GJ-6型軌道檢測系統

魏世斌，劉伶萍，趙延峰，李 穎，王 昊

(中國鐵道科學研究院 基礎設施檢測研究所，北京 100081)

我國的軌道檢測技術經歷過5次重大飛躍[1]。目前較廣泛使用的軌道檢測設備是第4代和第5代產品，即 GJ-4 型[2-4]和 GJ-5 型軌道檢測系統[5]。為滿足提速線路和高速線路軌道檢測的需要，研發了GJ-6型軌道檢測系統。

GJ-4型和GJ-5型軌道檢測系統各有優缺點。GJ-4型軌道檢測系統采用了捷聯式系統結構，檢測信號利用率高，傳感器安裝方便;基于實時操作系統的檢測軟件較好地解決了空間采樣控制和各項目的同步問題。最高檢測速度為160 km/h。但GJ-4型軌檢車軸箱式的軌檢梁在速度較高時受到劇烈的振動和沖擊，容易出現疲勞損傷，造成安全隱患，且傳感器較易損壞，降低了系統的可靠性[6]。

GJ-5型軌道檢測系統是我國在引進國外先進技術的基礎上集成開發的檢測設備，最高檢測速度200 km/h，采用激光攝像測量技術，通過對鋼軌斷面輪廓圖像的處理獲得鋼軌橫向和縱向位移，再結合慣性器件的輸出信號計算軌道幾何參數。GJ-5型軌道檢測系統存在精度不夠高、標定困難、易受陽光干擾等缺點，不適應高速鐵路軌道檢測的需要。

新研制的GJ-6型軌道檢測系統摒棄了不安全的懸掛方式，去掉了伺服機構等移動部件，采用激光攝像式的軌道檢測技術，克服了陽光干擾，采用數字圖像技術，提高檢測精度，同時探索出新的標定方法，采用實時控制技術，能夠實現里程精確定位。

1 GJ-6型軌道檢測系統的組成

GJ-6型軌道檢測系統主要由激光攝像組件、慣性測量組件、信號處理組件、數據處理組件、里程定位組件和機械懸掛裝置等六部分組成，如圖1所示。軌道檢測系統使用計算機集中處理全部檢測項目數據，檢測項目齊全，包括軌距、軌向、高低、水平、曲率、三角坑等軌道幾何不平順，以及車體水平和垂直振動加速度，還包括道岔、道口及橋梁等地面具有顯著特征的標志物，方便工務人員查找病害。

圖1 軌道幾何狀態檢測系統構成示意

GJ-6型軌道檢測系統將攝像組件、自動位置探測器和慣性組件安裝在同一個檢測梁內，這個檢測梁安裝在車輛的轉向架上，如圖2所示。檢測梁屬剛性結構，上述傳感器都在同一剛體上，慣性傳感器跟蹤梁的空間運動，然后參照激光光學傳感器所探測的鋼軌位置數據，解算軌道集合參數。檢測梁材質堅硬，確保所有傳感器相互之間牢固固定，且每個傳感器自身具備抗沖擊能力。檢測梁的設計充分考慮了在線路惡劣環境下如何保護所有的傳感器和線纜，為了維修方便，檢測梁設計了可以方便打開的蓋子，從梁到車體的布線通過柔性套管外加不銹鋼護管保護。在安裝及連接環節考慮安全余量，設計多級安全保護。

圖2 GJ-6型軌道檢測系統軌檢梁及懸掛裝置

2 激光攝像組件

激光攝像組件是GJ-6型軌道檢測系統的重要組成部分，主要包含激光器、攝像機、溫控系統、光學系統等關鍵部件。通過對視覺圖像的處理，得到鋼軌輪廓，進而可以得到鋼軌相對于測量坐標系的橫向、垂向位置，如圖3所示。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量軌向和高低的重要分量。

圖3 激光攝像組件和軌道的空間關系

以軌檢梁的中心點為原點建立坐標系xoyoz，則激光平面的方程可表示為

根據攝影檢測理論的共線方程，可以推導出鋼軌斷面上任一點(物點)坐標(x，y)與對應的像點坐標(X，Y)之間的關系

參數 a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2稱為攝像機的隱參數。最少只需要4個物點的坐標及其對應的4個像點的坐標就可以直接解出式(2)中的8個隱參數。但通常為了提高檢測精度，需要更多的物點像點對。如果物點像點對的數目＞4，則可用最小二乘法解出8個隱參數。圖像處理過程如圖4所示。

