試驗(yàn)線(xiàn)便攜式軌道檢測(cè)車(chē)設(shè)計(jì)方法

摘 要：軌道的工作狀態(tài)對(duì)于鐵路的正常運(yùn)行效率和安全起著至關(guān)重要的作用。目前，針對(duì)區(qū)間試驗(yàn)段軌道（尤其是10公里以下的車(chē)輛廠(chǎng)區(qū)內(nèi)試驗(yàn)線(xiàn)路）養(yǎng)護(hù)維修，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有成熟的集成軌道和接觸網(wǎng)兩部分檢測(cè)功能的綜合檢測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備。因此文章結(jié)合高精度定位測(cè)量技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和健康管理技術(shù)，充分利用線(xiàn)路檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立故障檢測(cè)診斷模型以及一套對(duì)試驗(yàn)線(xiàn)路有效性和線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)維修質(zhì)量的科學(xué)評(píng)價(jià)體系。實(shí)現(xiàn)軌道病害報(bào)警、指導(dǎo)線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)維修以及線(xiàn)路試驗(yàn)有效性評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：試驗(yàn)線(xiàn) 軌道檢測(cè)車(chē) 數(shù)據(jù)處理

1 概述

針對(duì)鐵路試驗(yàn)線(xiàn)運(yùn)行軌道存在的主要缺陷、上部和下部受流軌的主要安裝幾何尺寸、接觸網(wǎng)的高度等幾何尺寸以及軌道障礙物等檢測(cè)要素，需要研究行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則下的綜合檢測(cè)平臺(tái)[1]。綜合檢測(cè)平臺(tái)具備動(dòng)力系統(tǒng)，自身具備供電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)滿(mǎn)足全天候條件的檢測(cè)，具備GPS定位系統(tǒng)功能，能實(shí)現(xiàn)綜合檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡的可追溯性，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)即時(shí)存儲(chǔ)，并通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送至后端分析系統(tǒng)，針對(duì)典型缺陷或者問(wèn)題，建立故障檢測(cè)診斷模型、線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)維修和試驗(yàn)線(xiàn)路有效性的科學(xué)評(píng)價(jià)體系，具備報(bào)警功能和告知維修的手段，確保列車(chē)能夠進(jìn)行有效性試驗(yàn)。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，針對(duì)區(qū)間試驗(yàn)段軌道（尤其是10公里以下的車(chē)輛廠(chǎng)區(qū)內(nèi)試驗(yàn)線(xiàn)路）養(yǎng)護(hù)維修，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有成熟的集成軌道和受流兩部分檢測(cè)功能的綜合檢測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備[2]。區(qū)間試驗(yàn)段由于距離、成本等諸多受限因素，通常采用人工巡檢方式完成日常維護(hù)的線(xiàn)路巡檢。采用的測(cè)試檢測(cè)工具通常為單一功能的軌道幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x器或手持式接觸網(wǎng)檢測(cè)設(shè)備等。在軌道線(xiàn)巡檢方面，更是僅停留在人工目視巡查，手工記錄等原始方式。缺乏系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化的解決手段及策略。鐵路系統(tǒng)內(nèi)對(duì)短距離區(qū)間段的軌道工務(wù)巡檢缺乏相關(guān)國(guó)家或企業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)廠(chǎng)區(qū)內(nèi)軌道日常維護(hù)及大修養(yǎng)護(hù)策略的制定帶來(lái)的諸多不便。

3 軌道檢測(cè)車(chē)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

軌道檢測(cè)車(chē)系統(tǒng)主要是由便攜式軌檢車(chē)硬件平臺(tái)和后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩部分組成。（圖1）

3.1 便攜式軌道檢測(cè)車(chē)硬件平臺(tái)

3.1.1 便攜式牽引小車(chē)

便攜式牽引小車(chē)上可同時(shí)乘坐2～3人，帶有直流減速電機(jī)，無(wú)極調(diào)速，電機(jī)正反轉(zhuǎn)雙向運(yùn)行，采用電池動(dòng)力，配備大容量鋰電池，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航，最快時(shí)速為20公里/小時(shí)。

3.1.2 測(cè)量小車(chē)

