作者簡(jiǎn)介：賈巖（1988—），女，碩士，工程師，講師，研究方向?yàn)檐壍罊z測(cè)技術(shù)。

基金項(xiàng)目：2020年湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：20C1228）；2023年湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題（項(xiàng)目編號(hào)：HNTKY-KT-2023-3）。

摘? 要：高平順性的鐵路軌道是高速列車平穩(wěn)、安全運(yùn)行的根本保證。鐵路軌道的不平順會(huì)導(dǎo)致機(jī)車車輛產(chǎn)生振動(dòng)或者破壞，軌道的不平順性更是線路設(shè)計(jì)和評(píng)估的重要依據(jù)。隨著高速鐵路的快速發(fā)展和列車速度的不斷提高，對(duì)軌道幾何狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)的精度和效率也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的工務(wù)維修中，鐵路軌道的平順性狀態(tài)檢測(cè)主要采用“相對(duì)測(cè)量”法，與全站儀等設(shè)備配合使用，但該方法檢測(cè)精度不高，檢測(cè)效率低，易受外界天氣影響。為保證機(jī)車車輛的安全行駛，鐵路軌道需符合高平順性要求。本研究利用激光準(zhǔn)直原理，通過激光長(zhǎng)弦發(fā)射器與數(shù)字接收光靶配合測(cè)量，可直接推算出軌道的長(zhǎng)波不平順，有效擴(kuò)大基準(zhǔn)弦的長(zhǎng)度。該方法能直接測(cè)量出軌道的平順性狀態(tài)，提高檢測(cè)精度與效率。

關(guān)鍵詞：高速鐵路? 激光檢測(cè)? 長(zhǎng)波不平順? 軌道檢測(cè)

中圖分類號(hào)：U216.3

Abstract： Railway tracks with high regularity are the foundamental guarantee for the smooth and safe operation of high-speed trains. The irregularity of railway tracks will lead to the vibration or damage of railway vehicles， and the irregularity of tracks is also an important basis for the design and evaluation of the line. With the rapid development of the high-speed railway and the continuous improvement of the train speed， higher requirements for the accuracy and efficiency of the geometric state parameter detection of? tracks are put forward. In traditional track maintenance， the “relative measurement” method is mainly used to detect the regularity of railway tracks， which is used in conjunction with total stations and other equipment， but the detection accuracy of this method is not high with low detection efficiency， and it is susceptible to external weather. In order to ensure the safe operation of railway vehicles， railway tracks need to meet the requirements of high regularity. In this study， by using the principle of laser alignment， the long-wave irregularity of tracks can be directly calculated through the coordinated measurement of the laser long-string transmitter and the digital receiving light target， and the length of the reference string can be effectively expanded. This method can directly measure the regularity status of tracks and improve detection accuracy and efficiency.

Key Words： High-speed railway; Laser detection; Long-wave irregularity; Track detection

軌道不平順是引起高速鐵路輪軌系統(tǒng)振動(dòng)及列車蛇行失穩(wěn)的根本原因。軌道不平順是指兩根鋼軌在高低和左右方向與鋼軌理想位置幾何尺寸的偏差[1-2]。鐵路軌道的不平順會(huì)導(dǎo)致機(jī)車車輛產(chǎn)生振動(dòng)或者破壞，軌道的不平順性更是線路設(shè)計(jì)和評(píng)估的重要依據(jù)[3]。鐵路的高速化發(fā)展對(duì)鐵路軌道提出了更高的要求。軌道不平順性狀態(tài)的靜態(tài)檢測(cè)常使用慣性基準(zhǔn)法和弦測(cè)法[4]，但這仍滿足不了高速鐵路軌道長(zhǎng)波不平順的測(cè)量要求。

本文采用激光長(zhǎng)弦發(fā)射器與數(shù)字接收光靶配合測(cè)量的方法，使激光長(zhǎng)弦發(fā)射器與數(shù)字接收光靶相距一定距離，通過激光束和接收光靶建立的測(cè)量弦直接檢測(cè)出軌道的軌向和高低，有效擴(kuò)大基準(zhǔn)弦的長(zhǎng)度。本文通過建立參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)軌向、高低的計(jì)算和圖形顯示，通過數(shù)據(jù)分析推算得出軌道水平面內(nèi)和縱平面內(nèi)的長(zhǎng)波不平順。

