魏世斌，李 穎，趙延峰，陳春雷

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081)

1 軌道檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展概述

軌道檢測(cè)系統(tǒng)為提高軌道的平順性、保證列車(chē)運(yùn)行的安全和舒適發(fā)揮了重要作用。軌道檢測(cè)技術(shù)一直在不斷地改進(jìn)之中［1］，隨著線(xiàn)路提速和高速鐵路的快速發(fā)展，設(shè)計(jì)和研制了新一代的軌道檢測(cè)系統(tǒng)——GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，歐、美、日等許多發(fā)達(dá)國(guó)家相繼研究各種先進(jìn)的軌道檢測(cè)技術(shù)［2］，采用了新的測(cè)量原理，研制出應(yīng)用現(xiàn)代高新技術(shù)的軌檢車(chē)，提高了檢測(cè)精度和速度，增加了檢測(cè)功能。

1999年由中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研制開(kāi)發(fā)了GJ-4型檢測(cè)系統(tǒng)［3］，基于慣性基準(zhǔn)測(cè)量原理，在車(chē)體、構(gòu)架和懸掛于軸向的檢測(cè)梁上安裝多個(gè)傳感器，把測(cè)得的信號(hào)合成各項(xiàng)軌道幾何參數(shù)，屬于捷聯(lián)式檢測(cè)系統(tǒng)［4］。最高檢測(cè)速度為160 km/h。在鐵路逐步提速的過(guò)程中，GJ-4型軌檢車(chē)發(fā)揮了非常重要的作用，但隨著運(yùn)行速度的進(jìn)一步提高，GJ-4型軌檢車(chē)的缺點(diǎn)明顯地暴露出來(lái):其軸箱式的檢測(cè)梁在速度較高時(shí)受到劇烈的振動(dòng)和沖擊，容易出現(xiàn)疲勞損傷，故障越來(lái)越多，存在安全隱患［5］。

GJ-5型是我國(guó)在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)采用慣性基準(zhǔn)法和激光攝像技術(shù)研制開(kāi)發(fā)的適合國(guó)內(nèi)鐵路使用的檢測(cè)設(shè)備，是由斷面輪廓圖像的測(cè)量獲得軌距和軌向測(cè)量值的［6］。

新研制的GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)摒棄了不安全的懸掛方式，去掉了伺服機(jī)構(gòu)等移動(dòng)部件，采用激光攝像式的軌道檢測(cè)技術(shù)，克服了陽(yáng)光干擾，采用數(shù)字圖像技術(shù)提高了檢測(cè)精度，同時(shí)探索出新的標(biāo)定方法，采用實(shí)時(shí)控制技術(shù)進(jìn)行精確控制和測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了里程精確定位。

2 GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目為:基本軌道幾何項(xiàng)目(軌距、左高低、右高低、左軌向、右軌向、水平、三角坑)、車(chē)體的響應(yīng)(車(chē)體橫向加速度、車(chē)體垂向加速度)和輔助性評(píng)判指標(biāo)(軌道質(zhì)量指數(shù)、軌距變化率、曲率變化率、車(chē)體橫向加速度變化率)。軌向、高低項(xiàng)目還包含了截止波長(zhǎng)為120 m的長(zhǎng)波不平順。

GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理和方法:使用激光攝像系統(tǒng)測(cè)量鋼軌相對(duì)于檢測(cè)梁的橫向和縱向位移;使用加速度計(jì)、陀螺、位移計(jì)等多種傳感器測(cè)量車(chē)體和檢測(cè)梁的姿態(tài)變化。將需要檢測(cè)的位移、速度、加速度等的物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電模擬信號(hào)，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接及監(jiān)視單元輸入到信號(hào)處理單元。信號(hào)處理單元將信號(hào)放大和模擬濾波處理后，再經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接及監(jiān)視單元輸入到數(shù)據(jù)采集和處理計(jì)算機(jī)。該計(jì)算機(jī)對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、數(shù)字濾波、修正以及補(bǔ)償處理，然后經(jīng)過(guò)綜合運(yùn)算、合成得到所需軌道幾何參數(shù)，并在其顯示器上實(shí)時(shí)顯示軌道幾何波形圖。另外，軌道幾何狀態(tài)參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)，由該計(jì)算機(jī)將軌道幾何參數(shù)及超限數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)顯示軌道幾何波形，或顯示超限數(shù)據(jù)并可對(duì)超限數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。最后，可由網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)打印出軌道幾何參數(shù)的超限數(shù)據(jù)報(bào)表或波形圖。傳感器布置及軌道幾何參數(shù)主要項(xiàng)目檢測(cè)方法如下。

