城軌車載式軌道服役狀態(tài)在線檢測(cè)系統(tǒng)研究

夏志成, 李 晉, 單麗梅, 陳小英, 黃亞唯, 石 慧

(1.北京錦鴻希電信息技術(shù)股份有限公司， 北京 100070；2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司， 廣州 510330)

0 引言

在城市軌道交通中，由于列車運(yùn)行速度較快、行車密度高、客流量大，加上線路條件復(fù)雜，平面曲線和縱斷面坡道比重大，小半徑曲線、大坡度線路均不可避免. 因此，主要的軌道部件受力環(huán)境惡劣，由此會(huì)引起主要部件如鋼軌、扣件、整體道床、道岔等的傷損[1].

鋼軌作為軌道的重要組成部件，其健康狀態(tài)對(duì)城軌列車的安全運(yùn)營(yíng)有著重大的意義，因此需要及時(shí)地進(jìn)行檢測(cè)和維修，排除列車運(yùn)營(yíng)的安全隱患[2].

通過(guò)對(duì)各種復(fù)雜惡劣運(yùn)營(yíng)環(huán)境下的城軌軌廓、軌距等的實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)、線路服役能力預(yù)測(cè)技術(shù)、軌道不平順時(shí)的使用壽命預(yù)測(cè)評(píng)估技術(shù)研究，研制出基于電客車的軌道狀態(tài)檢測(cè)和基于實(shí)時(shí)狀態(tài)的軌道服役能力評(píng)估系統(tǒng). 該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種軌道健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和異常位置的自動(dòng)定位，通過(guò)地面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)健康趨勢(shì)分析，異常監(jiān)測(cè)告警，可同時(shí)監(jiān)測(cè)軌道軌廓及磨耗、軌道幾何尺寸以及軌道波磨狀態(tài). 該系統(tǒng)可在不影響運(yùn)營(yíng)列車正常運(yùn)行的情況下實(shí)時(shí)檢測(cè)，將檢測(cè)周期提高到日檢等級(jí)，能有效提高檢測(cè)時(shí)效性，更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題.

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前智能感知技術(shù)發(fā)展迅速，軌道檢測(cè)裝備正朝著實(shí)時(shí)高效、多維度檢測(cè)的方向發(fā)展. 近年來(lái)，國(guó)外對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的研究和應(yīng)用取得了一定進(jìn)展. 美國(guó)和荷蘭均研發(fā)了一種自帶能源的新型軌道狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)[3-4]. 英國(guó)、德國(guó)、新加坡、中國(guó)香港等發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)的大部分線路城軌車輛已安裝車載自動(dòng)軌道檢測(cè)裝置[5]. 國(guó)內(nèi)地鐵主要采用軌檢車進(jìn)行軌道檢測(cè)，軌檢車不具備載客運(yùn)營(yíng)功能[6-7].

朱家梁等[8]提出了1種基于激光傳感器的鋼軌軌廓檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于鋼軌軌廓可達(dá)到動(dòng)態(tài)高精度、高可靠性的檢測(cè)；魏世斌等[9]提出的軌道檢測(cè)系統(tǒng)主要檢測(cè)軌道幾何尺寸偏差，包括軌距、軌向、高低、三角坑的幾何不平順，但只能在高速綜合檢測(cè)車和普通軌道檢測(cè)車上應(yīng)用；朱朝剛等[10]研發(fā)了激光式自動(dòng)化檢測(cè)鋼軌波磨裝置，該研究裝置檢測(cè)時(shí)放置于鋼軌上，能穩(wěn)定、準(zhǔn)確地采集鋼軌波磨數(shù)據(jù)；王琰[11]研究設(shè)計(jì)了1種鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成在軌檢車上，可定期檢測(cè)鋼軌輪廓全斷面幾何參數(shù). 由此可見，這些裝置都是針對(duì) 1種或2種軌道病態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，且多安裝在軌道檢測(cè)車上. 安裝在城軌運(yùn)營(yíng)車上，能實(shí)現(xiàn)軌道多種病害檢測(cè)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)未見報(bào)道.

2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)車上增加激光傳感器，以實(shí)現(xiàn)軌道狀態(tài)的監(jiān)測(cè)功能. 可實(shí)現(xiàn)多種軌道健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和異常位置的自動(dòng)定位，通過(guò)地面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)健康趨勢(shì)分析，異常監(jiān)測(cè)告警. 可監(jiān)測(cè)的主要軌道狀態(tài)如下：

1)軌廓監(jiān)測(cè)：包括垂直磨耗、側(cè)面磨耗、總磨耗、鋼軌廓型監(jiān)測(cè)；

2)軌道幾何尺寸監(jiān)測(cè)：包括軌距、水平、超高、左/右軌高低、左/右軌軌向和三角坑監(jiān)測(cè)；

3)軌道波磨監(jiān)測(cè).

