城市軌道交通綜合檢測(cè)系統(tǒng)

■ 趙延峰 孫淑杰 甄宇峰

城市軌道交通綜合檢測(cè)系統(tǒng)

■ 趙延峰 孫淑杰 甄宇峰

城軌綜合檢測(cè)車檢測(cè)系統(tǒng)采用慣性測(cè)量原理、機(jī)器視覺(jué)及激光掃描等非接觸測(cè)量技術(shù)，集軌道幾何及動(dòng)態(tài)響應(yīng)、接觸軌檢測(cè)、隧道限界檢測(cè)和輪軌監(jiān)視等功能于一體，并應(yīng)用無(wú)線射頻技術(shù)（RFID）進(jìn)行精確里程定位，可快速高效地對(duì)城軌交通軌道幾何、接觸軌狀態(tài)、隧道及線路周邊建筑進(jìn)行檢測(cè)。可檢測(cè)項(xiàng)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(dǎo)高、拉出值和隧道限界。城軌綜合檢測(cè)車經(jīng)靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)驗(yàn)證，各系統(tǒng)檢測(cè)指標(biāo)滿足檢測(cè)要求。

軌道交通；軌道幾何檢測(cè)；接觸軌檢測(cè)；限界檢測(cè)；慣性測(cè)量

城市軌道交通在近年來(lái)取得了快速發(fā)展，截至2014年9月，國(guó)內(nèi)已有22個(gè)城市投入運(yùn)營(yíng)線路全長(zhǎng)2 677 km，還有40個(gè)城市正在建設(shè)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(hù)是軌道安全運(yùn)營(yíng)的必要措施。城軌綜合檢測(cè)車是中國(guó)鐵道科學(xué)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(cè)和輪軌監(jiān)視于一體的綜合檢測(cè)設(shè)備，采用慣性測(cè)量、機(jī)器視覺(jué)及激光掃描等非接觸技術(shù)，測(cè)量準(zhǔn)確、速度快、精度高，可以極大減少人工檢查和維護(hù)工作量。基于多年軌道檢測(cè)應(yīng)用開(kāi)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(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、管理及報(bào)表打印，為地鐵軌道養(yǎng)護(hù)及維修決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 總體設(shè)計(jì)

城市軌道綜合檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝于標(biāo)準(zhǔn)軌距的軌道車上，由單節(jié)機(jī)車提供牽引動(dòng)力，聯(lián)掛后可正反向運(yùn)行和檢測(cè)。車內(nèi)空間一般劃分為設(shè)備操作室、會(huì)議室和司機(jī)室。設(shè)備操作室集中各檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備操作和數(shù)據(jù)處理。會(huì)議室安裝有大屏幕顯示器，可切換顯示各系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。車廂兩端為司機(jī)室，前端司機(jī)室設(shè)有操作臺(tái)，可在檢測(cè)車上進(jìn)行與其聯(lián)掛機(jī)車的起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等操作和對(duì)整列車的實(shí)時(shí)監(jiān)控。檢測(cè)系統(tǒng)傳感設(shè)備主要安裝于車體下或轉(zhuǎn)向架端部檢測(cè)梁上，以及車輛尾端限界檢測(cè)模塊中。檢測(cè)車車下設(shè)有為檢測(cè)設(shè)備和空調(diào)機(jī)組提供電源的發(fā)電機(jī)，檢測(cè)系統(tǒng)本身配備不間斷電源（UPS），為設(shè)備提供穩(wěn)定電源。

城軌綜合檢測(cè)車系統(tǒng)設(shè)計(jì)按功能可分為五大模塊，即：軌道幾何及車體響應(yīng)、接觸軌檢測(cè)、隧道限界檢測(cè)、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(cè)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(duì)車輪和軌道接觸點(diǎn)進(jìn)行視頻圖像的錄制、存儲(chǔ)和檢索。

城軌綜合檢測(cè)車可檢測(cè)項(xiàng)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(biāo)志。

（2）接觸軌包括左導(dǎo)高、右導(dǎo)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(cè)面限界 。

（4）輪軌監(jiān)視包括左右輪軌接觸點(diǎn)監(jiān)視。

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軌道幾何與車體響應(yīng)

軌道線路幾何狀態(tài)的穩(wěn)定是城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)。城軌綜合檢測(cè)車?yán)脩T性測(cè)量原理和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，選用高幀頻工業(yè)面陣相機(jī)、紅外激光光源、高精度陀螺和加速度計(jì)等傳感器件，以及工業(yè)計(jì)算機(jī)和QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，組成了對(duì)軌道幾何和車體響應(yīng)實(shí)時(shí)測(cè)量的非接觸檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)主要由車下檢測(cè)梁、機(jī)柜內(nèi)信號(hào)調(diào)理模塊及工業(yè)計(jì)算機(jī)構(gòu)成。檢測(cè)梁上分布了測(cè)量和響應(yīng)軌道狀態(tài)的圖像采集設(shè)備和慣性元件；多臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)組成車內(nèi)局域網(wǎng)，對(duì)預(yù)處理的傳感器信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，以及顯示和報(bào)表處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

