軌道檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)標(biāo)定設(shè)備

■ 陳春雷 王昊 趙延峰 戚妍娟 李穎

軌道檢測(cè)車對(duì)軌道線路狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，檢查線路不良狀態(tài)類型、程度和位置，指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)維修，保障鐵路運(yùn)輸安全。其軌道檢測(cè)系統(tǒng)在使用前需要進(jìn)行試驗(yàn)和標(biāo)定，目的是將檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備部件與整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證、試運(yùn)行和參數(shù)標(biāo)定。試驗(yàn)和標(biāo)定設(shè)備對(duì)精度、穩(wěn)定性要求較高，一套完備的標(biāo)定與試驗(yàn)手段是檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的最基本條件。

1 軌道檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)及標(biāo)定內(nèi)容

軌道檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)內(nèi)容包括：軌距、高低、軌向、水平（超高）、三角坑、曲率、車體響應(yīng)，需要進(jìn)行激光攝像檢測(cè)參數(shù)、軌距、軌向、高低、水平等標(biāo)定。

2 試驗(yàn)及標(biāo)定設(shè)備

2.1 視覺測(cè)量參數(shù)簡(jiǎn)易現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定器

視覺測(cè)量的基本任務(wù)之一是通過攝像機(jī)獲取圖像信息計(jì)算三維空間中物體的幾何信息，并由此重建和識(shí)別物體。三維空間中物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系由攝像機(jī)成像的幾何模型決定，幾何模型中的參數(shù)是攝像機(jī)參數(shù)，即視覺測(cè)量參數(shù)。視覺測(cè)量參數(shù)包括攝像機(jī)的內(nèi)部幾何和光學(xué)特性（內(nèi)部參數(shù)）及攝像機(jī)的三維位置和方向（外部參數(shù)）。內(nèi)部參數(shù)主要包括攝像機(jī)焦距、鏡頭畸變系數(shù)及圖像平面原點(diǎn)的計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)；外部參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。

視覺測(cè)量參數(shù)簡(jiǎn)易現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定器（見圖1）適用于鋼軌輪廓圖像視覺測(cè)量參數(shù)的標(biāo)定，包括固定部（固定在被檢測(cè)鋼軌上）、標(biāo)定部（與固定部連接）、反射部（針板和在針板上的數(shù)個(gè)標(biāo)定針）。

通過固定在檢測(cè)設(shè)備上的固定部和反射部，將軌廓視覺圖像測(cè)量參數(shù)標(biāo)定器直接固定在鋼軌上，解決了以往同類設(shè)備標(biāo)定過程繁瑣、效率低和存在安全隱患問題，其標(biāo)定方法簡(jiǎn)便，提高了工作效率。視覺測(cè)量參數(shù)簡(jiǎn)易現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定器現(xiàn)場(chǎng)使用狀態(tài)見圖2。

2.2 兩自由度激光攝像組件標(biāo)定臺(tái)

激光攝像組件是軌道檢測(cè)系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)采集部件之一，采集的數(shù)據(jù)包括軌距和高低變化量，其準(zhǔn)確度直接影響整個(gè)軌道檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果。因此，激光攝像組件的準(zhǔn)確驗(yàn)證及標(biāo)定至關(guān)重要。激光攝像組件標(biāo)定臺(tái)主體由控制箱、驅(qū)動(dòng)器、平移臺(tái)、控制卡及主機(jī)構(gòu)成，可在實(shí)驗(yàn)室一次性對(duì)激光攝像組件作整體標(biāo)定。在標(biāo)定獲取激光攝像組件圖像參數(shù)后，使用激光攝像組件標(biāo)定臺(tái)對(duì)鋼軌橫向和縱向位移進(jìn)行控制，同時(shí)使用激光攝像組件測(cè)量單邊軌距的變化。

圖1 視覺測(cè)量參數(shù)簡(jiǎn)易現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定器

