軌道平順性檢測技術(shù)的分析與對比

張子亮

（中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081）

軌道平順性檢測技術(shù)的分析與對比

張子亮

（中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081）

軌道平順性是影響列車運行安全的關(guān)鍵因素之一。目前，常見的軌道平順性檢測方法大致可以分為靜態(tài)直接測量、動態(tài)直接測量和動態(tài)間接測量等 3 類。文章對上述方法的檢測原理進行了闡述，分析了優(yōu)缺點和適用性，并通過實驗數(shù)據(jù)對比分析，對3種方法的檢測結(jié)果進行了檢驗。

軌道平順性；檢測技術(shù)；分析對比

0　引言

軌道平順性是影響列車運行安全性的關(guān)鍵因素之一，高速鐵路的軌道必須具有高平順性［1］。為此，鐵路行業(yè)投入了大量的人力、物力，研究開發(fā)軌道平順性檢測技術(shù)。目前，常用的軌道平順性檢測技術(shù)主要有 3 類：靜態(tài)直接測量、動態(tài)直接測量和動態(tài)間接測量。靜態(tài)直接測量以人工作業(yè)為主，目前仍是一種不可替代的測量手段，線路開通前的精調(diào)、施工作業(yè)后的復(fù)核等都離不開靜態(tài)直接測量。為降低工人的勞動強度、提高檢測效率，世界各國相繼開發(fā)出了多種靜態(tài)或準靜態(tài)的線路檢查裝置［2］，如軌檢小車等。動態(tài)直接測量方法近些年獲得了長足進步，英國、美國、法國、日本、意大利、中國等相繼開發(fā)出了軌道檢查車或綜合檢測列車等特種車輛［3］，可以對線路進行快速、準確、全面的檢測，其測量結(jié)果更加接近線路動態(tài)荷載下的真實狀態(tài)。動態(tài)間接測量作為前 2 種方法的補充，業(yè)已成為線路病害低成本快速篩查的重要手段［4］，如車載式線路檢查儀和車輛動態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)等。本文將對上述方法逐一進行闡述和分析。

1　靜態(tài)直接測量

靜態(tài)直接測量主要包括道尺、弦繩和軌檢小車等。其中，軌檢小車作為一種準靜態(tài)軌道不平順測量裝置，在新線施工、整道、檢查鋪設(shè)精度、驗收作業(yè)質(zhì)量等方面發(fā)揮了重要作用。軌檢小車生產(chǎn)廠家眾多，國外有德國 GEDOCE、瑞士 Amberg 等，國內(nèi)有南昌日月明、四川什郁瑞邦、資陽立信、長沙悅誠、中鐵咨詢等。其中，瑞士 Amberg 的 GRP1000 系列在國內(nèi)市場占有率較高，見圖 1。

圖 1 Amberg GRP1000系列

軌檢小車的測量原理［5］基本相似，都是由小車攜帶測量裝置（包含傾角儀、加速度計、陀螺儀、位移傳感器、里程計等），由手推或馬達驅(qū)動小車沿軌道移動時測量軌道不平順，可以輸出軌距、超高（水平）、軌向、高低等軌道不平順參數(shù)。

（1）軌距檢測。軌距指兩股鋼軌頭部內(nèi)側(cè)軌頂面下方 16 mm 處兩作用邊之間的最小距離。通常根據(jù)橫梁上的直線位移傳感器的輸出來計算軌距值，鋼軌飛邊將對軌距檢測產(chǎn)生較大影響。

（2）超高（水平）檢測。超高是指同一橫截面上左右軌頂面相對所在水平面的高度差。檢測時，由軌檢小車上搭載的水平傳感器（傾角儀、側(cè)滾陀螺等）測量出走行面和水平參考面之間的角度，再結(jié)合兩股鋼軌頂面中心間的距離（直角三角形斜邊），通過三角函數(shù)關(guān)系即可求出線路超高，見圖 2。水平通常是對超高測量值進行高通濾波后得到。

