吳興華 上海鐵路局工務(wù)檢測所

WX25T999288軌道檢查車（以下簡稱“軌檢車”）是上海鐵路局近兩年來裝備的新型(GJ-5型)軌檢車,車上主要安裝有軌道幾何測量系統(tǒng)、鋼軌斷面測量系統(tǒng)和車體振動測量系統(tǒng)，它們統(tǒng)稱為軌道檢測系統(tǒng)（LaserailTM3000）。該軌道檢測系統(tǒng)是由美國伊梅奇公司設(shè)計制造的激光生成軌道檢測系統(tǒng)。軌檢車的鋼軌斷面測量系統(tǒng)是采用全斷面測量并記錄鋼軌磨耗、軌底坡、軌距、軌型識別和鋼軌斷面輪廓等數(shù)據(jù)。

1 測量原理

GJ-5型軌檢車采用的是“光斷面”測量技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用一束集中的光線照射到被測鋼軌表面進(jìn)行測量,同時需要應(yīng)用攝像機(jī)來獲取鋼軌表面的圖像。攝像機(jī)捕獲到的光源圖像是一條很細(xì)的輪廓邊緣，而該邊緣線的位置可以在攝像機(jī)的攝像范圍內(nèi)唯一確定。該項技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，但只有當(dāng)現(xiàn)代激光技術(shù)、CCD攝像技術(shù)及現(xiàn)代數(shù)字處理器取得了相當(dāng)大的發(fā)展以后，該測量技術(shù)才逐漸被廣泛推廣應(yīng)用。

系統(tǒng)的光源采用紅外線波長的激光。該激光器總成還配備了特制光學(xué)透鏡，使激光光源發(fā)射的點光源變成一個很薄的扇面光源。激光總成安裝在車體下方的吊梁上，發(fā)射出的扇面光線與鋼軌垂直，同時照射到軌頭及軌底部分。該系統(tǒng)檢測到的圖像結(jié)果為一條鋼軌輪廓細(xì)線。采用特制的計算機(jī)軟件識別出激光與鋼軌接觸的位置，并將激光與鋼軌接觸邊緣線上的像素點進(jìn)行幾何形位的糾偏，從而生成鋼軌真正的斷面輪廓線。

鋼軌與鋼軌間的軌距是分別拍攝兩側(cè)鋼軌的兩個同步攝像機(jī)所拍攝到的。系統(tǒng)攝像機(jī)檢測出的鋼軌軌距面的幾何位置的變化將會被附加到已知的兩個攝像機(jī)間的距離，從而綜合得出軌距的測量值。系統(tǒng)在鋼軌存在肥邊或其它軌頭變形的情況下仍可以準(zhǔn)確測量軌距，因此它能成功應(yīng)用于光學(xué)軌道軌距測量系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)備

軌檢車的鋼軌斷面測量系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由激光器、攝像機(jī)、激光器/攝像機(jī)安裝吊梁、激光/溫度控制器、圖像處理器和計算機(jī)系統(tǒng)等組成。

2.1 激光器

鋼軌斷面測量系統(tǒng)和鋼軌幾何測量系統(tǒng)由特殊光束發(fā)散透鏡的激光器總成，它可以發(fā)射出線寬很窄的紅外線激光扇面形光束（波長810 nm），照射范圍覆蓋了鋼軌兩側(cè)軌底之間的所有部分。只有軌腰的一小部分由于軌頭的遮擋，使激光無法照射到。系統(tǒng)的激光光源的高質(zhì)量及光束的窄扇面保證了系統(tǒng)測量的高精度。每個激光器配備了多個半導(dǎo)體制冷器，將激光二極管的工作環(huán)境溫度控制在設(shè)定范圍，從而保證激光器在密封狀態(tài)下發(fā)射激光的波長的單色穩(wěn)定性和使用壽命。另外激光器總成的機(jī)械設(shè)計可以滿足在70 g的連續(xù)沖擊條件下，保持其內(nèi)部焦距及其它結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

