GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)的研制與驗證

■ 劉伶萍 魏世斌 趙延峰 李穎

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)的研制與驗證

■ 劉伶萍 魏世斌 趙延峰 李穎

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的最新一代軌道檢測設(shè)備，檢測基本軌道幾何項目、車體響應(yīng)和輔助性評判指標，主要由激光攝像組件、慣性測量組件、信號處理組件、數(shù)據(jù)處理組件、機械懸掛裝置等組成，具備精確里程定位功能，具有完善的實驗室標定方法，經(jīng)過電磁兼容設(shè)計后抗電磁干擾能力大大提高，經(jīng)現(xiàn)場驗證，具有較高的準確性和重復(fù)性。

GJ-6；軌道檢測；標定；驗證；抗干擾

1 概述

軌道檢測系統(tǒng)作為基礎(chǔ)設(shè)施檢測的必要裝備，為提高軌道的平順性、保障列車運行安全發(fā)揮了重要作用。我國軌道檢測系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了GJ-3、GJ-4[1]、GJ-5[2]等幾代產(chǎn)品，2009年我國自主研制了GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用高速圖像處理技術(shù)、光電測量技術(shù)、陀螺平臺、數(shù)字濾波、精確里程定位及高速計算機實時數(shù)據(jù)處理等新技術(shù)，在檢測精度、處理速度、結(jié)構(gòu)設(shè)計、標定方法、抗干擾等方面較GJ-4、GJ-5都有很大提升，最高檢測速度已達到400 km/h，該系統(tǒng)經(jīng)過試驗室標定與驗證[3]，以及抗干擾設(shè)計，能適應(yīng)動車組及軌檢車的電磁環(huán)境，完全可以達到準確度要求。目前該系統(tǒng)已成功安裝在9列高速綜合檢測列車和18輛軌檢車上，應(yīng)用于我國鐵路的日常檢測和新建線路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試檢測。

2 系統(tǒng)組成及功能

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)檢測項目包括：基本軌道幾何項目（軌距、左高低、右高低、左軌向、右軌向、水平、三角坑）、車體的響應(yīng)（車體橫向加速度、車體垂向加速度）和輔助性評判指標（軌道質(zhì)量指數(shù)、軌距變化率）。軌向、高低項目還包含了截止波長為120 m的長波不平順。

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)基于慣性測量原理，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，系統(tǒng)主要由激光攝像組件、慣性測量組件、信號處理組件、數(shù)據(jù)處理組件、機械懸掛裝置等組成（見圖1）。

2.1 激光攝像組件

激光攝像組件將激光器、攝像機、光學(xué)器件、溫控裝置組成一個整體，激光器發(fā)出線光源垂直于鋼軌縱向中心線，攝像機以一定角度攝取在結(jié)構(gòu)光照射下的鋼軌圖像，通過對數(shù)字圖像的采集和處理，得到左右鋼軌輪廓，進而可以得到鋼軌相對于測量坐標系的橫向、垂向位移（見圖2），由兩根鋼軌的橫向位移合成軌距。橫向位移和垂向位移分別是測量軌向和高低的重要分量。

2.2 慣性測量組件及信號處理組件

慣性測量組件主要由陀螺平臺、左高低加速度計、右高低加速度計、軌向加速度計等慣性器件組合而成。陀螺平臺安裝在車體上，采集車體的滾動和搖頭角速度、車體傾角；左右高低加速度計安裝在車體上，采集車體的垂向加速度；軌向加速度計安裝在檢測梁內(nèi)，采集檢測梁的橫向加速度。這些慣性器件的主要功能是建立軌道檢測的慣性基準。

信號處理組件包括模擬信號處理組件和數(shù)字信號處理組件兩部分，主要功能是對慣性測量部件輸出的信號進行濾波、補償、修正、合成計算，輸出軌道幾何參數(shù)滿足軌向、高低、水平（超高）、三角坑、曲率等參數(shù)的測量要求。

2.3 數(shù)據(jù)處理組件

圖1 GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖2 激光攝像檢測原理示意圖

數(shù)據(jù)處理組件由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、實時處理計算機、數(shù)據(jù)應(yīng)用計算機、網(wǎng)絡(luò)打印機、交換機等設(shè)備組成。數(shù)據(jù)處理組件通過實時采集處理、圖像處理、網(wǎng)絡(luò)通信、波形瀏覽、編輯匯總及報表輸出等軟件將軌道檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理、計算合成、數(shù)據(jù)通信、存儲、顯示、匯總統(tǒng)計融為一體，自動完成數(shù)據(jù)的修正、濾波和軌道幾何參數(shù)的合成，在計算機屏幕上實時顯示幾何參數(shù)波形圖和里程、速度等信息。同時，軌檢數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并能通過編輯、整理、匯總，輸出超限報告表，數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