3 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光測(cè)量、弦測(cè)法、慣導(dǎo)測(cè)量等原理，運(yùn)用車載診斷主機(jī)、激光光源、高速相機(jī)、標(biāo)簽讀取器、光電編碼器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道狀態(tài)的監(jiān)測(cè). 同時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)車載通信網(wǎng)關(guān)和車載天線實(shí)現(xiàn)下地. 系統(tǒng)組成見圖1.

圖1 系統(tǒng)組成

其中激光光源、高速相機(jī)用于列車運(yùn)行時(shí)軌道相關(guān)參數(shù)的測(cè)量；車載診斷主機(jī)用于檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算、處理；車載無(wú)線網(wǎng)關(guān)、天線用于系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息的車地間傳輸；標(biāo)簽讀取器、光電編碼器用于車輛定位；車地傳輸網(wǎng)絡(luò)為運(yùn)營(yíng)商的4G網(wǎng)絡(luò)，為車載監(jiān)測(cè)信息向地面?zhèn)鬏斕峁o(wú)線通道.

3.1 檢測(cè)模塊

運(yùn)用吊臂、檢測(cè)梁、測(cè)量組件、車載軌道檢測(cè)主機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè).

3.2 定位模塊

通過(guò)光電編碼器計(jì)算出車輛的行駛距離，確定車輛的位置信息；通過(guò)標(biāo)簽讀取器得到的電子標(biāo)簽內(nèi)的里程編碼信息，對(duì)當(dāng)前檢測(cè)位置進(jìn)行校準(zhǔn)，避免累積誤差的產(chǎn)生.

3.3 系統(tǒng)控制與處理模塊

車載軌道檢測(cè)主機(jī)主要用于接收處理各測(cè)量組件采集的信息，對(duì)采集的軌道狀態(tài)信息進(jìn)行分析診斷.

3.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

車地傳輸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用中國(guó)移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)，為車載檢測(cè)數(shù)據(jù)向地面?zhèn)鬏斕峁o(wú)線通道.

車載數(shù)據(jù)經(jīng)由車載天線，通過(guò)運(yùn)營(yíng)商4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，在云平臺(tái)布置地面分析系統(tǒng)，地鐵人員通過(guò)用戶終端訪問(wèn)地面分析系統(tǒng).

4 測(cè)量方法

4.1 軌道波磨測(cè)量

軌道波磨是軌道損傷的1種主要類型，是鋼軌延縱向表面出現(xiàn)的周期性的類似波浪形狀的不平順現(xiàn)象. 波磨傷損具有分布廣、波長(zhǎng)短、幅值小的特點(diǎn)，在地鐵等城市軌道交通方面，由于小半徑曲線多，站間距小，波浪磨耗相對(duì)嚴(yán)重.

4.1.1 基于弦測(cè)法的鋼軌波磨檢測(cè)

波磨測(cè)量采用不等弦測(cè)量方法，如圖2中：l為總弦長(zhǎng)；a、b分別為短弦長(zhǎng)和長(zhǎng)弦長(zhǎng)；f1、f2和f3分別為檢測(cè)基準(zhǔn)梁到鋼軌面的距離，由檢測(cè)設(shè)備通過(guò)位移傳感器可獲??；x1、x2和x3分別為鋼軌面到軌道不平順基準(zhǔn)的距離，即軌道不平順幅值.

圖2 不等弦測(cè)法圖

根據(jù)集合關(guān)系有：

(1)

式中，f(x)為軌道不平順不等弦正矢值.

由于3個(gè)測(cè)量點(diǎn)經(jīng)歷相同的軌道不平順，只是存在固定相位差.如果令M(X)為2點(diǎn)經(jīng)歷的不平順，則有：

(2)

4.1.2 基于逆濾波的弦測(cè)還原法

由于弦測(cè)法的傳遞函數(shù)不為1，對(duì)實(shí)際波形進(jìn)行放大或縮小，當(dāng)做出幅頻特性相應(yīng)曲線后，就可相應(yīng)做出逆濾波器的幅頻特性響應(yīng)曲線，進(jìn)而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的逆濾波器. 對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)序列進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高測(cè)量精度.