2.1 傳感器布置

軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)傳感器在車(chē)輛上的安裝位置示意圖如圖1所示，主要傳感器見(jiàn)表1。車(chē)體底板上安裝有 1，2，5，6，7，11，12，13，14 共 9 個(gè)傳感器。車(chē)體與構(gòu)架間安裝有8，9，10共3個(gè)傳感器，車(chē)體尾部轉(zhuǎn)向架上安裝有17共1個(gè)傳感器，車(chē)體尾部橫向檢測(cè)梁上安裝有15，16共2個(gè)傳感器及18～23的慣性組件。

圖1 傳感器安裝示意

表1 主要傳感器

2.2 軌距

軌距是鋼軌軌頭部踏面下16 mm范圍內(nèi)兩股鋼軌工作邊之間的最小距離。測(cè)量軌距的主要器件是激光攝像組件，如圖2所示。

圖2 軌距測(cè)量示意

激光攝像組件主要包含激光器、攝像機(jī)、溫控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件。建立如圖2所示的坐標(biāo)系，則可以推導(dǎo)出鋼軌輪廓上的任意一點(diǎn)的坐標(biāo)(x，y)與其在圖像中的像點(diǎn)坐標(biāo)(u，v)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可表示為

參數(shù) a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2為視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)，通過(guò)標(biāo)定獲取。

通過(guò)對(duì)視覺(jué)圖像的處理，得到鋼軌輪廓，進(jìn)而可以得到鋼軌相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的橫向、垂向位移。由兩根鋼軌的橫向位移合成軌距。橫向位移和垂向位移分別是測(cè)量軌向和高低的重要分量。

2.3 水平(超高)

超高是軌道同一橫截面上左右軌頂面相對(duì)所在水平面的高度差。水平是軌道同一橫截面上左右軌頂面相對(duì)所在水平面的高度差，但不含曲線(xiàn)上按規(guī)定設(shè)置的超高值及超高順坡量。由慣性組件的輸出量或CAS及位移傳感器的輸出量計(jì)算測(cè)得。

采用加速度自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)測(cè)量軌道的水平和超高。測(cè)量水平的傳感器主要有傾角計(jì)和滾動(dòng)陀螺，用于測(cè)量車(chē)體的滾動(dòng)角。安裝在檢測(cè)梁上的慣性組件用于測(cè)量檢測(cè)梁的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。另有檢測(cè)梁相對(duì)于鋼軌位置的激光攝像組件和測(cè)量車(chē)體相對(duì)于構(gòu)架位置變化的光電位移傳感器，可以測(cè)量車(chē)體、構(gòu)架、軌道相對(duì)位置的變化。

車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，測(cè)量車(chē)體、檢測(cè)梁姿態(tài)時(shí)，考慮了離心加速度、搖頭加速度、滾動(dòng)加速度、橫向水平位移產(chǎn)生的加速度等因素的修正補(bǔ)償，保證了測(cè)量精度。

2.4 高低

鋼軌頂面沿延長(zhǎng)方向的垂向凹凸不平順，由垂向加速度計(jì)、垂向位移和滾動(dòng)速率陀螺儀來(lái)測(cè)得。垂向加速度計(jì)和滾動(dòng)陀螺測(cè)量車(chē)體和鋼軌水平(垂向光點(diǎn))之間的關(guān)系。

高低和軌向使用慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)原理相同。以高低為例，主要傳感器為加速度計(jì)，其信號(hào)經(jīng)二階模擬濾波器濾波，計(jì)算機(jī)采樣后經(jīng)解偏濾波器解偏消除低頻分量，再由數(shù)字濾波器處理后輸出為高低短弦中支距(SMCO)值。

由于其值受到了車(chē)體滾動(dòng)、搖頭、離心及重力加速度的影響，因此由水平、曲率測(cè)量系統(tǒng)中提供的信息進(jìn)行修正或補(bǔ)償。修正了的加速度SMCO信號(hào)經(jīng)處理得到位移SMCO信號(hào)，再與視覺(jué)測(cè)量法測(cè)得的位移信號(hào)一起計(jì)算出的相應(yīng)SMCO信號(hào)結(jié)合，分別得到左右軌的高低信號(hào)。

2.5 軌向

在鋼軌內(nèi)側(cè)，軌距點(diǎn)沿軌道延長(zhǎng)方向的橫向凹凸不平順，由激光攝像組件及慣性組件的輸出計(jì)算測(cè)得。軌向的濾波原理與高低相同。

