無錫地鐵綜合檢測車研制

鈕海彥

無錫地鐵綜合檢測車研制

鈕海彥

摘 要：無錫地鐵綜合檢測車檢測系統采用慣性測量原理、機器視覺

及激光掃描等非接觸測量技術，集軌道幾何及動態響應、接觸軌檢測、隧道限界檢測和輪軌監視等功能于一車，并應用RFID無線射頻技術進行精確里程定位，可快速高效地對城市軌道交通的軌道幾何、接觸軌狀態和隧道及線路周邊建筑進行檢測。綜合檢測車各檢測系統經靜態調試和動態驗證，檢測指標滿足檢測要求，已正式應用于無錫地鐵的定期檢測中。

關鍵詞：地鐵；綜合檢測車；研制

鈕海彥：無錫地鐵集團有限公司，高級工程師，江蘇無錫 214171

軌道狀態、接觸軌狀態和隧道及周邊建筑限界的檢查和維護，是城市軌道交通安全運營的必要措施。無錫地鐵1、2號線建成通車后，迫切需要綜合檢測設備對基礎設施狀態進行日常檢測。無錫地鐵聯合中國鐵道科學研究院共同研制了一臺綜合檢測車，集軌道幾何、接觸軌、隧道限界檢測和輪軌監視于一體，采用了慣性測量原理、機器視覺以及激光掃描技術，具有測量準確、精度高、速度快的特點，可以極大地減少人工檢查和維護的工作量。

1　檢測車總體設計與功能

無錫綜合檢測車各系統設計安裝于標準軌距的軌道車上，車輛設計運行速度為80 km/h，檢測車車內空間劃分為設備操作室、會議室和司機室。設備操作室集中各檢測系統的設備操作和數據處理功能。會議室安裝有大屏幕顯示器，可切換顯示各系統的檢測數據。車廂兩端為司機室，前端司機室設有操作臺，可在綜合檢測車上進行與其聯掛機車的起動、調速、制動等操作和整列車的實時監控。檢測系統傳感設備主要安裝于車體下或轉向架端部的檢測梁上，以及車輛尾端的限界檢測模塊中。車下設有發電機組，為檢測設備和空調機組提供電源，檢測車不帶走行動力，由機車提供牽引動力，2車聯掛后可正反向運行和檢測。

綜合檢測車系統的設計，按功能可分為軌道幾何及車體響應、接觸軌檢測、隧道限界檢測、輪軌監視和精確里程定位等5個模塊。精確里程定位為其他模塊提供速度和里程，并提供采集觸發脈沖，軌道幾何為隧道限界提供車體修正數據，接觸軌檢測緊密依靠軌道幾何系統的鋼軌圖像數據。輪軌監視可對車輪和軌道接觸點進行視頻圖像的錄制、存儲和檢索。

綜合檢測車可檢測項目為：

（1）軌道幾何，軌距，左（右）軌向，左（右）高低，水平，三角坑，曲率，車體橫向加速度，車體垂向加速度，鋼軌垂磨、側磨，速度及地面標志；

（2）接觸軌，左（右）導高，左（右）拉出值；

（3）隧道限界，水平方向限界，垂直方向限界，側面限界，垂直方向振動補償，水平方向振動補償。

2　檢測系統設計

2.1軌道幾何與車體響應

在線路運營中，軌道幾何狀態良好是車輛安全運行的基礎，無錫地鐵綜合檢測車利用慣性測量原理和機器視覺技術，選用高幀頻工業面陣相機、紅外激光光源、高精度陀螺和加速度計等傳感器件，以及工業計算機和QNX實時操作系統，組成了對軌道幾何和車體響應實時測量的非接觸檢測系統。系統分傳感器裝置、圖像采集處理、信號調理監視、實時計算與合成、軌道數據處理等5大模塊，其系統構成和測量流程如圖1所示。

圖像采集處理部分使用激光攝像測量鋼軌和接觸軌相對于檢測梁的橫向和縱向位移。加速度計、陀螺、位移計等多種傳感器裝置響應車體和檢測梁的姿態變化，并由信號調理監視模塊對模擬信號進行濾波與增益調整。計算及合成模塊采用QNX實時操作系統，對模擬信號進行A/D轉換、存儲、數字濾波、修正以及補償處理，然后經過綜合運算，合成所需的軌道幾何和接觸軌參數。合成參數和傳感器信號發給數據處理模塊進行顯示、編輯及報表打印。

檢測系統在行進的車輛上進行動態檢測，就需要建立測量基準。軌道幾何檢測系統利用慣性測量原理，用安裝在車廂內的慣性平臺建立水平基準，采用高精度伺服加速度計建立高低和軌向基準。為了消除車輛運行產生的其他加速度的干擾，系統用測量車體搖頭和側滾角速度的角速率陀螺對所測信號進行修正。搖頭陀螺還用來測量曲線的曲率和曲線半徑。車體響應包括橫向加速度和垂向加速度，由安裝在車廂內的伺服加速度測得。