圖4 鋼軌斷面圖像處理過程

激光攝像組件的標定是整個系統的重要環節，用激光攝像標定儀獲取檢測參數，首先軌距檢測標定使用電控位移臺精確控制鋼軌移動，進行實驗室驗證。使用電控位移臺精確控制鋼軌移動，每次以固定間距移動，記錄對應的軌檢系統單邊軌距測量值。進行誤差分析，使用電控位移臺精確控制鋼軌的移動，同時使用激光攝像組件測量單邊軌距的變化。當電控位移臺控制鋼軌位移量分別是1 mm，2 mm，3 mm時，檢測系統測得的單邊軌距的變化量也應是1 mm，2 mm，3 mm，據此可分析檢測系統的軌距測量精度，確保軌距的測量精度在±0.5 mm以內。如達不到精度要求則需重新標定激光攝像檢測參數，直到滿足要求為止。在調試現場，采用便攜針式標定板的方式標定激光攝像檢測參數，這樣可以在保證標定參數準確的情況下，對軌距系統進行快速標定，如圖5所示。

3 慣性測量和信號處理組件

圖5 激光攝像檢測參數現場標定裝置

慣性測量組件主要由陀螺平臺(稱為CAS)、左高低加速度計(稱為 LACC)、右高低加速度計(稱為RACC)、軌向加速度計(稱為 ALGN)、慣性組件(稱為INU)等慣性器件組合而成，傳感器安裝位置如圖6所示。慣性測量組件主要功能是采集檢測梁、車體的滾動和搖頭角速度、傾角、垂向和橫向加速度，用于建立軌道檢測的慣性基準。信號處理組件包括模擬信號處理組件和數字信號處理組件兩部分，對慣性測量部件輸出的信號進行濾波、補償、修正、合成計算，輸出軌道幾何參數滿足軌向、高低、水平(超高)、三角坑、曲率等參數的測量要求。

GJ-6型軌道檢測系統采用光電式位移傳感器取代原有拉弦式位移計作為高低、水平、三角坑等參數的合成計算，它克服了拉弦式位移計弦線易斷、維護量大的缺點，得到了良好的應用效果。

圖6 傳感器安裝位置示意(車體底板俯視示意)

4 軟件設計和數據處理流程

數據處理組件是由數據庫服務器、實時處理計算機、數據應用計算機、網絡打印機、交換機等設備組成車載局域網系統。實時處理計算機實現了傳感器原始信號的實時采集和處理，自動完成數據的修正、濾波和軌道幾何參數的合成，在計算機屏幕上實時顯示幾何參數波形圖和里程、速度等信息，其軟件處理流程如圖7所示。

圖7 軟件功能模塊及數據流程

實時檢測數據通過網絡將軌檢數據傳送給數據庫服務器。數據庫服務器是數據存貯和分析的核心，在軌道檢測車上利用安裝Windows2003 Server網絡操作系統和SQL Server 2005數據庫管理系統平臺建立數據庫。軌道檢測車上的軌檢數據通過網絡傳送給數據庫服務器，存放在數據庫中的數據有軌道幾何超限數據、軌道幾何波形數據等。

存儲的所有軌檢數據供工作站應用程序調用，并可摘取超過標準的檢測項目的峰值、長度和位置，還能對超限處所進行編輯整理，并輸出超限報告表。

5 射頻識別定位技術

GJ-6型軌道檢測系統的里程定位采用RFID，即射頻識別技術，輔以高精度光電編碼器進行修正，實現線路特征點的精確定位。具體實現方法如下:在需要識別的地面線路特征點預設工業級高速射頻卡，每一個射頻卡都有一個全球唯一的卡號;在軌檢車上安裝高速閱讀器，當列車以一定速度通過射頻卡時，識別出射頻卡的卡號，將這個卡號與數據庫中的信息進行比對，識別出卡號對應的里程信息和線路特征點信息，并將此信息發送到軌道幾何檢測系統中進行存儲、顯示。同時為了達到精確定位的目的，采用高精度的軸頭光電編碼器，精確計算列車行駛速度，結合系統延時，對RFID定位系統進行修正。系統示意如圖8。

圖8 RFID精確定位流程

6 GJ-6型軌道檢測系統試驗驗證

為了驗證檢測系統的性能，利用安裝在CHR380A-001上的GJ-6型軌道檢測系統，在高速試驗線上行線K729+000至K757+561預設軌道不平順8類37處，主要包括連續三波高低不平順2處、連續三波軌向不平順2處、復合不平順6處、高低4處、軌向4處、軌距10處、水平5處、三角坑4處。

