■ 魏世斌 劉伶萍 趙延峰 李穎 王昊

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、水平、三角坑的幾何不平順。通過(guò)對(duì)軌道的周期性、全項(xiàng)目的等速動(dòng)態(tài)檢測(cè)，全面掌握線路質(zhì)量狀態(tài)，指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)與維修，保障行車(chē)安全。

我國(guó)的軌道檢測(cè)技術(shù)在發(fā)展中不斷進(jìn)步，檢測(cè)設(shè)備為第四代和第五代軌道檢測(cè)車(chē)。自主研發(fā)的第四代軌道檢測(cè)車(chē)——GJ-4型軌道檢測(cè)車(chē)，最高檢測(cè)速度160 km/h；以引進(jìn)技術(shù)為主的第五代軌道檢測(cè)車(chē)——GJ-5型軌道檢測(cè)車(chē)，最高檢測(cè)速度200 km/h。隨著高速鐵路的發(fā)展，特別是京滬高速鐵路的建設(shè)，迫切需要深入開(kāi)展高速度、高技術(shù)的軌道檢測(cè)系統(tǒng)研究，研發(fā)的目標(biāo)和內(nèi)容包括：在試驗(yàn)檢測(cè)速度400 km/h下的軌道狀態(tài)實(shí)時(shí)采集和精確測(cè)量技術(shù)；適用于試驗(yàn)檢測(cè)速度400 km/h的高速鐵路軌道檢測(cè)系統(tǒng)，并可實(shí)時(shí)同步檢測(cè)；通過(guò)研發(fā)檢測(cè)設(shè)備和軟件開(kāi)發(fā)，以及在動(dòng)車(chē)組上安裝與集成，實(shí)現(xiàn)在高速條件下對(duì)軌道多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、精確測(cè)量和分級(jí)評(píng)判。

1 高速軌道檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 高速激光攝像式測(cè)量技術(shù)

我國(guó)的GJ-4型軌道檢測(cè)車(chē)采用激光伺服式測(cè)量設(shè)備，GJ-5型軌道檢測(cè)車(chē)采用激光攝像式測(cè)量設(shè)備。激光攝像式測(cè)量設(shè)備因無(wú)移動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)安全可靠成為軌道檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。我國(guó)對(duì)激光攝像式軌道檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展了研究和探索，國(guó)外檢測(cè)技術(shù)比較成熟，最高檢測(cè)速度達(dá)到300 km/h。

激光攝像式軌道檢測(cè)技術(shù)研究取得以下成果：激光攝像式軌道檢測(cè)設(shè)備具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；實(shí)現(xiàn)圖像采集、傳輸、處理的全數(shù)字化；綜合使用多種圖像并行處理技術(shù)，提高圖像處理速度，圖像采集、處理速度達(dá)450幀/s，滿足400 km/h實(shí)時(shí)檢測(cè)需要。

1.2 抗陽(yáng)光干擾技術(shù)

陽(yáng)光干擾即在一定照射角度下，陽(yáng)光直射或反射光對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)傳感器造成影響，是軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)非接觸測(cè)量領(lǐng)域的難題。

自京滬高速鐵路開(kāi)通以來(lái)，通過(guò)研究算法，提高元器件性能，為提高抗陽(yáng)光干擾能力，采用動(dòng)態(tài)閾值法等方法研制的激光攝像檢測(cè)設(shè)備用于軌道日常檢測(cè)，未出現(xiàn)陽(yáng)光干擾問(wèn)題。

1.3 軌道檢測(cè)數(shù)學(xué)模型

軌道檢測(cè)數(shù)學(xué)模型是軌道檢測(cè)技術(shù)的核心內(nèi)容之一。GJ-4型軌道檢測(cè)車(chē)采用“捷聯(lián)式”結(jié)構(gòu)，數(shù)學(xué)模型從美國(guó)引進(jìn)，適用于中低速軌道檢測(cè)；GJ-5型軌道檢測(cè)車(chē)的檢測(cè)設(shè)備從美國(guó)引進(jìn)，其信號(hào)處理方法及數(shù)學(xué)模型完全對(duì)用戶保密，可借鑒的方法和技術(shù)不多。在吸取GJ-4型和GJ-5型軌道檢測(cè)車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了試驗(yàn)速度400 km/h的高速檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并在軟件系統(tǒng)中加以實(shí)現(xiàn)。主要對(duì)3種安裝方式建立數(shù)學(xué)模型：一是檢測(cè)梁安裝在車(chē)體上的軌道檢測(cè)數(shù)學(xué)模型；二是檢測(cè)梁安裝在構(gòu)架上、部分傳感器安裝在車(chē)體上、部分傳感器安裝在檢測(cè)梁上的軌道檢測(cè)數(shù)學(xué)模型；三是檢測(cè)梁安裝在構(gòu)架上、所有傳感器安裝在檢測(cè)梁上的軌道檢測(cè)數(shù)學(xué)模型。CRH380A-002高速綜合檢測(cè)列車(chē)以第二種安裝方式為主、第三種方式為輔。軌道幾何檢測(cè)數(shù)學(xué)計(jì)算方法見(jiàn)圖1。

