軌道與接觸網(wǎng)幾何檢測融合技術(shù)研究

張翼 杜馨瑜 王昊 戴鵬 魏世斌 陳仕明 薛憲堂 周威

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081

軌道及接觸網(wǎng)幾何參數(shù)是指導(dǎo)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修的重要指標(biāo)［1-2］。目前軌道和接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)相對獨(dú)立，兩系統(tǒng)依據(jù)里程定位信息進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，同步誤差較大。軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)中車體相對軌面的位移數(shù)據(jù)未被接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)用于補(bǔ)償計算，數(shù)據(jù)復(fù)用率低。因此，本文結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用的需求，重新設(shè)計軌道和接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)的硬件及軟件架構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)融合，并針對融合后的系統(tǒng)進(jìn)行實驗室測試，驗證數(shù)據(jù)同步性及準(zhǔn)確性。

1 融合系統(tǒng)硬件設(shè)計

在原有檢測系統(tǒng)架構(gòu)中（圖1），軌道和接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)各自獨(dú)立接收編碼器脈沖，形成等距采樣脈沖。里程定位服務(wù)器接收編碼器脈沖，等時發(fā)送定位信息至軌道和接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)，兩系統(tǒng)接收定位信息修正各自的實時里程，并將里程與檢測數(shù)據(jù)疊加后發(fā)送至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)對齊［3-5］。在此架構(gòu)中，兩系統(tǒng)采集卡獨(dú)立且里程定位服務(wù)器發(fā)送的定位信息密度低，不能覆蓋每一幀數(shù)據(jù)，同時通信網(wǎng)絡(luò)存在延時，導(dǎo)致兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)對齊有誤差［6］。

圖1 原有檢測系統(tǒng)架構(gòu)

融合后（圖2），軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)接收編碼器脈沖，將分頻后的等距脈沖轉(zhuǎn)發(fā)到接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)；接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)將計算結(jié)果經(jīng)CAN（Controller Area Network）總線發(fā)回軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)；軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)疊加同一等距脈沖對應(yīng)的數(shù)據(jù)，添加里程信息，發(fā)送至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器［7］。融合系統(tǒng)架構(gòu)中，接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)由獨(dú)立檢測系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺膶儆谲壍缼缀螀?shù)檢測系統(tǒng)的傳感器，數(shù)據(jù)對齊精度高，避免里程信息重復(fù)累加，提升了檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理效率。

圖2 融合后系統(tǒng)架構(gòu)

2 融合系統(tǒng)軟件設(shè)計

融合系統(tǒng)軟件基于QNX操作系統(tǒng)架構(gòu)，由主線程和子線程構(gòu)成，主線程負(fù)責(zé)初始化及各子線程的管理，子線程負(fù)責(zé)具體任務(wù)的實現(xiàn)。融合系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程如圖3所示［8-10］。

圖3 融合系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程

融合系統(tǒng)將主線程分為5個子線程，按優(yōu)先級由高到低依次為軌道及接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、檢測模型算法計算、數(shù)據(jù)里程添加、檢測數(shù)據(jù)發(fā)送、檢測數(shù)據(jù)顯示。檢測系統(tǒng)軟件運(yùn)行時QNX系統(tǒng)內(nèi)核根據(jù)優(yōu)先級設(shè)定，同時運(yùn)行多個進(jìn)程，在可預(yù)期的時間段內(nèi)完成不同子任務(wù)，保證了系統(tǒng)的實時性和執(zhí)行效率。

3 同步對齊試驗

測試時，如圖4所示，將L形工裝組件及軌道幾何參數(shù)檢測梁安裝到振動臺底座上，調(diào)節(jié)工裝件高度與測試臂伸出長度，使弓網(wǎng)幾何參數(shù)測試系統(tǒng)測量面完全覆蓋測試臂運(yùn)動軌跡，固定兩系統(tǒng)檢測梁及工裝件相對位置，使測量臂與弓網(wǎng)幾何測量面垂直且其初始位置與兩系統(tǒng)測量原點(diǎn)重合。此時振動臺橫向運(yùn)動，接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)拉出值及軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)左右側(cè)小組件橫向位移隨振動臺運(yùn)動呈現(xiàn)正弦波形，比對波峰及波谷相對位置可觀察數(shù)據(jù)同步對齊效果［11-12］。

