基于標(biāo)準(zhǔn)桿件的CRTSⅢ型軌道板自動化檢測系統(tǒng)精度評定

肖源淼 葉昌堯 包建強(qiáng) 羅 超 陳 霄 李 圓 張獻(xiàn)州,2

(1. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川成都 611756;2. 西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,四川成都 611756;3. 中鐵二十二局集團(tuán)有限公司,北京 100043)

20 世紀(jì)60 年代,高速鐵路開始在世界范圍內(nèi)發(fā)展,其中具有代表性的有德國高速鐵路、日本新干線以及法國TGV[1]。 21 世紀(jì)初期,我國通過引進(jìn)、消化和再創(chuàng)新,自主研發(fā)了CRTSⅢ型軌道板。 CRTSⅢ型軌道板具有諸多優(yōu)良特性[2-4]:①結(jié)構(gòu)簡單,節(jié)省材料;②調(diào)整層采用自密實(shí)混凝土,提高了結(jié)構(gòu)耐久性和環(huán)境適應(yīng)性;③可通過模具調(diào)整適應(yīng)曲線線形,避免了軌道板打磨,減少了精調(diào)時扣件的調(diào)整量;④軌道板為先張法雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),抗裂性優(yōu)于Ⅱ型板;因有擋肩結(jié)構(gòu),保持軌距和線形的能力亦優(yōu)于Ⅰ型板。 因此,在未來的高速鐵路建設(shè)中,CRTSⅢ型軌道板將作為主要板型。

CRTSⅢ型軌道板是承載鋼軌的基礎(chǔ),其相關(guān)尺寸精度與軌道的鋪設(shè)安裝有著直接的聯(lián)系。 為了確保軌道板符合精度要求,在出廠投入使用前,都必須經(jīng)過各項(xiàng)嚴(yán)格的檢測[5]。 目前,CRTSⅢ型軌道板外形尺寸出廠檢驗(yàn)的檢測參數(shù)有19 項(xiàng),其中11 項(xiàng)要求全檢[6]。

在國外,多采用全站儀和相關(guān)檢測儀器對軌道板外形尺寸進(jìn)行檢測,然后利用精密數(shù)控機(jī)床對不符合要求的部位進(jìn)行打磨或填補(bǔ),使軌道板在鋪裝前符合精度要求。 近年來,國內(nèi)許多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對軌道板的檢測技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,并產(chǎn)生了諸多理論成果和專利[7]。 如薛峰[8]利用線陣圖像技術(shù),提出了基于圖像檢測的移動測量方案。 許磊[9]提出了一種基于激光跟蹤和手持激光掃描組合技術(shù)的軌道檢測方法。 范生宏[10]研發(fā)了高鐵軌道板快速檢測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了包括圖像采集、圖像掃描、自動匹配、平差計算、CAD分析和報告自動生成等功能。 西南交通大學(xué)等研發(fā)了一種高速鐵路CRTSⅢ型軌道板自動化檢測系統(tǒng),大大提高了軌道板檢測的效率。 但目前尚無對該類型軌道板自動化檢測系統(tǒng)進(jìn)行精度評定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

為了對高速鐵路CRTSⅢ型軌道板自動化檢測系統(tǒng)進(jìn)行精度評定,驗(yàn)證其可靠性和精確性,基于相關(guān)規(guī)范[11-12],提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)桿件的CRTSⅢ型軌道板自動化檢測系統(tǒng)精度評定方法。

1 精度評定原理

1.1 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)精度和標(biāo)準(zhǔn)偶然精度的引入

文獻(xiàn)[13]所提出的光學(xué)測量系統(tǒng)檢測標(biāo)準(zhǔn)的衡量指標(biāo)主要是圍繞長度來判定,但忽視了系統(tǒng)誤差和偶然誤差的影響,在評價檢測系統(tǒng)的魯棒性方面做得不夠全面。

以集成智能機(jī)器人和三維成像儀的高速鐵路CRTSⅢ型軌道板自動化檢測系統(tǒng)為依托,假設(shè)該系統(tǒng)使用不同的方案組ym(m=1,2,…,l)作精度測試,以每組測量值作為一個子系統(tǒng),每組的測量物理量由xi(i=1,2,…,n)個組成;分別對其作多次等精度的獨(dú)立測量(以mm 為有效單位),可得出其算術(shù)平均值

由貝塞爾法可知[14],每組測量標(biāo)準(zhǔn)差的估計值為

上述m 個方案組,其方差表達(dá)式為σ2m(m=1,2,…,l),有

式中:Pm(m=1,2,…l),為對應(yīng)方案組ym(m=1,2,…,l)的權(quán)。 對于一組觀測值,其權(quán)之比等于相應(yīng)方差倒數(shù)之比。 這表明,方差越小,其權(quán)越大;或者說精度越高,其權(quán)越大。 權(quán)可以作為比較觀測值之間精度高低的指標(biāo)。

從每組測量值中篩選出最大值max(xm)和最小值min(xm),有

式中:ˉxm(m=1,2,…,l)為第m 組的平均值,(m=1,2,…,l)代表第m 組測量的真值。

將極差和平均差分別單獨(dú)除相應(yīng)組的測量平均值,有

式中:ysysx

m (m=1,2,…,l)表示第m 組的系統(tǒng)相對誤差(子系統(tǒng)的系統(tǒng)相對誤差);(m=1,2,…,l)表示第m 組的偶然相對誤差(子系統(tǒng)的偶然相對誤差)。

