INS/GNSS 鐵路組合慣導軌檢小車在長軌精調施工中的應用

方 明

（中鐵二局集團新運工程有限公司，四川 成都 610000）

目前施工階段的軌道精調主要采用軌道幾何狀態檢測儀（簡稱軌檢小車）進行軌道參數采集，進而制定調整方案，實施軌道調整。軌檢小車以CP Ⅲ測量控制網為基準，利用全站儀作為主要數據采集設備。但全站儀受作業模式和外界環境影響極大，導致軌檢小車作業效率不能完全滿足現階段軌道檢測需要。新型INS/GNSS鐵路組合慣導軌檢小車及其應用工法，很好地解決了這一問題，極大地提高了軌道精調效率和質量。

1 國內外同類技術現狀

目前國內外施工階段軌道幾何參數測量主要有兩種基本方法：光學檢測法和慣性基準法。

光學檢測法：最具有代表性的是德國CEDO 以及瑞士安伯格GRP 系列軌檢小車，主要應用于軌道工程施工階段。該類設備依托高精度的CP Ⅲ測量控制網，主要采用全站儀實現對軌道方向、高低等幾何參數的測量。該類設備測量精度高，但是測量方法復雜，且測量速度較慢，作業效率較低，受高溫、大風等外界環境因素影響大，無法保證全天候作業，降低了軌道檢測的效率和精度。

慣性基準法：國內如江西日月明、什邡瑞邦和長沙悅城等廠家推出了便攜式慣性軌道檢測小車。該類設備通過軌距傳感器，兩個陀螺儀測量軌道幾何參數，具有檢測精度高、檢測速度快、適應性強等特點。但該類設備里程測量精度低，且無法檢測線路長波不平順性，而長波平順性是影響列車舒適度的重要指標。該類測量設備及方法不能完全滿足高速鐵路軌道檢測要求。

2 INS/GNSS 鐵路組合慣導軌檢小車技術設計

綜合以上兩種檢測方式的優缺點，中鐵二局新運公司聯合相關單位依托鐵路項目開展了技術創新，研發INS/GNSS 組合慣導小車精密測量系統及其應用技術。

2.1 系統組成

組合慣導軌檢小車由車架、軌距測量系統、里程測量系統、GNSS 基站、移動站、高精度慣導系統、高速信息采集器、電氣控制器、組合解算軟件、綜合數據后處理軟件、TDES 長軌精調軟件及配套工具軟件組成。2

2.2 主要功能

組合慣導軌檢小車主要檢測項目包括軌距、水平（超高）、扭曲（三角坑）、長短波平順性等指標測量，經過后處理可以擬合生成對應扣件調整量，用于指導軌道精調施工和軌道質量檢查。

2.3 關鍵技術

本系統采用捷聯慣性導航系統作為慣性測量平臺，慣性測量平臺由3 只激光陀螺和3 只石英加速度計組成，陀螺和加速度計直接固聯在組合導航系統框架上的3 個正交面上。3 只陀螺相互正交，用于測量載體的三軸角速度ωx、ωy、ωz；3 只加速度計相互正交，用來測量載體的三軸線加速度ax、ay、az。導航計算機實時采集3 只陀螺和3 只加速度計輸出的角速度和線加速度，利用基準方向和初始位置信息，解算出軌檢小車的位置、速度、姿態和航向。

3 工藝流程

3.1 軌道幾何狀態數據外業采集測量

待檢測軌道的組裝設備包括車體、慣導、采集器、電池等部件組裝。同時在測區中間位置選取已知CPII 點架設基站，基站架設要穩定可靠。數據采集過程中，應注意測段長度一般以2km 為宜，慣導精度隨時間發散，時間過長會引起慣導測量精度損失，因此每個測段作業時間不宜超過2h。

