地鐵軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及研究

劉海軍

蘭州市軌道交通有限公司運(yùn)營(yíng)分公司 甘肅蘭州 730030

精準(zhǔn)掌握軌道動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)是保障列車安全、可靠、平穩(wěn)運(yùn)行的必要條件。目前國(guó)內(nèi)地鐵對(duì)軌道的平順性、舒適性要求越來(lái)越高，對(duì)軌道檢查設(shè)備也提出了更高的要求，因此高精度、髙效率、智能化的軌道內(nèi)部和外部幾何狀態(tài)檢查系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，顯得越來(lái)越重要，由于各類檢測(cè)技術(shù)都有優(yōu)缺點(diǎn)，各大研究、檢測(cè)機(jī)構(gòu)針對(duì)不同的需求和不同設(shè)備的優(yōu)勢(shì)也進(jìn)行了多種分析研究，有些檢測(cè)設(shè)備對(duì)高速檢測(cè)有很好的檢測(cè)效果，但不適應(yīng)于低度檢測(cè)，有些成本高昂，無(wú)法滿足資金困難的單位，有些無(wú)法滿足不同的檢測(cè)工況，本文針對(duì)以上多種缺陷進(jìn)行分析，來(lái)探討不同的解決方案[1]。

1 基于陀螺儀的動(dòng)態(tài)低速檢測(cè)

目前大型軌檢車檢測(cè)主要有慣性基準(zhǔn)法、弦測(cè)法。我國(guó)主流的軌道檢測(cè)設(shè)備均采用慣性基準(zhǔn)法，經(jīng)歷長(zhǎng)期發(fā)展、不斷改進(jìn)已經(jīng)有六代GJ-6型，目前的GJ-6型軌道檢測(cè)該系統(tǒng)利用模擬信號(hào)的光纖陀螺、加速度計(jì)、位移計(jì)，使用慣性測(cè)量技術(shù)、激光攝像檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字相機(jī)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和超限判斷等。其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)范圍廣、檢測(cè)精度高、檢測(cè)效率高。

而地鐵軌道檢測(cè)往往采用工程車提供動(dòng)力，拖動(dòng)網(wǎng)軌檢測(cè)車進(jìn)行檢測(cè)，國(guó)內(nèi)好多地鐵對(duì)工程車行駛有速度限制，尤其在道岔地段。當(dāng)軌道檢查車的檢測(cè)速度下限小于臨界值時(shí)，檢測(cè)結(jié)果發(fā)生失真，便會(huì)發(fā)生漏檢情況，存在一定的安全隱患，也會(huì)增大現(xiàn)場(chǎng)軌道工班的檢查工作量。

目前，在研究弦測(cè)法和慣性基準(zhǔn)法的基礎(chǔ)上，研究一種基于陀螺儀的軌道高低不平順低速檢測(cè)，完全不同于弦測(cè)法的高低不平順測(cè)量方法。將能感應(yīng)角度變化的陀螺儀安裝到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，根據(jù)構(gòu)架的點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)，陀螺儀反饋檢測(cè)出列車行駛時(shí)構(gòu)架俯仰角的變化，建立前后不同測(cè)點(diǎn)間的高低不平順幾何關(guān)系，由陀螺儀測(cè)得的俯仰角信號(hào)是軌道高低不平順按規(guī)律畸變的結(jié)果，其畸變特性由傳遞函數(shù)表達(dá)，通過(guò)設(shè)計(jì)逆濾波器對(duì)畸變波形進(jìn)行復(fù)原。而且陀螺儀受振動(dòng)的影響較小，測(cè)值的積分信號(hào)不易飽和，用于低速檢測(cè)高低不平順有很大優(yōu)勢(shì)，當(dāng)軌檢車速度較高時(shí)按目前的計(jì)算方法，當(dāng)速度較低時(shí)切換到該方法，從而得到較高的精度。

2 基于真實(shí)路況的車載動(dòng)態(tài)檢測(cè)

大型軌檢車由于高昂的造價(jià)，新地鐵運(yùn)營(yíng)前期一般不做配置，而且檢測(cè)周期較長(zhǎng)，不能及時(shí)對(duì)線路質(zhì)量檢測(cè)評(píng)價(jià)；而軌檢儀、添乘儀受里程、動(dòng)載等因素限制，也不能準(zhǔn)確反應(yīng)真實(shí)線路狀況，容易造成誤判。由此研究車載線路質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)也是軌道檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。根據(jù)輪軌動(dòng)力學(xué)與軌道不平順模型，計(jì)算輪軌間動(dòng)力響應(yīng)原理，直接輸出軌道幾何形變量，能夠真實(shí)反映出線路軌道在列車荷載作用下的幾何狀態(tài)，經(jīng)過(guò)處理器的分析處理，判斷出線路的動(dòng)態(tài)質(zhì)量，并針對(duì)性指導(dǎo)線路養(yǎng)修[2]。

