城市軌道交通綜合檢測系統(tǒng)

■ 趙延峰 孫淑杰 甄宇峰

城市軌道交通綜合檢測系統(tǒng)

■ 趙延峰 孫淑杰 甄宇峰

城軌綜合檢測車檢測系統(tǒng)采用慣性測量原理、機器視覺及激光掃描等非接觸測量技術，集軌道幾何及動態(tài)響應、接觸軌檢測、隧道限界檢測和輪軌監(jiān)視等功能于一體，并應用無線射頻技術（RFID）進行精確里程定位，可快速高效地對城軌交通軌道幾何、接觸軌狀態(tài)、隧道及線路周邊建筑進行檢測。可檢測項目包含軌道幾何的軌距、軌向、高低、水平、曲率、磨耗等，以及接觸軌導高、拉出值和隧道限界。城軌綜合檢測車經(jīng)靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)驗證，各系統(tǒng)檢測指標滿足檢測要求。

軌道交通；軌道幾何檢測；接觸軌檢測；限界檢測；慣性測量

城市軌道交通在近年來取得了快速發(fā)展，截至2014年9月，國內(nèi)已有22個城市投入運營線路全長2 677 km，還有40個城市正在建設60條線路約1 300 km[1]。軌道狀態(tài)和隧道及周邊建筑限界的檢查和維護是軌道安全運營的必要措施。城軌綜合檢測車是中國鐵道科學研究院專為城市軌道交通研制的集軌道幾何、接觸軌、隧道限界檢測和輪軌監(jiān)視于一體的綜合檢測設備，采用慣性測量、機器視覺及激光掃描等非接觸技術，測量準確、速度快、精度高，可以極大減少人工檢查和維護工作量。基于多年軌道檢測應用開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件，界面友好、功能完善，可方便高效地進行檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計、管理及報表打印，為地鐵軌道養(yǎng)護及維修決策提供科學依據(jù)。

1 總體設計

城市軌道綜合檢測系統(tǒng)設計安裝于標準軌距的軌道車上，由單節(jié)機車提供牽引動力，聯(lián)掛后可正反向運行和檢測。車內(nèi)空間一般劃分為設備操作室、會議室和司機室。設備操作室集中各檢測系統(tǒng)的設備操作和數(shù)據(jù)處理。會議室安裝有大屏幕顯示器，可切換顯示各系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)。車廂兩端為司機室，前端司機室設有操作臺，可在檢測車上進行與其聯(lián)掛機車的起動、調(diào)速、制動等操作和對整列車的實時監(jiān)控。檢測系統(tǒng)傳感設備主要安裝于車體下或轉(zhuǎn)向架端部檢測梁上，以及車輛尾端限界檢測模塊中。檢測車車下設有為檢測設備和空調(diào)機組提供電源的發(fā)電機，檢測系統(tǒng)本身配備不間斷電源（UPS），為設備提供穩(wěn)定電源。

城軌綜合檢測車系統(tǒng)設計按功能可分為五大模塊，即：軌道幾何及車體響應、接觸軌檢測、隧道限界檢測、輪軌監(jiān)視和精確里程定位。精確里程定位為其他模塊提供速度和里程，并提供采集觸發(fā)脈沖，軌道幾何為隧道限界提供車體修正數(shù)據(jù)，接觸軌檢測緊密依靠軌道幾何系統(tǒng)的鋼軌圖像數(shù)據(jù)。輪軌監(jiān)視可對車輪和軌道接觸點進行視頻圖像的錄制、存儲和檢索。