在激光器的設(shè)置方面，激光的光功率設(shè)定值為1 W，且可以根據(jù)具體應(yīng)用條件而改變。激光的級別分類屬于IIIB級。軌檢車機(jī)柜上以及車下均設(shè)有激光警示信號燈。當(dāng)激光器啟用時，該警示燈將起到激光危險警告作用。

2.2 攝像機(jī)

鋼軌斷面測量系統(tǒng)采用高速快門CCD陣列攝像機(jī)來測量激光輪廓線的位置。攝像機(jī)前端的鏡頭獨立于攝像機(jī)本身固定安裝，有助于提高標(biāo)定的穩(wěn)定性。攝像機(jī)鏡頭的焦距調(diào)節(jié)到位后由焦圈鎖環(huán)固定，攝像機(jī)曝光時間由計算機(jī)控制。

每個攝像機(jī)配備了一個窄帶通光學(xué)干涉濾光片，其帶通中心波長設(shè)定值與激光器波長保持一致。該濾光片可以濾除99%以上的環(huán)境光線。

2.3 激光器/攝像機(jī)安裝吊梁

軌檢車上安裝了雙軌測量系統(tǒng)的4個激光器和10個攝像機(jī)。每股鋼軌的內(nèi)外側(cè)各設(shè)有一個激光器，每股鋼軌內(nèi)側(cè)各設(shè)有4個攝像機(jī)，4個攝像機(jī)工作時是進(jìn)行交替拍攝，增加了拍攝頻率。鋼軌外側(cè)各設(shè)有1個攝像機(jī)。所有激光器及攝像機(jī)都固定安裝在吊梁內(nèi)，吊梁懸掛在軌檢車的轉(zhuǎn)向架橫梁構(gòu)架上。圖1為“激光器/攝像機(jī)安裝吊梁”結(jié)構(gòu)圖，圖2為軌檢車安裝吊梁左側(cè)仰視圖。

圖1 激光器/攝像機(jī)安裝吊梁

圖2 軌檢車安裝吊梁左側(cè)仰視圖

2.4 激光/溫度控制器

“激光/溫度控制器”其功能是提供激光輻射控制及同步，以及溫度控制。在計算機(jī)的控制下，激光/溫度控制器可以同步地開啟或關(guān)閉各個激光器、激光器對應(yīng)的攝像機(jī)與圖像處理器。同時，它還具有半導(dǎo)體制冷器的驅(qū)動功能，保證每個激光器總成內(nèi)的溫度保持在計算機(jī)可控的設(shè)定值。溫度控制器可保證激光器發(fā)射出波長單一穩(wěn)定的光波。

2.5 圖像處理器

圖像處理器采用20 ns隨機(jī)讀取存儲器（RAM），具備了極高的緩存處理速度，從而保證了軌檢車在高速運(yùn)行時也能進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

2.6 計算機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用基于VME總線標(biāo)準(zhǔn)的VME總線計算機(jī)系統(tǒng)。VME系統(tǒng)使用一個單一處理器配置。該處理器（中央處理單元CPU）提供以下功能：用戶界面接口、檢測值與標(biāo)準(zhǔn)值比較、數(shù)據(jù)記錄及報告、文件管理、系統(tǒng)性能監(jiān)控及錯誤檢查以及自我檢測功能。該處理器還提供以下功能：所有的圖像處理，數(shù)據(jù)采集以及測量值計算。軌道幾何檢測系統(tǒng)還配備了第二處理器，用于幾何參數(shù)測量值的計算。

