng)和檢測(cè)的影響。各專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)系統(tǒng)有各自的計(jì)量特點(diǎn)。其中，以幾何量測(cè)量為主要檢測(cè)指標(biāo)的有軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)、限界檢測(cè)系統(tǒng)等；以力學(xué)參數(shù)測(cè)量為主要檢測(cè)指標(biāo)的有弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)作用參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)；以電壓、電流測(cè)量為主要檢測(cè)指標(biāo)的有接觸網(wǎng)供電參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)；以頻率及相位差的測(cè)量為主要檢測(cè)指標(biāo)的有通信檢測(cè)系統(tǒng)等。動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)與被測(cè)物均處于動(dòng)態(tài)變化中，實(shí)驗(yàn)室的靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果，不足以反映檢測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)，因此動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)度計(jì)量測(cè)量是溯源的難點(diǎn)。

針對(duì)不同檢測(cè)系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象的差異，設(shè)計(jì)2種不同的工作路線(xiàn)。第1種情況是傳遞標(biāo)準(zhǔn)和核查標(biāo)準(zhǔn)可以作為可移動(dòng)裝備送往檢測(cè)車(chē)輛。檢測(cè)系統(tǒng)中力、電壓、電流、頻率、加速度的測(cè)量均可適用此情況。第2種情況是傳遞標(biāo)準(zhǔn)為固定設(shè)施不能移動(dòng)，同時(shí)由于檢測(cè)車(chē)輛不能頻繁地調(diào)往檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室，核查標(biāo)準(zhǔn)將以另一輛通過(guò)檢定的車(chē)輛以比對(duì)的方式進(jìn)行。檢測(cè)系統(tǒng)中長(zhǎng)度測(cè)量適用此種情況。

2.2 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)MAP實(shí)施流程

動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)MAP量值傳遞過(guò)程[4]見(jiàn)圖1。

圖1 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)MAP量值傳遞過(guò)程

（1）MAP中鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室為主持實(shí)驗(yàn)室，檢測(cè)車(chē)輛為參加實(shí)驗(yàn)室，用于量傳的計(jì)量設(shè)備為工作標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)室獲得的最高計(jì)量特性的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)為參考標(biāo)準(zhǔn)，由參加實(shí)驗(yàn)室向主持實(shí)驗(yàn)室申請(qǐng)傳遞標(biāo)準(zhǔn)。

（2）檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室接到檢測(cè)車(chē)輛運(yùn)用單位的傳遞申請(qǐng)后，提供一個(gè)傳遞標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)參考標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)合格后，根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)分為2條路線(xiàn)進(jìn)行傳遞。第1種，將該傳遞標(biāo)準(zhǔn)送至檢測(cè)車(chē)輛，并附檢測(cè)方法、條件等測(cè)量要求（簡(jiǎn)稱(chēng)方案A）；第2種，將檢測(cè)車(chē)輛調(diào)往傳遞標(biāo)準(zhǔn)所在地，并規(guī)定檢測(cè)人員和測(cè)量要求（簡(jiǎn)稱(chēng)方案B）。

（3）結(jié)果及傳遞標(biāo)準(zhǔn)一起送回檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室。方案B，檢測(cè)車(chē)輛抵達(dá)傳遞標(biāo)準(zhǔn)所在地后，將傳遞標(biāo)準(zhǔn)作為一個(gè)未知量按相應(yīng)檢測(cè)程序的要求進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送至檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室。

（4）由于傳遞標(biāo)準(zhǔn)在往返途中或動(dòng)態(tài)檢測(cè)后可能發(fā)生計(jì)量特性的改變，檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室在收到測(cè)量數(shù)據(jù)和傳遞標(biāo)準(zhǔn)后，立即使用參考標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，分析校準(zhǔn)結(jié)果以判定傳遞標(biāo)準(zhǔn)的漂移量是否超出允許范圍。若傳遞標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有超出允許范圍，則此次量值傳遞有效，否則無(wú)效。針對(duì)傳遞標(biāo)準(zhǔn)漂移量的異常情況，查找原因并重新組織量值傳遞。

（5）核查標(biāo)準(zhǔn)是由檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室提供給檢測(cè)車(chē)輛的。其具有良好的穩(wěn)定性以確保計(jì)量保證方案的連續(xù)實(shí)施。方案A，量值傳遞過(guò)程完成后，檢測(cè)車(chē)輛在2次溯源期間，應(yīng)按要求對(duì)核查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行多次檢測(cè)，獲取完整的測(cè)量數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析，并評(píng)定檢測(cè)車(chē)輛的日常檢測(cè)是否一直處于有效狀態(tài)。方案B，檢測(cè)車(chē)輛在接受量值傳遞前后及2次溯源期間，與另一通過(guò)檢定合格的檢測(cè)車(chē)輛針對(duì)同一條線(xiàn)路進(jìn)行測(cè)量，獲取完整的測(cè)量結(jié)果并建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析，并評(píng)定檢測(cè)車(chē)輛的日常檢測(cè)是否一直處于有效狀態(tài)。

（6）檢測(cè)車(chē)輛按要求及時(shí)地將全部溯源和核查數(shù)據(jù)提交至檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室。檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算偏差和測(cè)量不確定度，并向檢測(cè)車(chē)輛提供測(cè)試報(bào)告。

2.3 傳遞標(biāo)準(zhǔn)與核查標(biāo)準(zhǔn)

傳遞標(biāo)準(zhǔn)與核查標(biāo)準(zhǔn)是動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)MAP能夠?qū)嵤┑年P(guān)鍵因素，應(yīng)是具備良好復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性的高準(zhǔn)確度計(jì)量器具，能夠進(jìn)行量值傳遞、溯源、比對(duì)等工作[5]。本方案中，2種不同溯源路線(xiàn)其傳遞標(biāo)準(zhǔn)與核查標(biāo)準(zhǔn)有不同的特點(diǎn)。