測(cè)量小車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)可分為五個(gè)分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互及共享，所有安裝的設(shè)備均能全天候不間斷工作。各檢測(cè)分系統(tǒng)間既可獨(dú)立工作，又可同時(shí)作業(yè)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互及共享，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及傳輸數(shù)據(jù)、無(wú)人值守操作。

（1）軌道幾何參數(shù)檢測(cè)分系統(tǒng)

軌道幾何檢測(cè)分系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)軌道幾何參數(shù)采集及測(cè)量，具有如下檢測(cè)功能：軌距、水平（超高）、扭曲（三角坑）和軌向（高低）等[3]。

1）軌距

軌距指兩股鋼軌頭部?jī)?nèi)側(cè)軌頂面下16mm處兩作用邊之間的最小距離。

2）水平（超高）

超高示意圖見(jiàn)圖2。超高測(cè)量精度主要取決于慣性測(cè)量滾動(dòng)角絕對(duì)精度。

3）扭曲（三角坑）

扭曲指在6.25m的范圍內(nèi)，左右股鋼軌間形成的一個(gè)凹陷。扭曲示意圖見(jiàn)圖3。

4）軌向（高低）

軌向指鋼軌內(nèi)側(cè)軌距點(diǎn)處沿軌道延長(zhǎng)方向的橫向不平順；高低指鋼軌頂面沿軌道延長(zhǎng)方向的垂向不平順。軌向示意圖見(jiàn)圖4。

（2）鋼軌全斷面檢測(cè)分系統(tǒng)

鋼軌全斷面檢測(cè)系統(tǒng)采用2D激光測(cè)量技術(shù)，對(duì)鋼軌磨耗、全斷面進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高精度檢測(cè)，為軌道檢修、車(chē)輪鏇修提供依據(jù)。

（3）三維掃描分系統(tǒng)

三維掃描系統(tǒng)由激光掃描儀、成像檢測(cè)裝置構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)隧道、橋梁限界、接近物限界的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。三維掃描系統(tǒng)將激光掃描儀的測(cè)量信息引入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。基于慣性測(cè)量的多信息組合導(dǎo)航方案，為掃描系統(tǒng)提供高精度空間基準(zhǔn)，準(zhǔn)確建立限界分析基準(zhǔn)，使得測(cè)量不受車(chē)輛振動(dòng)及蛇形運(yùn)動(dòng)的影響。

（4）線(xiàn)路巡檢分系統(tǒng)

線(xiàn)路部件及線(xiàn)路環(huán)境巡檢子系統(tǒng)主要由線(xiàn)路巡檢監(jiān)視相機(jī)組、光源組件、中央數(shù)據(jù)分析處理單元機(jī)輸出客戶(hù)端設(shè)備等組成。線(xiàn)路部件及線(xiàn)路環(huán)境巡檢子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路軌道設(shè)施的高清成像，采用非接觸測(cè)量方法，實(shí)時(shí)不間斷按里程記錄鋼軌表面圖像信息，并提供相應(yīng)應(yīng)用軟件保證完成圖像回放、畫(huà)面抓取、扣件丟失等圖像分析[4]。

（5）激光接觸網(wǎng)檢測(cè)分系統(tǒng)

激光接觸網(wǎng)檢測(cè)分系統(tǒng)采用激光器傳感器和相位脈沖技術(shù)，可對(duì)接觸網(wǎng)的導(dǎo)高、拉出值、定位器坡度、錨段關(guān)節(jié)、線(xiàn)岔、超高、軌距等幾何參數(shù)進(jìn)行快速測(cè)量[5]。激光接觸網(wǎng)檢測(cè)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1。

3.2 前端數(shù)據(jù)采集單元

前端數(shù)據(jù)采集單元實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器的設(shè)備控制管理、系統(tǒng)狀態(tài)自檢、傳感器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)圖像采集，并與后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步。以實(shí)時(shí)獲取的位置坐標(biāo)信息作為多源信息融合的基準(zhǔn)，對(duì)采集數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行預(yù)處理和存儲(chǔ)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)處理結(jié)果發(fā)送至后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行病害故障模型診斷分析。

3.3 后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

采用在線(xiàn)數(shù)據(jù)處理和離線(xiàn)處理兩種工作模式。主要負(fù)責(zé)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析處理，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和故障模式分析，在對(duì)軌道病害進(jìn)行科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建試驗(yàn)段線(xiàn)路巡檢標(biāo)準(zhǔn)體系，為軌道檢測(cè)提供有針對(duì)性的診斷評(píng)價(jià)和養(yǎng)護(hù)維修指導(dǎo)。主要包括以下模塊。