軌檢車VME計算機(jī)系統(tǒng)的機(jī)柜包括21個標(biāo)準(zhǔn)VME卡插槽，以及一個32位地址線：32位數(shù)據(jù)線動態(tài)終端背板。VME機(jī)柜總電源為750 W，板卡為豎直安裝。機(jī)柜內(nèi)配備帶過濾的空氣循環(huán)散熱裝置。機(jī)柜散熱系統(tǒng)的熱負(fù)載占總熱負(fù)載的35%。圖3所示為軌檢車VME總線計算機(jī)系統(tǒng)的機(jī)柜配置圖。

圖3 軌檢車VME總線計算機(jī)系統(tǒng)機(jī)柜插槽配置

3 軟件配置

軌檢車上配置有圖像處理、斷面濾除、用戶界面、系統(tǒng)功能、測量結(jié)果、故障分析與檢測、實際測量性能參數(shù)和測量數(shù)據(jù)后處理等軟件。

3.1 圖像處理軟件

系統(tǒng)的“圖像跟蹤”軟件算法能實現(xiàn)對攝像機(jī)攝像范圍內(nèi)的鋼軌圖像的追蹤，使檢測系統(tǒng)免受絕大多數(shù)來自攝像機(jī)攝像范圍內(nèi)其它物體圖像的干擾。系統(tǒng)采用特別的“動態(tài)光學(xué)閾值”技術(shù)，從而降低了由于圖像亮度變化而產(chǎn)生的鋼軌輪廓線變形干擾。系統(tǒng)的“搜索算法”從攝像機(jī)的鋼軌圖像中提取原始坐標(biāo)信息，并可以自動濾除不規(guī)則變形的圖像。系統(tǒng)通過數(shù)字信號處理技術(shù)對提取的原始坐標(biāo)信息進(jìn)行處理分析，從而生成最終的鋼軌斷面輪廓線。

3.2 系統(tǒng)功能軟件

根據(jù)不同的檢測運(yùn)行速度，斷面測量的采樣點間隔從457 mm到4.5 m范圍變化（單個攝像機(jī)）。

采樣頻率為60 Hz的測量系統(tǒng)，在750 mm采樣間隔的輸出下，允許的最大檢測運(yùn)行速度為：V=60×0.75×3600/103=162 km/h。

系統(tǒng)可以實時輸出以下結(jié)果：

（1）糾偏后的斷面坐標(biāo)（保存在磁盤）

（2）在平面（無屏閃）顯示器上顯示斷面輪廓曲線

（3）鋼軌磨耗

（4）鋼軌傾斜角度（軌底坡）

（5）軌距

3.3 測量結(jié)果軟件

系統(tǒng)實時計算檢測鋼軌斷面磨耗測量值、鋼軌傾斜度（軌底坡）、軌型識別和軌距測量值等。

3.4 測量數(shù)據(jù)后處理軟件

軌檢車上配置了數(shù)據(jù)后處理軟件WinPALS(Windows Profile Analysis and Library Software)。WinPALS采用圖形用戶界面（GUI）顯示系統(tǒng)測量所得到的斷面數(shù)據(jù)及輪廓。采用這種圖形顯示的方法可以讓我們一目了然地發(fā)現(xiàn)鋼軌斷面輪廓的變化情況。通過WinPALS，我們可以刪除圖形畸變的斷面圖像，可以修改先前識別的鋼軌類型，規(guī)范鋼軌磨耗測量的參數(shù)，以及導(dǎo)出磨耗檢測數(shù)據(jù)以備未來分析處理。任何對原始斷面數(shù)據(jù)文件的修改編輯都會以“修改歷史”的形式保存在修改過后的“斷面數(shù)據(jù)文件”里，因此我們可以追蹤該文件自測量記錄時到目前的變化。

4 軌檢車動態(tài)檢測

4.1 鋼軌形變影響因素

鐵路運(yùn)輸中影響鋼軌形狀變化的因素很多：有線路不平順因素；有曲線超高、軌底坡設(shè)置因素；有輪軌磨耗以及鋼軌自身強(qiáng)度、耐磨性等等因素。因此在確保鋼軌自身質(zhì)量同時，保持軌道良好的平順性，合理設(shè)置曲線超高和軌底坡，保證機(jī)車車輛良好的運(yùn)行品質(zhì)，可以減少鋼軌形變、延長鋼軌使用壽命。

