INS/GNSS 鐵路組合慣導(dǎo)軌檢小車在長(zhǎng)軌精調(diào)施工中的應(yīng)用

方 明

（中鐵二局集團(tuán)新運(yùn)工程有限公司，四川 成都 610000）

目前施工階段的軌道精調(diào)主要采用軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)儀（簡(jiǎn)稱軌檢小車）進(jìn)行軌道參數(shù)采集，進(jìn)而制定調(diào)整方案，實(shí)施軌道調(diào)整。軌檢小車以CP Ⅲ測(cè)量控制網(wǎng)為基準(zhǔn)，利用全站儀作為主要數(shù)據(jù)采集設(shè)備。但全站儀受作業(yè)模式和外界環(huán)境影響極大，導(dǎo)致軌檢小車作業(yè)效率不能完全滿足現(xiàn)階段軌道檢測(cè)需要。新型INS/GNSS鐵路組合慣導(dǎo)軌檢小車及其應(yīng)用工法，很好地解決了這一問題，極大地提高了軌道精調(diào)效率和質(zhì)量。

1 國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外施工階段軌道幾何參數(shù)測(cè)量主要有兩種基本方法：光學(xué)檢測(cè)法和慣性基準(zhǔn)法。

光學(xué)檢測(cè)法：最具有代表性的是德國(guó)CEDO 以及瑞士安伯格GRP 系列軌檢小車，主要應(yīng)用于軌道工程施工階段。該類設(shè)備依托高精度的CP Ⅲ測(cè)量控制網(wǎng)，主要采用全站儀實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道方向、高低等幾何參數(shù)的測(cè)量。該類設(shè)備測(cè)量精度高，但是測(cè)量方法復(fù)雜，且測(cè)量速度較慢，作業(yè)效率較低，受高溫、大風(fēng)等外界環(huán)境因素影響大，無(wú)法保證全天候作業(yè)，降低了軌道檢測(cè)的效率和精度。

慣性基準(zhǔn)法：國(guó)內(nèi)如江西日月明、什邡瑞邦和長(zhǎng)沙悅城等廠家推出了便攜式慣性軌道檢測(cè)小車。該類設(shè)備通過(guò)軌距傳感器，兩個(gè)陀螺儀測(cè)量軌道幾何參數(shù)，具有檢測(cè)精度高、檢測(cè)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。但該類設(shè)備里程測(cè)量精度低，且無(wú)法檢測(cè)線路長(zhǎng)波不平順性，而長(zhǎng)波平順性是影響列車舒適度的重要指標(biāo)。該類測(cè)量設(shè)備及方法不能完全滿足高速鐵路軌道檢測(cè)要求。

2 INS/GNSS 鐵路組合慣導(dǎo)軌檢小車技術(shù)設(shè)計(jì)

綜合以上兩種檢測(cè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，中鐵二局新運(yùn)公司聯(lián)合相關(guān)單位依托鐵路項(xiàng)目開展了技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)INS/GNSS 組合慣導(dǎo)小車精密測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用技術(shù)。

2.1 系統(tǒng)組成

組合慣導(dǎo)軌檢小車由車架、軌距測(cè)量系統(tǒng)、里程測(cè)量系統(tǒng)、GNSS 基站、移動(dòng)站、高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)、高速信息采集器、電氣控制器、組合解算軟件、綜合數(shù)據(jù)后處理軟件、TDES 長(zhǎng)軌精調(diào)軟件及配套工具軟件組成。2

2.2 主要功能

組合慣導(dǎo)軌檢小車主要檢測(cè)項(xiàng)目包括軌距、水平（超高）、扭曲（三角坑）、長(zhǎng)短波平順性等指標(biāo)測(cè)量，經(jīng)過(guò)后處理可以擬合生成對(duì)應(yīng)扣件調(diào)整量，用于指導(dǎo)軌道精調(diào)施工和軌道質(zhì)量檢查。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為慣性測(cè)量平臺(tái)，慣性測(cè)量平臺(tái)由3 只激光陀螺和3 只石英加速度計(jì)組成，陀螺和加速度計(jì)直接固聯(lián)在組合導(dǎo)航系統(tǒng)框架上的3 個(gè)正交面上。3 只陀螺相互正交，用于測(cè)量載體的三軸角速度ωx、ωy、ωz；3 只加速度計(jì)相互正交，用來(lái)測(cè)量載體的三軸線加速度ax、ay、az。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集3 只陀螺和3 只加速度計(jì)輸出的角速度和線加速度，利用基準(zhǔn)方向和初始位置信息，解算出軌檢小車的位置、速度、姿態(tài)和航向。

3 工藝流程

3.1 軌道幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)外業(yè)采集測(cè)量

待檢測(cè)軌道的組裝設(shè)備包括車體、慣導(dǎo)、采集器、電池等部件組裝。同時(shí)在測(cè)區(qū)中間位置選取已知CPII 點(diǎn)架設(shè)基站，基站架設(shè)要穩(wěn)定可靠。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，應(yīng)注意測(cè)段長(zhǎng)度一般以2km 為宜，慣導(dǎo)精度隨時(shí)間發(fā)散，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起慣導(dǎo)測(cè)量精度損失，因此每個(gè)測(cè)段作業(yè)時(shí)間不宜超過(guò)2h。

3.2 數(shù)據(jù)處理

測(cè)量完成后，將基站數(shù)據(jù)、移動(dòng)站數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，結(jié)合線路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4 性能對(duì)比測(cè)試與工程應(yīng)用效果

