孫陶陶 代永波 司道林 徐玉坡 梁宏波 胡偉 毛慶洲

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081； 2.中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司， 武漢 430071；3.鐵科（北京）軌道裝備技術(shù)有限公司， 北京 102202； 4.武漢漢寧軌道交通技術(shù)有限公司， 武漢 430074

道岔是鐵路線路中的薄弱環(huán)節(jié)，尤其在重載鐵路載重量大、運(yùn)營(yíng)條件惡劣的工況下，須要重點(diǎn)檢查［1-2］。道岔區(qū)軌道狀態(tài)檢查包括檢測(cè)道岔區(qū)鋼軌形貌、零部件位置關(guān)系、軌道幾何狀態(tài)等項(xiàng)目。目前主要應(yīng)用道尺、鋼板尺、鋼軌輪廓儀、鋼軌磨耗儀［3］等機(jī)械測(cè)量工具對(duì)道岔區(qū)軌道狀態(tài)進(jìn)行人工檢測(cè)，功能單一且效率低下。道岔區(qū)軌道類型繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)有高效軌道檢查手段很難廣泛應(yīng)用。以鋼軌輪廓檢測(cè)為例，道岔區(qū)鋼軌數(shù)量多，組合廓形測(cè)量區(qū)域大，常規(guī)的接觸式鋼軌輪廓儀［4］無法滿足道岔區(qū)大范圍、復(fù)雜廓形的檢測(cè)需求。以區(qū)間線路大量使用的軌道檢查儀［5］為例，道岔區(qū)有害區(qū)間影響了軌道檢查儀的通過性，在道岔區(qū)難以連續(xù)測(cè)量，而且道岔區(qū)工作軌的轉(zhuǎn)換也極大地影響了常規(guī)接觸式軌道幾何測(cè)量效果。

綜上，道岔區(qū)軌道檢查工作需求大，任務(wù)繁重，但尚未形成能夠綜合覆蓋道岔區(qū)段重點(diǎn)檢查項(xiàng)點(diǎn)的一體化高效檢測(cè)手段。因此，亟待研究一種道岔區(qū)軌道狀態(tài)綜合檢測(cè)方法，以提升道岔區(qū)工務(wù)檢查效率，降低工務(wù)部門道岔養(yǎng)護(hù)維修成本。

1 檢測(cè)原理

1.1 道岔區(qū)軌道狀態(tài)檢測(cè)項(xiàng)目

如圖1所示，鋼軌廓形和幾何參數(shù)是道岔區(qū)軌道狀態(tài)檢查的重點(diǎn)項(xiàng)目。鋼軌組合廓形檢測(cè)技術(shù)：采集軌道橫斷面上多結(jié)構(gòu)體的綜合廓形，計(jì)算鋼軌件磨耗和零部件位置關(guān)系。道岔幾何參數(shù)檢測(cè)技術(shù)：采集軌道三維坐標(biāo)，將道岔鋼軌組合廓形與軌道線形坐標(biāo)融合，形成軌道三維點(diǎn)云，計(jì)算道岔結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)（尖軌降低值、間隙值、導(dǎo)曲線支距、查照間隔/護(hù)背距離等）和道岔軌道幾何參數(shù)（軌距、水平、軌向、高低等）。

圖1 道岔區(qū)軌道狀態(tài)檢測(cè)項(xiàng)

1.2 道岔區(qū)鋼軌組合廓形檢測(cè)技術(shù)

相比接觸式廓形測(cè)量方法，非接觸式光學(xué)測(cè)量方法能快速、大范圍地獲取被測(cè)物幾何信息，在道岔區(qū)鋼軌組合廓形檢測(cè)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。近年來三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速，三維測(cè)量在平面測(cè)量的基礎(chǔ)上加入了高度信息，具有大視場(chǎng)、高精度和高實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)檢測(cè)、逆向設(shè)計(jì)、生物醫(yī)藥等方面應(yīng)用廣泛［6-8］。因此，選用線結(jié)構(gòu)光三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)（簡(jiǎn)稱線結(jié)構(gòu)光技術(shù)）研究道岔區(qū)鋼軌組合廓形檢測(cè)方法。