4.2 鋼軌磨耗動態(tài)測量

鋼軌磨耗主要是指鋼軌的垂直磨耗、側(cè)面磨耗和波浪形磨耗。垂直磨耗一般情況下是正常的，隨著軸重和通過總量的增加而增大。軌道幾何形位設(shè)置不當(dāng),會使垂直磨耗速率加快，可通過調(diào)整軌道幾何尺寸解決。

側(cè)面磨耗主要發(fā)生在小半徑曲線的外股鋼軌上，是目前曲線鋼軌傷損的主要類型之一。列車在曲線上運(yùn)行時，輪軌的摩擦與滑動是造成外軌側(cè)磨的根本原因。列車通過小半徑曲線時，通常會出現(xiàn)輪軌兩點接觸的情況，這時發(fā)生的側(cè)磨最大。如圖4所示為皖贛線小半徑曲線鋼軌磨耗圖。

圖4 皖贛線小半徑曲線鋼軌磨耗圖

波形磨耗是指鋼軌頂面上出現(xiàn)的波狀不均勻磨耗。波形磨耗按其波長分為短波磨耗（或稱波紋型磨耗）和長波磨耗（或稱波浪型磨耗）兩種。波紋型磨耗為波長約50～100 mm，波幅0.1～0.4 mm的周期性不平順；波浪型磨耗為波長約100～3000 mm，波幅2 mm以內(nèi)的周期性不平順。列車高速運(yùn)行的鐵路上主要發(fā)生短波磨耗，且主要出現(xiàn)在直線和制動地段；在低速重載鐵路上主要發(fā)生長波磨耗，且一般出現(xiàn)在曲線地段。解決鋼軌波磨問題，目前主要依靠鋼軌機(jī)械銑磨和打磨來消除。

鋼軌磨耗動態(tài)測量是通過系統(tǒng)實時計算檢測鋼軌斷面與對應(yīng)軌型的標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行比對計算出磨耗值。在實時檢測項目中鋼軌磨耗分別以左、右軌的側(cè)磨和垂磨顯示。如圖5所示為京滬線鋼軌磨耗圖。由于京滬線線路狀態(tài)良好，正線道岔采用的是可動心提速道岔，所以道岔區(qū)的磨耗是比較均勻的，但道岔區(qū)的磨耗量還是比其他區(qū)域要大些。

圖5 京滬線鋼軌磨耗圖

對于鋼軌波磨的判斷，可以從鋼軌磨耗波形圖中垂磨值的變化判斷鋼軌波磨的情形。

鋼軌斷面測量原理是建立在激光光束生成的鋼軌斷面輪廓線基礎(chǔ)上的，是以鋼軌軌腰圓弧部分為有效基準(zhǔn)計算出的鋼軌斷面數(shù)據(jù)同對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)軌型的比較，計算出鋼軌的磨耗量。因此，鋼軌軌腰圓弧部分不能被石渣和其他物體覆蓋遮擋。系統(tǒng)能在各種天氣條件下工作，包括風(fēng)雪天氣。但是當(dāng)冰雪層覆蓋了鋼軌軌腰時也不能準(zhǔn)確測量出鋼軌的磨耗量。系統(tǒng)在普通道岔、鋼軌接頭區(qū)域，檢測出的鋼軌磨耗量會出現(xiàn)突變現(xiàn)象，此非鋼軌的實際磨耗量，如圖6所示。

圖6 普通道岔區(qū)域鋼軌磨耗圖

4.3 軌底坡動態(tài)測量

系統(tǒng)實時報告鋼軌傾斜度（軌底坡），如圖4所示的左、右軌底坡波形。測量結(jié)果將有助于我們判斷線路出現(xiàn)大軌距的原因，是鋼軌向外側(cè)傾斜、軌距面存在磨耗還是鋼軌向外側(cè)分開。

