高鐵無砟軌道逐軌枕復測信息系統設計與應用

楊 威，解亞龍，鮑 榴，李 飛，高 俊

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

無砟軌道結構可以為高速鐵路提供更平順、穩定的運行界面，已成為我國高速鐵路主要的結構形式[1]。無砟軌道施工精調質量直接影響了高速鐵路軌道平順性、安全性和穩定性，是保證軌道高平順性的關鍵[2-3]，是決定長軌精調扣件更換率的重要因素之一，也是后期運營維護的重中之重[4]，因此，無砟軌道施工質量應滿足鋪設長軌靜態精調后軌道平順度技術要求[5-6]。

1 研究背景

王同軍[7]提出了智能鐵路總體架構，無砟軌道數字建造與信息化管理是該架構的組成部分；郭建光等人[8]研制的高速鐵路板式無砟軌道底座板快速檢測系統，提高了施工測量效率。袁曼飛等人[9]提出了軌道檢測系統內部幾何參數和外部幾何參數測量一體化的設計方案，介紹了客運專線軌道三維檢測系統的架構、技術、界面及功能設計；賈寶紅等人[10]在鄭萬（鄭州東—萬州北）高速鐵路和鄭阜（鄭州—阜陽）高速鐵路部分施工區段進行標架法逐軌枕復測新方法、新工藝的試驗，取得了較好的應用效果。這些研究主要集中在鐵路無砟軌道施工精度分析與檢測技術創新方面，缺少通過信息系統統一管理無砟軌道測量數據，以及對測量數據有效分析和利用的研究。本文基于無砟軌道標架法逐軌枕復測原理與相關技術要求，重點闡述高速鐵路無砟軌道復測信息系統的總體架構、技術架構和主要功能，并在漢十（漢口—十堰）、張吉懷（張家界—吉首—懷化）、京張（北京—張家口）等高速鐵路項目成功實踐應用，取得了較好的應用效果。

2 逐軌枕復測原理與方法

2.1 復測原理

逐軌枕復測的無砟軌道檢測方法，實際上是板式精調的拓展運用，其原理與軌道板精調相似，分為以下幾個步驟。

（1）標架棱鏡中心通過精密機械加工，模擬鋼軌中心（橫向誤差＜0.15 mm、高程誤差＜0.3 mm）。

（2）測量標架上棱鏡坐標，根據線路參數，計算棱鏡中心的準確里程，并根據里程計算鋼軌中心理論坐標。

（3）根據坐標差解算鋼軌中心偏差值。

2.2 復測工裝選擇

隨著高速鐵路多年的快速發展，特別是隨著III型板式無砟軌道（CRTS，China Railway Track System）的大量研究及使用，我國目前已開發出多種板式無砟軌道精調工裝，例如，基于螺栓孔定位的CRTS I型板式精調工裝、基于大鉗口定位的CRTS II型板式精調工裝、基于螺栓孔定位的CRTS III型板式精調工裝和基于小鉗口定位的CRTS III型板式精調工裝。多次試驗的數據表明，基于小鉗口定位的精調工裝滿足復測精度要求最優，其他定位模式的工裝均存在一定不穩定性。

2.3 復測方式

標架法逐軌枕復測使用與無砟軌道精調精度相同的全站儀，經至少4對CPIII（CP，Control Points）后方交會，然后按U型、Z型這些方式對逐一放置于承軌槽的工裝進行測量，得到各軌枕的三維坐標。

2.4 復測技術要求

標架法逐軌枕復測設站要求與道床板或軌道板精調相同，每一測站復測的長度應＜50 m，全站儀架設高度不宜超過1 m，復測過程中需要換站時，應保留上一測站最后標架的位置不變，換站后測量同一標架的三維坐標差值應≤2 mm，且應重復測量上一站不少于5根的軌枕。將逐軌枕復測作為一個施工必要環節，融入整體工序流程控制設計，確保及時使用復測數據，發揮數據價值。

