ZXJ-160型綜合巡檢車檢測裝置試驗方案設計及實施

方火根 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

ZXJ-160型綜合巡檢車（以下簡稱：綜合巡檢車）經過了課題方案研究編制和評審、樣車設計制造、調試試驗、試驗評審等階段研制過程，2018年樣車分別在西安、上海局集團公司通過了國家鐵路產品質檢中心、鐵科院集團公司基礎設施檢測所型式試驗，目前綜合巡檢車已在上海局集團公司高鐵線路上投入運用考核。本文結合綜合巡檢車檢測裝置在衢九線常山至楊林區間性能試驗，以軌道結構狀態巡檢裝置性能測試驗證過程為主線，研究了科研試驗大綱編制、試驗方案設計的要點和方法，針對鐵路營業線科研試驗特點，明確了試驗流程和內容，提出了試驗準備、現場試驗和試驗收尾階段過程控制與管理，對鐵路營業線涉及多專業的重大、綜合性科研試驗或科研課題研發的新產品、新技術和新裝備試驗具有一定的參考和借鑒意義。

1 綜合巡檢車總體組成及技術特點

綜合巡檢車是高速鐵路工、電、供關鍵設施設備和沿線環境檢測監測、綜合數據分析處理和運營維修輔助決策技術支持為一體的特種車輛，主要由車輛平臺和檢測裝置兩大部分組成，采用一體化設計理念。如圖1所示，車輛平臺集成安裝工電供等專業10多套檢測裝置，主要包括軌道幾何參數、鋼軌廓形、軌道結構狀態、隧道限界及輪廓、隧道結構狀態、聲屏障狀態、雨量和風力監測設備狀態、接觸網幾何參數、接觸線磨耗、定位器坡度、接觸網懸掛狀態、電務軌旁設備狀態、TEDS軌旁設備狀態等檢測裝置和定位同步系統、車載綜合數據分析與處理中心平臺組成。其主要技術特點：①采用內燃電傳動技術的軌道車平臺，最高運行速度為160 km/h，整車與檢測裝置一體化設計；②采用三角法立體動態測量、PCA篩選、LDA建模、K-means聚類的缺陷自動識別、微秒時序下空間調制同步和超勻光照明與共焦檢測光電結構等技術，提高幾何量檢測精度、圖像清晰度和自動識別率；②采用多專業同步采集、數據共享、綜合處理、關聯分析、趨勢預測和超限預警設計思路，實現對鐵路工電供專業沿線設備和環境監測設備狀態的一體化檢測與分析。

圖1 ZXJ-160型綜合巡檢車總體結構布置圖

2 試驗目的和依據

檢測裝置試驗委托有資質條件的檢驗檢測機構，依據審核批準的《型式試驗大綱》科學設置試驗場景，保持設備狀態良好，獲取可靠的試驗數據，驗證被試驗檢測裝置各項功能指標是否滿足試驗依據規定的要求。試驗主要依據《ZXJ-160型綜合巡檢車通過試驗評審意見》《高速鐵路綜合巡檢車暫行技術條件》《ZXJ-160型綜合巡檢車暫行技術條件》《ZXJ-160型綜合巡檢車檢測系統試驗實施辦法》等有關規定及要求。

3 試驗方案設計

科研試驗方案設計是試驗研究工作的重要環節，需要將整個試驗方法、試驗內容和試驗配合等工作條理化地描述清楚，最好采用表格形式表達，并對各種工況進行編號，這樣既方便試驗的實施，也便于后續數據處理。對于綜合巡檢車檢測裝置較為大型復雜的試驗，為了有條理地設計執行諸多試驗項目，要求科研試驗方案具有標準的結構、規范的格式。首先要全面掌握理解試驗依據，采用列表方式設計編制檢測裝置試驗項目，明確試驗項目、試驗評定標準、試驗狀態、試驗地點等要素，能夠將復雜的綜合性試驗通過列表方式直觀地展示出來，便于計算、查找、分析和處理數據。其次將試驗項目列表中檢測裝置逐項進行試驗方案研究，結合每一項檢測裝置用途、功能指標等特點，主要從試驗目的、試驗依據、試驗條件、試驗設備、試驗方法、試驗內容、試驗評定標準等方面設計試驗方案，最終編制形成檢測裝置《型式試驗大綱》。以軌道結構狀態巡檢裝置為例，設計試驗方案主要包括以下7個部分組成。

（1）試驗目的：驗證被試綜合巡檢車的軌道結構狀態巡檢裝置是否滿足試驗依據規定的要求。

（2）試驗依據：《高速鐵路綜合巡檢車暫行技術條件》《ZXJ-160型綜合巡檢車暫行技術條件》。

（3）試驗條件：[被試車]綜合巡檢車（ZXJ-160型）；[試驗線路]上海局集團公司衢九線常山～開化區間；[試驗速度]最高速度160 km/h；[試驗編組]單機。