采用結(jié)構(gòu)光測(cè)量法，按照設(shè)定的弦長(zhǎng)，短弦長(zhǎng)62.5 mm和長(zhǎng)弦長(zhǎng)87.5 mm，在鋼軌正上方部署3組激光2D測(cè)量組件，采用激光光源和高速面陣相機(jī)，測(cè)量每個(gè)鋼軌斷面軌頂中點(diǎn)到測(cè)量基準(zhǔn)的距離.

圖3 軌道波磨測(cè)量示意圖

4.2 鋼軌廓形測(cè)量

鋼軌廓形及磨耗檢測(cè)是指在線路上測(cè)量鋼軌橫向斷面輪廓，實(shí)現(xiàn)手段是通過(guò)高強(qiáng)度線激光對(duì)鋼軌橫斷面打光突出截面外沿，再通過(guò)圖像成像的方式采集數(shù)據(jù)，通過(guò)圖像處理的方式實(shí)現(xiàn)測(cè)量. 具體采集方式如下圖所示，由4組激光結(jié)構(gòu)光攝像采集設(shè)備將含有鋼軌廓形信息的調(diào)制激光光條圖像傳輸至圖像處理設(shè)備.

圖4 鋼軌廓形測(cè)量原理圖

鋼軌頂面磨耗檢測(cè)位置為：距離鋼軌工作側(cè) 1/3軌寬處. 鋼軌工作側(cè)側(cè)面磨耗檢測(cè)位置為：鋼軌工作側(cè)距鋼軌項(xiàng)部以下16 mm高度處.

4.3 軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)

4.3.1 軌距測(cè)量

在走行面以下距離走行面zp(=16 mm)的位置測(cè)量2股鋼軌作用邊之間的距離G.

由軌檢梁的數(shù)學(xué)模型可知，正x軸方向，指向列車前進(jìn)方向；正y軸方向，與x軸相垂直，指向右側(cè)水平方向；正z軸方向，與x軸、y軸相垂直，指向向下的方向，以軌檢梁中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，則激光平面的方程可表示為x=0.

圖5 軌距測(cè)量

根據(jù)攝像檢測(cè)理論的共線方程，可推導(dǎo)出鋼軌軌廓上的任意一點(diǎn)坐標(biāo)(y,z)與其在圖像中的像點(diǎn)坐標(biāo)(u,v)的對(duì)應(yīng)關(guān)系.為了提高檢測(cè)精度，需要更多的物點(diǎn)、像點(diǎn)對(duì)，用最小二乘法解出8個(gè)隱參數(shù).還需要標(biāo)定激光攝像組件的安裝角度和相互間的安裝距離K.測(cè)量過(guò)程為，由兩套激光攝像組件測(cè)得鋼軌輪廓圖像，通過(guò)坐標(biāo)變換，找到軌頂面下16 mm的軌距測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)換算得到軌距點(diǎn)相對(duì)軌距測(cè)量基準(zhǔn)y方向的距離，與兩套激光攝像組件安裝點(diǎn)的距離之和即為軌距.

4.3.2 軌向(左右軌)測(cè)量

軌向描述的是每條鋼軌的橫向平直度，軌向的測(cè)量點(diǎn)P與軌距的測(cè)量點(diǎn)相同.軌向是點(diǎn)P在y方向的連續(xù)位置的偏移yp，表示為平均水平位置(參考線)在規(guī)定波長(zhǎng)范圍上的偏移并從連續(xù)測(cè)量計(jì)算而得出(參見圖6).

1.走行面；2.參考線；3.走行面的中心線圖6 軌向測(cè)量

使用慣性法測(cè)量軌向不平順，利用安裝在檢測(cè)梁上的慣性組件測(cè)得檢測(cè)梁的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，建立水平方向的慣性基準(zhǔn). 使用檢測(cè)梁兩端的激光攝像組件測(cè)得鋼軌相對(duì)于檢測(cè)梁的橫向位移. 從而可計(jì)算出每側(cè)鋼軌的軌向參數(shù).

軌向參數(shù)同時(shí)提供多種輸出：空間曲線輸出和弦測(cè)值輸出. 空間曲線具有1.5～120 m的波長(zhǎng)范圍，最大限值是可進(jìn)行選擇設(shè)置的，通常使用25 m的截止波長(zhǎng). 弦測(cè)輸出的弦長(zhǎng)也是可選的，通常使用10 m弦長(zhǎng).