圖1　軌道幾何及接觸軌系統結構及測量流程

圖2　軌道幾何鋼軌斷面圖像

圖3　綜合檢測車接觸軌激光攝像組件

鋼軌的相對位移用機器視覺-結構光測量方式測得。激光在鋼軌表面投射一道均勻明亮的光帶，高幀頻相機采集圖像，經濾波、圖像細化、質心提取等處理后得到鋼軌輪廓的“骨架”圖像（圖2）。結合攝像機的標定參數，對鋼軌輪廓進行像素坐標到物理坐標的轉換，通過提取和計算軌距點、軌頂點，以及與標準鋼軌截面進行對比，得到軌距、磨耗等檢測項目。每對激光器和相機都將獨立密封設計的激光攝像組件安裝在檢測梁上，激光攝像組件易于拆裝，便于維護，檢測梁經靜強度計算和動態疲勞測試，安全性能滿足車輛運行的要求。

2.2接觸軌檢測

無錫地鐵1、2號線采用下部受流式接觸軌供電，走行軌和接觸軌的位置關系直接影響到電客車的供電效率和運營安全，因此，在測量走行軌軌道幾何狀態的同時，也需要測量接觸軌相對于同側走行軌的橫向和縱向位置關系，以及導高和拉出值，接觸軌導高和拉出值的測量同樣采用機器視覺-結構光方法。

接觸軌一般安裝在列車運行方向的左側，在車場或特殊地段會出現在右側，為了方便上下行檢測，無錫地鐵綜合檢測車左右兩側都安裝有接觸軌激光攝像組件（圖3）。綜合檢測車的接觸軌檢測和軌道幾何檢測在系統設計上緊密結合，使結構簡潔緊湊。接觸軌檢測組件和軌距檢測的激光攝像組件安裝在同一個檢測梁上，QNX實時處理計算機同時控制二者的采樣及合成計算，而在數據處理端軌道幾何和接觸軌設計為相互獨立的終端，工務（軌道）和供電（接觸軌）專業的技術人員可同時進行超限編輯、報表打印和波形瀏覽。

圖4為接觸軌的圖像采集界面，圖中接觸軌安裝在左側，通過圖像處理和計算得到接觸軌鋼軌輪廓上特征點的相對位置，以及左側走行軌軌距點和軌頂點的測量數據，共同合成左接觸軌相對于相鄰走行軌的導高和拉出值。表1所示為接觸軌檢測系統的檢測項目、測量范圍及測量精度。

軌道幾何及接觸軌的數據處理模塊基于Windows環境開發，主要分為波形瀏覽器、超限編輯及報表打印軟件，二者均可在檢測中實時操作或檢測后線下處理。波形瀏覽器以波形圖顯示各項目的檢測數據及原始傳感器數據，顯示通道可選，可瀏覽、測量、配置和打印，可以txt文本格式導出數據方便第三方處理。波形圖的數據顯示通道、比例可由用戶調節，波形圖軟件具有歷史數據對比功能，用戶可對同一線路的2次檢測數據進行對比，可快速發現線路的變化。超限編輯及報表打印軟件可剔除數據中干擾，對數據進行匯總并報表打印。

圖4　接觸軌斷面測量圖（左側）

表1　接觸軌檢測項目及指標

圖5　限界測量模塊安裝位置

圖6　限界侵限圖

2.3限界檢測

限界檢測系統采用激光掃描的測量方法，安裝在車輛端端部的測量模塊（圖5）內集成多臺可同步工作的激光掃描傳感器，連續不斷地測量周圍建筑物的斷面輪廓信息，測量模塊設計有相應的供電、溫控、輔助補償和信號傳輸等設備，可快速整體安裝或拆卸。基于激光掃描的方式使測量快速、準確，檢測可在陽光和雨雪情況下正常工作，不易受外界干擾，數據可靠。

測量數據以鋼軌頂面及軌道中心線作為測量基準，經實時疊加同時刻的速度、里程、修正補償等信息和空間坐標變換等數學計算，輸出基于軌道中心線的建筑物輪廓數據，以二維和三維的方式實時顯示線路周邊建筑物輪廓（圖6），系統可根據數據庫內預置的臺帳在線切換限界標準，自動輸出檢測數據信息和侵限數據，實現限界的動態分析。分析模塊還可對數據進行后端分析、處理、展示和報表生成，以全息圖的方式來形象展示線路兩側建筑物的實際輪廓。

系統的檢測指標如表2所示。2.4 輪軌監視

無錫地鐵綜合檢測車安裝了2組輪軌接觸狀態監視設備，通過車內監視器實時監視車輛運行過程中車輪與軌道的真實接觸狀態，系統可在視頻圖像上疊加當前線路名、里程、速度等線路信息后并進行存儲。視頻分辨率為720×576，幀率25 fps，存儲容量為1 TB。存儲的視頻數據具備按里程或時間進行檢索的功能。系統安裝有光源，在夜晚的條件下也可正常進行。

