摘要：為了應(yīng)對軌道交通行業(yè)復(fù)雜運動環(huán)境下的軌道幾何探測問題，本文設(shè)計了一套軌道幾何檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對負(fù)責(zé)前端采集的激光探測器進(jìn)行了差異化和定制化設(shè)計，從而確保了系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)的高精度、穩(wěn)定性和可靠性。系統(tǒng)配備了包含加速度傳感器、傾角儀、陀螺儀等各類進(jìn)口傳感器的慣性測量單元，能夠完成對軌道水平、軌向等軌道不平順的檢測以及參數(shù)修正。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)具有高精度檢測能力，安裝便捷，并具有較高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：軌道幾何檢測；激光探測器；傾角測量儀；軌道參加檢測與校正

中圖分類號：TP334.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）14-0094-04

0引言

軌道是鐵路交通運行的載體，軌道幾何參數(shù)的精確是確保安全的重要保障，軌道幾何參數(shù)的偏差會導(dǎo)致軌道水平或方向不平順，出現(xiàn)三角坑，甚至引發(fā)軌道變形等問題，進(jìn)而造成安全事故和人員傷亡[1-4]。因此，開發(fā)高精度、實時性強(qiáng)的軌道幾何檢測系統(tǒng)至關(guān)重要。

基于以上問題，本文設(shè)計了一套軌道幾何檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對負(fù)責(zé)前端采集的激光探測器進(jìn)行了差異化和定制化設(shè)計，并配備了包含加速度傳感器、傾角儀、陀螺儀等各類進(jìn)口傳感器的慣性測量單元，確保了系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)的精度、穩(wěn)定性和可靠性，能夠完成對軌道水平、軌向等軌道不平順的檢測以及參數(shù)修正[5-9]。實驗表明，該系統(tǒng)具有高精度檢測能力，安裝便捷，并具有較高的應(yīng)用價值。

1系統(tǒng)組成

軌道幾何動態(tài)檢測裝置分為車底設(shè)備、車內(nèi)設(shè)備、地面設(shè)備三部分[10-14]。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1車底設(shè)備

1.1.1軌道檢測梁

采用全斷面軌道檢測梁（簡稱軌檢梁），安裝于車體底架上，重量不超過120KG，主要完成對各軌道幾何參數(shù)檢測傳感器封裝。

車體底架安裝在頭車，懸掛在車體帽型梁上，具體安裝位置及示意圖如圖2所示。設(shè)備外形圖如圖3所示。

1.1.2車體加速度

車體加速度傳感器安裝在軌檢梁上方，用于測量車體垂向和橫向的加速度，如圖4所示。

1.2車內(nèi)設(shè)備

車內(nèi)設(shè)備采用3U的CPCI機(jī)架式工控機(jī)，并配有一個3U的電氣控制箱。系統(tǒng)內(nèi)置4G/LTE傳輸接口，CPCI機(jī)架中還包含獨立的工控主板，不同系統(tǒng)之間相互獨立，總體尺寸在6U內(nèi)。車內(nèi)設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算后，通過4G/LTE等無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面（DCC和OCC）。地面設(shè)備主要由中央處理計算機(jī)、打印機(jī)等組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析、處理和輸出。

1.2.1軌距檢測

軌距檢測是指在軌道同一橫截面、鋼軌頂面以下16mm處，左右兩根鋼軌之間的最小內(nèi)側(cè)距離相對于標(biāo)準(zhǔn)軌距值1435mm的偏差。測量原理如圖5所示。

該系統(tǒng)采用激光三角測距原理，利用2D激光輪廓傳感器對軌面和內(nèi)軌腰、軌底進(jìn)行掃描。運用高速圖像處理技術(shù)對輪廓曲線進(jìn)行提取和分析，從而確定軌距的變化。結(jié)合兩個2D傳感器的安裝距離，計算合成動態(tài)的軌距值，最終得到軌距變化率。

1.2.2軌道高低不平順

軌道高低不平順是指左右軌頂面縱向起伏變化。如圖6所示，軌檢梁慣性元件測得整個軌檢梁的姿態(tài)以及軌檢梁的加速度大小。通過兩次積分得到左右軌檢梁相對大地的位移，結(jié)合左右2D傳感器測得的軌頂距離和軌檢梁姿態(tài)補(bǔ)償，可以計算出左、右高低值。

1.2.3軌道水平不平順

軌道同一橫斷面內(nèi)左右鋼軌頂面的高度差。如圖7可知傾角儀和陀螺儀分別測得軌檢梁相對大地的高頻和低頻角度，2D的數(shù)據(jù)計算得到的軌檢梁與鋼軌平面的角度。因此可以推算出鋼軌平面相對大地的角度，從而可以推算出水平和超高值。

1.2.4軌道方向不平順

軌向指的是鋼軌內(nèi)側(cè)面軌距點沿軌道縱向水平位置的變化情況。示意圖如圖8所示。軌檢梁上的橫向加速度測得梁的橫向加速度，通過兩次積分得到軌檢梁相對軌道中心基準(zhǔn)線的橫向位移。左右2D測得軌檢梁相對軌道的水平位移，結(jié)合慣性包數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償，可以推算出軌向數(shù)據(jù)。

