鈕海彥

無錫地鐵綜合檢測車研制

鈕海彥

摘 要：無錫地鐵綜合檢測車檢測系統(tǒng)采用慣性測量原理、機器視覺

及激光掃描等非接觸測量技術(shù)，集軌道幾何及動態(tài)響應(yīng)、接觸軌檢測、隧道限界檢測和輪軌監(jiān)視等功能于一車，并應(yīng)用RFID無線射頻技術(shù)進行精確里程定位，可快速高效地對城市軌道交通的軌道幾何、接觸軌狀態(tài)和隧道及線路周邊建筑進行檢測。綜合檢測車各檢測系統(tǒng)經(jīng)靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)驗證，檢測指標滿足檢測要求，已正式應(yīng)用于無錫地鐵的定期檢測中。

關(guān)鍵詞：地鐵；綜合檢測車；研制

鈕海彥：無錫地鐵集團有限公司，高級工程師，江蘇無錫 214171

軌道狀態(tài)、接觸軌狀態(tài)和隧道及周邊建筑限界的檢查和維護，是城市軌道交通安全運營的必要措施。無錫地鐵1、2號線建成通車后，迫切需要綜合檢測設(shè)備對基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)進行日常檢測。無錫地鐵聯(lián)合中國鐵道科學研究院共同研制了一臺綜合檢測車，集軌道幾何、接觸軌、隧道限界檢測和輪軌監(jiān)視于一體，采用了慣性測量原理、機器視覺以及激光掃描技術(shù)，具有測量準確、精度高、速度快的特點，可以極大地減少人工檢查和維護的工作量。

1　檢測車總體設(shè)計與功能

無錫綜合檢測車各系統(tǒng)設(shè)計安裝于標準軌距的軌道車上，車輛設(shè)計運行速度為80 km/h，檢測車車內(nèi)空間劃分為設(shè)備操作室、會議室和司機室。設(shè)備操作室集中各檢測系統(tǒng)的設(shè)備操作和數(shù)據(jù)處理功能。會議室安裝有大屏幕顯示器，可切換顯示各系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)。車廂兩端為司機室，前端司機室設(shè)有操作臺，可在綜合檢測車上進行與其聯(lián)掛機車的起動、調(diào)速、制動等操作和整列車的實時監(jiān)控。檢測系統(tǒng)傳感設(shè)備主要安裝于車體下或轉(zhuǎn)向架端部的檢測梁上，以及車輛尾端的限界檢測模塊中。車下設(shè)有發(fā)電機組，為檢測設(shè)備和空調(diào)機組提供電源，檢測車不帶走行動力，由機車提供牽引動力，2車聯(lián)掛后可正反向運行和檢測。

綜合檢測車系統(tǒng)的設(shè)計，按功能可分為軌道幾何及車體響應(yīng)、接觸軌檢測、隧道限界檢測、輪軌監(jiān)視和精確里程定位等5個模塊。精確里程定位為其他模塊提供速度和里程，并提供采集觸發(fā)脈沖，軌道幾何為隧道限界提供車體修正數(shù)據(jù)，接觸軌檢測緊密依靠軌道幾何系統(tǒng)的鋼軌圖像數(shù)據(jù)。輪軌監(jiān)視可對車輪和軌道接觸點進行視頻圖像的錄制、存儲和檢索。

綜合檢測車可檢測項目為：

（1）軌道幾何，軌距，左（右）軌向，左（右）高低，水平，三角坑，曲率，車體橫向加速度，車體垂向加速度，鋼軌垂磨、側(cè)磨，速度及地面標志；

（2）接觸軌，左（右）導高，左（右）拉出值；

（3）隧道限界，水平方向限界，垂直方向限界，側(cè)面限界，垂直方向振動補償，水平方向振動補償。

2　檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1軌道幾何與車體響應(yīng)

在線路運營中，軌道幾何狀態(tài)良好是車輛安全運行的基礎(chǔ)，無錫地鐵綜合檢測車利用慣性測量原理和機器視覺技術(shù)，選用高幀頻工業(yè)面陣相機、紅外激光光源、高精度陀螺和加速度計等傳感器件，以及工業(yè)計算機和QNX實時操作系統(tǒng)，組成了對軌道幾何和車體響應(yīng)實時測量的非接觸檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)分傳感器裝置、圖像采集處理、信號調(diào)理監(jiān)視、實時計算與合成、軌道數(shù)據(jù)處理等5大模塊，其系統(tǒng)構(gòu)成和測量流程如圖1所示。