城軌綜合檢測車可檢測項目：

（1）軌道幾何包括軌距、左（右）軌向、左（右）高低、水平、三角坑、曲率、車體橫向加速度、車體垂向加速度、速度及地面標志。

（2）接觸軌包括左導高、右導高、左拉出值、右拉出值。

（3）隧道限界包括水平方向限界、垂直方向限界、側面限界 。

（4）輪軌監(jiān)視包括左右輪軌接觸點監(jiān)視。

2 檢測系統(tǒng)設計

2.1 軌道幾何與車體響應

軌道線路幾何狀態(tài)的穩(wěn)定是城市軌道交通安全運營的基礎。城軌綜合檢測車利用慣性測量原理和機器視覺技術，選用高幀頻工業(yè)面陣相機、紅外激光光源、高精度陀螺和加速度計等傳感器件，以及工業(yè)計算機和QNX實時操作系統(tǒng)，組成了對軌道幾何和車體響應實時測量的非接觸檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)主要由車下檢測梁、機柜內(nèi)信號調(diào)理模塊及工業(yè)計算機構成。檢測梁上分布了測量和響應軌道狀態(tài)的圖像采集設備和慣性元件；多臺工業(yè)計算機組成車內(nèi)局域網(wǎng)，對預處理的傳感器信號進行計算和統(tǒng)計，以及顯示和報表處理。系統(tǒng)結構見圖1。

檢測系統(tǒng)采用慣性測量原理，用安裝在檢測梁中部的慣性平臺建立測量基準。慣性平臺中的垂向和橫向加速度計建立了高低和軌向基準，側滾陀螺（ROLL）和搖頭陀螺（YAW）測量檢測量的轉(zhuǎn)動角速度，對高低和軌向信號進行修正。搖頭陀螺還用來測量曲線的曲率和半徑。車體響應包括橫向加速度和垂向加速度，由安裝在車廂內(nèi)的伺服加速度測得。

圖1 軌道幾何與車體響應的非接觸檢測系統(tǒng)結構

鋼軌相對檢測梁的位移用機器視覺-結構光測量方式測得。結構光激光在鋼軌表面投射一道均勻明亮的光帶，高幀頻相機采集圖像，經(jīng)濾波、圖像細化、質(zhì)心提取等處理后得到鋼軌輪廓的“骨架“圖像（見圖2），結合攝像機的標定參數(shù)，對鋼軌輪廓進行像素坐標到物理坐標的轉(zhuǎn)換，通過提取和計算軌距點、軌頂點，以及與標準鋼軌截面進行對比，得到軌距、磨耗等檢測項目[2]。車下每對激光器和相機都設計獨立密封的激光攝像組件安裝在檢測梁上，激光攝像組件易于拆裝，便于維護，檢測梁經(jīng)靜強度計算和動態(tài)疲勞測試，安全性能滿足車輛運行要求。

軌道檢測系統(tǒng)的檢測項目和檢測指標見表1。

2.2 接觸軌檢測

接觸軌和走行軌位置關系直接影響電客車的供電效率和運營安全，因此在測量走行軌軌道幾何狀態(tài)的同時，也需要測量接觸軌相對于同側走行軌的橫向和縱向位置關系，以及導高和拉出值，接觸軌導高和拉出值的測量同樣采用機器視覺-結構光方法。

圖2 軌道幾何鋼軌斷面圖像

表1 軌道檢測系統(tǒng)檢測項目及指標

接觸軌一般安裝在運行方向左側（在車場或特殊地段會出現(xiàn)在右側），為了方便上下行檢測，城軌綜合檢測車左右兩側都安裝有接觸軌激光攝像組件（見圖3），綜合檢測車的接觸軌檢測和軌道幾何檢測在系統(tǒng)設計上緊密結合，使結構簡潔緊湊。接觸軌檢測組件和軌距檢測的激光攝像組件安裝在同一檢測梁上，QNX實時處理計算機同時控制二者的采樣及合成計算；而在數(shù)據(jù)處理端軌道幾何和接觸軌設計為相互獨立的終端，工務和供電部門技術人員可同時進行超限編輯、報表打印和波形瀏覽。

圖3 城軌綜合檢測車接觸軌激光攝像組件

接觸軌一般安裝在運行方向左側。通過圖像處理和計算得到接觸軌鋼軌輪廓上特征點的相對位置，以及左側走行軌軌距點和軌頂點的測量數(shù)據(jù)，共同合成左接觸軌相對于相鄰走行軌的導高和拉出值（見圖4）。

