姚連璧， 孫海麗， 王　璇， 周躍寅

(1. 同濟大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院， 上海 200092； 2. 同濟大學(xué) 現(xiàn)代工程測量國家測繪地理信息局重點實驗室， 上海 200092；3. 首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048)

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基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性檢測系統(tǒng)

姚連璧1，2， 孫海麗3， 王璇1， 周躍寅1

(1. 同濟大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院， 上海 200092； 2. 同濟大學(xué) 現(xiàn)代工程測量國家測繪地理信息局重點實驗室， 上海 200092；3. 首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048)

研究了基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性檢測方法，集成激光跟蹤儀、軌檢小車(位移傳感器和傾角傳感器)、靶球及靶球支座等硬件設(shè)備，開發(fā)了軌道靜態(tài)平順性檢測系統(tǒng)軟件，建立了基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性檢測系統(tǒng)(TDS).在上海地鐵13號線某區(qū)間，利用TDS進行了軌道靜態(tài)平順性檢測試驗，并采用SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀進行了對比測量. TDS測量系統(tǒng)軌道檢測數(shù)據(jù)結(jié)果與SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量結(jié)果基本一致，驗證了TDS測量系統(tǒng)可行性.

激光跟蹤儀； 軌檢小車； 軌道靜態(tài)平順性； 動態(tài)檢測

高速鐵路和城市軌道交通大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展和列車速度的大幅提高對軌道平順性提出了更高的要求.軌道平順性是指高速鐵路或者城市交通軌道在承受荷載、復(fù)雜的地理、自然環(huán)境作用下能夠保持列車運行狀態(tài)良好、保證旅客舒適和安全的幾何狀態(tài).軌道幾何形位的平順狀態(tài)直接影響輪軌系統(tǒng)的運行安全、平穩(wěn)舒適性、部件壽命、環(huán)境噪聲等[1-4].目前高速鐵路和城市交通軌道施工和維護過程中的軌道靜態(tài)平順性測量普遍采用三維測量法.三維測量法借助于全站儀實現(xiàn)光學(xué)跟蹤測量進行軌道絕對定位，輔助軌檢小車進行軌道相對測量.國內(nèi)外有很多基于三維測量法的成熟系統(tǒng)，包括Leica GRP(global railway position)軌道精調(diào)系統(tǒng)[5-6]、GEDO(gleise einrichten dokumentation online)精調(diào)系統(tǒng)，以及中鐵工程設(shè)計咨詢公司、廣州南方高速鐵路測量技術(shù)公司研制的軌道檢測系統(tǒng)等.國內(nèi)外很多學(xué)者也進行了軌道靜態(tài)平順性檢測新方法的探索.基于雙向近景攝影測量檢測軌道幾何狀態(tài)的方法也用于獲取軌道幾何參數(shù)，并通過現(xiàn)場試驗取得了較好的效果[7-8].劉春等[9]、孟曉林等[10]通過對軌道點云數(shù)據(jù)處理，建立軌道模型和軌道特征點，從而進行軌道幾何參數(shù)計算及軌道靜態(tài)平順性分析，提出了一種很有研究價值的方法.姚連璧等[11]利用激光跟蹤儀進行了軌道靜態(tài)平順性檢測方法的初步探索.目前軌道靜態(tài)平順性檢測方法采用“走-停式”僅對軌枕處進行測量，速度較慢；軌道中線點精度受全站儀測量精度影響較大，在工程施工過程中通過大量重復(fù)觀測來提高精度，不能更好地適應(yīng)高速鐵路和城市軌道交通運營階段對軌道靜態(tài)平順性快速和高精度檢測的要求.

本文在姚連璧等[11]利用激光跟蹤儀進行軌道靜態(tài)平順性檢測方法的基礎(chǔ)上，研究基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性檢測方法.首次集成激光跟蹤儀進行軌道靜態(tài)平順性檢測，解決其用于軌道檢測時的軟硬件問題，同時實現(xiàn)軌道靜態(tài)平順性靜態(tài)測量和動態(tài)檢測，建立一套適用于軌道精調(diào)測量和軌道靜態(tài)平順性動態(tài)測量的檢測系統(tǒng)，為軌道施工和運營維護階段的平順性檢測提供了一種新的檢測方案.