3 系統設計

3.1 總體架構

高速鐵路無砟軌道軌枕復測信息系統（簡稱：復測系統）通過手持終端控制軟件，利用無線傳輸技術（如藍牙）采集軌枕復測數據，采用專業分析軟件對數據進行分析，以圖形化形式展示各軌枕的偏差，從而進行超限預警。復測系統能夠加快施工進度，保證施工質量，提高現場管控能力，其總體架構如圖1所示。

圖1 系統架構

（1）感知層。通過全站儀、棱鏡和手機藍牙等多種感知設備，獲取無砟軌道待測軌枕的承軌槽高程和水平三維坐標位置信息以及線路曲線要素、道床板及軌枕編號等數據，經網絡回傳至數據中心服務器進行數據處理和分析。

（2）傳輸層。主要包括互聯網、物聯網和無線網。負責提供安全高效的傳輸通道，將采集到的數據信息安全、快速地傳輸到復測系統，使各級用戶能夠隨時獲取施工質量數據。

（3）數據層。包括工程實體、軌向、超高、軌距等測量和分析數據，以及超限報警、短信提醒和閉環處置等管理數據。

（4）應用層。主要針對施工單位測量員和技術員、專業監理工程師、建設單位軌道工程師等用戶，具備數據采集處理、復測數據分析、超限數據報警發布與整改、施工質量合格統計等功能。

（5）表現層。支持通過局域網、互聯網和移動網絡，以調度中心指揮大屏、網頁端和移動手持端等方式進行訪問。

3.2 技術架構

復測系統由工地現場數據采集終端（簡稱：采集終端）、鐵路工程管理平臺（簡稱：平臺端）和復測數據處理分析客戶端（簡稱：客戶端）組成，如圖2所示，通過數據中心服務器對各部分數據統一集中管理。

圖2 技術架構

（1）采集終端主要包括手機控制終端、全站儀和復測標架，在無砟軌道待復測區域對復測標架進行調校，通過手機控制終端設定曲線要素、道床板及軌枕編號等參數，利用全站儀對所述復測標架的棱鏡中心進行測量，以獲取所述任一待測軌枕的實際三維坐標和軌枕的偏差值，并通過數據中心服務器分發到平臺端和客戶端。

（2）平臺端主要用于建設、施工、監理等單位的進度和質量問題閉環管理。

（3）客戶端主要為測量員提供軌距、超高、高低、軌向、扭曲等指標數據分析功能。

3.3 功能設計

結合軌道復測施工業務管理需求，為實現無砟軌道復測施工質量管理，本文從數據采集—數據分析—超限預警—閉環處置全過程管理角度出發，設計了復測系統功能，包括基礎數據管理、復測數據分析、超限報警和統計分析，功能架構如圖3所示。

圖3 功能架構

（1）基礎數據管理

同步軌道專業所有工程實體數據，追加相關屬性字段，形成新的數據表結構，同時建立軌枕復測數據和工點關聯關系。信息化管理員對上線逐軌枕復測項目的軌距、超高、高低、軌向、扭曲等參數進行超限閾值設定。

（2）復測數據分析

通過采集終端進行數據采集，采用客戶端進行計算和分析，以波形圖方式展示各軌枕的偏差值。此外，平臺端還提供各標段、各分部、各工點的橫向偏差、豎向偏差、軌距、超高等數據的對比分析功能。

（3）超限報警

對超出閾值的復測數據進行報警消息發布，并為施工單位提供不同報警等級的超限情況，提醒施工單位及時消除，形成閉環流程管理。

（4）統計分析

統計各施工標段無砟軌道施工精度檢測合格率，施工進度與復測數據數據上傳及時和各無砟軌道施工作業面報警率，通過對超限報警、超限已處置與超限未處置的數據指標分析，提高數字化施工和信息化管理水平。

