陳春雷，韓廬平，郝晉斐

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2. 北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京 100081）

0 引言

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測裝備是保障鐵路運營安全的重要手段。依據(jù)運營于各條線路上的高速綜合檢測列車及各類專業(yè)檢測車（簡稱檢測車）的檢測結(jié)果，可及時掌握基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備狀況，并指導(dǎo)基礎(chǔ)設(shè)施綜合維修和運用管理。近年來，隨著基礎(chǔ)設(shè)施各類檢測設(shè)備的運用不斷增加，檢測設(shè)備的準確性、可靠性要求不斷提高。同時，由于檢測車分布在全國各地，檢測環(huán)境條件的差異、檢測裝備的差異、檢測人員流動等問題，都會影響量值傳遞的質(zhì)量，各類檢測系統(tǒng)的溯源、校準工作面臨較大的困難和挑戰(zhàn)。尤其是車載檢測設(shè)備所測量的參數(shù)均為相關(guān)設(shè)施的動態(tài)參數(shù)，因此無法用傳統(tǒng)的量值傳遞方法實現(xiàn)量值傳遞，導(dǎo)致各類檢測裝備運用過程中有時出現(xiàn)不同檢測車輛在同一線路、相近的時間點、檢測結(jié)果的不同，或者是動靜態(tài)檢測結(jié)果差異較大等現(xiàn)象，降低了檢測結(jié)果的可靠性和有效性，給進一步的數(shù)據(jù)應(yīng)用工作帶來困擾。現(xiàn)行的檢測系統(tǒng)量值溯源方法已不能滿足行業(yè)發(fā)展的需求。因此，提出一套系統(tǒng)、完整、有效的檢測系統(tǒng)計量保證方案（MAP），是進一步提高鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測系統(tǒng)檢測能力的重要環(huán)節(jié)。

1 動態(tài)檢測系統(tǒng)MAP原理

MAP是指測量過程的質(zhì)量保證方案。通過MAP對測量過程總的測量不確定度實施控制，包含隨機因素和系統(tǒng)因素引入的不確定度，并通過一系列措施，減小測量不確定度，以滿足用戶對測量的要求。

檢測車以動車組或單節(jié)車輛作為載體，加裝了軌道幾何檢測、軌道狀態(tài)巡檢、鋼軌輪廓檢測、接觸網(wǎng)檢測、輪軌動力學檢測、車輛動態(tài)響應(yīng)檢測、通信檢測、信號檢測、隧道路基檢測、鋼軌探傷等精密測量設(shè)備，集成了光學測量、電磁學測量、超聲測量、慣性測量、時空定位同步、實時圖像處理和識別等先進技術(shù)，在檢測車輛運行過程中對工務(wù)、電務(wù)、供電等基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)進行等速檢測的重要技術(shù)裝備。開展鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測系統(tǒng)計量保證方案的研究，是為滿足檢測裝備整系統(tǒng)在現(xiàn)場運行條件下的量值高準確度需要，提升各類車載檢測系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及檢測數(shù)據(jù)的一致性[1-3]。

MAP有兩大主體，即主持實驗室和參加實驗室。在本方案中鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心的校準實驗室即為主持實驗室，實驗室建設(shè)有校準設(shè)備及校準試驗線。檢測車為參加實驗室，裝備有各類檢測系統(tǒng)及人員。

動態(tài)檢測系統(tǒng)MAP的原理是，通過量值傳遞和量值溯源獲得與檢測系統(tǒng)相關(guān)測量結(jié)果相對應(yīng)的參考量值，保證檢測系統(tǒng)量值的準確性。通過核查檢測并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，建立檢測車連續(xù)的核查檢測數(shù)據(jù)，并由此對檢測系統(tǒng)的日常檢測過程進行評定與控制，保證量值傳遞的連續(xù)有效。動態(tài)檢測系統(tǒng)MAP的實施分為2個階段，傳遞階段和核查階段。由于檢測系統(tǒng)的不同特性，需建立不同類型檢測系統(tǒng)的溯源工作路線，建立軌道幾何、鋼軌探傷、接觸網(wǎng)、通信、信號、車輛動態(tài)響應(yīng)等檢測系統(tǒng)不同參數(shù)的傳遞標準與核查標準。