1.4 標(biāo)定校準(zhǔn)裝置

系列軌道檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定和校準(zhǔn)裝置主要有軌距校準(zhǔn)裝置、激光攝像參數(shù)標(biāo)定裝置、高低軌向標(biāo)定裝置和水平標(biāo)定裝置等。主要介紹激光攝像參數(shù)標(biāo)定裝置（見(jiàn)圖2）。

激光攝像參數(shù)標(biāo)定裝置是根據(jù)已知的標(biāo)定針坐標(biāo)值，推算激光攝像測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。激光攝像標(biāo)定裝置小巧，可移動(dòng)；設(shè)有磁性底座開(kāi)關(guān)，磁性底座水平吸附于鋼軌上；設(shè)有垂直和水平定位螺栓，使標(biāo)定針與激光面垂直并使標(biāo)定針板保持水平；克服了GJ-5型軌道檢測(cè)車(chē)必須翻轉(zhuǎn)檢測(cè)梁才能標(biāo)定的缺點(diǎn)，提高了安全性。

1.5 軌道長(zhǎng)波不平順檢測(cè)技術(shù)

軌道不平順是車(chē)輛振動(dòng)的主要激擾源。隨著列車(chē)速度的提高，影響列車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行的長(zhǎng)波不平順（70～120 m）逐步加大。400 km/h的高速鐵路對(duì)軌道不平順檢測(cè)長(zhǎng)波要求達(dá)到120 m以上。GJ-4型軌道檢測(cè)車(chē)不具備長(zhǎng)波不平順檢測(cè)能力，GJ-5型軌道檢測(cè)車(chē)能夠輸出軌道長(zhǎng)波不平順的波形，但其應(yīng)用受到局限：一是數(shù)據(jù)接口不能自主設(shè)置，相關(guān)應(yīng)用研究受到限制；二是缺少軌道長(zhǎng)波不平順超限評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，不便于管理。

軌道長(zhǎng)波不平順檢測(cè)技術(shù)研究取得以下成果：設(shè)計(jì)了以三角窗為基窗、以三角窗和矩形窗為修正窗的并聯(lián)濾波器，可獲得較高的檢測(cè)精度；實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)為120 m的軌道長(zhǎng)波不平順檢測(cè)；可按高速鐵路長(zhǎng)波軌道不平順管理標(biāo)準(zhǔn)建議值檢測(cè)線路。

1.6 大半徑曲線檢測(cè)技術(shù)

曲線是軌道的薄弱環(huán)節(jié)之一，其質(zhì)量對(duì)列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性有重大影響。曲線要素測(cè)量是軌道檢測(cè)的重要內(nèi)容，是曲線養(yǎng)護(hù)維修不可缺少的基本信息。GJ-4型軌道檢測(cè)車(chē)適用于速度較低線路，檢測(cè)曲線半徑是150～8 000 m，提速線路和高速鐵路的曲線半徑一般超過(guò)8 000 m，其對(duì)大半徑曲線已不能正確識(shí)別和準(zhǔn)確測(cè)量，GJ-5型軌道檢測(cè)車(chē)也不能正確識(shí)別和準(zhǔn)確測(cè)量。

通過(guò)采用多平臺(tái)慣性測(cè)量技術(shù)、相位差分GPS測(cè)量技術(shù)，研制出大半徑曲線檢測(cè)設(shè)備。采用研制的檢測(cè)設(shè)備與原檢測(cè)設(shè)備對(duì)實(shí)際線路曲線進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3，可以看出研制的檢測(cè)設(shè)備具有較高的準(zhǔn)確度。