圖4 測試現(xiàn)場

試驗得到的波形數(shù)據(jù)如圖5所示，圖中自上而下依次為接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)拉出值、軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)左側(cè)小組件橫向位移、軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)右側(cè)小組件橫向位移的波形。由于設(shè)備本身機(jī)械結(jié)構(gòu)緣故，拉出值波形的波峰及波谷與左側(cè)小組件橫向位移一致，與右側(cè)小組件橫向位移相反。經(jīng)波形分析比對，融合檢測系統(tǒng)同步性達(dá)到了測試需求。

圖5 波形數(shù)據(jù)

4 振動補(bǔ)償試驗

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測梁安裝于車頂，其測量基準(zhǔn)面為軌平面，軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)激光攝像組件的測量值可反映車體相對于軌平面的相對位置關(guān)系，將此數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)用，即可完成對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的補(bǔ)償計算［13］。試驗設(shè)備安裝如圖6所示。采用振動臺模擬車體相對于軌平面的運(yùn)動，接觸線與軌平面的相對位置固定，經(jīng)補(bǔ)償計算后的導(dǎo)高、拉出值在設(shè)定值附近上下波動，波動范圍即為目前補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差幅值［14］。

圖6 試驗設(shè)備安裝示意

4.1 靜態(tài)測量

靜止?fàn)顟B(tài)下，將振動臺側(cè)滾傾斜一定角度，測量導(dǎo)高及拉出值與初始設(shè)定值的誤差，結(jié)果見表1。可知，最大誤差在1 mm以內(nèi)，滿足精度要求。

表1 靜態(tài)測量誤差分析

4.2 動態(tài)垂向、橫向平移測量

振動臺垂向運(yùn)動，拉出值的變化忽略不計，每0.25 m設(shè)一個取樣點(diǎn)，測量導(dǎo)高并計算其與初始設(shè)定值之間的誤差，結(jié)果見圖7。

圖7 動態(tài)垂向平移時導(dǎo)高測量結(jié)果及補(bǔ)償后誤差

由圖7可知：補(bǔ)償前導(dǎo)高隨振動臺運(yùn)動呈正弦波形，峰峰值為25 mm；經(jīng)算法補(bǔ)償后，導(dǎo)高與設(shè)定值誤差在-0.7～0.7 mm。

振動臺橫向平移，導(dǎo)高忽略不計，每0.25 m設(shè)一個取樣點(diǎn)，測量導(dǎo)高并計算其與初始設(shè)定值之間的誤差，結(jié)果見圖8。

圖8 動態(tài)橫向平移時拉出值測量結(jié)果及補(bǔ)償后誤差

由圖8可知：補(bǔ)償前，拉出值隨振動臺運(yùn)動呈正弦波形，其峰峰值為25 mm；經(jīng)算法補(bǔ)償后，誤差在-0.6～0.7 mm。

4.3 動態(tài)滾動測量

振動臺控制檢測梁以列車前進(jìn)方向為軸作頻率為0.2 Hz的正弦擺動，最大幅值2.5°。接觸線相對軌面的位置不變，測量導(dǎo)高、拉出值，并計算其與初始設(shè)定值之間的誤差，結(jié)果見圖9。

圖9 動態(tài)滾動測量結(jié)果及補(bǔ)償后誤差

由圖9可知：隨著檢測梁的擺動，導(dǎo)高、拉出值的測量值均在初始狀態(tài)上下波動，其中導(dǎo)高變化幅值為25 mm，拉出值變化幅值為140 mm；導(dǎo)高、拉出值的測量精度均在-1.1～1.1 mm，誤差幅值不隨檢測梁擺動產(chǎn)生波動，補(bǔ)償精度滿足測量需求。

5 結(jié)語

本文確定了軌道與接觸網(wǎng)幾何參數(shù)融合檢測系統(tǒng)的硬件及軟件架構(gòu)，并進(jìn)行了實驗室驗證。融合系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可同步觸發(fā)并接收軌道及接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤且同步性好，可保證軌道及弓網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)的補(bǔ)償復(fù)用及融合輸出，為后續(xù)軟件調(diào)取任意采樣點(diǎn)的軌道與接觸網(wǎng)幾何參數(shù)信息提供支持，便于檢測數(shù)據(jù)的超限判斷和綜合分析。