4.1 工程概況

新建蘭新鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速250km/h，全線采用雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式，中鐵二局新運(yùn)公司蘭新鐵路項(xiàng)目部負(fù)責(zé)本標(biāo)段雙塊式無(wú)砟軌道鋪設(shè)及軌道精調(diào)任務(wù)。

4.2 對(duì)比測(cè)試

（1）對(duì)比測(cè)試方案設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證組合慣導(dǎo)軌檢小車性能和穩(wěn)定性，在蘭新項(xiàng)目先導(dǎo)段進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證。測(cè)試線路包含直線、緩和曲線和圓曲線。測(cè)試包含組合慣導(dǎo)軌檢小車重復(fù)性測(cè)試和外符合對(duì)比測(cè)試兩個(gè)內(nèi)容。

（2）對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)分析。①軌道高低平順性測(cè)試，包括高低平順性內(nèi)符合精度測(cè)試以及高低平順性外符合精度測(cè)試。針對(duì)高低平順性內(nèi)符合精度測(cè)試，組合慣導(dǎo)軌檢小車在同一段里程內(nèi)采集了5 組數(shù)據(jù)，計(jì)算其重復(fù)性精度。測(cè)試對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

表1 各測(cè)回平順性與平均值之間的差異統(tǒng)計(jì)表 單位：mm

高低平順性外符合精度測(cè)試。因常規(guī)軌檢小車高程測(cè)量精度略低，且重復(fù)性較差，因此選取電子水準(zhǔn)儀精確測(cè)量每個(gè)軌枕高程，求取高低平順性參數(shù)；再用組合慣導(dǎo)軌檢小車測(cè)量得到的高低平順性結(jié)果和電子水準(zhǔn)儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 高低平順性外符合精度測(cè)試測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：mm

②軌向平順性測(cè)試，包括軌向平順性內(nèi)符合精度測(cè)試以及軌向平順性外符合精度測(cè)試。軌向平順性內(nèi)符合精度測(cè)試，組合慣導(dǎo)軌檢小車在相同的里程段內(nèi)重復(fù)采集數(shù)據(jù)5 次，做重復(fù)性數(shù)據(jù)分析。測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 軌向平順性內(nèi)符合精度測(cè)試差異統(tǒng)計(jì)表 單位：mm

軌向平順性外符合精度測(cè)試。實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的軌檢小車對(duì)線路進(jìn)行逐枕測(cè)量，求取該段線路軌向平順性參數(shù)，并以此做為對(duì)比基準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果如表4 所示。

表4 軌向平順性外符合精度測(cè)試測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：mm

（3）測(cè)試結(jié)論。測(cè)試結(jié)果表明，組合慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量精度高，可靠性強(qiáng)。重復(fù)性測(cè)量精度均在0.2mm 以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)測(cè)量工具。外符合精度測(cè)試采用軌檢小車數(shù)據(jù)做為對(duì)比基礎(chǔ)，該基準(zhǔn)自身精度受全站儀測(cè)量精度的影響，存在一定的不確定性和系統(tǒng)偏差，但測(cè)試結(jié)果表明，組合慣導(dǎo)軌檢小車與軌檢小車外符合精度均方差僅為0.36mm，最大值僅為1.44mm，結(jié)合重復(fù)性測(cè)量精度，該設(shè)備完全可以勝任現(xiàn)有的軌道精調(diào)工作。

4.3 工程應(yīng)用效果

項(xiàng)目部分別采用組合慣導(dǎo)軌檢小車和常規(guī)軌檢小車兩種測(cè)量方法對(duì)管段內(nèi)380km 單線軌道進(jìn)行測(cè)量。

（1）投入與效率對(duì)比分析。作業(yè)區(qū)段長(zhǎng)度劃分、設(shè)備投入、人員投入和測(cè)量效率對(duì)比如表5 所示。

表5 組合慣導(dǎo)軌檢小車與常規(guī)小車作業(yè)情況綜合對(duì)比表

由表5 可見，與常規(guī)軌檢小車相比，組合慣導(dǎo)軌檢小車設(shè)備和技術(shù)人員投入極少，但平均效率極高，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

（2）環(huán)境適應(yīng)性分析。在施工過(guò)程中，正常情況下組合慣導(dǎo)軌檢小車每天可完成5 個(gè)測(cè)段共10km 線路的檢測(cè)，常規(guī)小車可以完成1.2km 線路檢測(cè)。在5 級(jí)以上大風(fēng)天氣，常規(guī)軌檢小車很難保證測(cè)量精度，組合慣導(dǎo)軌檢小車作業(yè)不受影響。在環(huán)境適應(yīng)性方面，組合慣導(dǎo)軌檢小車具有明顯優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

蘭新、蘭渝等鐵路軌道精調(diào)工程項(xiàng)目實(shí)踐表明，組合慣導(dǎo)軌檢小車及測(cè)量工法適用于有砟及無(wú)砟長(zhǎng)軌測(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中不受高溫、大風(fēng)等不良?xì)夂蛴绊?，改變了原有“走停式”的測(cè)量模式，實(shí)現(xiàn)了“動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量”，具有測(cè)量精度高、速度快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。同等條件下，作業(yè)綜合效率可達(dá)傳統(tǒng)方法作業(yè)效率10 倍以上。與傳統(tǒng)工藝相比，軌道精調(diào)質(zhì)量顯著提高，且極大地減少了設(shè)備及人員投入，降低了技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足當(dāng)前軌道精調(diào)施工高效率的需要，具有廣泛的推廣價(jià)應(yīng)用價(jià)值。