圖2 視覺測(cè)量參數(shù)簡(jiǎn)易現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定器現(xiàn)場(chǎng)使用狀態(tài)

標(biāo)定時(shí)計(jì)算機(jī)給出精確的標(biāo)定臺(tái)位移量，使標(biāo)準(zhǔn)軌斷面按步進(jìn)或給定頻率運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)方式包括勻速、加速、減速、正余弦速度往復(fù)等）。激光攝像組件中的攝像機(jī)采集照射在鋼軌斷面上的激光線，通過處理轉(zhuǎn)換為測(cè)量位移。將2組數(shù)值與系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)對(duì)比，根據(jù)對(duì)比差異進(jìn)行軟硬件調(diào)整及標(biāo)定。如電控位移臺(tái)控制鋼軌位移量分別是1、2、3 mm時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)得到的單邊軌距變化量也應(yīng)是1、2、3 mm，這樣才能保證軌距測(cè)量精度在±0.5 mm內(nèi)。

將單側(cè)短軌移動(dòng)5個(gè)位置進(jìn)行軌距測(cè)量，然后與實(shí)際值進(jìn)行比較。在1 435 mm位置處觀測(cè)30 min，積累15個(gè)樣本值，觀測(cè)其穩(wěn)定性。標(biāo)定臺(tái)兩自由度的位移分辨率為0.02 mm，重復(fù)定位精度為0.003 mm，絕對(duì)定位精度為0.005 mm，可滿足軌距測(cè)量精度±0.5 mm以內(nèi)的要求。

2.3 軌向高低標(biāo)定儀

軌道檢測(cè)系統(tǒng)的軌向和高低信號(hào)來自激光攝像組件測(cè)得的單邊軌距或高低位移、軌向加速度計(jì)和垂向加速度計(jì)測(cè)得的慣性位移。單邊軌距指軌距點(diǎn)相對(duì)檢測(cè)梁（軌向加速度計(jì)）的位移，高低位移指軌頂面相對(duì)檢測(cè)梁（垂向加速度計(jì)）的位移，慣性位移指軌向及垂向加速度計(jì)相對(duì)慣性基準(zhǔn)的位移。只要保證慣性位移測(cè)量與單邊軌距精度相似，軌向檢測(cè)精度即可保證。

軌向高低標(biāo)定儀（見圖3）由伺服電機(jī)、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、鋼軌廓面模擬板、加速度計(jì)安裝板、平臺(tái)調(diào)整支架、平臺(tái)箱體、電路系統(tǒng)、數(shù)字顯示器等部分組成。平臺(tái)調(diào)整支架標(biāo)定時(shí)夾緊鋼軌以固定整個(gè)臺(tái)體，在加速度計(jì)安裝板上安裝加速度計(jì)，其與臺(tái)面剛性連接。鋼軌廓面模擬板通過端部螺栓與臺(tái)面剛性連接，廓面模擬板與加速度計(jì)同步運(yùn)動(dòng)。數(shù)字顯示器實(shí)時(shí)顯示標(biāo)定儀的運(yùn)動(dòng)頻率，標(biāo)定人員可隨時(shí)了解運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。軌向高低標(biāo)定儀的運(yùn)動(dòng)距離為25 mm，運(yùn)動(dòng)頻率滿足0、0.5、1、2 Hz不同檔位的隨時(shí)更換，運(yùn)動(dòng)頻率準(zhǔn)確、穩(wěn)定。軌向高低標(biāo)定儀標(biāo)定時(shí)，將軌向加速度計(jì)與廓面模擬板固定在加速度計(jì)安裝板上，當(dāng)加速度計(jì)安裝板按一定頻率做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，軌距的測(cè)量位移為正弦波，慣性位移的輸出值也為正弦波。調(diào)試信號(hào)調(diào)節(jié)板的增益和相位，當(dāng)單邊軌距和慣性位移相減后輸出值為0時(shí)，可認(rèn)為慣性位移與單邊軌距檢測(cè)精度相同。這種標(biāo)定方法俗稱軌向的“平衡”標(biāo)定。同理，高低的標(biāo)定是將平臺(tái)調(diào)整支架翻轉(zhuǎn)90°，加速度計(jì)同向旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行“平衡”標(biāo)定。軌向高低標(biāo)定儀的位移范圍：0～25 mm；位移精確度：0.2 mm；分辨率：0.1 mm；往復(fù)頻率：可調(diào)0.5、1、2 Hz；供電：220 V，50/60 Hz；運(yùn)動(dòng)方向平行度：0.1 mm；環(huán)境溫度：-20～40 ℃；質(zhì)量：小于12 kg。