2.4 機械懸掛裝置

機械懸掛裝置包含一根剛性檢測梁及其安裝套件，安裝在轉(zhuǎn)向架上，功能是為檢測車上軌道檢測設(shè)備激光攝像組件、地面標志傳感器及軌向加速度計等提供安裝接口，并對安裝在梁上的檢測設(shè)備提供保護作用。機械懸掛裝置的設(shè)計考慮了不同檢測車的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，如CRH380A、CRH380B、CRH2、軌道檢測車等，每一種安裝方式都進行了結(jié)構(gòu)強度仿真計算分析及動應(yīng)力測試，符合相關(guān)安全規(guī)定的要求。針對軌檢車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的懸掛方式見圖4。

3 射頻識別定位技術(shù)

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)的里程定位采用RFID，即射頻識別技術(shù)，輔以高精度光電編碼器進行修正，實現(xiàn)線路特征點的精確定位。具體實現(xiàn)方法如下：在需要識別的地面線路特征點預(yù)設(shè)工業(yè)級高速射頻卡，每一個射頻卡都有一個全球唯一的卡號。在檢測車上安裝高速閱讀器，當(dāng)檢測車以一定速度通過射頻卡時，識別出射頻卡的卡號，將這個卡號與數(shù)據(jù)庫中的信息進行比對，獲取卡號對應(yīng)的里程信息和線路特征點信息，并將此信息發(fā)送到軌道檢測系統(tǒng)中進行存儲、顯示。為了達到精確定位的目的，采用高精度的軸頭光電編碼器，精確計算檢測車運行速度，結(jié)合系統(tǒng)延時，對RFID定位系統(tǒng)進行修正。里程精確定位流程見圖5。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

圖4 軌檢車檢測梁懸掛方式

4 檢測系統(tǒng)的試驗室標定

檢測系統(tǒng)的試驗室標定是利用試驗室經(jīng)過校準的專用設(shè)備，模擬各種軌道幾何偏差，檢測系統(tǒng)對這些偏差進行檢測，通過調(diào)整檢測系統(tǒng)參數(shù)，確保檢測系統(tǒng)滿足技術(shù)指標要求。目前試驗室專用設(shè)備包括軌檢綜合試驗臺、小型軌檢標定臺、圖像標定板、電控位移臺、數(shù)顯軌距尺、游標卡尺、標準長度量塊等，這些設(shè)備都是經(jīng)過具有資質(zhì)的檢測機構(gòu)校準或檢定，部分標定設(shè)備見圖6。

軌檢綜合試驗臺是一種高精度可控運動平臺，可進行橫向、垂向、縱向、偏轉(zhuǎn)、側(cè)滾、俯仰等6個自由度運動，可設(shè)置不同頻率、幅值的運動，用于在實驗室對軌道檢測設(shè)備進行精確標定，或?qū)壍罊z測系統(tǒng)進行驗證；小型軌檢標定臺是一種能給出一定幅值和頻率的正弦運動單自由度便攜式振動臺，用于實驗室或現(xiàn)場對軌道檢測設(shè)備進行快速標定；圖像標定板是一種具有固定間距圖案陣列或結(jié)構(gòu)陣列的結(jié)構(gòu)板，采用激光攝像方式測量位移的檢測系統(tǒng)，利用圖像標定板來標定，以獲得鋼軌輪廓圖像的像素坐標到物理坐標的變換關(guān)系參數(shù)，由此可以得出鋼軌輪廓上任意一點在物理坐標中的橫向和垂向位置。

研發(fā)中形成了一套基于上述設(shè)備的完整標定流程，保證檢測系統(tǒng)的精度滿足設(shè)計要求。

5 檢測系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

圖5 里程精確定位流程

高速綜合檢測列車上電磁環(huán)境復(fù)雜，針對GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)曾受到電磁干擾的情況，對檢測設(shè)備所處的電磁環(huán)境進行反復(fù)試驗研究，對檢測系統(tǒng)從接地、屏蔽、泄放、隔離等方面采取針對性的防護和改進設(shè)計，取得了較好效果。具體抗干擾措施包括交流電源供電端防護、低壓電源端防護、信號輸入端口防護、信號輸出端口防護、電纜屏蔽接地設(shè)計、結(jié)構(gòu)接地設(shè)計、絕緣隔離設(shè)計等[4]。例如，各個傳感器的金屬外殼在實際安裝過程中采取與車輛金屬外殼物理上進行隔離，避免車輛外殼作為高壓回流線負極而帶來的大電流和高電壓的脈沖干擾流過傳感器金屬外殼對傳感器內(nèi)部電路產(chǎn)生干擾耦合；交流電源供電端防護示意見圖7，其中采取多級防護濾波及隔離，以逐級降低從高壓電網(wǎng)過來的大能量脈沖干擾，滿足電源模塊最基本的耐壓要求。