綜合考慮各子系統(tǒng)評價指標(biāo)和權(quán)重,把待測系統(tǒng)作為一個新系統(tǒng),有

式中:χsysxz代表測量系統(tǒng)的系統(tǒng)相對精度;χouxz代表測量系統(tǒng)的偶然相對精度。

為了對比不同待測物體的精度,可將其統(tǒng)一為一個標(biāo)準(zhǔn),如歸并到1.0 m 長度來計算比較,有

1.2 標(biāo)準(zhǔn)精度的計算方法

測量的不確定度一般包含若干個分量,其中一些分量(A 類)可用統(tǒng)計方法(如貝塞爾法、最大誤差法、最大殘差法、極差法和最小二乘法等)來評定,并可用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差si表征,其它分量(B 類)只能基于經(jīng)驗(yàn)或其它信息做評定。 可由假設(shè)分布的置信因子及估計的誤差限,求得近似標(biāo)準(zhǔn)差uj,A 類分量和B 類分量的合成仍應(yīng)按方差合成原理進(jìn)行[11],即

其中,β 為協(xié)方差項(xiàng),即任意兩誤差間協(xié)方差之和。 由于相關(guān)系數(shù)的計算非常困難,應(yīng)盡可能避開。設(shè)有兩個誤差σ1,σ2,合成后,有

式中,ρ1,2為相關(guān)系數(shù),當(dāng)兩誤差完全相等時 ,ρ=1;當(dāng)兩誤差不相等時,ρ=0。

綜合得出

式中,χsysst為測量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)精度,為每米數(shù)值上的毫米精度,為相關(guān)系數(shù)。

2 實(shí)例分析

根據(jù)上述的精度評定原理,對“集成智能機(jī)器人和三維成像儀高速鐵路CRTSⅢ型軌道板自動化檢測系統(tǒng)”的實(shí)際檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證分析。 利用一個長2.7 m 的尺子作為標(biāo)準(zhǔn)桿件,用自動化檢測系統(tǒng)測量該標(biāo)準(zhǔn)桿件的長度,并與標(biāo)準(zhǔn)長度進(jìn)行對比,以檢驗(yàn)該自動化檢測系統(tǒng)的檢測精度。

高速鐵路CRTSⅢ型軌道板自動化檢測系統(tǒng)精度評價由兩部分組成:軌道板扣件間距方向的橫向檢測精度和大鉗口方向的橫向檢測精度。 其中,扣件間距方向的橫向檢測精度包含了標(biāo)準(zhǔn)尺橫向放置于各承軌臺處標(biāo)志圓的測量距離精度,共有8 組;大鉗口方向的橫向檢測精度包含了標(biāo)準(zhǔn)尺以軌道板為依靠、豎直放置于各承軌臺處標(biāo)志圓的測量距離精度,共有9 組。扣件間距方向和大鉗口方向的測量值如圖1 和圖2 所示。 由圖1、圖2 可知,扣件間距方向10 次測量的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)長度基本一致,大鉗口方向10 次測量結(jié)果的最大值與最小值之差在0.6 mm 以內(nèi),與標(biāo)準(zhǔn)長度趨于一致。

圖1 扣件間距方向測量值比較

圖2 大鉗口方向測量值比較

由式(1) ～式(8)可計算得到各類精度,成果如表1 和表2 所示。

表1 扣件間距方向的檢測精度評定計算

表2 大鉗口方向的檢測精度評定計算

根據(jù)表1、表2 以及式(7)可得,測量系統(tǒng)的系統(tǒng)相對精度χszysx為0.000 03 mm,偶然相對精度為0.000 152 8 mm。 根據(jù)式(8),可計算得出測量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)精度為0.030 0 mm,標(biāo)準(zhǔn)偶然精度為0.152 8 mm。

系統(tǒng)相對誤差和偶然相對誤差兩者沒有必然的聯(lián)系[8](不相關(guān)、非線性)。 因此,可根據(jù)式(11)計算出高速鐵路CRTSⅢ型軌道板自動化檢測系統(tǒng)的標(biāo)稱精度

某高鐵制板廠上萬塊軌道板的質(zhì)量檢測實(shí)踐證明,該方法計算得到的精度評定結(jié)果真實(shí)可靠。

3 結(jié)論

(1)高速鐵路CRTSⅢ型軌道板自動化檢測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)精度為0.030 0 mm,標(biāo)準(zhǔn)偶然精度為0.152 8 mm,標(biāo)稱精度為0.155 mm/m。

(2)該精度評定方法考慮了系統(tǒng)誤差和偶然誤差的精度,可在較短時間內(nèi)定量、全面地評價CRTSⅢ型軌道板自動化檢測系統(tǒng)的精度,也可為評價系統(tǒng)的魯棒性提供理論支撐。

(3)該精度評定方法不僅適用于CRTSⅢ型軌道板,還可用于對其他高速鐵路工程部件的檢測結(jié)果進(jìn)行精度評定,具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價值。