2.4 兩自由度慣性組件試驗(yàn)臺(tái)

慣性組件是軌道檢測(cè)系統(tǒng)中重要的慣性器件，可轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量（橫搖、航偏、俯仰）2或3個(gè)方向，是進(jìn)行慣性組件試驗(yàn)和水平標(biāo)定的關(guān)鍵設(shè)備。慣性組件試驗(yàn)臺(tái)（見圖4）由控制箱、伺服驅(qū)動(dòng)器、控制卡、角位臺(tái)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)及主機(jī)組成，其上平臺(tái)為一個(gè)水平方向的旋轉(zhuǎn)臺(tái)（航偏運(yùn)動(dòng)），下平臺(tái)為一個(gè)垂直方向的搖擺臺(tái)（橫搖或俯仰運(yùn)動(dòng)）。慣性組件試驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)慣性組件的波形比較試驗(yàn)，驗(yàn)證不同檢測(cè)車上的不同類型慣性組件間的差異，并根據(jù)差異進(jìn)行一致性調(diào)整。水平標(biāo)定時(shí)，可對(duì)慣性組件姿態(tài)進(jìn)行精確控制，通過采集的數(shù)據(jù)波形進(jìn)行數(shù)據(jù)軟硬件調(diào)整，達(dá)到水平標(biāo)定目的。慣性組件試驗(yàn)臺(tái)可長(zhǎng)時(shí)間按兩自由度給定波形運(yùn)動(dòng)，橫搖角可30°往復(fù)運(yùn)動(dòng)，航偏角可360°無限量旋轉(zhuǎn)，分辨率0.02 mm，最高速度180°/s；重復(fù)定位精度0.005°；絕對(duì)定位精度0.01°。

2.5 多自由度綜合系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

圖3 軌向高低標(biāo)定儀

圖4 慣性組件試驗(yàn)臺(tái)

多自由度綜合系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)（見圖5）是可多自由度運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)，由控制計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制箱、光學(xué)平臺(tái)、上下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等部分組成，其中上下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可橫向及縱向運(yùn)動(dòng)，可對(duì)任意組合的圖像識(shí)別設(shè)備進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)。多自由度綜合系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的4臺(tái)電機(jī)可同時(shí)控制，控制器由控制單元、驅(qū)動(dòng)器、穩(wěn)壓電路組成。控制單元采用高速、高性能、低功耗的MCU芯片，軟硬件采用防護(hù)措施，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。全功能手動(dòng)鍵盤配置和豐富的液晶屏信息顯示便于操作。運(yùn)動(dòng)過程中速度快慢可調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)器可控，并根據(jù)具體型號(hào)進(jìn)行細(xì)分設(shè)置，最大為256細(xì)分。支持S曲線加減速，加速度可根據(jù)負(fù)載類型自由設(shè)置，最快加速時(shí)間10 ms，可進(jìn)行輕載、小慣量和重載、大慣量的負(fù)載平滑加減速。支持軟硬限位功能、零位安裝位置設(shè)置、脈沖、毫米及度、分、秒的輸入和顯示。多自由度綜合系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)可控位移0.001 mm，目前可進(jìn)行扣件識(shí)別、鋼軌表面擦傷、弓網(wǎng)定位器坡度識(shí)別等試驗(yàn)。

2.6 六自由度軌檢系統(tǒng)測(cè)試與標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)