3.2 數據處理

測量完成后，將基站數據、移動站數據、慣導采集數據導入電腦，結合線路設計數據，進行數據處理。

4 性能對比測試與工程應用效果

4.1 工程概況

新建蘭新鐵路設計時速250km/h，全線采用雙塊式無砟軌道結構形式，中鐵二局新運公司蘭新鐵路項目部負責本標段雙塊式無砟軌道鋪設及軌道精調任務。

4.2 對比測試

（1）對比測試方案設計。為了驗證組合慣導軌檢小車性能和穩定性，在蘭新項目先導段進行了實地驗證。測試線路包含直線、緩和曲線和圓曲線。測試包含組合慣導軌檢小車重復性測試和外符合對比測試兩個內容。

（2）對比測試數據分析。①軌道高低平順性測試，包括高低平順性內符合精度測試以及高低平順性外符合精度測試。針對高低平順性內符合精度測試，組合慣導軌檢小車在同一段里程內采集了5 組數據，計算其重復性精度。測試對比結果如表1 所示。

表1 各測回平順性與平均值之間的差異統計表 單位：mm

高低平順性外符合精度測試。因常規軌檢小車高程測量精度略低，且重復性較差，因此選取電子水準儀精確測量每個軌枕高程，求取高低平順性參數；再用組合慣導軌檢小車測量得到的高低平順性結果和電子水準儀測量結果進行對比。測試結果如表2 所示。

表2 高低平順性外符合精度測試測試統計結果 單位：mm

②軌向平順性測試，包括軌向平順性內符合精度測試以及軌向平順性外符合精度測試。軌向平順性內符合精度測試，組合慣導軌檢小車在相同的里程段內重復采集數據5 次，做重復性數據分析。測試結果如表3 所示。

表3 軌向平順性內符合精度測試差異統計表 單位：mm

軌向平順性外符合精度測試。實驗采用經過標定的軌檢小車對線路進行逐枕測量，求取該段線路軌向平順性參數，并以此做為對比基準。測試結果如表4 所示。

表4 軌向平順性外符合精度測試測試統計結果 單位：mm

（3）測試結論。測試結果表明，組合慣導系統測量精度高，可靠性強。重復性測量精度均在0.2mm 以內，遠遠高于常規測量工具。外符合精度測試采用軌檢小車數據做為對比基礎，該基準自身精度受全站儀測量精度的影響，存在一定的不確定性和系統偏差，但測試結果表明，組合慣導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，結合重復性測量精度，該設備完全可以勝任現有的軌道精調工作。

4.3 工程應用效果

項目部分別采用組合慣導軌檢小車和常規軌檢小車兩種測量方法對管段內380km 單線軌道進行測量。

（1）投入與效率對比分析。作業區段長度劃分、設備投入、人員投入和測量效率對比如表5 所示。

表5 組合慣導軌檢小車與常規小車作業情況綜合對比表

由表5 可見，與常規軌檢小車相比，組合慣導軌檢小車設備和技術人員投入極少，但平均效率極高，經濟效益明顯。

（2）環境適應性分析。在施工過程中，正常情況下組合慣導軌檢小車每天可完成5 個測段共10km 線路的檢測，常規小車可以完成1.2km 線路檢測。在5 級以上大風天氣，常規軌檢小車很難保證測量精度，組合慣導軌檢小車作業不受影響。在環境適應性方面，組合慣導軌檢小車具有明顯優勢。

5 結束語

蘭新、蘭渝等鐵路軌道精調工程項目實踐表明，組合慣導軌檢小車及測量工法適用于有砟及無砟長軌測量。在測量過程中不受高溫、大風等不良氣候影響，改變了原有“走停式”的測量模式，實現了“動態連續測量”，具有測量精度高、速度快、環境適應性強等特點。同等條件下，作業綜合效率可達傳統方法作業效率10 倍以上。與傳統工藝相比，軌道精調質量顯著提高，且極大地減少了設備及人員投入，降低了技術人員的勞動強度，滿足當前軌道精調施工高效率的需要，具有廣泛的推廣價應用價值。