1　系統(tǒng)硬件集成與測量方案

本文研究了基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)軌道靜態(tài)精調(diào)和軌道動態(tài)檢測一體化測量，采用激光跟蹤儀作為絕對測量設(shè)備，用于獲取軌道絕對幾何參數(shù).軌道靜態(tài)精調(diào)測量中采用位移傳感器和傾角傳感器分別用于獲取軌道軌距和超高數(shù)據(jù).軌道靜態(tài)平順性動態(tài)檢測中，仍然采用位移傳感器獲取軌距，超高采用激光跟蹤儀往返測量軌檢小車上靶球絕對坐標方式獲取.

本文研究的軌道靜態(tài)平順性檢測系統(tǒng)集成了激光跟蹤儀(包括控制箱、氣象站、靶球及靶球支座[12]等)和軌檢小車(單片機、位移傳感器和傾角傳感器)、計算機、無線通訊模塊(也可稱為無線模塊).其中，激光跟蹤儀作為主體測量工具，用于獲取軌道兩邊的CPⅢ控制點(基樁控制網(wǎng)CPⅢ，base-piles control points III)和軌道點的三維坐標，并采用API公司的T3激光跟蹤儀用于系統(tǒng)集成，其精度指標如表1所示，動態(tài)跟蹤測量頻率可達幾百甚至上千赫茲，在短距離測量精度和頻率上遠遠優(yōu)于全站儀.軌檢小車用于安置激光跟蹤儀的靶球、位移傳感器、傾角傳感器以及單片機，并獲取軌道傾角、軌距數(shù)據(jù).單片機用于集成處理位移傳感器和傾角傳感器數(shù)據(jù).計算機作為激光跟蹤儀、軌檢小車的控制和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理終端，計算機端應(yīng)用軟件系統(tǒng)實現(xiàn)對激光跟蹤儀的控制和數(shù)據(jù)采集、處理及輸出.無線通訊模塊用于實現(xiàn)計算機與軌檢小車(傾角傳感器和位移傳感器)的無線通訊.系統(tǒng)硬件集成如圖1所示.系統(tǒng)集成后，參考《客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀暫行技術(shù)條件》[21]和《高速鐵路工程測量規(guī)范》[22]進行了精度測試.激光跟蹤儀定位精度，位移傳感器測量軌距精度，傾角傳感器測量超高精度，且均能夠符合軌道測量要求.由于篇幅關(guān)系本文不做詳細介紹.

表1　T3激光跟蹤儀精度指標

注：D為距離，單位為km.IFM—interferometer measure; ADM—absolute distance measure.

圖1　系統(tǒng)集成方案圖

軌道靜態(tài)平順性檢測主要分施工期間的軌道精調(diào)靜態(tài)測量和運營期間的軌道靜態(tài)平順性動態(tài)檢測.軌道精調(diào)靜態(tài)測量模式中，參考現(xiàn)有高速鐵路和地鐵中的測量方法，采用定點測量軌枕處的軌道點坐標、傾角和軌距，實時測量并輸出軌道調(diào)整量到軌檢小車單片機上，直接指導(dǎo)軌道精調(diào)，該測量模式也是軌道檢測方法中三維測量法的測量模式.本文在該測量模式中，使用激光跟蹤儀作為絕對測量設(shè)備替換現(xiàn)有測量系統(tǒng)中的全站儀，用以提高絕對測量精度、跟蹤速度等.軌道靜態(tài)平順性動態(tài)檢測模式中，軌檢小車在軌道上往返運行，激光跟蹤儀動態(tài)跟蹤軌檢小車上的靶球并獲取靶球三維坐標，根據(jù)往返運行獲取的靶球三維坐標和位移傳感器獲取的軌距進行左右軌道點坐標換算，從而獲取軌道中線和軌道橫向傾角.