（4）試驗設備：標定板、直尺等。

（5）試驗方法:

①功能性驗證：通過靜動態試驗，驗證軌道結構狀態巡檢裝置的功能。

②圖像分辨率驗證：在常山高鐵線橋車間線路軌面、扣件和軌枕的位置設置棋盤式黑白格標定板，讀取棋盤式黑白格標定板空間寬度和對應相機的像素值，驗證圖像分辨率。

③扣件檢出率驗證：抽取不同試驗速度條件下，常山～開化區間250根連續軌枕左右軌各500個扣件的軌道結構圖像數據，正向重復10次采集數據后進行數據處理，統計分析得出扣件檢出率。

④光帶寬度測量精度驗證：在常山高鐵線橋車間線路軌面粘貼5條均為20 mm寬的白色膠帶用來模擬光帶，根據采集到的圖像數據中白色膠帶像素值計算出模擬光帶的寬度，計算光帶寬度測量精度。

⑤表面擦傷、扣件異常自動識別率驗證：在試驗線路上制作鋼軌表面擦傷、扣件缺失、彈條斷裂和歪斜仿真樣本，分別以80 km/h、120 km/h和160 km/h的試驗速度正向重復10次采集數據后進行數據處理，統計分析表面擦傷和扣件異常自動識別率。

（6）試驗內容:

表1 軌道結構狀態巡檢裝置功能驗證表

①功能性驗證：通過試驗，驗證裝置的主要功能，主要包括圖像采集、圖像管理和圖像識別等模塊功能。記錄表樣式見表1所示。

②圖像分辨率驗證：通過圖像的空間分辨率測試，驗證圖像采集模塊獲取的圖像分辨率是否滿足評定標準要求，圖像分辨率=被拍攝棋盤式黑白格標定板空間寬度/像素值。記錄表樣式見表2所示。

表2 軌道結構狀態巡檢裝置圖像分辨率記錄表

③扣件檢出率驗證：抽取250根連續軌枕左右軌各500個扣件的圖像數據,驗證圖像采集模塊扣件檢出率，檢出率=檢出數量/設置數量×100%。記錄表樣式見表3所示。

表3 軌道結構狀態巡檢裝置扣件檢出率記錄表

④光帶寬度測量精度驗證：線路軌面設置模擬光帶，根據采集到的圖像數據中模擬光帶的像素值計算出光帶寬度，驗證光帶寬度測量精度。光帶寬度=圖像數據像素值×光帶區域垂直軌道方向的圖像分辨率。記錄表樣式見表4所示。

表4 軌道結構狀態巡檢裝置光帶寬度測量精度記錄表

⑤表面擦傷、扣件異常自動識別率驗證：驗證圖像識別模塊具有對表面擦傷、扣件異常自動識別功能，識別率=識別數量/設置數量×100%。表面擦傷自動識別記錄表樣式見表5所示，扣件異常自動識別記錄表樣式見表6所示。

表5 軌道結構狀態巡檢裝置鋼軌表面擦傷自動識別率記錄表

表6 軌道結構狀態巡檢裝置扣件異常自動識別率記錄表

（7）試驗評定標準：①圖像分辨率：≤1 mm/pixel；②可自動識別扣件缺失、彈條歪斜等異常，自動識別率＞80%；③可自動識別15 mm×15 mm以上的鋼軌表面擦傷及剝離掉塊，自動識別率＞80%；④光帶寬度（mm）：±1.0；⑤扣件檢出率≥99%。

4 試驗實施

現場測試試驗是驗證設備性能指標、技術規定、管理規范是否符合設計目標，是否符合實際生產需要，是否滿足安全性、穩定性和可靠性的重要手段和方法。本次檢測裝置動、靜態調試和試驗安排在常山高鐵線橋車間存車線和衢九線常山至楊林站間營業線上進行，涉及專業部門多、參試人員多、試驗項目多、試驗時間長、安全風險大等特點，為加強和規范綜合巡檢車試驗管理，建立了試驗準備、現場試驗和試驗收尾工作管理制度，為全面、細致地對檢測裝置技術性能和運用安全可靠性驗證提供保障。

4.1 試驗準備階段

4.1.1 現場試驗條件考察

通過對試驗區段沿線基礎設施及環境狀況實地勘察，選擇符合《型式試驗大綱》要求的試驗線路區間。綜合考慮試驗樣車停放點為常山高鐵線橋車間、以及試驗速度、天窗時間、場景設置等因素，通過分析比選確定衢九線常山~開化為試驗區間。試驗區間沿線有7座隧道、5處聲屏障、3處風速雨量監測點。

