王勇剛,周俊萍,李永江,陳貴金,郭恩志,李　亮,彭志強

(中國航天三江集團(tuán)紅峰控制有限公司，湖北孝感 432000)

0　引言

高速鐵路作為新一代的軌道交通設(shè)施，對軌道線路的安全檢測與維護(hù)要求也進(jìn)一步提高。目前工程上對線路檢查的主要手段是動、靜結(jié)合，二者互相補充，綜合應(yīng)用。靜態(tài)檢查方法主要有兩種，分別是利用軌檢儀[1]檢查和使用道尺、弦繩等工具手工檢查[2]。

軌檢儀檢查項目全面，且輕便、精確，相對于道尺、弦繩等工具明顯提高了效率[3]，但仍有較大空間提高效率和數(shù)據(jù)的全面性?，F(xiàn)有軌檢儀主要是光學(xué)式軌檢儀[4]、陀螺軌檢儀[4-5]，如圖1所示。光學(xué)式軌檢儀依托高鐵測控網(wǎng)，借助全站儀，實現(xiàn)高鐵線路的三維測量，優(yōu)點是它屬于絕對測量，且測量精度高；缺點是測量數(shù)據(jù)是離散的點，一般是在每個軌枕位置上測量一組數(shù)據(jù)，效率較低[6]，在目前的高鐵時間天窗內(nèi)，每5h只能測量60m左右。若在2個軌枕之間的線路出現(xiàn)異常情況[7](如圖2所示)，如軌面凹坑、裂紋、凸點、異物貼附、起楞、正弦扭曲等，這種軌檢儀是無法檢出的。因為它的測量結(jié)果是在假定相鄰測量點之間線路平滑的基礎(chǔ)上擬合的。陀螺軌檢儀是一種相對平順性檢查儀器，原理是在軌檢小車上安裝1或2只陀螺感知姿態(tài)，配合里程計信息檢查軌道內(nèi)參數(shù)，如弦長、三角坑等[8]。優(yōu)點是效率有所提高，操作方便；缺點是精度低，屬于相對測量，測量的弦長等參數(shù)是對真實線路的預(yù)估，為弦測法而非軌跡法。為進(jìn)一步提高效率，也有不少單位嘗試將上述兩種軌檢儀結(jié)合，達(dá)到既保證精度又提高效率的目的，但具體使用情況有待進(jìn)一步觀察和驗證。

作為提高測量精度、測量可靠性和作業(yè)效率的方法之一，本文闡述了一種基于慣性定位定向技術(shù)[9]的0級軌檢儀。該軌檢儀的特點如下。

1)吸收現(xiàn)有光學(xué)式軌檢儀的優(yōu)點，測量基準(zhǔn)仍然依附于現(xiàn)有高鐵測控網(wǎng)；軌檢儀的小車依然沿用現(xiàn)有軌檢小車的形制，以軌檢小車上的光學(xué)棱鏡作為測量中心點，借助全站儀將高鐵測控網(wǎng)上的參數(shù)引入；不同點在于它只是引入待測軌道線路上的個別點作為測量基準(zhǔn)點，如起點、終點、個別中間點等。

2)采用高精度定位定向慣導(dǎo)作為核心測量組件，并融合基準(zhǔn)點信息、多路里程計信息，以慣性組合導(dǎo)航中定位定向的方式作業(yè)；測量性質(zhì)在理論上屬于對軌道的絕對測量，測量結(jié)果理論上是連續(xù)的數(shù)據(jù)線而非離散點，更不是對真實線路的預(yù)估，同時也避免了圖2中的測量缺陷。

1　高鐵軌檢儀的構(gòu)成與工作原理

本高鐵軌檢儀主要由軌檢小車、全站儀、筆記本電腦以及相關(guān)附屬軟件、配件等組成。軌檢小車借鑒現(xiàn)有光學(xué)式軌檢小車形制，不同點在于加裝了一臺高精度定位定向光纖慣導(dǎo)，3個車輪上均安裝了高精度光電編碼器作為里程計。產(chǎn)品的原理構(gòu)成如圖3所示。

由于里程計不能敏感自身軸向的位移變化、各車輪半徑不一致、彎道行駛車輪轉(zhuǎn)過距離存在差異等因素，高鐵軌檢儀采用3路精密里程計檢測位移變化，并在算法處理上采用閉環(huán)修正處理里程計的測量誤差。