4.3.3 高低(左右軌)測(cè)量

高低是鋼軌在連續(xù)走行面上沿z軸方向的偏差zp，用垂直方向(參考線)的偏差表示，通過(guò)連續(xù)測(cè)量計(jì)算得到并覆蓋了整個(gè)波長(zhǎng)范圍.

1.走行面； 2.參考線圖7 高低測(cè)量

高低參數(shù)同時(shí)提供多種輸出：空間曲線輸出和弦測(cè)值輸出. 空間曲線具有1.5～120 m的波長(zhǎng)范圍，最大限值是可進(jìn)行選擇設(shè)置的，通常使用25 m的截止波長(zhǎng). 弦測(cè)輸出的弦長(zhǎng)也是可選的，通常使用10 m弦長(zhǎng).

4.3.4 水平(超高)測(cè)量

水平指同一軌道橫斷面上左右鋼軌走行面高度上的差異. 在曲線上人為設(shè)計(jì)的內(nèi)外軌高度差稱為超高，描述水平不平順時(shí)濾除超高的影響.

通過(guò)計(jì)算走行面和水平參考面之間的角度而求出水平. 它表示為右三角的垂直邊的高度(參見圖8). 軌距為1 435 mm，直角三角形斜邊為1 500 mm.

1.超高； 2.走行面； 3.水平參考面； 4.直角三角形斜邊圖8 超高測(cè)量

在直線地段的線路水平和在曲線地段的超高是由測(cè)量線路表面的傾角而確定的. 慣性參考平臺(tái)的相對(duì)于水平面的傾角由慣性組件測(cè)得，慣性組件安裝在檢測(cè)梁上. 信號(hào)處理時(shí)考慮車速、離心加速度、偏航角等因素帶來(lái)的影響而做出相應(yīng)的補(bǔ)償. 檢測(cè)梁相對(duì)于線路的傾斜是由激光攝像組件測(cè)得的左右鋼軌的垂向位移計(jì)算而得的.

4.3.5 三角坑(線路扭曲)測(cè)量

為左右兩軌頂面相對(duì)軌道平面的扭曲，用相距一定基長(zhǎng)水平的代數(shù)差表示. 三角坑是在18 m范圍內(nèi)， 2軌鋼軌存在3個(gè)及以上的坑洼或突起. 若以左軌為基準(zhǔn)軌，在右軌上出現(xiàn)負(fù)—正—負(fù)或正—負(fù)—正的交替水平差時(shí)就叫做三角坑(左軌比右軌高為正，比右軌低為負(fù)). 在正或負(fù)的3個(gè)數(shù)值中符號(hào)相反，數(shù)值最大的兩數(shù)絕對(duì)值之和即為三角坑的值.

同一軌道左右鋼軌頂面相對(duì)軌道平面的扭曲，通過(guò)計(jì)算相隔固定距離的水平值的代數(shù)差得到三角坑派生項(xiàng).三角坑(扭曲)主要反映一定間距兩股鋼軌軌頂?shù)钠矫嫘?如圖9所示，若兩股鋼軌軌頂面abcd點(diǎn)不在一個(gè)平面上，c點(diǎn)到abd三點(diǎn)組成平面的垂直距離h為扭曲值，見式(3)：

h=(a-b)-(c-d)=Δh1-Δh2

(3)

式中，Δh1-Δh2為一定基長(zhǎng)時(shí)2軌道斷面的水平代數(shù)差，基長(zhǎng)可任意選取.

5 系統(tǒng)安裝

為實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道狀態(tài)的采集、監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)在車輛上安裝檢測(cè)梁及測(cè)量部件、車載軌道檢測(cè)主機(jī)、車載通信網(wǎng)關(guān)、車載天線、光電編碼器、標(biāo)簽讀取器等.

1)為實(shí)現(xiàn)軌廓、幾何尺寸監(jiān)測(cè)，將結(jié)構(gòu)光測(cè)量組件、慣導(dǎo)測(cè)量組件等安裝在車體下方檢測(cè)梁上.

圖9 軌廓、軌道幾何尺寸檢測(cè)設(shè)備

2)為獲取車輛位置信息，車輛定位設(shè)備光電編碼器安裝于軸端，標(biāo)簽讀取器安裝于車底.

3)為實(shí)現(xiàn)軌道波磨監(jiān)測(cè)，需要安裝波磨監(jiān)測(cè)組件，安裝方式如圖10所示. 波磨檢測(cè)箱安裝在橫梁左右兩側(cè)的吊臂上，橫梁左右兩側(cè)各使用4顆六角螺桿帶孔螺栓M16×80螺栓固定在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架端面；各結(jié)構(gòu)及傳感器之間均用鋼絲繩鎖緊，防止脫落.