目前添乘儀軌道信號(hào)采集部分，與鋼軌不是剛性接觸，且多以車體加速度作為評(píng)判線路質(zhì)量的理論依據(jù)。這種方式受速度、車型等諸多因素影響，信號(hào)采集的真實(shí)性必受影響。另外，添乘儀只能檢測(cè)到車體晃動(dòng)的垂向和縱向加速度，與列車速度高低有很大關(guān)系，與線路動(dòng)態(tài)形變沒(méi)有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此用車體加速度評(píng)判線路質(zhì)量不夠全面。

要真實(shí)全面檢測(cè)出線路動(dòng)態(tài)質(zhì)量，信號(hào)采集部分的安裝位置非常關(guān)鍵。若在車體內(nèi)安裝采集器，由于二系彈簧的減震影響，采集器檢測(cè)出的數(shù)據(jù)并非根據(jù)軌道線路缺陷所直接得出，并非軌道線路真正形變數(shù)據(jù)。另一方面，系統(tǒng)的檢測(cè)值受車況等因素的影響很大。因此，將信號(hào)采集部分安裝在二系簧以上不夠合理?？紤]將信號(hào)采集設(shè)備裝在一系簧上，一定程度上排除了車體因素的干擾，但受一系簧影響，不確定因素仍然存在，檢測(cè)數(shù)據(jù)仍有變化。如果傳感器直接安裝于列車一、四軸兩側(cè)軸箱上，可以排除上述諸多影響。采集的信息直接反饋出線路的狀態(tài)信息，為數(shù)據(jù)的真實(shí)性提供了可靠依據(jù)。此類車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)，最大的優(yōu)勢(shì)是可以準(zhǔn)確、直觀地檢測(cè)出線路質(zhì)量狀況。

3 基于手機(jī)傳感器的動(dòng)態(tài)添乘檢測(cè)

地鐵車輛多在隧道內(nèi)無(wú)GPS的環(huán)境下行駛，無(wú)法采用添乘儀的GPS里程定位技術(shù)，只能手工進(jìn)行每公里標(biāo)記定位，而列車往往不是勻速行駛，速度時(shí)刻變化，添乘儀不能實(shí)時(shí)記錄精確位置信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行速度的校正，不支持車輛的動(dòng)態(tài)變化，不能較好反映軌道狀態(tài)病害的準(zhǔn)確位置。

隨著智能手機(jī)內(nèi)置傳感器質(zhì)量和計(jì)算運(yùn)行速度的提升，可充分挖掘潛力，憑借能耗低、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，借用智能手機(jī)內(nèi)置傳感器監(jiān)測(cè)車體振動(dòng)響應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)高頻次監(jiān)測(cè)乘客舒適度和局部軌道不平順狀態(tài)。借用舒適性、指標(biāo)分析車體晃車的持續(xù)時(shí)間、頻率、加速度幅值，實(shí)現(xiàn)局部軌道不平順的定性監(jiān)測(cè)[3]。

智能手機(jī)檢測(cè)受測(cè)試環(huán)境變化、傳感器信噪比的影響，數(shù)據(jù)包含多種隨機(jī)誤差，經(jīng)系統(tǒng)性地?cái)?shù)據(jù)預(yù)處理修正以及坐標(biāo)偏角修正，手機(jī)縱向加速度經(jīng)二次積分初步預(yù)測(cè)車輛運(yùn)行里程，依據(jù)卡爾曼濾波修正車輛運(yùn)行里程預(yù)測(cè)誤差，里程誤差可控制在1m范圍內(nèi)，將車輛運(yùn)行速度、里程、舒適度指標(biāo)轉(zhuǎn)化為空間域，獲取車輛晃車點(diǎn)的里程位置，進(jìn)而提升查找現(xiàn)場(chǎng)病害效率。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，城市軌道交通正處于快速發(fā)展時(shí)期，隨著新技術(shù)、新領(lǐng)域的不斷深入研究，軌道檢測(cè)技術(shù)也在向信息化、智能化方向發(fā)展。不同的軌道檢測(cè)技術(shù)，都有其各自的優(yōu)勢(shì)所在，不同單位、不同線路應(yīng)根據(jù)自己的情況進(jìn)行研究、配置不同的檢測(cè)設(shè)備，為線路質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供一種新的高科技、高精準(zhǔn)的檢測(cè)手段，進(jìn)而保障車輛運(yùn)營(yíng)的安全性與舒適性。