3.3.1 用戶(hù)登錄管理模塊

主要實(shí)現(xiàn)用戶(hù)管理、修改密碼頁(yè)設(shè)計(jì)、添加管理員等功能。

3.3.2 系統(tǒng)自檢模塊

主要用于對(duì)系統(tǒng)設(shè)備及傳感器進(jìn)行初始化設(shè)置，并檢測(cè)系統(tǒng)初始化狀態(tài)。

3.3.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

實(shí)現(xiàn)前端采集到的檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠及時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖藬?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

3.3.4 圖像處理分析模塊

主要負(fù)責(zé)對(duì)圖像視頻進(jìn)行解碼和預(yù)處理。

3.3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示模塊

對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)，以圖表形式顯示測(cè)量曲線(xiàn)、理想曲線(xiàn)、平順曲線(xiàn)和不平順曲線(xiàn)；能夠通過(guò)位置信息對(duì)波形圖進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)查看特定范圍內(nèi)的檢測(cè)信息對(duì)比分析；能夠?qū)崿F(xiàn)波形圖與線(xiàn)路綜合圖的聯(lián)動(dòng)；以不同顏色的波形圖的形式將此次檢測(cè)的原始波形數(shù)據(jù)、超限數(shù)據(jù)與上次檢測(cè)的相應(yīng)信息進(jìn)行對(duì)比分析；可以自由放大和縮小圖像，便于數(shù)據(jù)分析和相互比較。

3.3.6 故障診斷模塊

根據(jù)區(qū)間試驗(yàn)段軌道養(yǎng)護(hù)維修標(biāo)準(zhǔn)，利用前端數(shù)據(jù)采集單元提供的有關(guān)軌道線(xiàn)路的外部幾何信息和內(nèi)部幾何信息，推算出兩軌間的軌距變化率、水平不平順和三角坑等參數(shù)，并以表格形式輸出所有的計(jì)算結(jié)果。

3.3.7 故障報(bào)告生成模塊

將故障診斷模塊生成的故障病害診斷結(jié)果生成規(guī)范的診斷報(bào)告，實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)打印存檔。

4 總語(yǔ)

本文主要針對(duì)適用于國(guó)內(nèi)車(chē)輛廠(chǎng)試驗(yàn)線(xiàn)路的日常檢測(cè)與維護(hù)工作的便攜式軌道檢測(cè)車(chē)進(jìn)行了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。便攜式軌道檢測(cè)車(chē)主要包括有牽引小車(chē)、測(cè)量小車(chē)、前端數(shù)據(jù)采集單元和后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。軌道檢測(cè)車(chē)在便攜式牽引小車(chē)上設(shè)置有人員乘坐位置，可以人員監(jiān)督檢測(cè)，各檢測(cè)分系統(tǒng)間可獨(dú)立工作，可同時(shí)作業(yè)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互及共享，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及傳輸數(shù)據(jù)、所以，也可以無(wú)人值守操作。

基金項(xiàng)目：名師工作室項(xiàng)目：陳文軒機(jī)車(chē)電類(lèi)技能研訓(xùn)工作室（2024-JNDS004）。

參考文獻(xiàn)：

[1]周長(zhǎng)樂(lè).高速鐵路無(wú)砟軌道精測(cè)精調(diào)數(shù)據(jù)處理[D].鄭州：中原工學(xué)院，2023.

[2]陶一銘.一種輕型電動(dòng)軌道檢測(cè)車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2022.

[3]國(guó)家鐵路局.軌道幾何狀態(tài)動(dòng)態(tài)檢測(cè)及評(píng)定：TB/T 3355—2014[S].2014.

[4]李一凡.基于機(jī)器視覺(jué)的軌道缺陷智能巡檢小車(chē)設(shè)計(jì)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2022.

[5]胡政漢.城市軌道交通線(xiàn)網(wǎng)檢測(cè)車(chē)路徑優(yōu)化[J].都市快軌交通，2024，37（01）：107-113.

[6]國(guó)家鐵路局.接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x：TB/T 3227—2010[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.