檢測(cè)系統(tǒng)采用慣性測(cè)量原理，用安裝在檢測(cè)梁中部的慣性平臺(tái)建立測(cè)量基準(zhǔn)。慣性平臺(tái)中的垂向和橫向加速度計(jì)建立了高低和軌向基準(zhǔn)，側(cè)滾陀螺（ROLL）和搖頭陀螺（YAW）測(cè)量檢測(cè)量的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，對(duì)高低和軌向信號(hào)進(jìn)行修正。搖頭陀螺還用來(lái)測(cè)量曲線的曲率和半徑。車體響應(yīng)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(cè)得。

圖1 軌道幾何與車體響應(yīng)的非接觸檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鋼軌相對(duì)檢測(cè)梁的位移用機(jī)器視覺(jué)-結(jié)構(gòu)光測(cè)量方式測(cè)得。結(jié)構(gòu)光激光在鋼軌表面投射一道均勻明亮的光帶，高幀頻相機(jī)采集圖像，經(jīng)濾波、圖像細(xì)化、質(zhì)心提取等處理后得到鋼軌輪廓的“骨架“圖像（見(jiàn)圖2），結(jié)合攝像機(jī)的標(biāo)定參數(shù)，對(duì)鋼軌輪廓進(jìn)行像素坐標(biāo)到物理坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)提取和計(jì)算軌距點(diǎn)、軌頂點(diǎn)，以及與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌截面進(jìn)行對(duì)比，得到軌距、磨耗等檢測(cè)項(xiàng)目[2]。車下每對(duì)激光器和相機(jī)都設(shè)計(jì)獨(dú)立密封的激光攝像組件安裝在檢測(cè)梁上，激光攝像組件易于拆裝，便于維護(hù)，檢測(cè)梁經(jīng)靜強(qiáng)度計(jì)算和動(dòng)態(tài)疲勞測(cè)試，安全性能滿足車輛運(yùn)行要求。

軌道檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表1。

2.2 接觸軌檢測(cè)

接觸軌和走行軌位置關(guān)系直接影響電客車的供電效率和運(yùn)營(yíng)安全，因此在測(cè)量走行軌軌道幾何狀態(tài)的同時(shí)，也需要測(cè)量接觸軌相對(duì)于同側(cè)走行軌的橫向和縱向位置關(guān)系，以及導(dǎo)高和拉出值，接觸軌導(dǎo)高和拉出值的測(cè)量同樣采用機(jī)器視覺(jué)-結(jié)構(gòu)光方法。

圖2 軌道幾何鋼軌斷面圖像

表1 軌道檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目及指標(biāo)

接觸軌一般安裝在運(yùn)行方向左側(cè)（在車場(chǎng)或特殊地段會(huì)出現(xiàn)在右側(cè)），為了方便上下行檢測(cè)，城軌綜合檢測(cè)車左右兩側(cè)都安裝有接觸軌激光攝像組件（見(jiàn)圖3），綜合檢測(cè)車的接觸軌檢測(cè)和軌道幾何檢測(cè)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上緊密結(jié)合，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊。接觸軌檢測(cè)組件和軌距檢測(cè)的激光攝像組件安裝在同一檢測(cè)梁上，QNX實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)同時(shí)控制二者的采樣及合成計(jì)算；而在數(shù)據(jù)處理端軌道幾何和接觸軌設(shè)計(jì)為相互獨(dú)立的終端，工務(wù)和供電部門技術(shù)人員可同時(shí)進(jìn)行超限編輯、報(bào)表打印和波形瀏覽。

圖3 城軌綜合檢測(cè)車接觸軌激光攝像組件

接觸軌一般安裝在運(yùn)行方向左側(cè)。通過(guò)圖像處理和計(jì)算得到接觸軌鋼軌輪廓上特征點(diǎn)的相對(duì)位置，以及左側(cè)走行軌軌距點(diǎn)和軌頂點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，共同合成左接觸軌相對(duì)于相鄰走行軌的導(dǎo)高和拉出值（見(jiàn)圖4）。

接觸軌檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目、測(cè)量范圍及測(cè)量精度見(jiàn)表2。