6 檢測系統(tǒng)驗證

檢測系統(tǒng)的驗證包括試驗室驗證、動態(tài)重復(fù)性驗證、動態(tài)準確性驗證[5]。

圖6 軌道檢測系統(tǒng)標定設(shè)備

圖7 交流電源供電端防護示意圖

試驗室驗證是利用試驗室專用設(shè)備模擬設(shè)置軌道的幾何偏差作為約定真值輸入到檢測系統(tǒng)，分析檢測系統(tǒng)的輸出值與約定真值之間的接近程度，如果滿足檢測系統(tǒng)的測量準確度要求，則檢測系統(tǒng)合格，否則需要重新進行標定。

動態(tài)重復(fù)性驗證是指采用相同的檢測系統(tǒng)，相同的檢測程序，在相同的線路上，在短時間內(nèi)進行重復(fù)測量，獲得的一系列結(jié)果之間的一致程度。用定量來描述就是在上述條件下得到的兩次試驗結(jié)果之差的絕對值以指定的概率95%低于一個數(shù)值，這個數(shù)值取重復(fù)性技術(shù)指標。圖8為安裝在軌檢車上的GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)的正反向兩次檢測數(shù)據(jù)疊在一起的重復(fù)波形，軌道檢測系統(tǒng)自身具有良好的重復(fù)性。

動態(tài)準確性驗證是在線路上預(yù)設(shè)各項目的幾何不平順，讓檢測系統(tǒng)在該區(qū)段上以不同速度檢測多次，因為線路上的幾何偏差真值不可獲得，所以采用樣本的平均值作為最佳估計真值，計算該平均值的標準偏差，2倍標準偏差即置信概率95%的統(tǒng)計結(jié)果應(yīng)滿足準確度指標要求。安裝在CHR380A-0201上的GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)，在京滬先導(dǎo)段上行線K729+000—K757+561預(yù)設(shè)軌道不平順區(qū)段，采集了100～400 km/h速度等級的65次往返檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，得出各檢測項目平均值的標準偏差（見表1），由此可知，各檢測項目的2倍標準差最大值均小于準確度指標，滿足檢測系統(tǒng)準確度要求。

圖8 GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)兩次檢測數(shù)據(jù)重復(fù)性波形圖

表1 軌道檢測系統(tǒng)準確性數(shù)據(jù)分析

7 結(jié)束語

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)基于慣性測量原理與非接觸式機器視覺測量方法，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)、慣性陀螺平臺、數(shù)字濾波、計算機實時數(shù)據(jù)處理及射頻識別定位等技術(shù)，將慣性傳感器和激光攝像系統(tǒng)安裝在檢測車的不同位置，按照相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及信號處理方法合成計算得到軌道幾何參數(shù)，在檢測精度、處理速度、結(jié)構(gòu)設(shè)計、標定與驗證方法、抗干擾設(shè)計等方面取得較大突破，該系統(tǒng)現(xiàn)已成功應(yīng)用于多輛高速綜合檢測列車及軌檢車上，為保障線路運行安全起著重要作用。

[1] 徐旭宇，魏世斌，夏亮光，等． GJ-4型軌檢車的檢測系統(tǒng)[J]． 鐵道建筑，2000(3)：33-35．

[2] 趙鋼，劉維楨，陳東生，等． GJ-5型軌檢車軟件的自主研發(fā)[J]． 鐵道建筑，2004(12)：47-48．

[3] 任盛偉，許貴陽，馮其波，等． 構(gòu)架式軌距——軌向檢測系統(tǒng)信號合成算法及系統(tǒng)驗證[J]． 中國鐵道科學(xué)，2010(3)：81-85．

[4] 林國榮． 電磁干擾及控制[M]． 北京：電子工業(yè)出版社，2003．

[5] TJ/GW 126—2014 軌道檢測系統(tǒng)暫行技術(shù)條件[S]．

劉伶萍：中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，副研究員，北京，100081

魏世斌：中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，研究員，北京，100081

趙延峰：中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，助理研究員，北京，100081

李 穎：中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，副研究員，北京，100081

責(zé)任編輯 苑曉蒙

U214.3

A

1672-061X（2015）02-0053-04

所獲獎項：2014年度中國鐵道學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎二等獎。