接觸軌檢測系統(tǒng)檢測項目、測量范圍及測量精度見表2。

圖4 接觸軌斷面圖（左側）

軌道幾何及接觸軌的數(shù)據(jù)處理模塊基于Windows環(huán)境開發(fā)，主要分為波形瀏覽器、超限編輯及報表打印軟件，二者均可在檢測中實時操作或檢測后線下處理。波形瀏覽器以波形數(shù)據(jù)顯示各項目的檢測數(shù)據(jù)及原始傳感器數(shù)據(jù)，顯示通道可選，可瀏覽、測量、配置和打印，可以txt格式導出數(shù)據(jù)，方便第三方處理。波形圖的數(shù)據(jù)顯示通道、比例可由用戶調(diào)節(jié)。波形圖軟件具有歷史數(shù)據(jù)對比功能，用戶可對同一線路的2次檢測數(shù)據(jù)進行對比，可快速發(fā)現(xiàn)線路的變化。超限編輯及報表打印軟件可剔除數(shù)據(jù)中的干擾，對數(shù)據(jù)進行匯總并報表打印。

2.3 線路限界測量

限界檢測系統(tǒng)采用激光掃描的測量方法，安裝在車輛端部的測量模塊（見圖5）內(nèi)集成多臺可同步工作的激光掃描傳感器，同時設計有相應的供電、溫控、輔助補償和信號傳輸?shù)仍O備，可快速安裝或拆卸。線路限界檢測系統(tǒng)采用一體化結構設計，安裝方式靈活多樣，不受安裝平臺限制，既可在既有車輛上加裝，也可安裝在專用檢測車上，能夠在復雜外部環(huán)境下正常工作，具備測量精度高、測量速度快、運行可靠穩(wěn)定等優(yōu)點。限界檢測系統(tǒng)可在不影響正常運營秩序條件下對線路限界狀態(tài)進行自動化、智能化動態(tài)檢測，及時、準確掌握限界動態(tài)變化情況，及時消除安全隱患。

表2 接觸軌檢測指標

圖5 限界測量模塊安裝位置

測量數(shù)據(jù)以鋼軌頂面及軌道中心線為測量基準，經(jīng)實時疊加同時刻的速度、里程、修正補償?shù)刃畔⒑涂臻g坐標變換等數(shù)學計算，輸出基于軌道中心線的建筑物輪廓數(shù)據(jù)，以二維和三維方式實時顯示線路周邊建筑物輪廓（見圖6）；系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)預置的臺賬在線切換限界標準，自動輸出檢測數(shù)據(jù)信息和侵限數(shù)據(jù)，實現(xiàn)限界的動態(tài)分析。分析模塊還可對數(shù)據(jù)進行后端分析、處理、展示和報表生成，能夠以三維全息圖的方式形象展示線路兩側建筑物的實際輪廓（見圖7）。

限界測量的檢測指標見表3。

2.4 輪軌監(jiān)視系統(tǒng)

城軌綜合檢測車安裝了兩組輪軌接觸狀態(tài)監(jiān)視設備，通過車內(nèi)監(jiān)視器實時監(jiān)視車輛運行過程中車輪與軌道的真實接觸狀態(tài)，系統(tǒng)可在視頻圖像上疊加當前線路名、里程、速度等線路信息后并進行存儲。視頻分辨率為720×576，幀率25 fps，存儲容量為1 TB。存儲的視頻數(shù)據(jù)具備按里程或時間檢索的功能。系統(tǒng)安裝有光源，夜間也可正常進行。

圖6 二維和三維斷面輪廓

圖7 三維全息圖

表3 限界測量項目及指標

2.5 精確里程定位

對于軌道維護人員來說，提供檢測數(shù)據(jù)相應的準確現(xiàn)場位置是提高維護效率的關鍵，里程信息誤差越大，現(xiàn)場人員尋找病害的成本就越高。城軌綜合檢測車采用主備兩路高精度光電編碼器提供距離脈沖和采樣信號、RFID標簽提供精確校準信號的方式，定位精度小于1 m[3]。

城軌綜合檢測車采用RFID電子標簽對里程的累計誤差或長短鏈進行修正，電子標簽安裝在軌道中間，每5～6 km及長短鏈處安裝1塊，車輛駛過該里程點時，車底安裝的閱讀器會自動識別標簽信息，并實時計算出當前里程，發(fā)送給車內(nèi)各檢測系統(tǒng)進行里程同步校準。當線路里程信息因維修發(fā)生改變時，只需對車上數(shù)據(jù)庫相應里程進行更改，無需對地面標簽進行重新布點。