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

激光跟蹤儀配套的測量與數(shù)據(jù)處理軟件無法實現(xiàn)對軌道數(shù)據(jù)的專業(yè)化測量和處理.本文在基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性檢測方法研究的基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)采集與分析軟件的開發(fā)，并將集成的基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性檢測系統(tǒng)命名為Track Detect System(TDS).TDS集成激光跟蹤儀和軌檢小車(位移傳感器和傾角傳感器)進行軌道靜態(tài)平順性測量，系統(tǒng)工作主界面如圖2所示.

圖2　軌道靜態(tài)平順性檢測界面

考慮本文選擇的激光跟蹤儀SDK(software development kit)僅支持Visual Studio 2008 C++，所以本文數(shù)據(jù)采集軟件在Visual Studio 2008 C++平臺下進行設(shè)計和開發(fā).

軌檢小車采用單片機用于將位移傳感器和傾角傳感器的統(tǒng)一控制和數(shù)據(jù)輸出.計算機通過單片機指令實現(xiàn)對位移傳感器與傾角傳感器的通訊與控制.單片機指令功能主要包括：設(shè)置軌距和傾角補償值，設(shè)置測量參數(shù)，輸出調(diào)整量，輸出中線偏差，讀取設(shè)置參數(shù)，讀取補償值，讀取測量數(shù)據(jù).

根據(jù)軌道施工和運營測量需求，數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)需分別針對軌道靜態(tài)精調(diào)測量和軌道動態(tài)檢測兩種模式進行工作，軌道靜態(tài)精調(diào)測量需實時給出當(dāng)前測量的軌道幾何參數(shù)偏差即軌道調(diào)整量，所以軌道靜態(tài)精調(diào)測量和數(shù)據(jù)計算需要在數(shù)據(jù)采集軟件中共同完成.軌道動態(tài)檢測的數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)處理的工作量大，需要更多的人機交互處理，為此，針對軌道動態(tài)檢測數(shù)據(jù)處理，設(shè)計和開發(fā)了基于MATLAB的軌道靜態(tài)平順性動態(tài)檢測數(shù)據(jù)后處理軟件(track post process，TPP)，軟件界面如圖3所示.TPP具有五個功能模塊：設(shè)置，測量數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)處理，繪圖及輸出.TPP主要用于處理軌道動態(tài)檢測數(shù)據(jù)，能夠進行設(shè)計數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，并進行軌道幾何參數(shù)計算和軌道靜態(tài)平順性分析，同時也能用于軌道靜態(tài)精調(diào)數(shù)據(jù)處理.

圖3　TPP 主界面

3　實驗與分析

為了對基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性檢測系統(tǒng)進行驗證，在上海地鐵13號線自然博物館站某在建區(qū)間進行了軌道測量試驗.本次試驗采用TDS軌道測量試驗，并利用中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司的SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀在同一區(qū)段測量，從而進行對比分析，并利用TDS進行軌道動態(tài)測量檢測.

3.1軌道精調(diào)測量數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)TDS與SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量結(jié)果進行軌道幾何參數(shù)計算，并根據(jù)該區(qū)段軌道設(shè)計數(shù)據(jù)進行幾何參數(shù)偏差計算.為了表達方便，以下圖片中將SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量的數(shù)據(jù)簡稱為“中鐵咨詢測量”，TDS測量的標為“TDS測量”.

地鐵軌道標準軌距為1 435 mm，試驗中通過對比實測軌距與標準軌距的偏差即軌距偏差來對比分析TDS與SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀的測量質(zhì)量.TDS靜態(tài)測量的軌距偏差與SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量的軌距偏差對比如圖4所示.