2.5里程精確定位

對于軌道維護人員來說，提供檢測數據相應的準確現場位置是提高維護效率的關鍵，里程信息誤差較大，現場人員尋找病害的成本就越高。無錫地鐵綜合檢測車采用主備2路高精度光電編碼器提供距離脈沖和采樣信號，RFID標簽提供精確校準信號的方式，定位精度小于1 m。

無錫地鐵綜合檢測車采用RFID電子標簽對里程的累計誤差或長短鏈進行修正，電子標簽安裝在軌道中間，約每5～6 km及長短鏈處安裝1塊，車輛駛過該里程點時，車底安裝的閱讀器會自動識別標簽信息，并實時計算出當前的里程，發送給車內各檢測系統進行里程的同步校準。當線路的里程信息因維修發生改變時，只需對車上數據庫相應的里程進行更改，無需對地面標簽進行重新布點。

表2　限界檢測項目及指標

圖7　檢測系統實驗室驗證

3　系統驗證與應用

3.1軌道幾何及接觸軌實驗室標定

軌道幾何與接觸軌檢測系統安裝前在實驗室進行了系統驗證，檢測設備安裝在6自由度高精度振動臺上，根據檢測系統的標定技術要求，振動臺按照一定的頻率和振幅做橫向和縱向運動及角度側滾，模擬檢測梁在檢測情況下的振動，系統安裝后進行了整車標定，標定數據滿足檢修系統的要求（圖7）。

3.2軌道幾何及接觸軌動態驗證綜合檢測車于2014年7～8月份在無錫地鐵重復性測試，2次數據間隔為1個月，圖8、9分別為軌道幾何項目和接觸軌項目2次對比中1 km數據的波形圖，圖中當前的波形數據完全覆蓋了歷史數據，重復度很高。在剔除速度低于18 km以下數據輸出截止的影響，選取對比5 km約40 000個采樣數據，各檢測項目的重復性指標都大于95.6%，滿足檢測系統的重復性要求。

2014年9月在無錫地鐵現場對綜合檢測車接觸軌檢測結果進行了人工驗證，方法為選取幾段系統檢測的接觸軌檢超限數據，然后用接觸軌檢測尺進行人工復核。將人工測量和綜合檢測車的檢測結果都導入Excel進行對比（圖10），由圖10可見二者的檢測結果是非常接近的。

圖8　軌道幾何重復性波形圖

圖9　接觸軌重復性波形圖

3.3限界動態驗證

限界的動態驗證方法為在無錫地鐵西璋車輛段的試車線上道床一側人為設置標志物，模擬侵限，綜合檢測車在試車線上進行了多次往返，限界檢測系統在運行過程中對侵限標志物進行測量，并將其與人工測量的標志物與線路中心線的距離進行對比驗證，表3為試車線現場記錄的數據及對比分析結果。試驗中的模擬侵限標志物的位置均能準確地檢測到，從表3中可以看到偏差值最大為16 mm，最小為2 mm，滿足系統技術指標±20 mm的技術要求。

圖10　接觸軌人工測量與系統測量對比

表3　限界檢測數據比較 mm

4　結語

軌道交通的快速發展，需要用科技的手段來提升運營的質量和效率，無錫地鐵綜合檢測車經數次動靜態調試標定以及現場驗收，各檢測系統工作狀態穩定，檢測項目和指標滿足檢測要求，目前，已正式應用于無錫地鐵的定期檢測中，為監控軌道、接觸軌運行狀態及檢測沿線建筑限界提供有力的技術支持。

參考文獻

[1] 王昊. 高速軌道檢測圖像處理技術[J]. 鐵路技術創新，2012（1）.

[2] 王登陽，楊超高速綜合檢測時空同步技術[J]. 鐵路技術創新，2012（1）.

[3] GB/T 25021-2010軌道檢查車[S]. 2010.

[4] 程志全，張重陽，何允烘.地鐵網軌綜合檢測車接觸軌標定工裝研制[J]. 中國鐵路，2014（10）.

[5] 柴東明，魏世斌，劉玲平，等.深圳地鐵軌檢車檢測系統的研制[J]. 中國鐵道科學，2005，26 （5）.

責任編輯 朱開明

Development of Wuxi Metro Comprehensive Inspection Train

Niu Haiyan

Abstract:The inspection system of the comprehensive inspection train by Wuxi metro using non-contact measurement technologies; including inertial measurement principle, machine vision and laser scanning etc. integrating track geometry and dynamic response, contact rail inspection, tunnel clearance inspection and the wheel/rail monitoring and other functions in a train. It also conducts accurate mileage positioning with application of radio frequency identifi cation (RFID) technology, fast and efficient inspection of track geometry, contact rail, tunnel and the surrounding buildings of urban rail transit. The inspection system of the comprehensive inspection train has passed the static testing and dynamic verifi cation, the testing has met the inspection requirements, and it has formally used in periodical track inspection in Wuxi metro.

Keywords:metro, comprehensive inspection train, development

收稿日期2014-11-19

中圖分類號：U216.3