4 關鍵設備及技術

（1）基于小鉗口定位的扣件原位保留新型復測標架

針對部分線路在CRTS雙塊式施工時使用扣件原位保留模式，常規復測工裝需要將扣件拆除進行復測，待復測完畢后再將扣件重新安裝，這種方式不僅浪費大量的人力和物力，而且還存在扣件污染問題。為了滿足標架法逐軌枕復測能夠適應扣件原位保留情況，本文研制了基于小鉗口定位的扣件原位保留新型復測標架，如圖4所示。新型復測標架直接放置在安裝有扣件系統的承軌槽上，不僅滿足復測精度要求，還能夠節約拆裝扣件成本。

圖4 基于小鉗口定位的新型復測標架

（2）高速鐵路無砟軌道施工質量數字化管理技術

依托鐵路工程管理平臺，研發了移動端與網頁端逐軌枕復測信息系統，實現了全站儀、移動端、客戶端和網頁端的數據互聯互通，具有測量數據即測即得、實時分析、加密傳輸，消息報警等功能，方便了建設、施工和監理等單位的施工質量管理工作。

（3）基于無砟軌道復測數據的質量分析評估技術

在無砟軌道施工過程中，增加逐軌枕復測工序，全面獲取軌枕幾何形位數據。采用基于無砟軌道復測數據的質量分析評估技術，指導施工過程中工藝工法的改進，以及軌排框架變形分析與控制；對軌道平順性進行模擬計算和分析，將超出扣件限定調整量的軌枕予以處置，避免長鋼軌鋪設和應力放散鎖定后發生無砟道床返工情況。

5 實踐應用

復測系統已在張吉懷、商合杭（商丘—合肥—杭州）、漢十、京張等多條高速鐵路線路上開展應用。應用結果表明，逐軌枕復測模式和信息系統能夠及時發現“扣件不落槽”“空吊”等常見軌道缺陷，復測數據也能夠滿足長軌鋪設預調整的需要，經過軌道平順性模擬分析后進行長軌預調整，預精調效果明顯，復測系統的數據分析界面如圖5所示。

圖5 復測信息系統數據分析界面

在實際應用過程中，逐軌枕復測模式和系統提供的圖形化數據分析功能已展示了良好的實用價值，避免了采用軌道幾何狀態測量儀和軌排框架檢測方式的眾多缺點，通過分析研究復測數據，能夠找出施工質量缺陷，并及時反饋到現場，避免下一施工循環再次出現同類施工缺陷，提升無砟軌道鋪設質量。

（1）發現漏裝扣件。漏裝扣件和道釘扭力不足（或工具軌下有異物）導致單個承軌槽的高程出現較大偏差，在進行長軌精調時應注意順接，避免出現空吊。漏裝軌下墊板波形如圖6所示，圖中藍線表示橫向，紅線表示高程。

圖6 漏裝軌下墊板波形

（2）發現綜合性異常。工具軌軌頭變形，造成軌向、高低、超高的綜合性異常，鋪軌時長軌不易落槽，標準件不易安裝。綜合性異常如圖7所示。

圖7 綜合性異常

（3）發現軌排框架翹曲變形。CRTS雙塊式無砟軌道所用軌排框架，由于受重力、精調支撐力影響，易發生軌排框架的變形，因此，一般要求直線段10個作業循環，曲線段5個作業循環后，應進行軌排框架的調校。但在實際中，受工期和測量不便的影響，易發生圖8所示的軌排框架變形，導致軌距、超高出現區段式偏差，增大扣件使用量。

圖8 軌排框架翹曲變形

6 結束語

高速鐵路無砟軌道逐軌枕復測方法及系統能夠實現對無砟軌道施工精度檢查的全覆蓋，并直觀地反映了雙塊式無砟軌道施工精度，且可操作性強，效率高，規避了長軌鋪設后的道床施工重大質量問題。基于復測數據對軌道平順性模擬分析，進行長軌預精調試驗，有效降低了長軌精調階段的扣減更換率，提升了無砟軌道數字化建造和信息化管理水平。

加強無砟軌道施工精度的全面檢測，是發現各工序、各工種配合問題的關鍵，推進逐軌枕復測模式有助于施工質量的全面控制和分析，將逐軌枕復測納入無砟軌道施工工序，并通過信息系統處理與分析數據，是提升無砟軌道施工質量行之有效的辦法。