1? 300 m、30 m弦軌道平順性測(cè)量原理

300 m弦軌道平順性是指在高速鐵路上300 m弦長(zhǎng)的軌向。軌向?yàn)殇撥墐?nèi)側(cè)面測(cè)距點(diǎn)沿軌道方向水平位置的變化量（曲線上稱為正矢）[5]。利用激光準(zhǔn)直原理，測(cè)量軌道的不平順[6]，測(cè)量原理如圖1所示。激光發(fā)射器安裝在發(fā)射車的發(fā)射端，接收器位于接收車。測(cè)量開始階段，需要對(duì)中，即將發(fā)射器對(duì)準(zhǔn)接收顯示屏的中心。測(cè)量時(shí)，移動(dòng)接收車，每隔一段距離（即一段枕木長(zhǎng)0.625 m）測(cè)量一次，發(fā)射車向接受器發(fā)射激光束，得出坐標(biāo)值，根據(jù)相應(yīng)的坐標(biāo)值可以推算出軌向。每測(cè)完一段弦長(zhǎng)，則移動(dòng)發(fā)射裝置到新的測(cè)量起點(diǎn)，重復(fù)上述過程。為了保證測(cè)量精度和測(cè)量準(zhǔn)確性，新測(cè)量起點(diǎn)取上段弦的中點(diǎn)，最終通過疊加完成全部路程的測(cè)定。

2? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用兩輛小車進(jìn)行檢測(cè)，兩輛小車分別為激光發(fā)射小車和激光接收小車。激光發(fā)射小車主要由激光長(zhǎng)弦發(fā)射裝置、望遠(yuǎn)鏡目鏡和望遠(yuǎn)鏡物鏡組成。激光接收小車主要由數(shù)字激光接收光靶和各傳感器組成。激光發(fā)射小車上的望遠(yuǎn)鏡目鏡和物鏡主要用于初值的標(biāo)定和發(fā)射、接收的定位。激光長(zhǎng)弦發(fā)射裝置采用半導(dǎo)體激光器。激光的射程與激光功率成正比，本系統(tǒng)采用大功率的激光光源可以進(jìn)行長(zhǎng)距離發(fā)射。接收小車上的數(shù)字接收光靶主要用于接收并收集檢測(cè)位置上的圖像信號(hào)。接收器采用拉特公司的T114型數(shù)字接收光靶，通過USB接口與計(jì)算機(jī)相連，通過圖像傳輸線將圖像信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行圖像分析和數(shù)值計(jì)算。硬件系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

本系統(tǒng)采用STM32F407ZGT6微處理器作為控制核心，最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和JTAG調(diào)試電路，人機(jī)交互模塊包括按鍵模塊和LCD模塊。

軌距檢測(cè)采用磁致伸縮位移傳感器，磁致伸縮傳感器主要由不銹鋼測(cè)桿、磁致伸縮線、可移動(dòng)磁環(huán)以及電子部件等組成。磁致伸縮傳感器為非接觸式，不產(chǎn)生磨損。

水平（超高）的檢測(cè)采用SCA100T雙軸傾角傳感器，該傾角傳感器具有分辨率高，噪聲低、能承受高達(dá)20 000 g機(jī)械沖擊等特點(diǎn)[7]。

里程的檢測(cè)采用旋轉(zhuǎn)編碼器采用TRD-J型緊湊通用增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，其每轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生1 000個(gè)脈沖，通過計(jì)算其分辨率為，其最高相應(yīng)頻率為50 kHz，電源電壓為DC 4.75～30 V。記錄脈沖的個(gè)數(shù)與位移量成正比關(guān)系。在測(cè)量系統(tǒng)中，軌道檢測(cè)小車可以向前運(yùn)動(dòng)也可以向后運(yùn)動(dòng)，故需判斷旋轉(zhuǎn)編碼器的正反轉(zhuǎn)，對(duì)脈沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù)。