1.7 慣性測(cè)量裝置

慣性測(cè)量器件是軌道檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，GJ-4型和GJ-5型軌道檢測(cè)車(chē)均使用慣性測(cè)量器件。GJ-4型軌道檢測(cè)車(chē)使用的慣性器件包括陀螺組件和加速度計(jì)；GJ-5型軌檢車(chē)使用的慣性器件為安裝在檢測(cè)梁上的慣性組件，其成本高，供貨周期長(zhǎng)，無(wú)保障，常常影響軌道檢測(cè)車(chē)的正常使用。

根據(jù)軌道檢測(cè)系統(tǒng)的需要，研制了雙軸慣性和三軸慣性組件（見(jiàn)圖4），采用國(guó)產(chǎn)化的長(zhǎng)壽命、高可靠的閉環(huán)光纖陀螺和石英撓性加速度計(jì)，完全可以替代同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品。

1.8 高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)梁

圖1 軌道幾何檢測(cè)數(shù)學(xué)計(jì)算方法示意圖

圖2 激光攝像檢測(cè)參數(shù)標(biāo)定設(shè)備

圖3 檢測(cè)結(jié)果

圖4 慣性組件

檢測(cè)梁是安裝檢測(cè)系統(tǒng)傳感器的重要結(jié)構(gòu)，主要起承載激光攝像組件、慣性組件、軌向加速度計(jì)、自動(dòng)位置探測(cè)器的傳感器作用。因車(chē)輛結(jié)構(gòu)和檢測(cè)需求不同，檢測(cè)梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不同。以往各種類(lèi)型的檢測(cè)梁均不適合在動(dòng)車(chē)組上安裝，因此需要研制能夠在動(dòng)車(chē)組上安裝、滿足傳感器安裝需要，以及在速度400 km/h條件下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、疲勞可靠性和對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響均能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)梁及懸掛裝置。

研制的高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)梁（見(jiàn)圖5）質(zhì)量不大于130 kg；能夠按照檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量要求設(shè)計(jì)傳感器的空間位置；對(duì)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，模擬運(yùn)營(yíng)載荷工況進(jìn)行驗(yàn)證，能夠滿足疲勞強(qiáng)度要求；動(dòng)力學(xué)計(jì)算中建立帶檢測(cè)梁的高速檢測(cè)列車(chē)拖車(chē)非線性數(shù)學(xué)模型，計(jì)算結(jié)果表明：帶檢測(cè)梁的高速檢測(cè)列車(chē)TC3拖車(chē)的臨界速度大于600 km/h，滿足速度400 km/h運(yùn)營(yíng)要求；進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，確認(rèn)高速運(yùn)行的安全性。

2 高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)主要由激光攝像組件、慣性測(cè)量組件、信號(hào)處理組件、數(shù)據(jù)處理組件、里程定位組件和機(jī)械懸掛裝置組成（見(jiàn)圖6）。

高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)集中處理檢測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)。檢測(cè)項(xiàng)目包括軌距、軌向、高低、水平、曲率、三角坑等軌道幾何不平順，以及車(chē)體水平和垂直振動(dòng)加速度，道岔、道口及橋梁等地面具有顯著特征的標(biāo)志物。

2.2 激光攝像組件

激光攝像組件是高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括激光器、攝像機(jī)、溫控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)等，通過(guò)對(duì)視覺(jué)圖像的處理，得到鋼軌輪廓和鋼軌相對(duì)的測(cè)量坐標(biāo)系。

2.3 慣性測(cè)量和信號(hào)處理組件

慣性測(cè)量組件主要由陀螺平臺(tái)（CAS）、左高低加速度計(jì)（LACC）、右高低加速度計(jì)（RACC）、軌向加速度計(jì)（ALGN）、慣性組件（IMU）等組成，傳感器安裝位置見(jiàn)圖7。慣性測(cè)量組件主要功能是采集檢測(cè)梁、車(chē)體滾動(dòng)和搖頭角速度，以及傾角、垂向和橫向加速度，以建立軌道檢測(cè)的慣性基準(zhǔn)。信號(hào)處理組件包括模擬信號(hào)處理組件和數(shù)字信號(hào)處理組件，對(duì)慣性測(cè)量部件輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波、補(bǔ)償、修正、合成計(jì)算，輸出的軌道幾何參數(shù)滿足軌向、高低、水平（超高）、三角坑、曲率的測(cè)量要求。

2.4 軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理組件由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、交換機(jī)等設(shè)備組成，并構(gòu)成車(chē)載局域網(wǎng)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)傳感器原始信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和處理，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的修正、濾波和軌道幾何參數(shù)的合成，在屏幕上實(shí)時(shí)顯示幾何參數(shù)波形圖和里程、速度等信息。數(shù)據(jù)處理組件的軟件處理數(shù)據(jù)流程見(jiàn)圖8。