方案A中，傳遞標(biāo)準(zhǔn)采用由計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)過(guò)的計(jì)量器具，因其體積小、質(zhì)量輕，便于作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)往檢測(cè)車(chē)，用于評(píng)定檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量不確定度。核查標(biāo)準(zhǔn)是檢測(cè)車(chē)上配備的穩(wěn)定性良好的標(biāo)準(zhǔn)器具，在其間核查階段保證檢測(cè)系統(tǒng)量值可靠，檢測(cè)結(jié)果真實(shí)有效。

方案B中，傳遞標(biāo)準(zhǔn)不再具備體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶的特點(diǎn)。傳遞標(biāo)準(zhǔn)為一條位于鐵科院東郊分院的新建設(shè)的校準(zhǔn)試驗(yàn)線(xiàn)。圖2中藍(lán)色線(xiàn)路（試車(chē)Ⅲ線(xiàn)）為一條專(zhuān)用的校準(zhǔn)鐵路線(xiàn)，且其鋼軌和接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)穩(wěn)定可調(diào)（見(jiàn)圖3）；由于檢測(cè)車(chē)調(diào)往校準(zhǔn)試驗(yàn)線(xiàn)較為繁瑣，占用較多的資源，因此，核查標(biāo)準(zhǔn)則選擇一條正常運(yùn)營(yíng)的線(xiàn)路。在2次溯源期間，該檢測(cè)車(chē)與另一通過(guò)檢定合格的檢測(cè)車(chē)輛針對(duì)同一條線(xiàn)路進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，評(píng)價(jià)檢測(cè)車(chē)輛的日常檢測(cè)工作是否一直處于有效狀態(tài)[6]。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)試驗(yàn)線(xiàn)

圖3 可進(jìn)行幾何不平順準(zhǔn)確調(diào)整的軌道

3 動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)MAP實(shí)施

JJF 1001—2011《通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義》給出的計(jì)量保證定義為“法制計(jì)量中用于保證測(cè)量結(jié)果可信性的所有法規(guī)、技術(shù)手段和必要的活動(dòng)”?；A(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)計(jì)量保證采用合格評(píng)定、年檢、期間核查等方式來(lái)進(jìn)行（見(jiàn)表1）。

表1 計(jì)量保證項(xiàng)目

基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)合格評(píng)定是指證明基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)滿(mǎn)足技術(shù)條件要求的活動(dòng)（見(jiàn)圖4），主要用于對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)新產(chǎn)品及升級(jí)產(chǎn)品的技術(shù)評(píng)定。使用更高一級(jí)的專(zhuān)用校準(zhǔn)裝備對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的功能和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行全面的評(píng)定（見(jiàn)圖5），出具評(píng)定報(bào)告并給出結(jié)論[7-9]。

圖4 系統(tǒng)評(píng)定工作現(xiàn)場(chǎng)

圖5 專(zhuān)用校準(zhǔn)裝備

基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)年檢是對(duì)每一型經(jīng)過(guò)評(píng)定的檢測(cè)系統(tǒng)在新出廠(chǎng)時(shí)或按周期（結(jié)合廠(chǎng)修一般為18個(gè)月）進(jìn)行的。使用便攜校準(zhǔn)裝備對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)不穩(wěn)定的技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)功能進(jìn)行檢查（見(jiàn)圖6）。出具年檢報(bào)告，包括檢測(cè)系統(tǒng)基本情況、技術(shù)指標(biāo)要求、軟硬件功能驗(yàn)證情況、技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證情況、年檢結(jié)論及有效的標(biāo)定證明材料等內(nèi)容。

圖6 便攜校準(zhǔn)儀

基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)期間核查是指根據(jù)規(guī)定程序，為了確定檢測(cè)系統(tǒng)是否保持其原有狀態(tài)而進(jìn)行的操作。期間核查的目的是在2次校準(zhǔn)（年檢）之間的時(shí)間間隔期內(nèi)保持檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)狀態(tài)的可信度。形成《設(shè)備期間核查記錄表》，核查發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)停止使用該儀器設(shè)備，加貼停用標(biāo)識(shí)。安排相關(guān)人員組織維修，進(jìn)行原因分析，并核查對(duì)已完成的檢測(cè)/檢驗(yàn)結(jié)果的影響，直到消除故障和異常后才可恢復(fù)設(shè)備的使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和鐵路現(xiàn)場(chǎng)人員技術(shù)水平的提高，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)越來(lái)越好，同時(shí)也對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)能力要求越來(lái)越高。在提升檢測(cè)裝備能力的同時(shí)，也對(duì)量值的準(zhǔn)確統(tǒng)一、質(zhì)量的安全可靠提出了越來(lái)越高的要求。

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)MAP的核心是不確定度評(píng)定以及測(cè)量過(guò)程的統(tǒng)計(jì)控制、閉環(huán)量傳。通過(guò)傳遞標(biāo)準(zhǔn)使檢測(cè)車(chē)輛與鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室之間定期地保持著量值的溯源關(guān)系，又通過(guò)核查標(biāo)準(zhǔn)由檢測(cè)車(chē)輛隨時(shí)保持自查的關(guān)系，并把受控或失控狀態(tài)信息隨時(shí)反饋到實(shí)驗(yàn)室，形成封閉的監(jiān)控狀態(tài)。該MAP能夠有效地實(shí)現(xiàn)量值溯源，保證檢測(cè)車(chē)輛測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠和統(tǒng)一，為基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)體系提供了有效的監(jiān)管手段。