圖4 接觸軌斷面圖（左側(cè)）

軌道幾何及接觸軌的數(shù)據(jù)處理模塊基于Windows環(huán)境開(kāi)發(fā)，主要分為波形瀏覽器、超限編輯及報(bào)表打印軟件，二者均可在檢測(cè)中實(shí)時(shí)操作或檢測(cè)后線下處理。波形瀏覽器以波形數(shù)據(jù)顯示各項(xiàng)目的檢測(cè)數(shù)據(jù)及原始傳感器數(shù)據(jù)，顯示通道可選，可瀏覽、測(cè)量、配置和打印，可以txt格式導(dǎo)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(duì)比功能，用戶可對(duì)同一線路的2次檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可快速發(fā)現(xiàn)線路的變化。超限編輯及報(bào)表打印軟件可剔除數(shù)據(jù)中的干擾，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并報(bào)表打印。

2.3 線路限界測(cè)量

限界檢測(cè)系統(tǒng)采用激光掃描的測(cè)量方法，安裝在車輛端部的測(cè)量模塊（見(jiàn)圖5）內(nèi)集成多臺(tái)可同步工作的激光掃描傳感器，同時(shí)設(shè)計(jì)有相應(yīng)的供電、溫控、輔助補(bǔ)償和信號(hào)傳輸?shù)仍O(shè)備，可快速安裝或拆卸。線路限界檢測(cè)系統(tǒng)采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝方式靈活多樣，不受安裝平臺(tái)限制，既可在既有車輛上加裝，也可安裝在專用檢測(cè)車上，能夠在復(fù)雜外部環(huán)境下正常工作，具備測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、運(yùn)行可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。限界檢測(cè)系統(tǒng)可在不影響正常運(yùn)營(yíng)秩序條件下對(duì)線路限界狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)化、智能化動(dòng)態(tài)檢測(cè)，及時(shí)、準(zhǔn)確掌握限界動(dòng)態(tài)變化情況，及時(shí)消除安全隱患。

表2 接觸軌檢測(cè)指標(biāo)

圖5 限界測(cè)量模塊安裝位置

測(cè)量數(shù)據(jù)以鋼軌頂面及軌道中心線為測(cè)量基準(zhǔn)，經(jīng)實(shí)時(shí)疊加同時(shí)刻的速度、里程、修正補(bǔ)償?shù)刃畔⒑涂臻g坐標(biāo)變換等數(shù)學(xué)計(jì)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(shí)時(shí)顯示線路周邊建筑物輪廓（見(jiàn)圖6）；系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)預(yù)置的臺(tái)賬在線切換限界標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)輸出檢測(cè)數(shù)據(jù)信息和侵限數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)限界的動(dòng)態(tài)分析。分析模塊還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后端分析、處理、展示和報(bào)表生成，能夠以三維全息圖的方式形象展示線路兩側(cè)建筑物的實(shí)際輪廓（見(jiàn)圖7）。

限界測(cè)量的檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表3。

2.4 輪軌監(jiān)視系統(tǒng)

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

圖6 二維和三維斷面輪廓

圖7 三維全息圖

表3 限界測(cè)量項(xiàng)目及指標(biāo)

2.5 精確里程定位

對(duì)于軌道維護(hù)人員來(lái)說(shuō)，提供檢測(cè)數(shù)據(jù)相應(yīng)的準(zhǔn)確現(xiàn)場(chǎng)位置是提高維護(hù)效率的關(guān)鍵，里程信息誤差越大，現(xiàn)場(chǎng)人員尋找病害的成本就越高。城軌綜合檢測(cè)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(hào)、RFID標(biāo)簽提供精確校準(zhǔn)信號(hào)的方式，定位精度小于1 m[3]。

城軌綜合檢測(cè)車采用RFID電子標(biāo)簽對(duì)里程的累計(jì)誤差或長(zhǎng)短鏈進(jìn)行修正，電子標(biāo)簽安裝在軌道中間，每5～6 km及長(zhǎng)短鏈處安裝1塊，車輛駛過(guò)該里程點(diǎn)時(shí)，車底安裝的閱讀器會(huì)自動(dòng)識(shí)別標(biāo)簽信息，并實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前里程，發(fā)送給車內(nèi)各檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行里程同步校準(zhǔn)。當(dāng)線路里程信息因維修發(fā)生改變時(shí)，只需對(duì)車上數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)里程進(jìn)行更改，無(wú)需對(duì)地面標(biāo)簽進(jìn)行重新布點(diǎn)。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證與應(yīng)用