2.6 車(chē)體加速度

包括車(chē)體橫向和垂向振動(dòng)加速度。車(chē)體振動(dòng)加速度測(cè)量要求加速度傳感器安置在車(chē)體底板上，距車(chē)體縱向中心線(xiàn)1 m，車(chē)輛尾部靠近第4位軸處。

采用石英撓性伺服加速度計(jì)測(cè)量車(chē)體響應(yīng)。先對(duì)車(chē)體振動(dòng)加速度進(jìn)行模擬濾波，使得信號(hào)在合適的頻率范圍內(nèi)。然后進(jìn)行數(shù)字化處理，并按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判別和輸出。車(chē)體響應(yīng)信號(hào)處理流程如圖3。

圖3 車(chē)體響應(yīng)檢測(cè)流程

2.7 射頻識(shí)別定位技術(shù)

GJ-6型軌檢車(chē)的里程定位系統(tǒng)采用RFID，即射頻識(shí)別技術(shù)，并輔以高精度光電編碼器進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路特征點(diǎn)的精確定位。具體實(shí)現(xiàn)方法如下:在需要識(shí)別的地面線(xiàn)路特征點(diǎn)預(yù)設(shè)工業(yè)級(jí)高速射頻卡，每一個(gè)射頻卡都有一個(gè)全球唯一的卡號(hào);在軌檢車(chē)上安裝高速閱讀器，當(dāng)列車(chē)以一定速度通過(guò)射頻卡時(shí)，識(shí)別出射頻卡的卡號(hào)，將這個(gè)卡號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行比對(duì)，識(shí)別出卡號(hào)對(duì)應(yīng)的里程信息和線(xiàn)路特征點(diǎn)信息，并將此信息發(fā)送到軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示。同時(shí)為了達(dá)到精確定位的目的，采用高精度的軸頭光電編碼器，精確計(jì)算列車(chē)行駛速度，結(jié)合系統(tǒng)延時(shí)，對(duì)RFID定位系統(tǒng)進(jìn)行修正。系統(tǒng)示意圖如圖4。

圖4 RFID精確定位流程

3 GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)的研制

3.1 檢測(cè)梁設(shè)計(jì)制作

檢測(cè)梁是軌道檢測(cè)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架連接的基礎(chǔ)部件。檢測(cè)梁功能是為檢測(cè)車(chē)上軌道檢測(cè)設(shè)備激光器、攝像機(jī)組件、ALD傳感器及軌向加速度計(jì)提供安裝接口，并對(duì)安裝在梁上的檢測(cè)設(shè)備提供保護(hù)作用。

整套檢測(cè)梁包括以下幾部分:底座、吊臂、檢測(cè)梁梁體、檢測(cè)設(shè)備安裝座、檢測(cè)設(shè)備保護(hù)罩、線(xiàn)纜安裝和安全支座。根據(jù)轉(zhuǎn)向架不同結(jié)構(gòu)，檢測(cè)梁可懸掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中部或端部。

為保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全可靠，做了一下分析計(jì)算:對(duì)檢測(cè)梁及安裝檢測(cè)梁后的構(gòu)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真計(jì)算分析;進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能的仿真計(jì)算分析。結(jié)果說(shuō)明，設(shè)計(jì)符合《高速動(dòng)車(chē)組整車(chē)試驗(yàn)規(guī)范》等有關(guān)規(guī)定的要求。

檢測(cè)梁的設(shè)計(jì)還考慮了如下措施:

1)防脫落措施。主梁端部焊接有安全吊，安全吊上部伸到了吊臂托板的上方，檢測(cè)梁組成與吊臂組成之間是通過(guò)螺栓連接的，該安全吊的作用是可以在螺栓失效的情況下防止主梁跌落到軌道上。

2)防松動(dòng)措施。有螺母的螺紋連接全部使用防松螺母及彈簧墊圈，關(guān)鍵螺紋連接使用螺紋鎖固膠，緊固件(除鋼絲螺套)一次性使用。

3)激光器和攝像機(jī)在自帶防護(hù)罩之外，另設(shè)置了一套具有防水防塵防外物擊打的防護(hù)罩。

4)嚴(yán)格遵守了檢測(cè)梁的制造工藝。對(duì)于每種新式檢測(cè)梁都進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行疲勞壽命分析，按照分析結(jié)果進(jìn)行壽命管理。