2 動態(tài)檢測系統(tǒng)MAP設(shè)計

2.1 動態(tài)檢測系統(tǒng)的特點

通常情況下，量值溯源要求計量標準器、測量環(huán)境等具有一定的穩(wěn)定性，多是靜態(tài)條件下的一組操作。檢測車輛屬于大型專用裝備，受各方面因素的限制，不能隨意調(diào)動。因此，對檢測系統(tǒng)的計量應(yīng)根據(jù)不同的特點盡量避免不利條件，利用優(yōu)勢資源，減小對運營和檢測的影響。各專業(yè)的檢測系統(tǒng)有各自的計量特點。其中，以幾何量測量為主要檢測指標的有軌道幾何檢測系統(tǒng)、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)、限界檢測系統(tǒng)等；以力學參數(shù)測量為主要檢測指標的有弓網(wǎng)動態(tài)作用參數(shù)檢測系統(tǒng)；以電壓、電流測量為主要檢測指標的有接觸網(wǎng)供電參數(shù)檢測系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)；以頻率及相位差的測量為主要檢測指標的有通信檢測系統(tǒng)等。動態(tài)檢測系統(tǒng)工作時與被測物均處于動態(tài)變化中，實驗室的靜態(tài)校準結(jié)果，不足以反映檢測系統(tǒng)的狀態(tài)，因此動態(tài)檢測系統(tǒng)長度計量測量是溯源的難點。

針對不同檢測系統(tǒng)被測對象的差異，設(shè)計2種不同的工作路線。第1種情況是傳遞標準和核查標準可以作為可移動裝備送往檢測車輛。檢測系統(tǒng)中力、電壓、電流、頻率、加速度的測量均可適用此情況。第2種情況是傳遞標準為固定設(shè)施不能移動，同時由于檢測車輛不能頻繁地調(diào)往檢測中心實驗室，核查標準將以另一輛通過檢定的車輛以比對的方式進行。檢測系統(tǒng)中長度測量適用此種情況。

2.2 動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)MAP實施流程

動態(tài)檢測系統(tǒng)MAP量值傳遞過程[4]見圖1。

圖1 動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)MAP量值傳遞過程

（1）MAP中鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心實驗室為主持實驗室，檢測車輛為參加實驗室，用于量傳的計量設(shè)備為工作標準，實驗室獲得的最高計量特性的計量標準為參考標準，由參加實驗室向主持實驗室申請傳遞標準。

（2）檢測中心實驗室接到檢測車輛運用單位的傳遞申請后，提供一個傳遞標準，經(jīng)參考標準校準合格后，根據(jù)檢測系統(tǒng)特點分為2條路線進行傳遞。第1種，將該傳遞標準送至檢測車輛，并附檢測方法、條件等測量要求（簡稱方案A）；第2種，將檢測車輛調(diào)往傳遞標準所在地，并規(guī)定檢測人員和測量要求（簡稱方案B）。

（3）結(jié)果及傳遞標準一起送回檢測中心實驗室。方案B，檢測車輛抵達傳遞標準所在地后，將傳遞標準作為一個未知量按相應(yīng)檢測程序的要求進行檢測，并將檢測結(jié)果發(fā)送至檢測中心實驗室。

（4）由于傳遞標準在往返途中或動態(tài)檢測后可能發(fā)生計量特性的改變，檢測中心實驗室在收到測量數(shù)據(jù)和傳遞標準后，立即使用參考標準對其進行校準，分析校準結(jié)果以判定傳遞標準的漂移量是否超出允許范圍。若傳遞標準沒有超出允許范圍，則此次量值傳遞有效，否則無效。針對傳遞標準漂移量的異常情況，查找原因并重新組織量值傳遞。

（5）核查標準是由檢測中心實驗室提供給檢測車輛的。其具有良好的穩(wěn)定性以確保計量保證方案的連續(xù)實施。方案A，量值傳遞過程完成后，檢測車輛在2次溯源期間，應(yīng)按要求對核查標準進行多次檢測，獲取完整的測量數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫進行分析，并評定檢測車輛的日常檢測是否一直處于有效狀態(tài)。方案B，檢測車輛在接受量值傳遞前后及2次溯源期間，與另一通過檢定合格的檢測車輛針對同一條線路進行測量，獲取完整的測量結(jié)果并建立數(shù)據(jù)庫進行分析，并評定檢測車輛的日常檢測是否一直處于有效狀態(tài)。

（6）檢測車輛按要求及時地將全部溯源和核查數(shù)據(jù)提交至檢測中心實驗室。檢測中心實驗室對測量數(shù)據(jù)進行分析，計算偏差和測量不確定度，并向檢測車輛提供測試報告。

2.3 傳遞標準與核查標準

傳遞標準與核查標準是動態(tài)檢測系統(tǒng)MAP能夠?qū)嵤┑年P(guān)鍵因素，應(yīng)是具備良好復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性的高準確度計量器具，能夠進行量值傳遞、溯源、比對等工作[5]。本方案中，2種不同溯源路線其傳遞標準與核查標準有不同的特點。