3? 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是基于軌道幾何參數(shù)測(cè)量原理對(duì)檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析處理和文件存儲(chǔ)，最終得出鐵路軌道的幾何狀態(tài)參數(shù)。激光軌道檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分主要由數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示組成。軟件系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.1? 數(shù)據(jù)檢測(cè)

軟件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)檢測(cè)主要功能是對(duì)微處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，微處理器將傳感器檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)的串口，軟件將發(fā)送的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并按照接收協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)的完整性和格式的正確性進(jìn)行識(shí)別。

3.2? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

軟件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要功能是對(duì)計(jì)算機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。由于微處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)量大、速度快，不能對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)保存，所以先將接收到的數(shù)據(jù)存入臨時(shí)文件，當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到一定時(shí)再將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3? 數(shù)據(jù)處理

軟件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的主要功能是將存儲(chǔ)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[8]。數(shù)據(jù)處理主要包括分析數(shù)據(jù)格式；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行奇異點(diǎn)處理，利用已知的數(shù)學(xué)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和轉(zhuǎn)換，并最后得到所需的數(shù)據(jù)文件。

3.3.1? 數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)處理

在測(cè)量過程中由于鋼軌的腐蝕和臟污、檢測(cè)時(shí)外部環(huán)境的溫度和光照等會(huì)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)存在誤差而形成奇異點(diǎn)。檢測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)定符合正態(tài)分布，在計(jì)算過程中選取300 m的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，考慮小概率事件，將落在概率95%以外的數(shù)據(jù)剔除。

由于在測(cè)量過程中，軌道的狀態(tài)以及外部環(huán)境如溫度、光照等的影響會(huì)使檢測(cè)數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)，理論上所有檢測(cè)點(diǎn)的值均在此范圍內(nèi)，然而在測(cè)量過程中仍會(huì)有部分?jǐn)?shù)據(jù)超出此范圍[9]，解決此問題的方法是：由給定的各個(gè)誤差分量求出總的平均誤差μ和均方差σ，以小概率事件的概率值95%為標(biāo)準(zhǔn)，查找概率積分表的系數(shù)Kα，計(jì)算出測(cè)量數(shù)據(jù)上限和下限：

當(dāng)在某段固定距離內(nèi)的數(shù)據(jù)超[m，n]時(shí)，即認(rèn)定其為奇異數(shù)據(jù)點(diǎn)，并進(jìn)行剔除。由于數(shù)據(jù)落在概率95%以內(nèi)的數(shù)據(jù)不會(huì)被剔除，而由于人工錯(cuò)誤操作或軌道焊縫等原因造成的較大誤差的數(shù)據(jù)則可以進(jìn)行過濾，有效提高原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高數(shù)據(jù)的精度，避免由于誤差傳遞而造成的推算數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

3.3.2? 建立推算300 m弦軌道不平順和高低的數(shù)學(xué)模型

軌道參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)利用激光準(zhǔn)直原理，檢測(cè)300 m弦長(zhǎng)的軌道不平順和高低，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，最終反映軌道較真實(shí)的變化規(guī)律。由于檢測(cè)過程中，需要通過重疊一部分區(qū)域來(lái)確定整體的軌道不平順，因此處理重疊區(qū)域的數(shù)據(jù)是主要的分析內(nèi)容。同時(shí)需要建立推算軌道不平順和高低的數(shù)學(xué)模型，用來(lái)處理已檢測(cè)的數(shù)據(jù)。在建立300 m弦的模型后，即可推算出30 m弦的模型。

在檢測(cè)過程中，每次測(cè)量均采用新的坐標(biāo)系統(tǒng)，當(dāng)數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要把多次測(cè)量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)整合在一個(gè)坐標(biāo)系，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析和處理。在本設(shè)計(jì)中，通過平移的思想，以第一次測(cè)量的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，后續(xù)測(cè)量的坐標(biāo)以平移的方式移入基準(zhǔn)坐標(biāo)系。由于后續(xù)坐標(biāo)系的所有點(diǎn)相對(duì)于該坐標(biāo)系都是固定的，因此在平移過程中，只需考慮坐標(biāo)原點(diǎn)的平移和旋轉(zhuǎn)的角度即可。具體平移方法如圖4所示。