4.4 鋼軌軌型動態(tài)識別

軌檢車上設(shè)置了幾種可以實時改變軌型信息的方法：在實時檢測過程中系統(tǒng)可以自動判斷鋼軌軌型；可以直接按鍵輸入當(dāng)前位置的軌道類型；可以建立一個“鋼軌位置文件”（RLF），系統(tǒng)可以根據(jù)改變文件的里程位置自動改變對應(yīng)鋼軌類型。鋼軌軌型動態(tài)識別是實時提供標(biāo)準(zhǔn)軌型的根本。

4.5 鋼軌軌距動態(tài)測量

系統(tǒng)實時計算左、右鋼軌軌距點之間的距離得出軌距值。軌距測量值在系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同時，顯示在系統(tǒng)監(jiān)視器上。軌檢車在每次檢測前必須對軌距和水平（超高）進(jìn)行日常標(biāo)定，以確保測量值的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)在普通道岔、鋼軌接頭區(qū)域，檢測出的軌距在波形圖上會出現(xiàn)突變現(xiàn)象，編輯時應(yīng)予以刪除，如圖6中普通道岔區(qū)域的軌距波形。

在檢測過程中可以觀察監(jiān)視器上的Gap值大小。Gap值是指內(nèi)、外側(cè)激光器生成的光線在鋼軌頂面的重合度（或稱間隙值）。Gap值越小檢測出的數(shù)據(jù)越精確。Gap值在1 mm以內(nèi)表明系統(tǒng)正常，Gap值超出1 mm說明重合度變差，將影響系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性，需要對激光器進(jìn)行重合度標(biāo)定。

4.6 鋼軌斷面輪廓數(shù)據(jù)采集

我們利用鋼軌斷面測量系統(tǒng)對鋼軌斷面輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄，利用測量數(shù)據(jù)后處理軟件(WinPALS)對數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出并保存，便于對線路的分析和處理。圖7為鋼軌斷面輪廓數(shù)據(jù)圖。

圖7 鋼軌斷面輪廓數(shù)據(jù)圖

系統(tǒng)檢測時的斷面數(shù)據(jù)和輪廓的存儲量是同檢測時間相關(guān)聯(lián)的，檢測時間越長存儲量就越大。按軌檢車檢測時平均速度120 km/h計算，每百公里測量的斷面數(shù)據(jù)和輪廓的存儲量大約在400 M。目前受計算機(jī)系統(tǒng)存儲空間的限制（可用存儲空間1.2 GB左右）和檢測速度的限制，對較長線路的鋼軌斷面輪廓數(shù)據(jù)必須要進(jìn)行分段紀(jì)錄和保存。

4.7 鋼軌斷面動、靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)分析

軌檢車的鋼軌斷面測量系統(tǒng)已經(jīng)為我局管內(nèi)的運(yùn)營線路周期性地動態(tài)測量和記錄了鋼軌斷面磨耗數(shù)據(jù)和軌距數(shù)據(jù)，為局管內(nèi)的京滬線、滬昆線等主干線和其它部分線路記錄和保存了大量的鋼軌斷面輪廓數(shù)據(jù)。并且對皖贛線、浦東線和寧蕪線等線路地面對應(yīng)地點進(jìn)行靜態(tài)復(fù)合測量，掌握動、靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)對應(yīng)情況。對動、靜態(tài)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，得出影響動、靜態(tài)測量數(shù)據(jù)偏差主要有動、靜態(tài)測量地點的差異影響；同一地點動、靜態(tài)測量選取基準(zhǔn)點的偏差影響；人工測量誤差影響和動態(tài)檢測中軌道受車輛作用力影響等。鋼軌磨耗的動、靜態(tài)測量值差別相對較小，而且動態(tài)測量值往往要略大于靜態(tài)測量值，如圖8所示。