采用慣性定位定向技術(shù)的高鐵軌檢儀的工作原理與目前常規(guī)的定位定向裝置也不大相同，基本工作原理流程如圖4所示。

高鐵軌檢儀進(jìn)行測量時，首先要在起點嚴(yán)格固定位置并進(jìn)行自對準(zhǔn)，自對準(zhǔn)完成并轉(zhuǎn)導(dǎo)航后才能開始推行。推行過程中產(chǎn)品工作在慣性組合導(dǎo)航的定位定向解算狀態(tài)；若推行距離過長，為保證測量精度，會在推行路線的中間增設(shè)若干測量基準(zhǔn)點，軌檢小車推行到這些測量基準(zhǔn)點時，要嚴(yán)格對正或利用全站儀測量出軌檢小車的基準(zhǔn)點參數(shù)，并靜止10s以上；到達(dá)終點后，令產(chǎn)品嚴(yán)格對正終點位置，軌檢小車車輪鎖死，或者再利用全站儀測量出終點的基準(zhǔn)點參數(shù)，而后進(jìn)行二次自對準(zhǔn)；第二次自對準(zhǔn)完成后，本次測量結(jié)束。作業(yè)完成后利用保存的測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行離線多層閉環(huán)修正計算，并將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換到高鐵測控網(wǎng)下的CPIII數(shù)據(jù)形式。

轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出形式既是高鐵測量的判讀要求，也有其內(nèi)在的測量理論因素。

高鐵線路的絕對測量是建立在高鐵測控網(wǎng)基礎(chǔ)上的測量[4]。高鐵測控網(wǎng)是由CP0、CPI、CPII、CPIII構(gòu)成，其中CP0、CPI、CPII是在CGCS2000坐標(biāo)體系下采用廣域差分GPS定位確定位置基準(zhǔn)點的，海拔上結(jié)合了國家85高程標(biāo)準(zhǔn)。只有CPIII是在前3層基礎(chǔ)上通過平差擬合確定的，基準(zhǔn)精度達(dá)到了平差條件下的1mm水平，光學(xué)式軌檢儀就是依托CPIII點在網(wǎng)格平面坐標(biāo)系下達(dá)到的所謂1mm測量精度。

如果把一條絕對筆直的高鐵線路放到地球模型下觀察，會發(fā)現(xiàn)高鐵線路是在地球表面上的一條弧線，因此網(wǎng)格平面坐標(biāo)系的適用距離肯定有限。如果高程上以1mm精度計算，利用全站儀測量軌檢小車?yán)忡R參數(shù)的距離將不超過112.88m，即以全站儀為中心的半徑在50m以內(nèi)才可以。假定要擬合300m弦長下的參數(shù)，就必須多段拼接與擬合。

整體觀察一條長達(dá)數(shù)千公里的高鐵線路，與此類似的有飛機航跡和輪船航線，二者均使用慣性組合導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行航跡測量。慣性技術(shù)中，載體運動軌跡測量精度最高的是慣性定位定向技術(shù)。高鐵軌道是地面線路，高鐵測控網(wǎng)是由高精度GPS廣域差分技術(shù)建立起來的[4]，經(jīng)分析論證后，本高鐵軌檢儀確定采用了結(jié)合里程計、高鐵測控網(wǎng)的組合導(dǎo)航定位定向技術(shù)。

慣性組合導(dǎo)航定位定向輸出的參數(shù)是在CGCS 2000坐標(biāo)體系和85高程條件下的絕對輸出參數(shù)，對高鐵線路的測量屬于絕對測量的軌跡法。因此，只要對本高鐵軌檢儀的輸出參數(shù)像平差CPIII坐標(biāo)參數(shù)那樣處理，就會得到絕對測量軌跡。

2　高鐵軌檢儀的硬件構(gòu)成分析

硬件中首先關(guān)注的是T型結(jié)構(gòu)軌檢小車，選用該結(jié)構(gòu)的原因是它采用了3個車輪，這是在行走中最穩(wěn)定且不會出現(xiàn)懸空的三角型結(jié)構(gòu)，有利于里程計對行走距離的準(zhǔn)確測量。盡管T型結(jié)構(gòu)軌檢小車存在著原理性假軌距、假水平問題[3,10]，但只要測量數(shù)據(jù)有效,是可以進(jìn)行軟件補償?shù)摹?/p>

高精度光纖慣導(dǎo)是高鐵軌檢儀的核心組件，采用了空間正交的3只高精度光纖陀螺、3只高精度石英加速度計作為傳感器件。工具誤差補償后，角速度敏感精度可以達(dá)到0.02(°)/h,加速度敏感精度可以達(dá)到50μg。在自對準(zhǔn)階段，若利用加速度計進(jìn)行調(diào)平，輸出的初始俯仰角、傾斜角(滾動角)精度在10.3＂左右，已經(jīng)優(yōu)于CGCS2000坐標(biāo)體系下地球模型中20＂水平精度的要求。電子水平儀靜態(tài)測量可以達(dá)到0.001＂的精度[11]，但在推行中動態(tài)輸出數(shù)據(jù)已無意義，故沒有使用電子水平儀作為必備的傳感器。

