ZXJ-160型綜合巡檢車檢測裝置試驗(yàn)方案設(shè)計及實(shí)施

方火根 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

ZXJ-160型綜合巡檢車（以下簡稱：綜合巡檢車）經(jīng)過了課題方案研究編制和評審、樣車設(shè)計制造、調(diào)試試驗(yàn)、試驗(yàn)評審等階段研制過程，2018年樣車分別在西安、上海局集團(tuán)公司通過了國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)檢中心、鐵科院集團(tuán)公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測所型式試驗(yàn)，目前綜合巡檢車已在上海局集團(tuán)公司高鐵線路上投入運(yùn)用考核。本文結(jié)合綜合巡檢車檢測裝置在衢九線常山至楊林區(qū)間性能試驗(yàn)，以軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置性能測試驗(yàn)證過程為主線，研究了科研試驗(yàn)大綱編制、試驗(yàn)方案設(shè)計的要點(diǎn)和方法，針對鐵路營業(yè)線科研試驗(yàn)特點(diǎn)，明確了試驗(yàn)流程和內(nèi)容，提出了試驗(yàn)準(zhǔn)備、現(xiàn)場試驗(yàn)和試驗(yàn)收尾階段過程控制與管理，對鐵路營業(yè)線涉及多專業(yè)的重大、綜合性科研試驗(yàn)或科研課題研發(fā)的新產(chǎn)品、新技術(shù)和新裝備試驗(yàn)具有一定的參考和借鑒意義。

1 綜合巡檢車總體組成及技術(shù)特點(diǎn)

綜合巡檢車是高速鐵路工、電、供關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備和沿線環(huán)境檢測監(jiān)測、綜合數(shù)據(jù)分析處理和運(yùn)營維修輔助決策技術(shù)支持為一體的特種車輛，主要由車輛平臺和檢測裝置兩大部分組成，采用一體化設(shè)計理念。如圖1所示，車輛平臺集成安裝工電供等專業(yè)10多套檢測裝置，主要包括軌道幾何參數(shù)、鋼軌廓形、軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)、隧道限界及輪廓、隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)、聲屏障狀態(tài)、雨量和風(fēng)力監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、接觸線磨耗、定位器坡度、接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)、電務(wù)軌旁設(shè)備狀態(tài)、TEDS軌旁設(shè)備狀態(tài)等檢測裝置和定位同步系統(tǒng)、車載綜合數(shù)據(jù)分析與處理中心平臺組成。其主要技術(shù)特點(diǎn)：①采用內(nèi)燃電傳動技術(shù)的軌道車平臺，最高運(yùn)行速度為160 km/h，整車與檢測裝置一體化設(shè)計；②采用三角法立體動態(tài)測量、PCA篩選、LDA建模、K-means聚類的缺陷自動識別、微秒時序下空間調(diào)制同步和超勻光照明與共焦檢測光電結(jié)構(gòu)等技術(shù)，提高幾何量檢測精度、圖像清晰度和自動識別率；②采用多專業(yè)同步采集、數(shù)據(jù)共享、綜合處理、關(guān)聯(lián)分析、趨勢預(yù)測和超限預(yù)警設(shè)計思路，實(shí)現(xiàn)對鐵路工電供專業(yè)沿線設(shè)備和環(huán)境監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)的一體化檢測與分析。

圖1 ZXJ-160型綜合巡檢車總體結(jié)構(gòu)布置圖

2 試驗(yàn)?zāi)康暮鸵罁?jù)

檢測裝置試驗(yàn)委托有資質(zhì)條件的檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)，依據(jù)審核批準(zhǔn)的《型式試驗(yàn)大綱》科學(xué)設(shè)置試驗(yàn)場景，保持設(shè)備狀態(tài)良好，獲取可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證被試驗(yàn)檢測裝置各項(xiàng)功能指標(biāo)是否滿足試驗(yàn)依據(jù)規(guī)定的要求。試驗(yàn)主要依據(jù)《ZXJ-160型綜合巡檢車通過試驗(yàn)評審意見》《高速鐵路綜合巡檢車暫行技術(shù)條件》《ZXJ-160型綜合巡檢車暫行技術(shù)條件》《ZXJ-160型綜合巡檢車檢測系統(tǒng)試驗(yàn)實(shí)施辦法》等有關(guān)規(guī)定及要求。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計