圖8 動靜態(tài)鋼軌磨耗值直框圖

軌距的動、靜態(tài)測量值差別稍大，如圖9所示。這主要是動態(tài)檢測時軌道受車輛重力作用后軌距變化的緣故。等級好的線路直線和曲線區(qū)段的軌距變化都較小，等級較差的線路軌距變化就較大，尤其是小半徑曲線由于鋼軌側(cè)磨量大而產(chǎn)生的大軌距。

圖9 動靜態(tài)軌距測量值直框圖

從以上直框圖的動、靜態(tài)測量值比較可以看出，軌檢車對鋼軌磨耗和軌距的動態(tài)測量值與對應(yīng)地面復(fù)合的靜態(tài)測量值基本相同，也證明了軌檢車的動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為線路的養(yǎng)護(hù)和維修提供了可靠的依據(jù)，有利于提高線路的動態(tài)質(zhì)量。

4.8 軌檢車動態(tài)檢測中注意要點

在動態(tài)檢測過程中如果陽光直射或高亮度反射到攝像機(jī)，攝像機(jī)將進(jìn)入飽和狀態(tài)；如果激光反射到攝像機(jī)，攝像機(jī)也將進(jìn)入飽和狀態(tài)。鋼軌軌頭部分有時由于輪軌間的滑動摩擦而被拋光，激光在其表面容易形成鏡面反射，因此在某些特定角度（尤其在線路的緩和曲線區(qū)段）激光器發(fā)射的光將會反射進(jìn)入到攝像機(jī)，這時攝像機(jī)將進(jìn)入飽和狀態(tài)，檢測數(shù)據(jù)為零顯示，在波形圖上反映出一段原點小直線。然而這種情況的機(jī)率很少，加上軌檢車采用了遮光罩結(jié)構(gòu)，基本避免了攝像機(jī)在強(qiáng)光下飽和的問題。

雨水和揚(yáng)塵干擾使攝像機(jī)和激光器的亮度大大降低，影響檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此必須經(jīng)常清潔攝像頭和激光器的防護(hù)玻璃，保持?jǐn)z像機(jī)和激光器狀態(tài)良好。

線路結(jié)構(gòu)如曲線、道岔、鋼軌接頭等因素影響系統(tǒng)的動態(tài)檢測數(shù)據(jù)。對軌距、水平（超高）日常標(biāo)定的準(zhǔn)確與否直接影響到軌距、水平（超高）數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。軌檢車檢測吊梁的整體緊固與否，是影響動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的重要因素。因此必須做好軌檢車檢測前的日常標(biāo)定和檢測后的日常維護(hù)，經(jīng)常保持檢測設(shè)備狀態(tài)良好。

系統(tǒng)采用的“動態(tài)光學(xué)閾值”技術(shù)，降低了由于圖像亮度變化而產(chǎn)生的鋼軌輪廓線變形干擾。雖然我們不必隨時監(jiān)視攝像機(jī)圖像以調(diào)整曝光時間，但是為確保檢測質(zhì)量，我們還需經(jīng)常調(diào)整攝像機(jī)曝光量使圖像亮度清晰，特別在天氣陰晴變化和日夜變化時的調(diào)整。

5 結(jié)束語

隨著鐵路的高速發(fā)展，軌道的平順狀態(tài)是制約列車速度的主要因素。如何提高軌道的平順狀態(tài)，如何快速掌握軌道狀態(tài)變化，如何提高軌道狀態(tài)均衡質(zhì)量，以滿足高速運(yùn)輸需要，確保高速運(yùn)輸安全、平穩(wěn)、舒適，是高速鐵路管理的重要部分。軌檢車動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的合理應(yīng)用是提高軌道質(zhì)量的主要依據(jù)。軌檢車是保障列車安全運(yùn)輸?shù)闹匾侄?，是確保鐵路新線驗收的有效工具。