基于海南運營動車組的軌道檢測系統(tǒng)研制及應(yīng)用

劉正毅，李 穎，胡蓮俊，譚 松，夏博光，魏世斌

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.海南鐵路有限公司?？诰C合維修段，海南?？?570000）

國內(nèi)外通常采用專用的車輛安裝軌道檢測設(shè)備，構(gòu)成軌道檢測車或綜合檢測車，用以對軌道進行周期性檢測［1］。近年來，一些國家開始研究一種新的方式，即將檢測設(shè)備安裝于運營列車［2］。該方式可節(jié)省人力和費用，并能提高檢測頻率和效率。

2012年美國聯(lián)邦鐵路管理局研發(fā)了一種新型軌道狀態(tài)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝在運營列車的轉(zhuǎn)向架或車體上，在列車運營過程中完成對軌道狀態(tài)的自動檢測。日本JR 東海公司將測試裝置安裝在運營列車上，達到每日對軌道進行檢測的目的。通過有效運用多趟運營列車的高頻率測試數(shù)據(jù)，可以對乘車舒適度不太好的區(qū)段事先制定出維修保養(yǎng)計劃。2008年JR東海公司將新研制的軌道裝置安裝到N700 系運營列車的6 個編組中，對軌道高低不平順每天測試數(shù)次。荷蘭RailData 公司開發(fā)出一種安裝在運營列車上的軌道檢測系統(tǒng)，通過測量和分析車輛加速度，對軌道質(zhì)量進行監(jiān)測和評價。此外，法國、德國、加拿大、巴西等國家均在研究和使用裝載在運營列車的檢測設(shè)備。

由國外在運營列車上加裝軌道檢測設(shè)備的實例可知，檢測設(shè)備檢測車輛加速度的較多，檢測軌道幾何參數(shù)的較少；應(yīng)用于低速車輛的較多，應(yīng)用于動車組的較少。日本、德國等少數(shù)國家也有在動車組上應(yīng)用軌道檢測設(shè)備的實例，但檢測項目較少。目前國內(nèi)最先進的GJ-6 型軌道檢測系統(tǒng)最高檢測速度可達400 km/h，但其設(shè)備過于分立，不適用于空間有限的運營動車組。在運營動車組上安裝的軌道檢測系統(tǒng)必須具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、易于維護、安全可靠的特點。

海南環(huán)島高速鐵路東線于2010年開通運營，若采用綜合檢測列車進行線路等速檢測需要其渡過瓊州海峽，會導(dǎo)致投入過大且設(shè)備使用效率低。為確保運營安全，基于CRH1A型運營動車組研制一套用于檢測軌道狀態(tài)的軌道檢測系統(tǒng)，以解決海南環(huán)島高速鐵路軌道狀態(tài)日常檢測的問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)采用高度集成的慣性組件（包括三軸加速度傳感器和三軸陀螺傳感器）安裝在檢測梁中間位置（此處采用轉(zhuǎn)向架做為檢測梁），測量檢測梁的運動姿態(tài)［3］。由激光攝像組件測量鋼軌與檢測梁的相對幾何關(guān)系，計算各項軌道幾何參數(shù)。系統(tǒng)傳感器安裝位置如圖1所示。其中：θ為檢測梁滾動角，繞x軸轉(zhuǎn)動，從y軸指向z軸為正方向，即當左軌較高時產(chǎn)生的滾動角為正方向；ψ為檢測梁俯仰角，繞y軸轉(zhuǎn)動，從z軸指向x軸為正方向，即當坡度上升時為正方向；φ為檢測梁搖頭角，繞z軸轉(zhuǎn)動，從x軸指向y軸為正方向；G為軌距；GL為左軌軌距點相對檢測梁的y向位移；GR為右軌軌距點相對檢測梁的y向位移；PL為左軌軌面頂點相對檢測梁的z向位移；PR為右軌軌面頂點相對檢測梁的z向位移；AL為檢測梁中心點的橫向加速度計的y向輸出；AV為檢測梁中心點的垂向加速度計的z向輸出；APL為垂向加速度計左側(cè)z向分量；APR為垂向加速度計右側(cè)z向分量；hL為檢測梁相對于軌距測量平面的垂直高度；ωx為檢測梁的滾動角速率；ωy為檢測梁的俯仰角速率；ωz為檢測梁的搖頭角速率。

圖1 傳感器安裝位置示意

對慣性組件安裝在轉(zhuǎn)向架上的情況分析可知，此轉(zhuǎn)向架相對于慣性空間的運動可以用剛體繞質(zhì)心運動方程得到，則剛體坐標系內(nèi)3 個坐標軸方向的角速度與剛體在3個方向上轉(zhuǎn)過的角度之間的關(guān)系為

由此可解算出檢測梁的姿態(tài)參數(shù)，結(jié)合激光攝像組件的輸出值，進而可導(dǎo)出軌道幾何參數(shù)。

2 軌道幾何參數(shù)計算模型

2.1 軌距

與GJ-6 型檢測系統(tǒng)一致，采用圖像處理方法由激光攝像組件提供單邊軌距［4］，通過CAN 總線方式傳輸給實時處理采集機進行實時處理，得到合成軌距G為

式中：Y為標準軌距，取1 435mm；yL，yR分別為圖像中左右軌距點實時y向坐標；YL，YR分別為圖像中左右軌距點零點位置。

2.2 曲率

曲率指軌道的彎曲程度，可用軌道中心線在單位長度內(nèi)轉(zhuǎn)動的角度來表示。搖頭陀螺位于轉(zhuǎn)向架上時，與GJ-6型陀螺安裝在車體上的曲率計算流程相比得到了簡化，減少了修正變量。搖頭陀螺測量轉(zhuǎn)向架的搖頭角，其輸出信號ωz為