圖5 高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)梁

圖6 軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

圖7 傳感器安裝位置（車(chē)體底板俯視示意圖）

3 高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)的性能，將檢測(cè)系統(tǒng)安裝在CRH380A-001車(chē)上。在京滬先導(dǎo)段上行線K729+000—K757+561預(yù)設(shè)8類(lèi)37處軌道不平順，其中連續(xù)三波高低不平順2處和軌向不平順2處、復(fù)合不平順6處、高低4處、軌向4處、軌距10處、水平5處、三角坑4處。

高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)采集速度為100～400 km/h的數(shù)據(jù)。檢測(cè)參數(shù)包括高低、軌向、軌距、水平、三角坑、高低120 m、軌向120 m、軌距變化率、車(chē)體橫向加速度、車(chē)體垂向加速度等項(xiàng)目。根據(jù)65次往返檢測(cè)結(jié)果，取2倍標(biāo)準(zhǔn)差，即將置信概率95%的統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為極限誤差，描述檢測(cè)項(xiàng)目的準(zhǔn)確度，檢測(cè)結(jié)果如下：

（1）高低極限誤差0.6 mm×2=1.2 mm，滿足高低準(zhǔn)確度技術(shù)指標(biāo)≤1.5 mm的要求；

（2）軌向極限誤差0.4 mm×2=0.8 mm，滿足軌向準(zhǔn)確度技術(shù)指標(biāo)≤1.5 mm的要求；

（3）軌距極限誤差0.50 mm×2=1.0 mm，滿足軌距準(zhǔn)確度技術(shù)指標(biāo)≤1.0 mm的要求；

（4）水平極限誤差0.6 mm×2=1.2 mm，滿足水平準(zhǔn)確度技術(shù)指標(biāo)≤1.5 mm的要求；

（5）三角坑極限誤差0.5 mm×2=1.0 mm，滿足三角坑準(zhǔn)確度技術(shù)指標(biāo)≤1.5 mm的要求。

檢測(cè)結(jié)論：高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確度技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求；檢測(cè)還驗(yàn)證了高低、軌向、軌距、三角坑、水平等檢測(cè)項(xiàng)目的第95百分位數(shù)和最大偏差值，均滿足重復(fù)性技術(shù)指標(biāo)要求。

圖8 軟件處理數(shù)據(jù)流程

4 結(jié)束語(yǔ)

高速軌道檢測(cè)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）最高檢測(cè)速度突破。實(shí)現(xiàn)速度400 km/h的實(shí)時(shí)檢測(cè)，為當(dāng)前世界最高檢測(cè)速度。

（2）激光攝像式檢測(cè)技術(shù)。成功研制具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光攝像式軌道檢測(cè)設(shè)備，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

（3）抗陽(yáng)光干擾技術(shù)。通過(guò)研究特殊算法，采用動(dòng)態(tài)閾值法等方法，提高抗陽(yáng)光干擾能力，解決了外國(guó)長(zhǎng)期未解決的陽(yáng)光干擾問(wèn)題。

（4）長(zhǎng)波不平順檢測(cè)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了截止波長(zhǎng)為120 m的軌道長(zhǎng)波不平順檢測(cè)。

（5）高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)梁。研制成功在速度400 km/h條件下能夠滿足檢測(cè)設(shè)備懸掛條件和保證行車(chē)安全的檢測(cè)梁。

（6）慣性測(cè)量裝置。成功研制雙軸慣性組件和三軸慣性組件，可替代同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品。

（7）大半徑曲線檢測(cè)技術(shù)。采用多維慣性基準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行多基準(zhǔn)校核，解決了大半徑曲線檢測(cè)技術(shù)問(wèn)題。

高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)融合了圖像處理、模數(shù)混合濾波、實(shí)時(shí)控制等多方面技術(shù)，在CRH380A-001、CRH380B-002、CRH2-150C、CRH2-061C等綜合檢測(cè)列車(chē)上進(jìn)行應(yīng)用和檢驗(yàn)，CRH380B-002最高檢測(cè)速度達(dá)400 km/h。經(jīng)檢測(cè)驗(yàn)證，高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)在準(zhǔn)確性、重復(fù)性、一致性、檢測(cè)梁安全性等方面滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和參考標(biāo)準(zhǔn)，將在高速綜合檢測(cè)車(chē)和普通軌道檢測(cè)車(chē)上廣泛應(yīng)用。