科研試驗(yàn)方案設(shè)計是試驗(yàn)研究工作的重要環(huán)節(jié)，需要將整個試驗(yàn)方法、試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)配合等工作條理化地描述清楚，最好采用表格形式表達(dá)，并對各種工況進(jìn)行編號，這樣既方便試驗(yàn)的實(shí)施，也便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。對于綜合巡檢車檢測裝置較為大型復(fù)雜的試驗(yàn)，為了有條理地設(shè)計執(zhí)行諸多試驗(yàn)項(xiàng)目，要求科研試驗(yàn)方案具有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)、規(guī)范的格式。首先要全面掌握理解試驗(yàn)依據(jù)，采用列表方式設(shè)計編制檢測裝置試驗(yàn)項(xiàng)目，明確試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)狀態(tài)、試驗(yàn)地點(diǎn)等要素，能夠?qū)?fù)雜的綜合性試驗(yàn)通過列表方式直觀地展示出來，便于計算、查找、分析和處理數(shù)據(jù)。其次將試驗(yàn)項(xiàng)目列表中檢測裝置逐項(xiàng)進(jìn)行試驗(yàn)方案研究，結(jié)合每一項(xiàng)檢測裝置用途、功能指標(biāo)等特點(diǎn)，主要從試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)依據(jù)、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)等方面設(shè)計試驗(yàn)方案，最終編制形成檢測裝置《型式試驗(yàn)大綱》。以軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置為例，設(shè)計試驗(yàn)方案主要包括以下7個部分組成。

（1）試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證被試綜合巡檢車的軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置是否滿足試驗(yàn)依據(jù)規(guī)定的要求。

（2）試驗(yàn)依據(jù)：《高速鐵路綜合巡檢車暫行技術(shù)條件》《ZXJ-160型綜合巡檢車暫行技術(shù)條件》。

（3）試驗(yàn)條件：[被試車]綜合巡檢車（ZXJ-160型）；[試驗(yàn)線路]上海局集團(tuán)公司衢九線常山～開化區(qū)間；[試驗(yàn)速度]最高速度160 km/h；[試驗(yàn)編組]單機(jī)。

（4）試驗(yàn)設(shè)備：標(biāo)定板、直尺等。

（5）試驗(yàn)方法:

①功能性驗(yàn)證：通過靜動態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置的功能。

②圖像分辨率驗(yàn)證：在常山高鐵線橋車間線路軌面、扣件和軌枕的位置設(shè)置棋盤式黑白格標(biāo)定板，讀取棋盤式黑白格標(biāo)定板空間寬度和對應(yīng)相機(jī)的像素值，驗(yàn)證圖像分辨率。

③扣件檢出率驗(yàn)證：抽取不同試驗(yàn)速度條件下，常山～開化區(qū)間250根連續(xù)軌枕左右軌各500個扣件的軌道結(jié)構(gòu)圖像數(shù)據(jù)，正向重復(fù)10次采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計分析得出扣件檢出率。

④光帶寬度測量精度驗(yàn)證：在常山高鐵線橋車間線路軌面粘貼5條均為20 mm寬的白色膠帶用來模擬光帶，根據(jù)采集到的圖像數(shù)據(jù)中白色膠帶像素值計算出模擬光帶的寬度，計算光帶寬度測量精度。

⑤表面擦傷、扣件異常自動識別率驗(yàn)證：在試驗(yàn)線路上制作鋼軌表面擦傷、扣件缺失、彈條斷裂和歪斜仿真樣本，分別以80 km/h、120 km/h和160 km/h的試驗(yàn)速度正向重復(fù)10次采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計分析表面擦傷和扣件異常自動識別率。

（6）試驗(yàn)內(nèi)容:

表1 軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置功能驗(yàn)證表

①功能性驗(yàn)證：通過試驗(yàn)，驗(yàn)證裝置的主要功能，主要包括圖像采集、圖像管理和圖像識別等模塊功能。記錄表樣式見表1所示。

②圖像分辨率驗(yàn)證：通過圖像的空間分辨率測試，驗(yàn)證圖像采集模塊獲取的圖像分辨率是否滿足評定標(biāo)準(zhǔn)要求，圖像分辨率=被拍攝棋盤式黑白格標(biāo)定板空間寬度/像素值。記錄表樣式見表2所示。

表2 軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置圖像分辨率記錄表

③扣件檢出率驗(yàn)證：抽取250根連續(xù)軌枕左右軌各500個扣件的圖像數(shù)據(jù),驗(yàn)證圖像采集模塊扣件檢出率，檢出率=檢出數(shù)量/設(shè)置數(shù)量×100%。記錄表樣式見表3所示。

表3 軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置扣件檢出率記錄表

④光帶寬度測量精度驗(yàn)證：線路軌面設(shè)置模擬光帶，根據(jù)采集到的圖像數(shù)據(jù)中模擬光帶的像素值計算出光帶寬度，驗(yàn)證光帶寬度測量精度。光帶寬度=圖像數(shù)據(jù)像素值×光帶區(qū)域垂直軌道方向的圖像分辨率。記錄表樣式見表4所示。