方案A中，傳遞標準采用由計量標準校準過的計量器具，因其體積小、質(zhì)量輕，便于作為傳遞標準運往檢測車，用于評定檢測系統(tǒng)的測量不確定度。核查標準是檢測車上配備的穩(wěn)定性良好的標準器具，在其間核查階段保證檢測系統(tǒng)量值可靠，檢測結(jié)果真實有效。

方案B中，傳遞標準不再具備體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶的特點。傳遞標準為一條位于鐵科院東郊分院的新建設(shè)的校準試驗線。圖2中藍色線路（試車Ⅲ線）為一條專用的校準鐵路線，且其鋼軌和接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)穩(wěn)定可調(diào)（見圖3）；由于檢測車調(diào)往校準試驗線較為繁瑣，占用較多的資源，因此，核查標準則選擇一條正常運營的線路。在2次溯源期間，該檢測車與另一通過檢定合格的檢測車輛針對同一條線路進行測量，對測量結(jié)果進行分析并建立數(shù)據(jù)庫，評價檢測車輛的日常檢測工作是否一直處于有效狀態(tài)[6]。

圖2 檢測系統(tǒng)校準試驗線

圖3 可進行幾何不平順準確調(diào)整的軌道

3 動態(tài)檢測系統(tǒng)MAP實施

JJF 1001—2011《通用計量術(shù)語及定義》給出的計量保證定義為“法制計量中用于保證測量結(jié)果可信性的所有法規(guī)、技術(shù)手段和必要的活動”。基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測系統(tǒng)計量保證采用合格評定、年檢、期間核查等方式來進行（見表1）。

表1 計量保證項目

基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測系統(tǒng)合格評定是指證明基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測系統(tǒng)滿足技術(shù)條件要求的活動（見圖4），主要用于對動態(tài)檢測系統(tǒng)新產(chǎn)品及升級產(chǎn)品的技術(shù)評定。使用更高一級的專用校準裝備對檢測系統(tǒng)的功能和技術(shù)指標進行全面的評定（見圖5），出具評定報告并給出結(jié)論[7-9]。

圖4 系統(tǒng)評定工作現(xiàn)場

圖5 專用校準裝備

基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測系統(tǒng)年檢是對每一型經(jīng)過評定的檢測系統(tǒng)在新出廠時或按周期（結(jié)合廠修一般為18個月）進行的。使用便攜校準裝備對檢測系統(tǒng)不穩(wěn)定的技術(shù)指標和系統(tǒng)功能進行檢查（見圖6）。出具年檢報告，包括檢測系統(tǒng)基本情況、技術(shù)指標要求、軟硬件功能驗證情況、技術(shù)指標驗證情況、年檢結(jié)論及有效的標定證明材料等內(nèi)容。

圖6 便攜校準儀

基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測系統(tǒng)期間核查是指根據(jù)規(guī)定程序，為了確定檢測系統(tǒng)是否保持其原有狀態(tài)而進行的操作。期間核查的目的是在2次校準（年檢）之間的時間間隔期內(nèi)保持檢測系統(tǒng)校準狀態(tài)的可信度。形成《設(shè)備期間核查記錄表》，核查發(fā)現(xiàn)問題時，應(yīng)停止使用該儀器設(shè)備，加貼停用標識。安排相關(guān)人員組織維修，進行原因分析，并核查對已完成的檢測/檢驗結(jié)果的影響，直到消除故障和異常后才可恢復(fù)設(shè)備的使用。

4 結(jié)束語

隨著科學技術(shù)的發(fā)展和鐵路現(xiàn)場人員技術(shù)水平的提高，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)越來越好，同時也對基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測系統(tǒng)的檢測能力要求越來越高。在提升檢測裝備能力的同時，也對量值的準確統(tǒng)一、質(zhì)量的安全可靠提出了越來越高的要求。

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測系統(tǒng)MAP的核心是不確定度評定以及測量過程的統(tǒng)計控制、閉環(huán)量傳。通過傳遞標準使檢測車輛與鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心實驗室之間定期地保持著量值的溯源關(guān)系，又通過核查標準由檢測車輛隨時保持自查的關(guān)系，并把受控或失控狀態(tài)信息隨時反饋到實驗室，形成封閉的監(jiān)控狀態(tài)。該MAP能夠有效地實現(xiàn)量值溯源，保證檢測車輛測量結(jié)果的準確、可靠和統(tǒng)一，為基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測、監(jiān)測體系提供了有效的監(jiān)管手段。