圖 2 超高示意圖

（3）高低/軌向檢測。高低是指鋼軌頂面沿軌道延長方向上的垂向凹凸不平順，軌向是指鋼軌內(nèi)側(cè)沿軌道延長方向上的橫向凹凸不平順。二者檢測原理相同，可以通過弦測正矢或陀螺儀的垂向輸出或橫向輸出測得線路的高低和軌向，再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型推算即可得到對應(yīng)弦長的正矢。

（4）里程。里程是指軌檢小車測量時走過的距離，通過里程測量輪上的旋轉(zhuǎn)編碼器來記錄里程值。軌檢小車的所有測量結(jié)果均包括里程信息，以便快速定位軌道幾何偏差對應(yīng)的線路位置。

軌檢小車作業(yè)靈活，使用方便，相比于人工使用道尺或拉弦的測量方式，效率得到了大幅提升。但同時，由于測量時線路處于無輪載狀態(tài)，其測量得到的結(jié)果只是靜態(tài)軌道不平順［6］，只能部分反映道床路基不均勻殘余變形積累形成的不平順，不能反映暗坑、吊板、彈性不均勻等線路荷載下出現(xiàn)的動態(tài)不平順。

2　動態(tài)直接測量

動態(tài)直接測量方法是利用安裝有檢測設(shè)備的特種用途車輛對軌道動態(tài)不平順進行直接測量，此類設(shè)備主要有軌道檢查車和綜合檢測列車 2 類。我國軌道檢查車或綜合檢測列車上的軌道不平順檢測裝備主要為 GJ-6 型軌道幾何檢測系統(tǒng)［7］，該系統(tǒng)采用慣性測量原理、捷聯(lián)式結(jié)構(gòu)和非接觸測量方法，應(yīng)用了圖像處理技術(shù)、陀螺平臺、數(shù)字濾波、以及計算機實時數(shù)據(jù)處理等高技術(shù)，能夠選擇不同截止波長的空間曲線或不同弦長的弦測結(jié)果輸出軌道不平順。GJ-6 型軌道幾何檢測系統(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)處理組件等組成。

（1）激光攝像組件。主要包含激光器、攝像機、溫控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，見圖3。通過對鋼軌輪廓進行圖像處理，得到鋼軌相對于測量坐標系的橫向位移，再由 2 根鋼軌的橫向位移合成軌距，橫向位移也是軌向測量的重要分量。

圖 3 激光攝像組件

（2）慣性測量組件。主要由陀螺平臺（搖頭陀螺YAW、滾動陀螺 ROLL 和傾角儀 INCL）、左右高低加速度計、軌向加速度計等慣性器件組合而成，見圖 4。慣性測量組件主要功能是采集檢測梁和車體的滾動和搖頭角速度、傾角、垂向和橫向加速度，用于建立軌道檢測的慣性基準［8］，滿足軌向、高低、水平（超高）、三角坑、曲率等參數(shù)的測量要求，并通過設(shè)計適當?shù)母咄V波器濾除不需要的波長成分，保留所需的波長成分，即可得到一定波長范圍內(nèi)的高低不平順曲線［9］。

（3）信號處理組件。信號處理組件由信號轉(zhuǎn)接及監(jiān)視裝置（Patch-Panel）、信號調(diào)節(jié)濾波裝置（SCU）、和一臺數(shù)字濾波計算機組成，能夠?qū)T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)包括軌距、左右高低、左右軌向、水平（超高）、三角坑、曲率、曲線半徑。同時，可以檢測線路標志，包括道口、道岔、橋梁、曲線拉桿等。

（4）數(shù)據(jù)處理組件。數(shù)據(jù)處理組件是由數(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)備組成車載局域網(wǎng)系統(tǒng)［10］。其中，實時處理計算機實現(xiàn)了傳感器原始信號的采集、處理、修正、濾波和軌道幾何參數(shù)的合成，并通過網(wǎng)絡(luò)將檢測數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用戶通過數(shù)據(jù)應(yīng)用計算機可以進行超限數(shù)據(jù)及波形的瀏覽、打印、分析對比等工作。