由圖4可知，TDS靜態(tài)測量的軌距偏差與SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量的軌距偏差數(shù)據(jù)變化趨勢相似，同一軌枕處軌距測量值的偏差基本在0.3 mm以內(nèi)，最大不超過0.5 mm.根據(jù)靜態(tài)對比數(shù)據(jù)，分別計算兩套數(shù)據(jù)測量的軌距變化率，即用軌距差除以里程差，計算軌枕處軌距變化率，以1/1 500為合格標準.TDS系統(tǒng)測量軌距合格率為82.0%，SGJ-T-CEC-Ⅰ軌檢儀測量軌距合格率為81.0%，軌距變化合格率基本吻合，但兩套系統(tǒng)測量的軌距變化率合格率較低.這是由于試驗區(qū)段仍處于施工階段，運營前還需要一定的精調(diào).

圖4　TDS靜態(tài)測量與中鐵咨詢測量軌距偏差對比

TDS靜態(tài)測量與SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量的軌道中線橫向偏差和高程偏差對比如圖5和圖6所示.由于TDS靜態(tài)測量時在測站兩側(cè)進行軌道測量，測站當(dāng)前位置在本站測量時會有一部分缺失，下一測站測量時進行補測，所以第二測站(里程約為15 745 m)中出現(xiàn)了幾個軌枕的缺失.

圖5　TDS靜態(tài)測量與中鐵咨詢測量中線橫向偏差對比

由圖5和圖6可知，TDS和SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量的軌道中線橫向偏差和高程偏差變化趨勢較為符合.第一站中線橫向偏差在測站附近與中鐵咨詢測量結(jié)果有較大偏差，最大偏差將近1 mm；第二站也在測站附近出現(xiàn)約1 mm的偏差.這可能是在TDS測量時受測站周圍軌檢小車重新安置的影響.此外，TDS和SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀兩套系統(tǒng)測量的軌道中線符合較好.

圖6　TDS靜態(tài)測量與中鐵咨詢測量中線高程偏差對比

圖7給出TDS和SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量的超高對比圖.超高是采用軌距測量和傾角測量值進行計算得到，測量精度較高，兩套系統(tǒng)測量超高符合較好，同一軌枕處測量超高偏差基本在0.2 mm以內(nèi).超高測量精度較高，TDS和SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀兩套系統(tǒng)測量超高符合較好，也決定了該區(qū)段扭曲數(shù)據(jù)符合得很好，如圖8所示.

圖7　TDS靜態(tài)測量與中鐵咨詢測量超高對比

3.2軌道動態(tài)平順性檢測數(shù)據(jù)結(jié)果

軌距測量和分析方法與軌道靜態(tài)測量類似.由圖9可知，TDS動態(tài)測量的軌距偏差與SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量的軌距偏差的數(shù)據(jù)變化趨勢相似，同一軌枕處軌距測量值的偏差均在0.5 mm以內(nèi).

TDS動態(tài)測量與SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量的軌道中線橫向偏差和高程偏差對比如圖10和圖11所示.由圖10和圖11可知，TDS動態(tài)測量和SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量的軌道中線橫向偏差和高程偏差變化趨勢較為符合，TDS動態(tài)測量軌道中線橫向偏差和高程偏差與SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量結(jié)果偏差最大不超過1 mm.根據(jù)動態(tài)對比數(shù)據(jù)，分別計算兩套數(shù)據(jù)測量的軌距變化率，即用軌距差除以里程差，計算軌枕處軌距變化率，以1/1 500為合格標準.TDS系統(tǒng)測量軌距合格率為73.2%，SGJ-T-CEC-Ⅰ軌檢儀測量軌距合格率為72.3%，軌距變化合格率基本吻合，與靜態(tài)測量結(jié)果相似，兩套系統(tǒng)測量的軌距變化率合格率較低.

圖8　TDS靜態(tài)測量與中鐵咨詢測量扭曲對比

圖9　TDS動態(tài)測量與中鐵咨詢測量軌距偏差對比

圖10　TDS動態(tài)測量與中鐵咨詢測量中線橫向偏差對比

圖11　TDS動態(tài)測量與中鐵咨詢測量中線高程偏差對比

這是由于實驗區(qū)段仍處于施工階段，運營前還需要一定的精調(diào).