圖像采集處理部分使用激光攝像測量鋼軌和接觸軌相對于檢測梁的橫向和縱向位移。加速度計、陀螺、位移計等多種傳感器裝置響應(yīng)車體和檢測梁的姿態(tài)變化，并由信號調(diào)理監(jiān)視模塊對模擬信號進行濾波與增益調(diào)整。計算及合成模塊采用QNX實時操作系統(tǒng)，對模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換、存儲、數(shù)字濾波、修正以及補償處理，然后經(jīng)過綜合運算，合成所需的軌道幾何和接觸軌參數(shù)。合成參數(shù)和傳感器信號發(fā)給數(shù)據(jù)處理模塊進行顯示、編輯及報表打印。

檢測系統(tǒng)在行進的車輛上進行動態(tài)檢測，就需要建立測量基準。軌道幾何檢測系統(tǒng)利用慣性測量原理，用安裝在車廂內(nèi)的慣性平臺建立水平基準，采用高精度伺服加速度計建立高低和軌向基準。為了消除車輛運行產(chǎn)生的其他加速度的干擾，系統(tǒng)用測量車體搖頭和側(cè)滾角速度的角速率陀螺對所測信號進行修正。搖頭陀螺還用來測量曲線的曲率和曲線半徑。車體響應(yīng)包括橫向加速度和垂向加速度，由安裝在車廂內(nèi)的伺服加速度測得。

圖1　軌道幾何及接觸軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測量流程

圖2　軌道幾何鋼軌斷面圖像

圖3　綜合檢測車接觸軌激光攝像組件

鋼軌的相對位移用機器視覺-結(jié)構(gòu)光測量方式測得。激光在鋼軌表面投射一道均勻明亮的光帶，高幀頻相機采集圖像，經(jīng)濾波、圖像細化、質(zhì)心提取等處理后得到鋼軌輪廓的“骨架”圖像（圖2）。結(jié)合攝像機的標定參數(shù)，對鋼軌輪廓進行像素坐標到物理坐標的轉(zhuǎn)換，通過提取和計算軌距點、軌頂點，以及與標準鋼軌截面進行對比，得到軌距、磨耗等檢測項目。每對激光器和相機都將獨立密封設(shè)計的激光攝像組件安裝在檢測梁上，激光攝像組件易于拆裝，便于維護，檢測梁經(jīng)靜強度計算和動態(tài)疲勞測試，安全性能滿足車輛運行的要求。

2.2接觸軌檢測

無錫地鐵1、2號線采用下部受流式接觸軌供電，走行軌和接觸軌的位置關(guān)系直接影響到電客車的供電效率和運營安全，因此，在測量走行軌軌道幾何狀態(tài)的同時，也需要測量接觸軌相對于同側(cè)走行軌的橫向和縱向位置關(guān)系，以及導高和拉出值，接觸軌導高和拉出值的測量同樣采用機器視覺-結(jié)構(gòu)光方法。

接觸軌一般安裝在列車運行方向的左側(cè)，在車場或特殊地段會出現(xiàn)在右側(cè)，為了方便上下行檢測，無錫地鐵綜合檢測車左右兩側(cè)都安裝有接觸軌激光攝像組件（圖3）。綜合檢測車的接觸軌檢測和軌道幾何檢測在系統(tǒng)設(shè)計上緊密結(jié)合，使結(jié)構(gòu)簡潔緊湊。接觸軌檢測組件和軌距檢測的激光攝像組件安裝在同一個檢測梁上，QNX實時處理計算機同時控制二者的采樣及合成計算，而在數(shù)據(jù)處理端軌道幾何和接觸軌設(shè)計為相互獨立的終端，工務(wù)（軌道）和供電（接觸軌）專業(yè)的技術(shù)人員可同時進行超限編輯、報表打印和波形瀏覽。

圖4為接觸軌的圖像采集界面，圖中接觸軌安裝在左側(cè)，通過圖像處理和計算得到接觸軌鋼軌輪廓上特征點的相對位置，以及左側(cè)走行軌軌距點和軌頂點的測量數(shù)據(jù)，共同合成左接觸軌相對于相鄰走行軌的導高和拉出值。表1所示為接觸軌檢測系統(tǒng)的檢測項目、測量范圍及測量精度。