3.1 軌道幾何及接觸軌實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定

軌道幾何與接觸軌檢測(cè)系統(tǒng)安裝前在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證（見(jiàn)圖8），檢測(cè)設(shè)備安裝在6自由度高精度振動(dòng)臺(tái)上，根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定技術(shù)要求[4]，振動(dòng)臺(tái)按照一定頻率和振幅做橫向和縱向運(yùn)動(dòng)及角度側(cè)滾，模擬檢測(cè)梁在檢測(cè)情況下的振動(dòng)，系統(tǒng)安裝后進(jìn)行了整車標(biāo)定，標(biāo)定數(shù)據(jù)滿足檢修系統(tǒng)要求[5]。

圖8 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

3.2 軌道幾何及接觸軌動(dòng)態(tài)驗(yàn)證

城軌綜合檢測(cè)車于2014年7—8月在無(wú)錫地鐵進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，2次數(shù)據(jù)間隔為1個(gè)月，圖9、圖10分別為軌道幾何項(xiàng)目和接觸軌項(xiàng)目2次對(duì)比中1 km數(shù)據(jù)的波形圖，圖中當(dāng)前的波形數(shù)據(jù)完全覆蓋了歷史數(shù)據(jù)，重復(fù)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(duì)比5 km約40 000個(gè)采樣數(shù)據(jù)，各檢測(cè)項(xiàng)目的重復(fù)性指標(biāo)都大于95．6%，滿足檢測(cè)系統(tǒng)的重復(fù)性要求。

接觸軌檢測(cè)系統(tǒng)在無(wú)錫地鐵現(xiàn)場(chǎng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行人工驗(yàn)證，方法為選取幾段系統(tǒng)檢測(cè)的超限數(shù)據(jù)，用接觸軌檢測(cè)尺進(jìn)行復(fù)核。手工測(cè)量和系統(tǒng)導(dǎo)出的結(jié)果都導(dǎo)入Excel進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖11），考慮到手工測(cè)量的誤差和測(cè)量間距的不同，二者的檢測(cè)結(jié)果非常接近。

圖9 軌道幾何重復(fù)性波形圖

圖10 接觸軌重復(fù)性波形圖

3.3 線路限界動(dòng)態(tài)驗(yàn)證

線路限界的動(dòng)態(tài)驗(yàn)證方法：在無(wú)錫地鐵西璋車輛段試車線上道床一側(cè)人為設(shè)置標(biāo)志物，模擬侵限，城軌綜合檢測(cè)車在試車線上進(jìn)行多次往返，限界檢測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)侵限標(biāo)志物進(jìn)行測(cè)量，并將其與人工測(cè)量標(biāo)志物與線路中心線的距離進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。表4為試車線現(xiàn)場(chǎng)記錄的數(shù)據(jù)及對(duì)比分析結(jié)果。

現(xiàn)場(chǎng)侵限見(jiàn)圖12。

試驗(yàn)中的模擬侵限標(biāo)志物的位置均能準(zhǔn)確檢測(cè)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(shù)指標(biāo)±20 mm的技術(shù)要求。

圖11 接觸軌人工測(cè)量與系統(tǒng)測(cè)量對(duì)比

表4 限界動(dòng)態(tài)比較數(shù)據(jù) mm

圖12 現(xiàn)場(chǎng)侵限圖

4 結(jié)束語(yǔ)

快速發(fā)展的城市軌道交通需要用科技手段保障其運(yùn)營(yíng)的安全和效率。城軌綜合檢測(cè)車的車載動(dòng)態(tài)軌道檢測(cè)設(shè)備經(jīng)數(shù)次動(dòng)靜態(tài)調(diào)試標(biāo)定及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，檢測(cè)項(xiàng)目和指標(biāo)滿足檢測(cè)要求，可為監(jiān)控軌道、接觸軌運(yùn)行狀態(tài)及檢測(cè)沿線建筑限界提供有力技術(shù)支持。地鐵運(yùn)營(yíng)方可根據(jù)城軌綜合檢測(cè)車提供的數(shù)據(jù)，綜合評(píng)價(jià)軌道質(zhì)量，合理安排養(yǎng)護(hù)維修，從而高效、科學(xué)地提高軌道質(zhì)量。

[1] 趙瑞華．我國(guó)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(huì)年會(huì)暨2014中國(guó)軌道車輛技術(shù)與裝備交流大會(huì)．北京，2014．

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

[3] 王登陽(yáng)，楊超．高速綜合檢測(cè)時(shí)空同步技術(shù)[J]．鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2012(1)：16-19．

[4] GB/T 25021—2010 軌道檢查車[S]．

[5] 趙延峰．無(wú)錫地鐵綜合檢測(cè)車軌道幾何系統(tǒng)檢定報(bào)告[R]．北京，2014．

趙延峰：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，助理研究員，北京，100081

孫淑杰：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，助理研究員，北京，100081

甄宇峰：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，工程師，北京，100081

責(zé)任編輯 高紅義

U298

A

1672-061X（2015）04-0083-06