GJ-6型軌道檢測系統共采集了100～400 km/h速度等級的數據。檢測參數包括高低、軌向、軌距、水平、三角坑、高低120 m、軌向120 m、軌距變化率、車體橫向加速度、車體垂向加速度等項目。通過65次往返檢測結果，取2倍標準差即置信概率95%的統計結果得出:

1)高低檢測項目2倍標準差最大值為0.6 mm×2=1.2 mm，滿足高低準確度技術指標≤1.5 mm的要求。

2)軌向檢測項目2倍標準差最大值為0.4 mm×2=0.8 mm，滿足軌向準確度技術指標≤1.5 mm的要求。

3)軌距檢測項目2倍標準差最大值為0.50 mm×2=1.0 mm，滿足軌距準確度技術指標≤1.0 mm的要求。

4)水平檢測項目2倍標準差最大值為0.6 mm×2=1.2 mm，滿足水平準確度技術指標≤1.5 mm的要求。

5)三角坑檢測項目2倍標準差最大值為0.5 mm×2=1.0 mm，滿足三角坑準確度技術指標≤1.5 mm的要求。

因此可以得出結論，檢測系統準確度技術指標滿足設計要求。

試驗還驗證了高低、軌向、軌距、三角坑、水平等各檢測項目第95百分位數和最大偏差值均滿足重復性技術指標的要求，即GJ-6型軌道檢測系統自身具有良好重復性。

7 GJ-6型軌道檢測系統創新點

1)采用激光攝像檢測技術。使用數字攝像機、數字信號傳輸、數字圖像處理等數字技術手段，避免了模擬圖像傳輸和采集過程引起的干擾;圖像采集和處理速度超過450幀/s，滿足400 km/h的檢測需要，超過現有任何軌道檢測系統的處理速度;通過改進算法、提高元器件性能等方法，抗陽光干擾能力大大提高。

2)軌道檢測算法。成功開發了軌檢梁安裝在車體上的軌道檢測數學模型;成功開發了軌檢梁安裝在構架上、部分傳感器安裝在車體上、部分傳感器安裝在軌檢梁上的軌道檢測數學模型。

3)機械懸掛方式。根據不同類型的車輛的轉向架結構，創新設計了多種組件懸掛方式，使得軌檢系統可廣泛安裝于各種車輛，包括 CRH380A-001、CRH380B-002、CRH2-150C、CRH2-061C 等綜 合 檢測車，以及其它普通車輛。

4)長波不平順檢測。軌道檢測輸出有兩種形式:空間曲線輸出和弦測輸出。空間曲線有三種截止波長:高低不平順的截止波長分別是25 m，70 m，150 m;軌向不平順的截止波長分別是25 m，70 m，200 m。弦測輸出可以選擇10 m弦、20 m弦等。

5)傳感器技術。使用光纖陀螺代替機械陀螺，使用光電位移計代替拉弦位移計，在高速綜合檢測車CRH380A-001，CRH380B-002，CRH2-150C，CRH2-061C上試驗成功，徹底解決綜合檢測列車上位移計易損壞的問題。使用慣性組件代替分布式傳感器，通過CAN總線方式采集數據，進一步提高了系統的精度和可靠性。

8 結論

GJ-6型軌道檢測系統融合了圖像處理、模數混合濾波、實時控制、FRID里程定位等多方面的的技術，在CRH380A-001、CRH380B-002、CRH2-150C、CRH2-061C等綜合檢測列車上得到應用和檢驗，CRH380B-002最高檢測速度已達400 km/h。經過試驗驗證，GJ-6型軌道檢測系統在準確性、重復性、一致性、軌檢梁安全性等方面都滿足有關的技術指標和參考標準，必將在高速綜合檢測列車和其他普通軌檢車上得到廣泛應用。

[1]陳東生，田新宇，劉維楨，等.鐵路軌道檢測的現狀及發展[C]∥軌道交通建設與運營安全研討會.2008:191-198.

[2]柴東明，劉伶萍，杜鶴亭，等.GJ-4型軌檢車的檢測原理[J].鐵道建筑，1999(12):32-34.

[3]徐旭宇，魏世斌.GJ-4型軌檢車的檢測系統[J].鐵道建筑，2000(3):33-35.

[4]趙鋼，劉維楨，陳東生，等.GJ-5型軌檢車軟件的自主開發[J].鐵道建筑，2004(12):45-46.

[5]中華人民共和國鐵道部.工機[1997]27號 關于加強軌檢車軌距吊梁檢修管理工作的通知[S].北京:中華人民共和國鐵道部，1997.

[6]張祖勛，張劍清.數字攝影測量學[M].武漢:武漢大學出版社，1997.