軌道幾何及接觸軌的數(shù)據(jù)處理模塊基于Windows環(huán)境開發(fā)，主要分為波形瀏覽器、超限編輯及報表打印軟件，二者均可在檢測中實時操作或檢測后線下處理。波形瀏覽器以波形圖顯示各項目的檢測數(shù)據(jù)及原始傳感器數(shù)據(jù)，顯示通道可選，可瀏覽、測量、配置和打印，可以txt文本格式導出數(shù)據(jù)方便第三方處理。波形圖的數(shù)據(jù)顯示通道、比例可由用戶調(diào)節(jié)，波形圖軟件具有歷史數(shù)據(jù)對比功能，用戶可對同一線路的2次檢測數(shù)據(jù)進行對比，可快速發(fā)現(xiàn)線路的變化。超限編輯及報表打印軟件可剔除數(shù)據(jù)中干擾，對數(shù)據(jù)進行匯總并報表打印。

圖4　接觸軌斷面測量圖（左側(cè)）

表1　接觸軌檢測項目及指標

圖5　限界測量模塊安裝位置

圖6　限界侵限圖

2.3限界檢測

限界檢測系統(tǒng)采用激光掃描的測量方法，安裝在車輛端端部的測量模塊（圖5）內(nèi)集成多臺可同步工作的激光掃描傳感器，連續(xù)不斷地測量周圍建筑物的斷面輪廓信息，測量模塊設(shè)計有相應(yīng)的供電、溫控、輔助補償和信號傳輸?shù)仍O(shè)備，可快速整體安裝或拆卸?；诩す鈷呙璧姆绞绞箿y量快速、準確，檢測可在陽光和雨雪情況下正常工作，不易受外界干擾，數(shù)據(jù)可靠。

測量數(shù)據(jù)以鋼軌頂面及軌道中心線作為測量基準，經(jīng)實時疊加同時刻的速度、里程、修正補償?shù)刃畔⒑涂臻g坐標變換等數(shù)學計算，輸出基于軌道中心線的建筑物輪廓數(shù)據(jù)，以二維和三維的方式實時顯示線路周邊建筑物輪廓（圖6），系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)預置的臺帳在線切換限界標準，自動輸出檢測數(shù)據(jù)信息和侵限數(shù)據(jù)，實現(xiàn)限界的動態(tài)分析。分析模塊還可對數(shù)據(jù)進行后端分析、處理、展示和報表生成，以全息圖的方式來形象展示線路兩側(cè)建筑物的實際輪廓。

系統(tǒng)的檢測指標如表2所示。2.4 輪軌監(jiān)視

無錫地鐵綜合檢測車安裝了2組輪軌接觸狀態(tài)監(jiān)視設(shè)備，通過車內(nèi)監(jiān)視器實時監(jiān)視車輛運行過程中車輪與軌道的真實接觸狀態(tài)，系統(tǒng)可在視頻圖像上疊加當前線路名、里程、速度等線路信息后并進行存儲。視頻分辨率為720×576，幀率25 fps，存儲容量為1 TB。存儲的視頻數(shù)據(jù)具備按里程或時間進行檢索的功能。系統(tǒng)安裝有光源，在夜晚的條件下也可正常進行。

2.5里程精確定位

對于軌道維護人員來說，提供檢測數(shù)據(jù)相應(yīng)的準確現(xiàn)場位置是提高維護效率的關(guān)鍵，里程信息誤差較大，現(xiàn)場人員尋找病害的成本就越高。無錫地鐵綜合檢測車采用主備2路高精度光電編碼器提供距離脈沖和采樣信號，RFID標簽提供精確校準信號的方式，定位精度小于1 m。

無錫地鐵綜合檢測車采用RFID電子標簽對里程的累計誤差或長短鏈進行修正，電子標簽安裝在軌道中間，約每5～6 km及長短鏈處安裝1塊，車輛駛過該里程點時，車底安裝的閱讀器會自動識別標簽信息，并實時計算出當前的里程，發(fā)送給車內(nèi)各檢測系統(tǒng)進行里程的同步校準。當線路的里程信息因維修發(fā)生改變時，只需對車上數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的里程進行更改，無需對地面標簽進行重新布點。