表4 軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置光帶寬度測量精度記錄表

⑤表面擦傷、扣件異常自動識別率驗(yàn)證：驗(yàn)證圖像識別模塊具有對表面擦傷、扣件異常自動識別功能，識別率=識別數(shù)量/設(shè)置數(shù)量×100%。表面擦傷自動識別記錄表樣式見表5所示，扣件異常自動識別記錄表樣式見表6所示。

表5 軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置鋼軌表面擦傷自動識別率記錄表

表6 軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置扣件異常自動識別率記錄表

（7）試驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)：①圖像分辨率：≤1 mm/pixel；②可自動識別扣件缺失、彈條歪斜等異常，自動識別率＞80%；③可自動識別15 mm×15 mm以上的鋼軌表面擦傷及剝離掉塊，自動識別率＞80%；④光帶寬度（mm）：±1.0；⑤扣件檢出率≥99%。

4 試驗(yàn)實(shí)施

現(xiàn)場測試試驗(yàn)是驗(yàn)證設(shè)備性能指標(biāo)、技術(shù)規(guī)定、管理規(guī)范是否符合設(shè)計目標(biāo)，是否符合實(shí)際生產(chǎn)需要，是否滿足安全性、穩(wěn)定性和可靠性的重要手段和方法。本次檢測裝置動、靜態(tài)調(diào)試和試驗(yàn)安排在常山高鐵線橋車間存車線和衢九線常山至楊林站間營業(yè)線上進(jìn)行，涉及專業(yè)部門多、參試人員多、試驗(yàn)項(xiàng)目多、試驗(yàn)時間長、安全風(fēng)險大等特點(diǎn)，為加強(qiáng)和規(guī)范綜合巡檢車試驗(yàn)管理，建立了試驗(yàn)準(zhǔn)備、現(xiàn)場試驗(yàn)和試驗(yàn)收尾工作管理制度，為全面、細(xì)致地對檢測裝置技術(shù)性能和運(yùn)用安全可靠性驗(yàn)證提供保障。

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備階段

4.1.1 現(xiàn)場試驗(yàn)條件考察

通過對試驗(yàn)區(qū)段沿線基礎(chǔ)設(shè)施及環(huán)境狀況實(shí)地勘察，選擇符合《型式試驗(yàn)大綱》要求的試驗(yàn)線路區(qū)間。綜合考慮試驗(yàn)樣車停放點(diǎn)為常山高鐵線橋車間、以及試驗(yàn)速度、天窗時間、場景設(shè)置等因素，通過分析比選確定衢九線常山~開化為試驗(yàn)區(qū)間。試驗(yàn)區(qū)間沿線有7座隧道、5處聲屏障、3處風(fēng)速雨量監(jiān)測點(diǎn)。

4.1.2 制訂試驗(yàn)實(shí)施方案

試驗(yàn)組織單位根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)要求，研究制訂《ZXJ-160型綜合巡檢車檢測系統(tǒng)試驗(yàn)實(shí)施辦法》和《ZXJ-160型綜合巡檢車檢測系統(tǒng)試驗(yàn)總體計劃和任務(wù)分工》等試驗(yàn)文件，明確試驗(yàn)依據(jù)和目的、試驗(yàn)組織和任務(wù)分工、試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)列車運(yùn)行管理和安全管理等內(nèi)容。同時成立試驗(yàn)工作現(xiàn)場指揮組，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)試驗(yàn)列車檢測系統(tǒng)試驗(yàn)工作，解決現(xiàn)場試驗(yàn)過程中的問題，確?！鞍雌?、優(yōu)質(zhì)、高效、安全”的完成試驗(yàn)任務(wù)。

4.1.3 現(xiàn)場試驗(yàn)條件準(zhǔn)備

試驗(yàn)開始前，試驗(yàn)工作現(xiàn)場指揮組召開試驗(yàn)協(xié)調(diào)會，聽取參試單位各項(xiàng)試驗(yàn)準(zhǔn)備情況，對接試驗(yàn)方案實(shí)施過程中的配合工作，建立試驗(yàn)例會和工作聯(lián)系制度，明確試驗(yàn)列車日運(yùn)輸組織計劃編制和公布、行車組織指揮、試驗(yàn)列車庫內(nèi)股道轉(zhuǎn)線、試驗(yàn)區(qū)段場景設(shè)置、安全協(xié)議簽訂等相關(guān)事項(xiàng)，確保試驗(yàn)計劃、人員、設(shè)備、材料、場景、安全等各環(huán)節(jié)準(zhǔn)備就緒，具備上線試驗(yàn)條件。