1.2.5三角坑

三角坑反映了軌頂?shù)钠矫嫘浴Ｈ绻夗攁bcd四點不在同一平面上，則c點到abd三點組成平面的垂直距離h為扭曲。如圖9所示，三角坑是按水平值一定基長換算得到的，即基長兩端的水平差。對于一個轉(zhuǎn)向架來說，三角坑基長取2.5m，而對于一個車體來說，基長取18m，即18m內(nèi)最大水平的差值。

1.2.6曲率

曲率測量是指對于一定弦長的曲線軌道（例如30M），對應(yīng)之圓心角θ（度/30米）。度數(shù)越大，曲率越大，半徑越??；反之，度數(shù)越小，曲率越小，半徑越大。如圖10所示。

1.2.7車體加速度

定義：車體橫向擺動和垂向振動的沖擊力大小。車體橫向和垂向振動加速度是軌道不平順的間接反映，是乘車舒適度的重要指標(biāo)，通過安裝在車體上的橫向加速度傳感器和垂向加速度傳感器測得。

2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1高精度激光動態(tài)測量技術(shù)

為了解決軌道交通行業(yè)復(fù)雜運動環(huán)境下的激光探測問題，該系統(tǒng)對負(fù)責(zé)前端采集的激光探測器進(jìn)行了差異化和定制化設(shè)計，確保了系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)的檢測精度、穩(wěn)定性和可靠性。激光二維傳感器的外觀及拍攝效果如圖12所示。

2.2慣性基準(zhǔn)測量技術(shù)

系統(tǒng)配備了包含加速度傳感器、傾角儀、陀螺儀等各類進(jìn)口傳感器的慣性測量單元，能夠完成對軌道水平、軌向等軌道不平順的檢測以及參數(shù)修正。慣性測量示意圖如圖13所示。

2.3復(fù)雜場景下數(shù)字成像技術(shù)

該系統(tǒng)采用夜間低照度主動成像、白天強(qiáng)光過曝抑制、高速動態(tài)圖像消影、低溫恒溫控制和高溫單機(jī)冷備等技術(shù)，實現(xiàn)了全天候復(fù)雜場景下的高速高清成像。

3系統(tǒng)實驗與應(yīng)用成效

軌道檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的界面如圖14所示。以下是在烏魯木齊地鐵1號線正線下行段檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)圖，包括軌道幾何實時曲線、缺陷報告、TQI總結(jié)報表和車體加速度統(tǒng)計報表。

4結(jié)束語

本文對軌道幾何動態(tài)參數(shù)進(jìn)行了研究，并詳細(xì)闡述了軌道幾何檢測裝置的組成及其安裝要求。在此基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和解決方案進(jìn)行了分析，并給出了完整的設(shè)計方案。該設(shè)備已在烏魯木齊地鐵1號線正線下行段進(jìn)行了實際應(yīng)用。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠通過軌道幾何實時曲線實時監(jiān)測軌道狀態(tài)，并生成缺陷報告，有效實現(xiàn)了軌道幾何狀態(tài)的檢測。系統(tǒng)具有高精度和實時性，并取得了良好的實際應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王建鋒，蘇欣兒.電氣化軌道接觸網(wǎng)幾何參數(shù)動態(tài)檢測方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2024，57（7）：997-1005.

[2]孟曉陽.基于CPⅣ網(wǎng)軌道三維檢測系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計[J].機(jī)械管理開發(fā)，2024，39（5）：169-171.

[3]劉維楨，秦航遠(yuǎn)，劉金朝，等.大號碼高速道岔長波軌道幾何不平順評價方法[J].鐵道建筑，2024，64（5）：24-27.

[4]解婉茹，秦航遠(yuǎn)，戚志剛，等.高速道岔軌道幾何狀態(tài)評價與規(guī)律研究[J].中國鐵路，2024（3）：25-31.

[5]程朝陽，王昊，侯智雄，等.軌道幾何狀態(tài)檢測異常數(shù)據(jù)實時智能識別[J].鐵道建筑，2024，64（2）：25-29.

[6]范建華.關(guān)于軌道交通行走智能檢測平臺技術(shù)的研究[J].山西電子技術(shù)，2023（6）：99-100.

[7]曾偉，肖澤樺.城軌車輛車載式軌道檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2023，46（4）：66-70.

[8]曹雨欣.基于動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的軌道幾何超限狀態(tài)辨識及預(yù)警研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2023.

[9]趙心穎，李翔飛，王宇.城軌車輛車載軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)的研制[J].機(jī)電工程技術(shù)，2023，52（4）：257-261，274.

[10]段龍濤.基于構(gòu)架姿態(tài)的軌道幾何形位解算方法研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2023.

[11]趙正陽，王冰，李洋，等.軌道動態(tài)幾何狀態(tài)與輪軌力檢測數(shù)據(jù)里程校準(zhǔn)方法及應(yīng)用[J].鐵道建筑，2022，62（10）：55-59.

[12]夏志成，李晉，單麗梅，等.城軌車載式軌道服役狀態(tài)在線檢測系統(tǒng)研究[J].交通工程，2022，22（5）：20-25.

[13]張建，程朝陽，李穎，等.軌道幾何動靜態(tài)檢測分析[J].中國鐵路，2022（8）：180-185.

[14]郭雪，張井玉，尹昱淞，等.城市軌道交通車載軌道動態(tài)幾何檢測研究[J].新型工業(yè)化，2022，12（4）：128-132.

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