軌道檢查車或綜合檢測列車使用了大量高精度傳感器，且檢測速度與線路允許運營速度一致，具備了檢測算法先進、檢測項目全面、檢測精度高、檢測效率高的特點，為工務(wù)的現(xiàn)場養(yǎng)護維修提供了重要的支持。同時，軌道檢查車或綜合檢測列車缺點也較為明顯，如購置及維護成本高、運營費用昂貴、需安排專用的車輛調(diào)度計劃、不能及時對作業(yè)地點進行檢查、基于激光攝像原理的檢測項目易受雨雪天氣影響等，因此，其推廣及使用受到了一定的制約。

圖 4 傳感器安裝位置示意

3　動態(tài)間接測量

動態(tài)間接測量的主要思想是通過在運營車輛的特定位置安裝慣性傳感器，利用車線耦合原理，通過測量車輛響應(yīng)來反映線路狀態(tài)。目前，具有代表性的動態(tài)間接測量裝置主要有車載式線路檢查儀［11］和車輛動態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)［12］。

（1）車載式線路檢查儀。車載式線路檢查儀是一種安裝在機車、動車組上的測量裝置，目前已在國內(nèi)鐵路行業(yè)廣泛使用，生產(chǎn)廠家主要有山西世恒、北京三嶺等。其工作原理是通過測量機車或動車組的車體加速度，來反映軌道不平順狀態(tài)，通過是否“晃車”以及“晃車”的等級來確認是否需要對線路進行維修。該裝置通過與機車安全信息綜合監(jiān)測裝置（TAX）或列控設(shè)備動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（DMS）通信，獲取機車、動車組運行數(shù)據(jù)，以便及時發(fā)現(xiàn)并準確定位線路不良位置。

（2）車輛動態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)。車輛動態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)與車載式線路檢查儀類似，但其測量范圍比車載式線路檢查儀要全面很多。車載式線路檢查儀只關(guān)注車體橫向和垂向加速度，而車輛動態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)則同時關(guān)注軸箱、構(gòu)架、車體等 3 個部位的加速度。如，美國 ENSCO公司的 VAMS 系統(tǒng)（Vehicle Acceleration Measurement System），其在動車組 1 車、5 車、8 車的車體、構(gòu)架、軸箱分別安裝了加速度計，獨立測量 3 個檢測斷面不同部位的振動加速度，見表 1。

車輛動態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)同一檢測斷面不同部位的加速度數(shù)據(jù)可以相互驗證，不同檢測斷面的加速度數(shù)據(jù)也可以相互驗證，因此，其測量結(jié)果較車載式線路檢查儀更加準確。

動態(tài)間接測量裝置簡單實用，可以安裝在運營車輛上，避免了軌道檢查車和綜合檢測列車的高成本等問題，能夠?qū)€路進行高頻次連續(xù)監(jiān)測，具有一定的實用價值。但由于其屬于間接測量手段，測量結(jié)果與所搭載機車或動車組的車輛狀態(tài)、線路的濕滑狀態(tài)等有很大關(guān)系，所以只能作為一種定性測量的手段對線路病害進行快速篩查。

表 1 VAMS系統(tǒng)檢測項目及技術(shù)指標

4　檢測數(shù)據(jù)分析比對

圖 5～圖 8 分別為軌檢小車和軌道幾何檢測系統(tǒng)對應(yīng)的軌距、三角坑、軌向、高低的動靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)比對，圖中藍色波形為軌檢小車的靜態(tài)測量數(shù)據(jù)，粉色波形為軌道幾何檢測系統(tǒng)的動態(tài)測量數(shù)據(jù)。從圖中不難看出，二者波形在某些峰值點存在一定的動靜態(tài)差異，但大部分區(qū)段的重合性較好。

圖 9、圖 10 為軌道幾何動態(tài)檢測數(shù)據(jù)和車輛動態(tài)響應(yīng)的對比關(guān)系。圖 9 中，所選區(qū)段的軌向、軌距、超高等軌道幾何狀態(tài)均存在一定程度的不良現(xiàn)象，各因素綜合導(dǎo)致檢測車經(jīng)過該區(qū)段時車體水平加速度發(fā)生了連續(xù)的多波寬幅震蕩。圖 10 中的高低不平順則是造成車體垂向加速度波動的主要原因。

