GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)的研制與驗(yàn)證

■ 劉伶萍 魏世斌 趙延峰 李穎

GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)的研制與驗(yàn)證

■ 劉伶萍 魏世斌 趙延峰 李穎

GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的最新一代軌道檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)基本軌道幾何項(xiàng)目、車體響應(yīng)和輔助性評(píng)判指標(biāo)，主要由激光攝像組件、慣性測(cè)量組件、信號(hào)處理組件、數(shù)據(jù)處理組件、機(jī)械懸掛裝置等組成，具備精確里程定位功能，具有完善的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定方法，經(jīng)過(guò)電磁兼容設(shè)計(jì)后抗電磁干擾能力大大提高，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，具有較高的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

GJ-6；軌道檢測(cè)；標(biāo)定；驗(yàn)證；抗干擾

1 概述

軌道檢測(cè)系統(tǒng)作為基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)的必要裝備，為提高軌道的平順性、保障列車運(yùn)行安全發(fā)揮了重要作用。我國(guó)軌道檢測(cè)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(guó)自主研制了GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用高速圖像處理技術(shù)、光電測(cè)量技術(shù)、陀螺平臺(tái)、數(shù)字濾波、精確里程定位及高速計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等新技術(shù)，在檢測(cè)精度、處理速度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、標(biāo)定方法、抗干擾等方面較GJ-4、GJ-5都有很大提升，最高檢測(cè)速度已達(dá)到400 km/h，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室標(biāo)定與驗(yàn)證[3]，以及抗干擾設(shè)計(jì)，能適應(yīng)動(dòng)車組及軌檢車的電磁環(huán)境，完全可以達(dá)到準(zhǔn)確度要求。目前該系統(tǒng)已成功安裝在9列高速綜合檢測(cè)列車和18輛軌檢車上，應(yīng)用于我國(guó)鐵路的日常檢測(cè)和新建線路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試檢測(cè)。

2 系統(tǒng)組成及功能

GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目包括：基本軌道幾何項(xiàng)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(píng)判指標(biāo)（軌道質(zhì)量指數(shù)、軌距變化率）。軌向、高低項(xiàng)目還包含了截止波長(zhǎng)為120 m的長(zhǎng)波不平順。

GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)基于慣性測(cè)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(cè)量組件、信號(hào)處理組件、數(shù)據(jù)處理組件、機(jī)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(jī)、光學(xué)器件、溫控裝置組成一個(gè)整體，激光器發(fā)出線光源垂直于鋼軌縱向中心線，攝像機(jī)以一定角度攝取在結(jié)構(gòu)光照射下的鋼軌圖像，通過(guò)對(duì)數(shù)字圖像的采集和處理，得到左右鋼軌輪廓，進(jìn)而可以得到鋼軌相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)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(cè)量軌向和高低的重要分量。

2.2 慣性測(cè)量組件及信號(hào)處理組件

慣性測(cè)量組件主要由陀螺平臺(tái)、左高低加速度計(jì)、右高低加速度計(jì)、軌向加速度計(jì)等慣性器件組合而成。陀螺平臺(tái)安裝在車體上，采集車體的滾動(dòng)和搖頭角速度、車體傾角；左右高低加速度計(jì)安裝在車體上，采集車體的垂向加速度；軌向加速度計(jì)安裝在檢測(cè)梁內(nèi)，采集檢測(cè)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(cè)的慣性基準(zhǔn)。

信號(hào)處理組件包括模擬信號(hào)處理組件和數(shù)字信號(hào)處理組件兩部分，主要功能是對(duì)慣性測(cè)量部件輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波、補(bǔ)償、修正、合成計(jì)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(cè)量要求。

2.3 數(shù)據(jù)處理組件

圖1 GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖2 激光攝像檢測(cè)原理示意圖

數(shù)據(jù)處理組件由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、交換機(jī)等設(shè)備組成。數(shù)據(jù)處理組件通過(guò)實(shí)時(shí)采集處理、圖像處理、網(wǎng)絡(luò)通信、波形瀏覽、編輯匯總及報(bào)表輸出等軟件將軌道檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理、計(jì)算合成、數(shù)據(jù)通信、存儲(chǔ)、顯示、匯總統(tǒng)計(jì)融為一體，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的修正、濾波和軌道幾何參數(shù)的合成，在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示幾何參數(shù)波形圖和里程、速度等信息。同時(shí)，軌檢數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，并能通過(guò)編輯、整理、匯總，輸出超限報(bào)告表，數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

2.4 機(jī)械懸掛裝置

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

3 射頻識(shí)別定位技術(shù)

GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)的里程定位采用RFID，即射頻識(shí)別技術(shù)，輔以高精度光電編碼器進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)線路特征點(diǎn)的精確定位。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：在需要識(shí)別的地面線路特征點(diǎn)預(yù)設(shè)工業(yè)級(jí)高速射頻卡，每一個(gè)射頻卡都有一個(gè)全球唯一的卡號(hào)。在檢測(cè)車上安裝高速閱讀器，當(dāng)檢測(cè)車以一定速度通過(guò)射頻卡時(shí)，識(shí)別出射頻卡的卡號(hào)，將這個(gè)卡號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行比對(duì)，獲取卡號(hào)對(duì)應(yīng)的里程信息和線路特征點(diǎn)信息，并將此信息發(fā)送到軌道檢測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示。為了達(dá)到精確定位的目的，采用高精度的軸頭光電編碼器，精確計(jì)算檢測(cè)車運(yùn)行速度，結(jié)合系統(tǒng)延時(shí)，對(duì)RFID定位系統(tǒng)進(jìn)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(cè)梁懸掛方式