線結(jié)構(gòu)光技術(shù)能夠快速獲取斷面輪廓，適用于大跨度鋼軌廓形測(cè)量。線結(jié)構(gòu)光技術(shù)的高度測(cè)量原理基于三角測(cè)量法。如圖2（a）所示，激光在物空間基平面M上的O點(diǎn)入射，O點(diǎn)在相機(jī)像平面m上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為o。當(dāng)激光在被測(cè)物表面A點(diǎn)反射時(shí)，反射光在m上的光斑位置為a點(diǎn)。設(shè)A點(diǎn)距M的豎向距離為S，像平面中a點(diǎn)與o點(diǎn)的距離為s，則建立像空間中s與物空間中S的映射關(guān)系，在已知像高的情況下可獲取物體的高度信息。如圖2（b）所示，線激光傳感器可同時(shí)采集物體較大范圍的高度信息，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。利用多個(gè)線結(jié)構(gòu)光傳感器同步采集的轍叉區(qū)鋼軌組合廓形如圖2（c）所示。

圖2 基于線結(jié)構(gòu)光的道岔區(qū)鋼軌組合廓形檢測(cè)技術(shù)

1.3 道岔區(qū)幾何參數(shù)檢測(cè)技術(shù)

道岔區(qū)幾何參數(shù)檢測(cè)首先需要建立道岔區(qū)軌道的三維信息，由道岔區(qū)鋼軌組合廓形融合廓形采集截面的位置信息獲得。以手推檢測(cè)機(jī)構(gòu)為載體，以線結(jié)構(gòu)光和慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）［9］為核心傳感器，搭載里程測(cè)量裝置（Distance Measuring Instrument，DMI）和全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的軌道三維測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，IMU積分計(jì)算輸出系統(tǒng)相對(duì)于初始狀態(tài)的速度、位置和姿態(tài)；DMI作為獨(dú)立單元，輸出測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)距離和速度；GNSS作為獨(dú)立觀測(cè)單元，輸出系統(tǒng)的位置和速度。

圖3 道岔軌道三維測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兼顧高分辨率和長(zhǎng)距離精度是軌道三維測(cè)量系統(tǒng)的難點(diǎn)。高性能IMU保障了系統(tǒng)具有較高的測(cè)量分辨率，為降低IMU長(zhǎng)時(shí)間積分帶來的誤差，采用多傳感器組合定位方法解算系統(tǒng)的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，即POS（Position and Orientation System）數(shù)據(jù)。如圖4所示，首先對(duì)DMI、IMU和GNSS數(shù)據(jù)做初始化對(duì)齊，將IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行航位推算，得到系統(tǒng)基于慣性測(cè)量方法的速度與位置，即INS（Inertial Navigation System）數(shù)據(jù)；然后利用DMI數(shù)據(jù)和GNSS數(shù)據(jù)對(duì)IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)增量修正，利用卡爾曼濾波將INS與GNSS數(shù)據(jù)做差值處理，得到高精度POS數(shù)據(jù)。根據(jù)線結(jié)構(gòu)光與位姿傳感器的位置關(guān)系，將鋼軌組合廓形與POS數(shù)據(jù)融合，獲得具有幾何線形的道岔區(qū)軌道三維點(diǎn)云。

圖4 道岔區(qū)軌道三維測(cè)量技術(shù)多傳感器組合定位算法流程

對(duì)道岔區(qū)軌道三維點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，可以獲得具有結(jié)構(gòu)意義的道岔區(qū)幾何參數(shù)。以結(jié)構(gòu)參數(shù)中的尖軌降低值和軌道幾何參數(shù)中的軌道高低的檢測(cè)為例，道岔幾何參數(shù)的解算過程如圖5所示。檢測(cè)尖軌降低值時(shí)，利用圖像識(shí)別方法找到尖軌所在區(qū)域，提取區(qū)域內(nèi)鋼軌組合廓形，根據(jù)結(jié)構(gòu)特征計(jì)算尖軌與基本軌頂面高差，即尖軌降低值。檢測(cè)軌道高低時(shí)，從軌道三維點(diǎn)云中提取工作軌軌頂三維曲線，滑動(dòng)截取設(shè)定弦長(zhǎng)下的空間曲線，依次計(jì)算弦線中點(diǎn)矢距，即軌道高低。

圖5 道岔幾何參數(shù)解算方法

2 道岔區(qū)軌道狀態(tài)綜合檢測(cè)樣機(jī)