圖中，xOy坐標(biāo)系為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，XO1Y為后續(xù)測(cè)量時(shí)的坐標(biāo)系，其中r點(diǎn)在XO1Y的坐標(biāo)為（X1，Y1），XO1Y的坐標(biāo)原點(diǎn)平移到xOy的O1點(diǎn)，平移參數(shù)分別為平移坐標(biāo)（p，q）和旋轉(zhuǎn)角α。由幾何關(guān)系可得r在xOy的坐標(biāo)為

式中：（p，q）為O1點(diǎn)在xOy坐標(biāo)系的坐標(biāo)。由于式中有p、q、α三個(gè)參數(shù)，為了使平移過程中誤差最小，利用最小二乘法的原理，求解出該參數(shù)的最佳值。最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配[10]，即

式（17）中：符號(hào)標(biāo)記的含義為對(duì)該坐標(biāo)系所有點(diǎn)坐標(biāo)值求和即，表示該坐標(biāo)系所有點(diǎn)的坐標(biāo)值與重心的坐標(biāo)值之差。

通過上述的計(jì)算，最終把所有子坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在基準(zhǔn)坐標(biāo)系，此時(shí)，在數(shù)據(jù)重疊處，通過求兩次測(cè)量的平均值即可求得最終坐標(biāo)值，并可繪出最終軌道不平順曲線。在實(shí)際測(cè)量過程中，坐標(biāo)系的原點(diǎn)一般移動(dòng)到上次測(cè)量的中點(diǎn)，因此，只需通過最小二乘法求得最佳偏轉(zhuǎn)角度即可。

4? 軟件功能實(shí)現(xiàn)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)軟件系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，程序里采用了VC++6.0提供的各項(xiàng)控件，控件是對(duì)數(shù)據(jù)和方法的封裝。串口通信時(shí)，采用了用于通信的Mscomm控件；列表顯示時(shí)，采用調(diào)用數(shù)據(jù)格式的DataGrid 控件；繪圖時(shí)，圖形區(qū)域顯示在Image控件中等。各控件之間相互獨(dú)立，并通過自定義類來(lái)實(shí)現(xiàn)各自的功能。

計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)，將其按固定格式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)檢測(cè)過程結(jié)束后，再?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行各項(xiàng)處理工作。因此讀寫數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)處理的重要內(nèi)容。

具體的設(shè)計(jì)流程如圖5所示。在函數(shù)處理模塊又包含多個(gè)處理函數(shù)，每個(gè)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理方式以及先后順序都有所不同，因此需要合理安排對(duì)數(shù)據(jù)的操作。

最后將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，以列表的方式查看各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體數(shù)值，也可以以圖形的方式查看鐵路軌道幾何參數(shù)的情況。軟件系統(tǒng)界面如圖6所示。數(shù)據(jù)處理波形如圖7所示。

5? 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)的硬件用于軌道參數(shù)的數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和傳輸控制。該系統(tǒng)將激光長(zhǎng)弦發(fā)射器和數(shù)字光靶在軌道上相距一定距離，利用激光束和接收光靶建立一測(cè)量弦，然后通過圖像傳輸線將接收信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)。通過磁致伸縮位移傳感器、傾角傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器用于檢測(cè)軌距、水平、里程，檢測(cè)數(shù)據(jù)通過處理后傳至微處理器用于數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。

軟件系統(tǒng)用于對(duì)數(shù)據(jù)的分析，以及建立合理的數(shù)學(xué)模型來(lái)達(dá)到較高的精度和準(zhǔn)確度。同時(shí)通過軟件平臺(tái)編寫數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性。

在300 m弦的測(cè)量過程中，利用激光準(zhǔn)直技術(shù)對(duì)軌道平順性進(jìn)行測(cè)量和分析，為了能夠獲取全部線路的平順性特性，在測(cè)量時(shí)采取重疊測(cè)量，每次測(cè)量重疊一半的弦長(zhǎng)距離。為了使最終擬合的曲線誤差最小，推算過程中，采用了最小二乘法原理，這種方法利用了坐標(biāo)平移的思想，同時(shí)也解決了平移過程中誤差傳遞的影響，具有較高的精度和良好的測(cè)量準(zhǔn)確度。

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