4 檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)室標(biāo)定

檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)室標(biāo)定是利用試驗(yàn)室經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的專用設(shè)備，模擬各種軌道幾何偏差，檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)這些偏差進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)調(diào)整檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，確保檢測(cè)系統(tǒng)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。目前試驗(yàn)室專用設(shè)備包括軌檢綜合試驗(yàn)臺(tái)、小型軌檢標(biāo)定臺(tái)、圖像標(biāo)定板、電控位移臺(tái)、數(shù)顯軌距尺、游標(biāo)卡尺、標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度量塊等，這些設(shè)備都是經(jīng)過(guò)具有資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)或檢定，部分標(biāo)定設(shè)備見圖6。

軌檢綜合試驗(yàn)臺(tái)是一種高精度可控運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，可進(jìn)行橫向、垂向、縱向、偏轉(zhuǎn)、側(cè)滾、俯仰等6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，可設(shè)置不同頻率、幅值的運(yùn)動(dòng)，用于在實(shí)驗(yàn)室對(duì)軌道檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行精確標(biāo)定，或?qū)壍罊z測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證；小型軌檢標(biāo)定臺(tái)是一種能給出一定幅值和頻率的正弦運(yùn)動(dòng)單自由度便攜式振動(dòng)臺(tái)，用于實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)對(duì)軌道檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行快速標(biāo)定；圖像標(biāo)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(cè)量位移的檢測(cè)系統(tǒng)，利用圖像標(biāo)定板來(lái)標(biāo)定，以獲得鋼軌輪廓圖像的像素坐標(biāo)到物理坐標(biāo)的變換關(guān)系參數(shù)，由此可以得出鋼軌輪廓上任意一點(diǎn)在物理坐標(biāo)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(biāo)定流程，保證檢測(cè)系統(tǒng)的精度滿足設(shè)計(jì)要求。

5 檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

圖5 里程精確定位流程

高速綜合檢測(cè)列車上電磁環(huán)境復(fù)雜，針對(duì)GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)曾受到電磁干擾的情況，對(duì)檢測(cè)設(shè)備所處的電磁環(huán)境進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)研究，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)從接地、屏蔽、泄放、隔離等方面采取針對(duì)性的防護(hù)和改進(jìn)設(shè)計(jì)，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(hù)、低壓電源端防護(hù)、信號(hào)輸入端口防護(hù)、信號(hào)輸出端口防護(hù)、電纜屏蔽接地設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)接地設(shè)計(jì)、絕緣隔離設(shè)計(jì)等[4]。例如，各個(gè)傳感器的金屬外殼在實(shí)際安裝過(guò)程中采取與車輛金屬外殼物理上進(jìn)行隔離，避免車輛外殼作為高壓回流線負(fù)極而帶來(lái)的大電流和高電壓的脈沖干擾流過(guò)傳感器金屬外殼對(duì)傳感器內(nèi)部電路產(chǎn)生干擾耦合；交流電源供電端防護(hù)示意見圖7，其中采取多級(jí)防護(hù)濾波及隔離，以逐級(jí)降低從高壓電網(wǎng)過(guò)來(lái)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(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證

檢測(cè)系統(tǒng)的驗(yàn)證包括試驗(yàn)室驗(yàn)證、動(dòng)態(tài)重復(fù)性驗(yàn)證、動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性驗(yàn)證[5]。

圖6 軌道檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定設(shè)備

圖7 交流電源供電端防護(hù)示意圖

試驗(yàn)室驗(yàn)證是利用試驗(yàn)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(cè)系統(tǒng)，分析檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度要求，則檢測(cè)系統(tǒng)合格，否則需要重新進(jìn)行標(biāo)定。

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

動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性驗(yàn)證是在線路上預(yù)設(shè)各項(xiàng)目的幾何不平順，讓檢測(cè)系統(tǒng)在該區(qū)段上以不同速度檢測(cè)多次，因?yàn)榫€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(jì)真值，計(jì)算該平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差即置信概率95%的統(tǒng)計(jì)結(jié)果應(yīng)滿足準(zhǔn)確度指標(biāo)要求。安裝在CHR380A-0201上的GJ-6型軌道檢測(cè)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(jí)的65次往返檢測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，得出各檢測(cè)項(xiàng)目平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差（見表1），由此可知，各檢測(cè)項(xiàng)目的2倍標(biāo)準(zhǔn)差最大值均小于準(zhǔn)確度指標(biāo)，滿足檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確度要求。

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

表1 軌道檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)分析

7 結(jié)束語(yǔ)

GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)基于慣性測(cè)量原理與非接觸式機(jī)器視覺測(cè)量方法，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)、慣性陀螺平臺(tái)、數(shù)字濾波、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及射頻識(shí)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(cè)車的不同位置，按照相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及信號(hào)處理方法合成計(jì)算得到軌道幾何參數(shù)，在檢測(cè)精度、處理速度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、標(biāo)定與驗(yàn)證方法、抗干擾設(shè)計(jì)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(cè)列車及軌檢車上，為保障線路運(yùn)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(cè)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(yáng)，馮其波，等． 構(gòu)架式軌距——軌向檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)合成算法及系統(tǒng)驗(yàn)證[J]． 中國(guó)鐵道科學(xué)，2010(3)：81-85．

[4] 林國(guó)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(cè)系統(tǒng)暫行技術(shù)條件[S]．

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

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

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

李 穎：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)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(jiǎng)項(xiàng)：2014年度中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。