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)階段

4.2.1 試驗(yàn)運(yùn)輸組織

試驗(yàn)列車上線運(yùn)行嚴(yán)格按照《ZXJ-160型綜合巡檢車檢測系統(tǒng)試驗(yàn)總體計劃》規(guī)定的試驗(yàn)時間、試驗(yàn)項(xiàng)目、地點(diǎn)（區(qū)間）、參加單位、試驗(yàn)內(nèi)容等要求，由課題單位根據(jù)試驗(yàn)需要，提前2天向運(yùn)輸部門提出試驗(yàn)計劃需求，運(yùn)輸部門編制試驗(yàn)列車日運(yùn)輸組織計劃并在試驗(yàn)前1天公布，調(diào)度所按照車站操作模式組織試驗(yàn)列車運(yùn)行，并組織做好應(yīng)急救援準(zhǔn)備。

4.2.2 性能測試驗(yàn)證

檢測裝置性能測試驗(yàn)證主要包括現(xiàn)場仿真樣本制作、各種速度等級下通過試驗(yàn)區(qū)間數(shù)據(jù)采集、依據(jù)規(guī)定試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、對照試驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)判斷是否符合規(guī)定的設(shè)計要求、恢復(fù)仿真樣本設(shè)置等。以軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置性能測試驗(yàn)證為例，試驗(yàn)流程主要包括以下6個部分組成。

（1）試驗(yàn)區(qū)段：衢九線常山-開化，k34+091～k55+332。

（2）現(xiàn)場仿真樣本制作：為了便于現(xiàn)場仿真樣本設(shè)置、日常檢查和管理，采取小區(qū)間集中設(shè)置方法，選擇衢九線常山-開化區(qū)間（k45+500～k46+0）。根據(jù)《型式試驗(yàn)大綱》要求設(shè)置仿真樣本，具體見表7所示，由設(shè)備單位申請施工維修天窗，派人提供安全防護(hù)，課題單位和測試專家組負(fù)責(zé)現(xiàn)場仿真樣本設(shè)置和驗(yàn)收確認(rèn)，確?，F(xiàn)場仿真樣本設(shè)置科學(xué)、安全可靠。

表7 軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置仿真樣本列表

（3）試驗(yàn)速度：80 km/h、120 km/h、160 km/h。

（4）試驗(yàn)次數(shù)：80 km/h在試驗(yàn)區(qū)段往返1次，120 km/h和160 km/h在試驗(yàn)區(qū)段各往返2次，共采集數(shù)據(jù)10次。

（5）試驗(yàn)開行計劃：①綜合巡檢車以80 km/h檢測速度進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)段往返1次采集圖像數(shù)據(jù)；②綜合巡檢車以120 km/h檢測速度進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)段往返2次采集圖像數(shù)據(jù)；③綜合巡檢車以160 km/h檢測速度進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)段往返2次采集圖像數(shù)據(jù)。

（6）試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析：依據(jù)規(guī)定試驗(yàn)方法將軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置5類功能指標(biāo)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別填入記錄表，將采用假設(shè)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法對記錄表數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，對照試驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)判斷結(jié)果是否符合規(guī)定的設(shè)計要求。

4.3 試驗(yàn)收尾階段

在試驗(yàn)執(zhí)行期間試驗(yàn)收尾管理工作包括每日收尾管理和最終收尾管理，是確保整個試驗(yàn)成功的重要手段。每日試驗(yàn)收尾管理應(yīng)把控綜合巡檢車入庫檢查維護(hù)、現(xiàn)場設(shè)備巡檢、試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和保存、試驗(yàn)日交班（進(jìn)度、效果、配合、安全等評估和控制）等環(huán)節(jié)管理。最終試驗(yàn)收尾管理應(yīng)把控檢測數(shù)據(jù)收集整理、與測試專家組溝通、試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)核對和交接、現(xiàn)場仿真樣本恢復(fù)、綜合巡檢車檢查維護(hù)和安全存放、試驗(yàn)資料檔案保管和試驗(yàn)總結(jié)等管理。通過加強(qiáng)試驗(yàn)收尾階段管理，以確保試驗(yàn)有序推進(jìn)并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語

綜合巡檢車檢測裝置于2018年11月～12月在衢九線全部完成了性能驗(yàn)證試驗(yàn)，上海局集團(tuán)公司（科研所）研制的九套檢測裝置測試項(xiàng)目均符合《綜合巡檢車（ZXJ-160型）檢測系統(tǒng)型式試驗(yàn)大綱》的要求。通過本次鐵路營業(yè)線科研試驗(yàn)全過程的研究與實(shí)踐，較為詳細(xì)的闡述軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)巡檢裝置試驗(yàn)大綱編制、試驗(yàn)方案設(shè)計和試驗(yàn)實(shí)施等方面要點(diǎn)、方法、流程及應(yīng)對措施，其他檢測裝置性能驗(yàn)證試驗(yàn)類同，對開展鐵路營業(yè)線科研試驗(yàn)，加強(qiáng)試驗(yàn)管理，提高試驗(yàn)質(zhì)量，保障試驗(yàn)安全具有一定指導(dǎo)作用。