為驗(yàn)證道岔區(qū)鋼軌組合廓形及幾何參數(shù)檢測(cè)技術(shù)的可行性，研制了道岔區(qū)軌道狀態(tài)綜合檢測(cè)樣機(jī)。樣機(jī)以手推小車為載體，搭載軌道三維測(cè)量系統(tǒng)、嵌入式計(jì)算機(jī)等模塊，見圖6。其中，線結(jié)構(gòu)光傳感器作為廓形采集傳感器，采集道岔尖軌、心軌、基本軌、翼軌等部件的組合廓形數(shù)據(jù)；DMI、IMU和GNSS作為位置與姿態(tài)傳感器組合，分別采集小車的行駛里程、瞬時(shí)速度、姿態(tài)和位置；嵌入式計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)處理單元，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解算，輸出道岔區(qū)軌道狀態(tài)綜合檢測(cè)結(jié)果。系統(tǒng)采用同步控制技術(shù)，同步觸發(fā)多源異構(gòu)傳感器，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一時(shí)間基準(zhǔn)中。

圖6 道岔區(qū)軌道狀態(tài)綜合檢測(cè)樣機(jī)結(jié)構(gòu)

3 樣機(jī)性能試驗(yàn)

3.1 廓形檢測(cè)

應(yīng)用道岔區(qū)軌道狀態(tài)綜合檢測(cè)樣機(jī)對(duì)道岔區(qū)鋼軌廓形檢測(cè)效果進(jìn)行驗(yàn)證。由于行業(yè)內(nèi)缺乏成熟的道岔區(qū)鋼軌組合廓形測(cè)量?jī)x器，選取50 kg/m基本軌開展驗(yàn)證試驗(yàn)，將樣機(jī)檢測(cè)結(jié)果與成熟產(chǎn)品MiniProf鋼軌輪廓儀的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見圖7?？芍汗鈱W(xué)系統(tǒng)在軌頂面的數(shù)據(jù)間隔小于軌側(cè)面的間隔；本文系統(tǒng)與MiniProf測(cè)量得到的豎直、水平方向偏差分別控制在±0.2 mm和±0.1 mm，測(cè)量結(jié)果具有較高可信度。

圖7 鋼軌廓形測(cè)量效果

3.2 幾何參數(shù)檢測(cè)

在鐵科（北京）軌道裝備技術(shù)有限公司的試驗(yàn)道岔上，對(duì)道岔區(qū)軌道狀態(tài)綜合檢測(cè)樣機(jī)開展了幾何參數(shù)檢測(cè)性能試驗(yàn)。道岔類型為50 kg/m鋼軌9號(hào)單開道岔；小車樣機(jī)由單人推行，推行速度約3 km/h，推行距離約50 m。樣機(jī)采集的道岔區(qū)軌道三維點(diǎn)云見圖8。可知：采集區(qū)域內(nèi)鋼軌、扣件、道砟和軌縫清晰可見，系統(tǒng)具備高分辨建立道岔區(qū)軌道復(fù)雜三維模型的良好采集性能。

圖8 道岔區(qū)軌道三維點(diǎn)云圖

1）結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

利用道岔區(qū)軌道狀態(tài)綜合檢測(cè)樣機(jī)測(cè)得道岔區(qū)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，并與人工測(cè)量（使用鋼板尺、卷尺、道尺等工具）的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表1。可知：除查照間隔外，樣機(jī)與人工測(cè)量結(jié)果的偏差基本控制在±1 mm內(nèi)，該樣機(jī)具有替代人工檢測(cè)手段的可行性；護(hù)軌輪緣槽寬度、查照間隔和護(hù)背距離的樣機(jī)與人工測(cè)量結(jié)果偏差較大，考慮這三項(xiàng)檢測(cè)對(duì)象中均包含護(hù)軌，認(rèn)為偏差是由護(hù)軌工作邊采集點(diǎn)稀疏造成的。

表1 道岔結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

2）軌道幾何參數(shù)

利用道岔區(qū)軌道狀態(tài)綜合檢測(cè)樣機(jī)測(cè)得道岔區(qū)軌道幾何參數(shù)，并與人工弦線法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖9。其中，檢測(cè)弦長(zhǎng)選取TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》［10］規(guī)定的軌道靜態(tài)幾何不平順評(píng)價(jià)弦長(zhǎng)（10 m弦）。以軌向檢測(cè)為例，將軌道曲線以10 m弦長(zhǎng)劃分，分別以1 m間隔計(jì)算每段軌道的10 m弦矢距。由圖9可知：樣機(jī)解算結(jié)果與人工弦線法測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)一致，可替代人工檢測(cè)。