軌道檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試與標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)為一套機(jī)電控制系統(tǒng)，是目前我國(guó)唯一的軌檢梁整系統(tǒng)試驗(yàn)與標(biāo)定平臺(tái)，主要功能如下：

（1）檢測(cè)系統(tǒng)仿真分析。軌道檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)用于模擬軌道檢測(cè)設(shè)備在列車轉(zhuǎn)向架上的相對(duì)鋼軌運(yùn)動(dòng)。其控制系統(tǒng)可采用自動(dòng)和人工控制，可預(yù)先設(shè)置軌道檢測(cè)系統(tǒng)傳感器及鋼軌的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)可精確給出軌道檢測(cè)梁及鋼軌的姿態(tài)變化，仿真軌道不平順，達(dá)到近似模擬軌道檢測(cè)系統(tǒng)在線路上運(yùn)行的效果。

（2）檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定分析。軌道檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)為滿足激光攝像組件、慣性組件等設(shè)備標(biāo)定試驗(yàn)要求，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的正弦波振動(dòng)、實(shí)際列車運(yùn)行環(huán)境下的軌檢梁振動(dòng)模擬、按指定波形參數(shù)進(jìn)行的振動(dòng)，使各種運(yùn)動(dòng)得到分解，滿足軌道檢測(cè)系統(tǒng)的分析及標(biāo)定。軌道檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試與標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)（見圖6）由上下平臺(tái)、作動(dòng)缸、控制機(jī)箱、驅(qū)動(dòng)器、上位機(jī)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等部分組成。

軌道檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試與標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)具有六自由度的運(yùn)動(dòng)模擬功能，可實(shí)現(xiàn)3個(gè)正交方向的直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可對(duì)俯仰、搖擺和航偏方向的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。軌道檢測(cè)系統(tǒng)接收上位計(jì)算機(jī)的運(yùn)動(dòng)指令，控制器控制6個(gè)電動(dòng)伺服作動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)六自由度的運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)各自由度上規(guī)則波和隨機(jī)波的運(yùn)動(dòng)。

軌道檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試與標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)兩側(cè)的軌道安裝平臺(tái)具有沿軌道切線水平和垂直2個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的自由度，可模擬軌道高度和水平的橫向運(yùn)動(dòng)；可控制正弦波、三角波、方波、梯形波、鋸齒波、任意形狀隨機(jī)波的波形，也可以通過數(shù)據(jù)文件直接輸入自定義波形；可實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的6個(gè)運(yùn)動(dòng)方向波形、位移和各個(gè)電動(dòng)作動(dòng)器的受力；可將命令值、反饋值等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到文件中；可對(duì)位移超限和力超限保護(hù)。

圖5 多自由度綜合系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

圖6 軌道檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試與標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)

軌道檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)，將軌道檢測(cè)梁放置在試驗(yàn)臺(tái)的上平臺(tái)，根據(jù)軌道檢測(cè)車采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行平臺(tái)位姿及加速度控制。數(shù)據(jù)的回放和姿態(tài)復(fù)現(xiàn)對(duì)軌道檢測(cè)系統(tǒng)的重復(fù)性驗(yàn)證及可靠性驗(yàn)證具有重要意義。

軌道檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試與標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行0～50 Hz的掃頻運(yùn)動(dòng)，垂向最大加速度±5 g，橫向最大加速度±3 g，滿足Z方向-100～100 mm垂向運(yùn)動(dòng)、Y方向-100～100 mm水平橫向運(yùn)動(dòng)、繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)-30 °～30 °（偏航）、繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)-26 °～26 °（橫搖）。

3 結(jié)束語(yǔ)

軌道檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對(duì)列車的安全運(yùn)行起重要作用。軌道檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)及標(biāo)定設(shè)備的完備是軌道檢測(cè)系統(tǒng)職能的根本保證，軌道檢測(cè)標(biāo)定設(shè)備大幅度提升的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)可控能力。