圖10 軌道波磨監(jiān)測(cè)設(shè)備

4)車載軌道檢測(cè)主機(jī)主要用于接收處理各測(cè)量組件采集的信息，對(duì)采集的軌道狀態(tài)信息進(jìn)行分析診斷，車載通信網(wǎng)關(guān)和車載天線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，這3部分都安裝固定在機(jī)柜內(nèi)部.

6 系統(tǒng)創(chuàng)新

1)基于運(yùn)營(yíng)車輛的在線檢測(cè)系統(tǒng)

與傳統(tǒng)軌檢車按月檢測(cè)的頻率相比，本系統(tǒng)安裝于運(yùn)營(yíng)車上，可每日多次對(duì)軌道各類病害進(jìn)行密集檢測(cè). 通過(guò)多次數(shù)據(jù)比對(duì)，可準(zhǔn)確反映線路日常變化，為后續(xù)線路精準(zhǔn)狀態(tài)維修提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

2)檢測(cè)項(xiàng)目集成化水平高

本系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首套將軌廓、軌道幾何尺寸、鋼軌波磨多種檢測(cè)項(xiàng)目集成于一體的檢測(cè)系統(tǒng). 該系統(tǒng)集成化水平高，在檢測(cè)項(xiàng)目比普通軌檢車增多的情況下，處理設(shè)備僅僅使用6U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜空間，相比于傳統(tǒng)軌檢車1～2個(gè)機(jī)柜，空間占用大大縮小.

3)軌道幾何檢測(cè)梁與處理設(shè)備安裝位置

與傳統(tǒng)軌檢車傳感器安裝在轉(zhuǎn)向架相比，本系統(tǒng)軌道幾何檢測(cè)梁安裝于車體下方，這樣的安裝位置可避免轉(zhuǎn)向架安裝所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn). 尤其是運(yùn)營(yíng)車輛，轉(zhuǎn)向架在強(qiáng)調(diào)安全性的同時(shí)還要求互換性，更需要車體安裝來(lái)解決該問(wèn)題. 處理設(shè)備因?yàn)橹徽加?U空間，所以可選擇車體下方專用設(shè)備倉(cāng)、座位下方設(shè)備柜以及地鐵車輛設(shè)備柜等位置進(jìn)行安裝，方式靈活.

4)數(shù)據(jù)展示與處理

與傳統(tǒng)軌檢車相比，該系統(tǒng)將傳感器數(shù)據(jù)在車上完成初步的合成計(jì)算，通過(guò)車載綜合診斷系統(tǒng)，將處理結(jié)果無(wú)線傳輸至地面數(shù)據(jù)中心，在地面中心完成對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的展示以及各類超限數(shù)據(jù)的評(píng)判. 該種無(wú)人值守的方式可減少檢測(cè)人員數(shù)量. 另外，該系統(tǒng)可安裝在多條線路的運(yùn)營(yíng)車輛上，地面中心可同時(shí)監(jiān)控多條線路實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，真正做到線路安全數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

5)基于激光結(jié)構(gòu)光的波浪磨耗檢測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)中的波浪磨耗檢測(cè)系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首套利用三斷面線結(jié)構(gòu)光進(jìn)行波浪磨耗檢測(cè)的設(shè)備. 該設(shè)備有效避免了傳統(tǒng)波浪磨耗系統(tǒng)中激光位移傳感器因車輛姿態(tài)晃動(dòng)帶來(lái)的干擾，同時(shí)不再安裝伺服機(jī)構(gòu)等移動(dòng)設(shè)備，從安全性與準(zhǔn)確性方面較傳統(tǒng)設(shè)備均有較大提高.

7 結(jié)束語(yǔ)

城軌車載式軌道服役狀態(tài)在線檢測(cè)系統(tǒng)安裝在運(yùn)營(yíng)車上，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)軌廓、軌道幾何尺寸和軌道波磨的在線檢測(cè)，通過(guò)地面系統(tǒng)分析軌道的服役狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)健康趨勢(shì)分析. 該系統(tǒng)已在廣州地鐵運(yùn)營(yíng)車輛上完成工程樣機(jī)裝車示范. 通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新與工程實(shí)施，將進(jìn)一步提升軌道狀態(tài)檢測(cè)效率，提高服役能力，優(yōu)化全生命周期成本，滿足現(xiàn)代城軌軌道檢測(cè)的需要.