圖12和圖13給出TDS和SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量的超高和扭曲對比圖.TDS動態(tài)測量中軌道橫傾角是通過動態(tài)左右軌獲取的軌道三維坐標計算.SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量的超高是采用軌距測量和計算的橫傾角測量值進行計算得到.兩套系統(tǒng)測量超高符合較好，同一軌枕處測量超高偏差基本在0.3 mm以內(nèi)，超高偏差最大不超過0.5 mm.TDS和SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀兩套系統(tǒng)測量的扭曲數(shù)據(jù)也符合較好.

圖13　TDS動態(tài)測量與中鐵咨詢測量扭曲對比

通過施工現(xiàn)場的軌道測量試驗，進行了軌道靜態(tài)平順性檢測系統(tǒng)TDS的靜態(tài)和動態(tài)測量數(shù)據(jù)與SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量軌道幾何參數(shù)的對比測量.通過數(shù)據(jù)分析可知，本文研究的軌道靜態(tài)平順性檢測系統(tǒng)的軌道精調(diào)測量數(shù)據(jù)和軌道靜態(tài)平順性檢測數(shù)據(jù)結(jié)果均與SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量結(jié)果符合較好，驗證了本文研究的方法與系統(tǒng)的可行性.相對于現(xiàn)有軌道測量方法，本文研究的軌道靜態(tài)平順性檢測系統(tǒng)在進行軌道靜態(tài)平順性檢測時，采用動態(tài)測量方式，大大提高了測量效率.對于TDS具體測量實施過程中，應(yīng)該盡量保證同一測站的連續(xù)性，以減少換站帶來的誤差.

4　結(jié)語

本文研究了基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性檢測方法，集成了激光跟蹤儀、軌檢小車(位移傳感器和傾角傳感器)、靶球及靶球支座、計算機、無線模塊等硬件設(shè)備，并在Visual Studio 2008 C++和MATLAB平臺下進行了軌道靜態(tài)平順性檢測軟件和數(shù)據(jù)后處理軟件開發(fā)，建立了基于激光跟蹤儀的軌道靜態(tài)平順性檢測系統(tǒng).在上海地鐵13號線自然博物館站某在建區(qū)間，利用TDS和中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司的SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀進行了軌道測量對比試驗，并通過數(shù)據(jù)分析可知，TDS與SGJ-T-CEC-Ⅰ型客運專線軌道幾何狀態(tài)測量儀測量數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致.本文研究的軌道靜態(tài)平順性檢測方法能夠?qū)壍漓o態(tài)平順性數(shù)據(jù)進行高精度的獲取和合理的評價.

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Detecting System of Track Static Regularities Based on the Laser Tracker

YAO Lianbi1，2, SUN Haili3, WANG Xuan1, ZHOU Yueyin1

(1. College of Surveying and Geo-informatics, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Key Laboratory of Advanced Engineering Surveying of NASMG, Shanghai 200092, China; 3. College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China)

With the rapid development of high-speed railway and urban rail transit, the significance of security is of unprecedented significance. Track regularity is of crucial importance to high-speed railway operation safety. This paper proposed a method to detect track static regularities based on a laser tracker. A track static regularity detecting system was built based on the laser tracker integrated displacement sensor, tilt sensor and communication sensors and their platform set-up. Software development was aimed at verifying the methods of track static regularity detecting and data processing. In order to verify the detecting and data processing method of track static regularity, experiments were conducted at a part of the Shanghai metro line 13 at Natural Museum Station. The SGJ-T-CEC-Ⅰpassenger dedicated line track geometric condition detection device was used for comparative analysis. The feasibility and high accuracy of the track static regularity detecting method and data processing method are verified by using the SGJ-T-CEC-Ⅰpassenger dedicated line track geometric condition detection device.

a laser tracker; a track trolley; track static regularity; dynamic measurement

2015-11-04

測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(HY14122136)；上海市自然科學(xué)基金(15ZR1443700)

姚連璧(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向為多傳感器集成及其應(yīng)用. E-mail:lianbi@#edu.cn

孫海麗(1986—)，女，工學(xué)博士，主要研究方向為軌道檢測方法.E-mail:hljwksunhaili@163.com

P258

A