張翼 杜馨瑜 王昊 戴鵬 魏世斌 陳仕明 薛憲堂 周威

中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081

軌道及接觸網幾何參數是指導鐵路基礎設施養(yǎng)護維修的重要指標［1-2］。目前軌道和接觸網的幾何參數檢測系統(tǒng)相對獨立，兩系統(tǒng)依據里程定位信息進行數據關聯，同步誤差較大。軌道幾何參數檢測系統(tǒng)中車體相對軌面的位移數據未被接觸網幾何參數檢測系統(tǒng)用于補償計算，數據復用率低。因此，本文結合現場應用的需求，重新設計軌道和接觸網幾何參數檢測系統(tǒng)的硬件及軟件架構，實現系統(tǒng)融合，并針對融合后的系統(tǒng)進行實驗室測試，驗證數據同步性及準確性。

1 融合系統(tǒng)硬件設計

在原有檢測系統(tǒng)架構中（圖1），軌道和接觸網幾何參數檢測系統(tǒng)各自獨立接收編碼器脈沖，形成等距采樣脈沖。里程定位服務器接收編碼器脈沖，等時發(fā)送定位信息至軌道和接觸網幾何參數檢測系統(tǒng)，兩系統(tǒng)接收定位信息修正各自的實時里程，并將里程與檢測數據疊加后發(fā)送至數據處理服務器進行數據對齊［3-5］。在此架構中，兩系統(tǒng)采集卡獨立且里程定位服務器發(fā)送的定位信息密度低，不能覆蓋每一幀數據，同時通信網絡存在延時，導致兩系統(tǒng)數據對齊有誤差［6］。

圖1 原有檢測系統(tǒng)架構

融合后（圖2），軌道幾何參數檢測系統(tǒng)接收編碼器脈沖，將分頻后的等距脈沖轉發(fā)到接觸網幾何參數檢測系統(tǒng)；接觸網幾何參數檢測系統(tǒng)將計算結果經CAN（Controller Area Network）總線發(fā)回軌道幾何參數檢測系統(tǒng)；軌道幾何參數檢測系統(tǒng)疊加同一等距脈沖對應的數據，添加里程信息，發(fā)送至數據處理服務器［7］。融合系統(tǒng)架構中，接觸網幾何參數檢測系統(tǒng)由獨立檢測系統(tǒng)轉變?yōu)閺膶儆谲壍缼缀螀禉z測系統(tǒng)的傳感器，數據對齊精度高，避免里程信息重復累加，提升了檢測系統(tǒng)數據處理效率。

圖2 融合后系統(tǒng)架構

2 融合系統(tǒng)軟件設計

融合系統(tǒng)軟件基于QNX操作系統(tǒng)架構，由主線程和子線程構成，主線程負責初始化及各子線程的管理，子線程負責具體任務的實現。融合系統(tǒng)軟件運行流程如圖3所示［8-10］。

圖3 融合系統(tǒng)軟件運行流程

融合系統(tǒng)將主線程分為5個子線程，按優(yōu)先級由高到低依次為軌道及接觸網數據采集、檢測模型算法計算、數據里程添加、檢測數據發(fā)送、檢測數據顯示。檢測系統(tǒng)軟件運行時QNX系統(tǒng)內核根據優(yōu)先級設定，同時運行多個進程，在可預期的時間段內完成不同子任務，保證了系統(tǒng)的實時性和執(zhí)行效率。

3 同步對齊試驗

測試時，如圖4所示，將L形工裝組件及軌道幾何參數檢測梁安裝到振動臺底座上，調節(jié)工裝件高度與測試臂伸出長度，使弓網幾何參數測試系統(tǒng)測量面完全覆蓋測試臂運動軌跡，固定兩系統(tǒng)檢測梁及工裝件相對位置，使測量臂與弓網幾何測量面垂直且其初始位置與兩系統(tǒng)測量原點重合。此時振動臺橫向運動，接觸網幾何參數檢測系統(tǒng)拉出值及軌道幾何參數檢測系統(tǒng)左右側小組件橫向位移隨振動臺運動呈現正弦波形，比對波峰及波谷相對位置可觀察數據同步對齊效果［11-12］。

圖4 測試現場

試驗得到的波形數據如圖5所示，圖中自上而下依次為接觸網幾何參數檢測系統(tǒng)拉出值、軌道幾何參數檢測系統(tǒng)左側小組件橫向位移、軌道幾何參數檢測系統(tǒng)右側小組件橫向位移的波形。由于設備本身機械結構緣故，拉出值波形的波峰及波谷與左側小組件橫向位移一致，與右側小組件橫向位移相反。經波形分析比對，融合檢測系統(tǒng)同步性達到了測試需求。

圖5 波形數據

4 振動補償試驗

接觸網幾何參數檢測梁安裝于車頂，其測量基準面為軌平面，軌道幾何參數檢測系統(tǒng)激光攝像組件的測量值可反映車體相對于軌平面的相對位置關系，將此數據進行復用，即可完成對接觸網幾何參數的補償計算［13］。試驗設備安裝如圖6所示。采用振動臺模擬車體相對于軌平面的運動，接觸線與軌平面的相對位置固定，經補償計算后的導高、拉出值在設定值附近上下波動，波動范圍即為目前補償系統(tǒng)的誤差幅值［14］。

圖6 試驗設備安裝示意

4.1 靜態(tài)測量

靜止狀態(tài)下，將振動臺側滾傾斜一定角度，測量導高及拉出值與初始設定值的誤差，結果見表1。可知，最大誤差在1 mm以內，滿足精度要求。

表1 靜態(tài)測量誤差分析

4.2 動態(tài)垂向、橫向平移測量

振動臺垂向運動，拉出值的變化忽略不計，每0.25 m設一個取樣點，測量導高并計算其與初始設定值之間的誤差，結果見圖7。

圖7 動態(tài)垂向平移時導高測量結果及補償后誤差

由圖7可知：補償前導高隨振動臺運動呈正弦波形，峰峰值為25 mm；經算法補償后，導高與設定值誤差在-0.7～0.7 mm。

振動臺橫向平移，導高忽略不計，每0.25 m設一個取樣點，測量導高并計算其與初始設定值之間的誤差，結果見圖8。

圖8 動態(tài)橫向平移時拉出值測量結果及補償后誤差

由圖8可知：補償前，拉出值隨振動臺運動呈正弦波形，其峰峰值為25 mm；經算法補償后，誤差在-0.6～0.7 mm。

4.3 動態(tài)滾動測量

振動臺控制檢測梁以列車前進方向為軸作頻率為0.2 Hz的正弦擺動，最大幅值2.5°。接觸線相對軌面的位置不變，測量導高、拉出值，并計算其與初始設定值之間的誤差，結果見圖9。

圖9 動態(tài)滾動測量結果及補償后誤差

由圖9可知：隨著檢測梁的擺動，導高、拉出值的測量值均在初始狀態(tài)上下波動，其中導高變化幅值為25 mm，拉出值變化幅值為140 mm；導高、拉出值的測量精度均在-1.1～1.1 mm，誤差幅值不隨檢測梁擺動產生波動，補償精度滿足測量需求。

5 結語

本文確定了軌道與接觸網幾何參數融合檢測系統(tǒng)的硬件及軟件架構，并進行了實驗室驗證。融合系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可同步觸發(fā)并接收軌道及接觸網檢測系統(tǒng)測量數據，測量數據準確無誤且同步性好，可保證軌道及弓網檢測數據的補償復用及融合輸出，為后續(xù)軟件調取任意采樣點的軌道與接觸網幾何參數信息提供支持，便于檢測數據的超限判斷和綜合分析。