對于使用慣性技術(shù)的軌檢儀在測量中會因為角速度的真實分辨率帶來假軌距、假水平問題，傳統(tǒng)的陀螺軌檢儀雖然也使用慣性器件作為測量核心器件,但原理上是在一定條件下的簡化[12]，是以敏感車體相對軌道的角速度為基礎(chǔ)的，除此之外的角速度均被視為誤差，因此其真實分辨率并不高。而在慣性定位定向技術(shù)中，理論上認(rèn)為3只正交陀螺敏感到的角速度包括地球自轉(zhuǎn)的角速度分量，剔除后才是車體相對軌道的角速度。即使考慮陀螺的輸出噪聲誤差，角速度的真實分辨率仍可達(dá)小于1＂的水平，由此帶來的假軌距、假水平值均不超過0.007mm,完全可以忽略。

精密里程計在距離測量上具有相對測量精確的優(yōu)勢，可以彌補慣性導(dǎo)航位移隨時間積累誤差增大的問題，但里程計不能敏感自身軸向上的位移變化。小車在彎道上推行時屬于側(cè)滑轉(zhuǎn)彎，雖然加速度計的信號能夠?qū)囕喌妮S向滑動、車體側(cè)滑進(jìn)行位移修正，但基于現(xiàn)代濾波與容錯的算法對側(cè)滑的修正精度依然有限，為此配置3路里程計實現(xiàn)信號的冗余補充。

基于慣性定位定向技術(shù)的高鐵軌檢儀一般推行距離較遠(yuǎn)，在利用全站儀引入測量基準(zhǔn)點信息時花費時間相對較長[13]，為避免多次重復(fù)性測量帶來的架設(shè)困難，有必要在測量路段的起點、終點各架設(shè)一臺全站儀。此外，T型結(jié)構(gòu)軌檢小車還要安放電池、筆記本電腦、車輪剎車鎖死機構(gòu)、軌距傳感器、照明裝置、棱鏡、軌枕位置感知傳感器等。

3　高鐵軌檢儀理論測量仿真精度分析

根據(jù)理論分析，利用某綜合精度為0.02(°)/h的高精度光纖陀螺數(shù)據(jù)進(jìn)行了高鐵應(yīng)用軌道檢測仿真，仿真時按照TB/T3147標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的車輪跳動量加入誤差，仿真推行1000m，推行時間1000s。仿真計算的誤差曲線如圖5所示。

從圖5的仿真結(jié)果可以看出，在推行1000m的情況下，最大側(cè)向測量誤差僅為-1.2535mm,最大垂直測量誤差僅為1.2125mm。若推行距離縮短，或推行速度加快，減小慣導(dǎo)隨時間積累而增大的誤差，是完全可以達(dá)到1mm精度水平的，即與全站儀平差測量的精度同級。

工程應(yīng)用必須考慮到同級精度光纖陀螺批產(chǎn)條件下的差異。為此，又選取9只不同批次、綜合精度仍為0.02(°)/h的光纖陀螺進(jìn)行仿真，仿真時車輪跳動誤差、推行距離、推行時間不變。發(fā)現(xiàn)其重復(fù)性誤差僅在±0.02mm之間。

若按照TB/T3147標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，該仿真的精度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0級軌檢儀的精度要求?？紤]到測量基準(zhǔn)點參數(shù)是通過全站儀將CPIII測控網(wǎng)參數(shù)引入的，基準(zhǔn)精度在1mm水平，本高鐵軌檢儀暫時只能作為0級軌檢儀使用。理論仿真結(jié)果也證實采用定位定向技術(shù)研制軌檢儀的思路在工程上是可行的。

為驗證仿真的可行性，搭建了一套工程樣機進(jìn)行高鐵軌道測量試驗。由于彎道最能考核產(chǎn)品的適應(yīng)能力，故選取了一段彎道鐵軌作為試驗路段。現(xiàn)場采集到的試驗數(shù)據(jù)取回后，再通過離線計算進(jìn)行精度分析。從離線計算結(jié)果可以看出，樣機測量精度的重復(fù)性可以到達(dá)1mm/500m(1σ)的水平，重復(fù)測量10次的效率優(yōu)于500m/2h。

由此證實，采用定位定向技術(shù)的高鐵軌檢儀具備在高鐵軌道檢測應(yīng)用方面的條件，實際檢測中也能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0級軌檢儀3mm/300m的精度要求。

4　結(jié)論

通過理論分析、數(shù)學(xué)仿真和初步試驗驗證可以確認(rèn)，采用慣性組合導(dǎo)航和定位定向技術(shù)的軌檢儀應(yīng)用于高鐵軌道的靜態(tài)測量是非常有前景的。在半實物仿真性質(zhì)的推行試驗中已經(jīng)顯示出這種新式產(chǎn)品極高的測量效率和精度。在工程的實現(xiàn)方面，目前高鐵上的軌道檢測小車是標(biāo)準(zhǔn)化的成熟產(chǎn)品[14]，只需按設(shè)定方案改制就能滿足要求。國內(nèi)貨架產(chǎn)品中，精度優(yōu)于0.02(°)/h的光纖陀螺種類已經(jīng)很多，價格也在逐年下降，也為這種新產(chǎn)品的研制和大規(guī)模推廣應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

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