圖9 軌向檢測(cè)中樣機(jī)與人工弦線法測(cè)量結(jié)果對(duì)比

人工弦線測(cè)量方法受弦線張緊程度與人工操作影響，具有較大誤差。為進(jìn)一步驗(yàn)證樣機(jī)對(duì)軌道幾何參數(shù)的檢測(cè)精度，將檢測(cè)結(jié)果與軌道檢查儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見圖10。由于軌道檢查儀在道岔區(qū)適應(yīng)性不佳，該試驗(yàn)在區(qū)間線路開展，共采集100 m長(zhǎng)軌道信息，以0.5 m間隔滑動(dòng)計(jì)算每10 m弦軌道正矢。由圖10可知：樣機(jī)解算結(jié)果與軌道檢查儀測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)一致，偏差基本控制在±2 mm內(nèi)，能夠可靠反映軌道幾何不平順規(guī)律。進(jìn)一步分析偏差數(shù)據(jù)，偏差數(shù)值在零值兩側(cè)對(duì)稱分布，幅值隨測(cè)量里程增加呈發(fā)散趨勢(shì)，后續(xù)應(yīng)提升慣性測(cè)量單元的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高檢測(cè)精度。

圖10 軌向檢測(cè)中樣機(jī)與軌道檢查儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比

3.3 檢測(cè)效率

道岔軌道狀態(tài)綜合檢測(cè)系統(tǒng)操作的主要耗時(shí)項(xiàng)分別為設(shè)備組裝時(shí)間（約5 min）、系統(tǒng)初始化時(shí)間（約5 min）、推行采集時(shí)間（約2 min，以步行速度3 km/h、推行單股100 m長(zhǎng)的道岔計(jì)算）和數(shù)據(jù)后處理時(shí)間（約5 min），用時(shí)總計(jì)約17 min。

目前工務(wù)部門實(shí)施道岔狀態(tài)綜合檢測(cè)時(shí)，一般是逐個(gè)開展單項(xiàng)檢查。以道尺操作為例，人工檢測(cè)每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)需10 s。以1 m間隔采集，單股百米長(zhǎng)道岔的單項(xiàng)數(shù)據(jù)采集用時(shí)為17 min。

可見，道岔軌道狀態(tài)綜合檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)效率遠(yuǎn)高于人工檢測(cè)。

4 結(jié)語

為解決重載道岔區(qū)軌道狀態(tài)檢測(cè)人力成本高、缺乏高效檢測(cè)手段的問題，本文針對(duì)鋼軌廓形和幾何參數(shù)兩個(gè)道岔區(qū)段重點(diǎn)檢查項(xiàng)點(diǎn)，研究了道岔區(qū)軌道狀態(tài)綜合檢測(cè)技術(shù)。根據(jù)道岔區(qū)鋼軌廓形具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜和測(cè)量范圍大的特點(diǎn)，選用基于多個(gè)線結(jié)構(gòu)光傳感器的技術(shù)方案，通過建立多傳感器高精度光學(xué)映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了快速、大范圍的道岔區(qū)鋼軌廓形測(cè)量。研究了以慣性測(cè)量單元為核心的軌道三維測(cè)量技術(shù)，通過設(shè)計(jì)多傳感器組合定位方法，能夠高分辨地建立道岔區(qū)軌道三維點(diǎn)云。在三維點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，研究了幾何參數(shù)自動(dòng)化解算算法，具有綜合性強(qiáng)和自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)所提出的檢測(cè)方法開展了樣機(jī)研制與性能試驗(yàn)，分別與人工檢測(cè)方法和儀器檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，所提出的道岔軌道狀態(tài)綜合檢測(cè)方法原理可行，各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果與現(xiàn)有方法一致且精度較高，檢測(cè)用時(shí)顯著低于人工方法。

本文研究成果有望取代人工測(cè)量手段，極大提升道岔區(qū)檢測(cè)效率，具有良好的應(yīng)用前景。后期需進(jìn)一步開展測(cè)量精度研究，減小測(cè)量誤差，形成穩(wěn)定可用的道岔區(qū)軌道狀態(tài)綜合檢測(cè)產(chǎn)品。