3 系統(tǒng)驗證與應用

3.1 軌道幾何及接觸軌實驗室標定

軌道幾何與接觸軌檢測系統(tǒng)安裝前在實驗室進行了系統(tǒng)驗證（見圖8），檢測設備安裝在6自由度高精度振動臺上，根據(jù)檢測系統(tǒng)的標定技術要求[4]，振動臺按照一定頻率和振幅做橫向和縱向運動及角度側滾，模擬檢測梁在檢測情況下的振動，系統(tǒng)安裝后進行了整車標定，標定數(shù)據(jù)滿足檢修系統(tǒng)要求[5]。

圖8 檢測系統(tǒng)實驗室驗證

3.2 軌道幾何及接觸軌動態(tài)驗證

城軌綜合檢測車于2014年7—8月在無錫地鐵進行重復性測試，2次數(shù)據(jù)間隔為1個月，圖9、圖10分別為軌道幾何項目和接觸軌項目2次對比中1 km數(shù)據(jù)的波形圖，圖中當前的波形數(shù)據(jù)完全覆蓋了歷史數(shù)據(jù)，重復度很高。在剔除速度低于18 km/h以下數(shù)據(jù)輸出截止的影響，選取對比5 km約40 000個采樣數(shù)據(jù)，各檢測項目的重復性指標都大于95．6%，滿足檢測系統(tǒng)的重復性要求。

接觸軌檢測系統(tǒng)在無錫地鐵現(xiàn)場對檢測結果進行人工驗證，方法為選取幾段系統(tǒng)檢測的超限數(shù)據(jù)，用接觸軌檢測尺進行復核。手工測量和系統(tǒng)導出的結果都導入Excel進行對比（見圖11），考慮到手工測量的誤差和測量間距的不同，二者的檢測結果非常接近。

圖9 軌道幾何重復性波形圖

圖10 接觸軌重復性波形圖

3.3 線路限界動態(tài)驗證

線路限界的動態(tài)驗證方法：在無錫地鐵西璋車輛段試車線上道床一側人為設置標志物，模擬侵限，城軌綜合檢測車在試車線上進行多次往返，限界檢測系統(tǒng)在運行過程中對侵限標志物進行測量，并將其與人工測量標志物與線路中心線的距離進行對比驗證。表4為試車線現(xiàn)場記錄的數(shù)據(jù)及對比分析結果。

現(xiàn)場侵限見圖12。

試驗中的模擬侵限標志物的位置均能準確檢測到，從表中可以看到偏差值最大為16 mm，最小為2 mm，滿足系統(tǒng)技術指標±20 mm的技術要求。

圖11 接觸軌人工測量與系統(tǒng)測量對比

表4 限界動態(tài)比較數(shù)據(jù) mm

圖12 現(xiàn)場侵限圖

4 結束語

快速發(fā)展的城市軌道交通需要用科技手段保障其運營的安全和效率。城軌綜合檢測車的車載動態(tài)軌道檢測設備經(jīng)數(shù)次動靜態(tài)調(diào)試標定及現(xiàn)場驗收，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，檢測項目和指標滿足檢測要求，可為監(jiān)控軌道、接觸軌運行狀態(tài)及檢測沿線建筑限界提供有力技術支持。地鐵運營方可根據(jù)城軌綜合檢測車提供的數(shù)據(jù)，綜合評價軌道質(zhì)量，合理安排養(yǎng)護維修，從而高效、科學地提高軌道質(zhì)量。

[1] 趙瑞華．我國軌道交通的安全監(jiān)督與管理[C]//第十一屆世界軌道交通發(fā)展研究會年會暨2014中國軌道車輛技術與裝備交流大會．北京，2014．

[2] 王昊．高速軌道檢測圖像處理技術[J]．鐵路技術創(chuàng)新，2012(1)：35-37．

[3] 王登陽，楊超．高速綜合檢測時空同步技術[J]．鐵路技術創(chuàng)新，2012(1)：16-19．

[4] GB/T 25021—2010 軌道檢查車[S]．

[5] 趙延峰．無錫地鐵綜合檢測車軌道幾何系統(tǒng)檢定報告[R]．北京，2014．

趙延峰：中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，助理研究員，北京，100081

孫淑杰：中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，助理研究員，北京，100081

甄宇峰：中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，工程師，北京，100081

責任編輯 高紅義

U298

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1672-061X（2015）04-0083-06