圖 9、圖 10 為動態(tài)直接測量結(jié)果和動態(tài)間接測量結(jié)果吻合較好的情況。當因為橫風、會車、車輛減震故障等原因造成車體加速度響應(yīng)過大時，動態(tài)間接測量和動態(tài)直接測量結(jié)果的差異性將會比較明顯，即車體加速度響應(yīng)較大而軌道幾何狀態(tài)并無明顯對應(yīng)特征。

圖 5 軌距動靜態(tài)對比

圖 6 三角坑動靜態(tài)對比

圖 7 軌向動靜態(tài)對比

圖 8 高低動靜態(tài)對比

5　結(jié)束語

綜上所述，軌檢小車作業(yè)靈活，使用方便，但只能反映靜態(tài)軌道不平順。軌道檢查車或綜合檢測列車提供了高精度、高效率的動態(tài)不平順測量方案，但購置及維護成本高且調(diào)度不便。車載式線路檢查儀或車輛動態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)雖能對線路實現(xiàn)低成本連續(xù)監(jiān)測，但受制于檢測原理，只能作為一種定性測量的手段。3 種方法各具優(yōu)缺點，但可以互為補充，取長補短，共同保證鐵路的安全運營。需指出，雖然軌道平順性檢測技術(shù)在近些年獲得了極大的發(fā)展，但仍存在一些亟待解決的問題，例如，更長波長不平順的檢測及基于絕對坐標體系的空間動態(tài)測量基準的獲得等。

圖 9 軌道幾何狀態(tài)與車體水平加速度的對應(yīng)關(guān)系

圖 10 軌道幾何狀態(tài)與車體垂向加速度的對應(yīng)關(guān)系

［1］ 羅林. 高速鐵路軌道必須具有高平順性［J］. 中國鐵路，2000（10）：8-11.

［2］ 左玉良. 軌道幾何狀態(tài)檢測技術(shù)的應(yīng)用研究［D］. 上海：同濟大學(xué)，2007：23-24.

［3］ 徐其瑞，許建明，黎國清. 軌道檢查車技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］. 中國鐵路，2005（9）：37-39.

［4］ 邢宗義，陳岳劍，王曉浩，等. 基于構(gòu)架點頭角速度的軌道垂向長波不平順在線檢測［J］. 中國鐵道科學(xué)，2015，36（4）：32-39.

［5］ 郭介平，吳汪清. 工長用軌檢小車的研制［J］. 鐵道標準設(shè)計，2005（3）：73-77.

［6］ 龍京，應(yīng)立軍，賈文強. 新型軌道靜態(tài)幾何參數(shù)檢測儀的研制及應(yīng)用［J］. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2006，3（2）：74-78.

［7］ 魏世斌，李穎，趙延峰，等. GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研制［J］. 鐵道建筑，2012（2）：97-100.

［8］ 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.

［9］ 杜鶴亭. 長波長軌道不平順檢測中的數(shù)字濾波方法［J］. 中國鐵道科學(xué)，2000，21（4）：58-64.

［10］ 黎國清，魏世斌，趙延峰，等. 高速軌道檢測系統(tǒng)［R］. 北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2010：32-33.

［11］ 中華人民共和國鐵道部運輸局［2007］284號. 車載式線路檢查儀暫行技術(shù)條件［S］. 2007：4-8.

［12］ 侯衛(wèi)星. 0號高速綜合檢測列車［M］. 北京：中國鐵道出版社，2010：41-42.

責任編輯 朱開明

Analysis and Comparison of Track Regularity Detection Technologies

Zhang Ziliang

Track regularity is one of the key factors infl uencing the safety of train running. At present，the common track regularity detection methods can be generally divided into three categories，namely static direct measurement， dynamic direct measurement and dynamic indirect measurement. In this paper， the detection principle of the above-mentioned methods is described， and the advantages and disadvantages are given. Through the analysis and comparison of the test data， the detection results of the three methods are verifi ed.

track regularity， testing technology，analysis and comparison

P258

2016-04-17

中國鐵道科學(xué)研究院基金項目：高速鐵路軌面局部沉降監(jiān)測與識別技術(shù)（編號：1452JJXM70）

張子亮（1982—），男，碩士研究生