由搖頭陀螺輸出值經(jīng)過濾波處理獲得曲率Curve為

2.3 水平（超高）

軌道水平是指2股鋼軌的頂面在直線地段應(yīng)保持在同一水平面，在曲線地段應(yīng)滿足外軌超高均勻和平順的要求。水平參數(shù)Crosslevel的表達式為

其中θt為軌道傾角，其表達式為

式中：zL，zR分別為圖像中左右軌頂點實時z坐標。

檢測梁相對于軌道的傾角θbt由圖像處理提供的垂向位移獲得。檢測梁的傾角θb需要由橫向加速度計測量的低頻成分θbL（包括檢測梁靜止時的傾角）和滾動陀螺測量的高頻成分θbH之和獲得，而檢測梁的搖頭運動會對橫向加速度計的輸出產(chǎn)生附加影響，因此將搖頭陀螺作為橫向加速度計的補償信號。

2.4 高低［5-8］

系統(tǒng)的慣性基準建立在檢測梁也就是轉(zhuǎn)向架上時，檢測梁中間的垂向加速度計測量z向加速度AV，而檢測梁是剛體，可以將其解算為左右兩側(cè)的z向加速度分量APL和APR。當列車運行而產(chǎn)生傾角時，重力加速度會在z向產(chǎn)生重力加速度分量AGP，檢測梁滾動加速度在z向的分量為ARP。則檢測梁左右端z向合成加速度ACPL和ACPR可表示為

由圖像得到左右鋼軌頂面z向偏移量PL，PR為

式中：ZL，ZR分別為圖像中左右軌高低點零點位置。

則左右高低參數(shù)ProfileL和ProfileR可表示為

2.5 軌向

安裝于檢測梁中心點的橫向加速度計輸出信號為AL，當檢測梁有傾角時重力加速度會在y向產(chǎn)生重力加速度分量AGR，檢測梁滾動加速度在y向的分量為ABR。則檢測梁中心點y向合成加速度AB為

結(jié)合由圖像所測得的左右軌距分量GL和GR，則左右軌向參數(shù)AlignmentL和AlignmentR可表示為

3 檢測數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用

3.1 檢測數(shù)據(jù)重復(fù)性對比

該軌道檢測系統(tǒng)具備檢測高低、軌向、軌距、水平、超高、三角坑等軌道幾何參數(shù)的功能，經(jīng)動態(tài)試驗調(diào)試與系統(tǒng)測試后，取線路任意1 000組檢測數(shù)據(jù)xi與當天重復(fù)數(shù)據(jù)yi進行對比（i= 1，2，…，1 000）。各幾何參數(shù)重復(fù)性差異值曲線見圖2。圖中每條曲線表示在線路上同一位置檢測系統(tǒng)對同一幾何參數(shù)2次檢測數(shù)據(jù)的差異值，共1 000個采樣點。

圖2 各幾何參數(shù)重復(fù)性差異值曲線

2 次測量數(shù)據(jù)差異值的絕對值δi=∣xi-yi∣，對δi由小到大排序，取排序后的第95百分位數(shù)描述檢測系統(tǒng)的重復(fù)性［9］。從當天的1 000 組重復(fù)數(shù)據(jù)中計算并選取各項幾何參數(shù)的δi，見表1，可知，該系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，遠優(yōu)于指標要求。

表1 數(shù)據(jù)重復(fù)性對比（第95百分位數(shù)） mm

3.2 檢測數(shù)據(jù)現(xiàn)場復(fù)核

系統(tǒng)研制完成后，組織專家組對系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)進行了上線復(fù)核，專家組對現(xiàn)場線路幾何尺寸進行了人工測量，并對現(xiàn)場靜態(tài)實測數(shù)據(jù)與動態(tài)檢測數(shù)據(jù)進行了對比，見表2。可知動靜態(tài)差值均在1 mm 范圍內(nèi)，說明了系統(tǒng)檢測結(jié)果的真實性、可靠性及準確性。

表2 系統(tǒng)動態(tài)檢測值與靜態(tài)人工測量值對比

3.3 系統(tǒng)檢測運營

自該系統(tǒng)上線檢測以來，累計檢測里程已超過15 萬km，工務(wù)管理人員可以根據(jù)需要和運營動車組的交路隨時安排檢測計劃，確保海南環(huán)島高速鐵路運營安全。例如，2018年1月某站整改施工后，上行線某段路基不太穩(wěn)定，通過對該系統(tǒng)數(shù)次檢測數(shù)據(jù)的對比分析，及時發(fā)現(xiàn)了上行線某處連續(xù)幾天內(nèi)高低最大變化量為8.35 mm，幾何參數(shù)變化較明顯。據(jù)此現(xiàn)場及時采取了相應(yīng)措施，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場維修作業(yè)。

4 結(jié)語

新研制的軌道檢測系統(tǒng)高度集成，適用于運營動車組架構(gòu)，并創(chuàng)新了數(shù)據(jù)處理方法與參數(shù)計算模型?，F(xiàn)場應(yīng)用情況表明：該套設(shè)備狀態(tài)良好，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，檢測數(shù)據(jù)的一致性和準確性高，為指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)和線路運行安全提供了科學(xué)依據(jù)，成功解決了海南環(huán)島高速鐵路的等速檢測問題。該系統(tǒng)更大的意義在于動車組具備載客和線路檢測的雙重功能，極大地節(jié)約了鐵路運營成本，提高了運營效率，探索了軌道由周期性檢測發(fā)展為實時監(jiān)測的可行性。