4.1.2 制訂試驗實施方案

試驗組織單位根據現場試驗要求，研究制訂《ZXJ-160型綜合巡檢車檢測系統試驗實施辦法》和《ZXJ-160型綜合巡檢車檢測系統試驗總體計劃和任務分工》等試驗文件，明確試驗依據和目的、試驗組織和任務分工、試驗內容、試驗列車運行管理和安全管理等內容。同時成立試驗工作現場指揮組，負責協調試驗列車檢測系統試驗工作，解決現場試驗過程中的問題，確保“按期、優質、高效、安全”的完成試驗任務。

4.1.3 現場試驗條件準備

試驗開始前，試驗工作現場指揮組召開試驗協調會，聽取參試單位各項試驗準備情況，對接試驗方案實施過程中的配合工作，建立試驗例會和工作聯系制度，明確試驗列車日運輸組織計劃編制和公布、行車組織指揮、試驗列車庫內股道轉線、試驗區段場景設置、安全協議簽訂等相關事項，確保試驗計劃、人員、設備、材料、場景、安全等各環節準備就緒，具備上線試驗條件。

4.2 現場試驗階段

4.2.1 試驗運輸組織

試驗列車上線運行嚴格按照《ZXJ-160型綜合巡檢車檢測系統試驗總體計劃》規定的試驗時間、試驗項目、地點（區間）、參加單位、試驗內容等要求，由課題單位根據試驗需要，提前2天向運輸部門提出試驗計劃需求，運輸部門編制試驗列車日運輸組織計劃并在試驗前1天公布，調度所按照車站操作模式組織試驗列車運行，并組織做好應急救援準備。

4.2.2 性能測試驗證

檢測裝置性能測試驗證主要包括現場仿真樣本制作、各種速度等級下通過試驗區間數據采集、依據規定試驗方法和數據處理方法對采集數據進行處理、對照試驗評定標準判斷是否符合規定的設計要求、恢復仿真樣本設置等。以軌道結構狀態巡檢裝置性能測試驗證為例，試驗流程主要包括以下6個部分組成。

（1）試驗區段：衢九線常山-開化，k34+091～k55+332。

（2）現場仿真樣本制作：為了便于現場仿真樣本設置、日常檢查和管理，采取小區間集中設置方法，選擇衢九線常山-開化區間（k45+500～k46+0）。根據《型式試驗大綱》要求設置仿真樣本，具體見表7所示，由設備單位申請施工維修天窗，派人提供安全防護，課題單位和測試專家組負責現場仿真樣本設置和驗收確認，確保現場仿真樣本設置科學、安全可靠。

表7 軌道結構狀態巡檢裝置仿真樣本列表

（3）試驗速度：80 km/h、120 km/h、160 km/h。

（4）試驗次數：80 km/h在試驗區段往返1次，120 km/h和160 km/h在試驗區段各往返2次，共采集數據10次。

（5）試驗開行計劃：①綜合巡檢車以80 km/h檢測速度進入試驗區段往返1次采集圖像數據；②綜合巡檢車以120 km/h檢測速度進入試驗區段往返2次采集圖像數據；③綜合巡檢車以160 km/h檢測速度進入試驗區段往返2次采集圖像數據。

（6）試驗數據采集與分析：依據規定試驗方法將軌道結構狀態巡檢裝置5類功能指標采集的試驗數據分別填入記錄表，將采用假設檢驗數據處理方法對記錄表數據進行統計分析，對照試驗評定標準判斷結果是否符合規定的設計要求。

4.3 試驗收尾階段

在試驗執行期間試驗收尾管理工作包括每日收尾管理和最終收尾管理，是確保整個試驗成功的重要手段。每日試驗收尾管理應把控綜合巡檢車入庫檢查維護、現場設備巡檢、試驗數據整理和保存、試驗日交班（進度、效果、配合、安全等評估和控制）等環節管理。最終試驗收尾管理應把控檢測數據收集整理、與測試專家組溝通、試驗記錄數據核對和交接、現場仿真樣本恢復、綜合巡檢車檢查維護和安全存放、試驗資料檔案保管和試驗總結等管理。通過加強試驗收尾階段管理，以確保試驗有序推進并達到預期目標。

5 結束語

綜合巡檢車檢測裝置于2018年11月～12月在衢九線全部完成了性能驗證試驗，上海局集團公司（科研所）研制的九套檢測裝置測試項目均符合《綜合巡檢車（ZXJ-160型）檢測系統型式試驗大綱》的要求。通過本次鐵路營業線科研試驗全過程的研究與實踐，較為詳細的闡述軌道結構狀態巡檢裝置試驗大綱編制、試驗方案設計和試驗實施等方面要點、方法、流程及應對措施，其他檢測裝置性能驗證試驗類同，對開展鐵路營業線科研試驗，加強試驗管理，提高試驗質量，保障試驗安全具有一定指導作用。