表2　限界檢測項目及指標

圖7　檢測系統(tǒng)實驗室驗證

3　系統(tǒng)驗證與應(yīng)用

3.1軌道幾何及接觸軌實驗室標定

軌道幾何與接觸軌檢測系統(tǒng)安裝前在實驗室進行了系統(tǒng)驗證，檢測設(shè)備安裝在6自由度高精度振動臺上，根據(jù)檢測系統(tǒng)的標定技術(shù)要求，振動臺按照一定的頻率和振幅做橫向和縱向運動及角度側(cè)滾，模擬檢測梁在檢測情況下的振動，系統(tǒng)安裝后進行了整車標定，標定數(shù)據(jù)滿足檢修系統(tǒng)的要求（圖7）。

3.2軌道幾何及接觸軌動態(tài)驗證綜合檢測車于2014年7～8月份在無錫地鐵重復性測試，2次數(shù)據(jù)間隔為1個月，圖8、9分別為軌道幾何項目和接觸軌項目2次對比中1 km數(shù)據(jù)的波形圖，圖中當前的波形數(shù)據(jù)完全覆蓋了歷史數(shù)據(jù)，重復度很高。在剔除速度低于18 km以下數(shù)據(jù)輸出截止的影響，選取對比5 km約40 000個采樣數(shù)據(jù)，各檢測項目的重復性指標都大于95.6%，滿足檢測系統(tǒng)的重復性要求。

2014年9月在無錫地鐵現(xiàn)場對綜合檢測車接觸軌檢測結(jié)果進行了人工驗證，方法為選取幾段系統(tǒng)檢測的接觸軌檢超限數(shù)據(jù)，然后用接觸軌檢測尺進行人工復核。將人工測量和綜合檢測車的檢測結(jié)果都導入Excel進行對比（圖10），由圖10可見二者的檢測結(jié)果是非常接近的。

圖8　軌道幾何重復性波形圖

圖9　接觸軌重復性波形圖

3.3限界動態(tài)驗證

限界的動態(tài)驗證方法為在無錫地鐵西璋車輛段的試車線上道床一側(cè)人為設(shè)置標志物，模擬侵限，綜合檢測車在試車線上進行了多次往返，限界檢測系統(tǒng)在運行過程中對侵限標志物進行測量，并將其與人工測量的標志物與線路中心線的距離進行對比驗證，表3為試車線現(xiàn)場記錄的數(shù)據(jù)及對比分析結(jié)果。試驗中的模擬侵限標志物的位置均能準確地檢測到，從表3中可以看到偏差值最大為16 mm，最小為2 mm，滿足系統(tǒng)技術(shù)指標±20 mm的技術(shù)要求。

圖10　接觸軌人工測量與系統(tǒng)測量對比

表3　限界檢測數(shù)據(jù)比較 mm

4　結(jié)語

軌道交通的快速發(fā)展，需要用科技的手段來提升運營的質(zhì)量和效率，無錫地鐵綜合檢測車經(jīng)數(shù)次動靜態(tài)調(diào)試標定以及現(xiàn)場驗收，各檢測系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，檢測項目和指標滿足檢測要求，目前，已正式應(yīng)用于無錫地鐵的定期檢測中，為監(jiān)控軌道、接觸軌運行狀態(tài)及檢測沿線建筑限界提供有力的技術(shù)支持。

參考文獻

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責任編輯 朱開明

Development of Wuxi Metro Comprehensive Inspection Train

Niu Haiyan

Abstract:The inspection system of the comprehensive inspection train by Wuxi metro using non-contact measurement technologies; including inertial measurement principle, machine vision and laser scanning etc. integrating track geometry and dynamic response, contact rail inspection, tunnel clearance inspection and the wheel/rail monitoring and other functions in a train. It also conducts accurate mileage positioning with application of radio frequency identifi cation (RFID) technology, fast and efficient inspection of track geometry, contact rail, tunnel and the surrounding buildings of urban rail transit. The inspection system of the comprehensive inspection train has passed the static testing and dynamic verifi cation, the testing has met the inspection requirements, and it has formally used in periodical track inspection in Wuxi metro.

Keywords:metro, comprehensive inspection train, development

收稿日期2014-11-19

中圖分類號：U216.3