3.2 傳感器安裝

軌道檢測(cè)設(shè)備主要包括以下4類(lèi):機(jī)柜(包括機(jī)柜內(nèi)設(shè)備)、檢測(cè)梁(包括檢測(cè)梁上的傳感器)、線(xiàn)纜和傳感器。

除激光攝像組件和慣性組件安裝在檢測(cè)梁上外，其它傳感器都安裝在車(chē)體上。車(chē)體上傳感器主要有位移計(jì)和加速度計(jì)，加速度計(jì)安裝采用了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的加速度計(jì)安裝適配器與車(chē)體裝配，該盒體為鋁合金材質(zhì)，內(nèi)設(shè)絕緣層，用高強(qiáng)度螺栓固定，設(shè)緊固防松措施，盒體具有抗沖擊、絕緣、防塵、防水和電磁屏蔽的功能;位移計(jì)也采用高強(qiáng)螺栓和防松膠緊密固定在車(chē)體上。

3.3 機(jī)柜設(shè)備布置

機(jī)柜內(nèi)有軌檢系統(tǒng)服務(wù)器、實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)、軌距計(jì)算機(jī)A、軌距計(jì)算機(jī) B、編輯計(jì)算機(jī)、交換機(jī)、KVM切換器和慣性組件電源。另一機(jī)柜內(nèi)有信號(hào)發(fā)生器、示波器、SCU信號(hào)處理機(jī)箱、激光及攝像機(jī)電源、系統(tǒng)電源機(jī)箱和機(jī)柜下部安裝的陀螺組件。詳細(xì)安裝位置見(jiàn)圖5。

圖5 軌檢設(shè)備布置

機(jī)柜內(nèi)設(shè)備在左上角位置有設(shè)備標(biāo)識(shí)牌。標(biāo)牌內(nèi)容包括設(shè)備編號(hào)、設(shè)備名稱(chēng)、型號(hào)/規(guī)格和生產(chǎn)日期。

3.4 線(xiàn)纜布置

GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)柜后方安裝理線(xiàn)器，后方左右兩側(cè)安裝縱向走線(xiàn)槽，保證機(jī)箱固定件或托盤(pán)與走線(xiàn)槽無(wú)干涉，如圖6所示。機(jī)柜后方走線(xiàn)強(qiáng)電和弱電線(xiàn)纜分別走機(jī)柜不同的兩側(cè)。機(jī)柜后方配橫線(xiàn)理線(xiàn)架。

車(chē)內(nèi)線(xiàn)纜需鋪設(shè)在線(xiàn)槽之內(nèi)，要求扎帶緊固，橡膠墊保護(hù)。陀螺平臺(tái)在機(jī)柜內(nèi)部，可直接上線(xiàn)至機(jī)柜內(nèi)設(shè)備。車(chē)外線(xiàn)纜需鋪設(shè)在車(chē)下線(xiàn)槽之內(nèi)，要求扎帶緊固，用護(hù)管保護(hù)。

4 GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)在集通鐵路檢測(cè)車(chē)WX090080以及 CRH380A-001、CRH380B-002、CRH2-150C、CRH2-061C、CRH2-010A等綜合檢測(cè)列車(chē)上得到應(yīng)用和檢驗(yàn)，CRH380B-002最高檢測(cè)速度已達(dá)400 km/h，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)在準(zhǔn)確性、重復(fù)性、一致性、檢測(cè)梁安全性等方面都滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)和參考標(biāo)準(zhǔn)，必將在高速綜合檢測(cè)列車(chē)和其他普通軌檢車(chē)上得到廣泛應(yīng)用。

［1］ 趙國(guó)堂．軌檢車(chē)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2001．

［2］ 鐵道部基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心．國(guó)際綜合檢測(cè)技術(shù)匯編［Z］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2005．

［3］ 李志?。瓽J-4 型軌檢車(chē)研制成功［J］．鐵道建筑，1999(6):2．

［4］ 徐旭宇，魏世斌，夏亮光，等．GJ-4型軌檢車(chē)的檢測(cè)系統(tǒng)［J］．鐵道建筑，2000(3):33-35．

［5］ 中華人民共和國(guó)鐵道部．工機(jī)［1997］27號(hào) 關(guān)于加強(qiáng)軌檢車(chē)軌距吊梁檢修管理工作的通知［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1997．

［6］ 趙鋼，劉維楨，陳東生，等．GJ-5型軌檢車(chē)軟件的自主開(kāi)發(fā)［J］．鐵道建筑，2004(12):45-46．