高鐵無砟軌道逐軌枕復(fù)測信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊 威，解亞龍，鮑 榴，李 飛，高 俊

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

無砟軌道結(jié)構(gòu)可以為高速鐵路提供更平順、穩(wěn)定的運(yùn)行界面，已成為我國高速鐵路主要的結(jié)構(gòu)形式[1]。無砟軌道施工精調(diào)質(zhì)量直接影響了高速鐵路軌道平順性、安全性和穩(wěn)定性，是保證軌道高平順性的關(guān)鍵[2-3]，是決定長軌精調(diào)扣件更換率的重要因素之一，也是后期運(yùn)營維護(hù)的重中之重[4]，因此，無砟軌道施工質(zhì)量應(yīng)滿足鋪設(shè)長軌靜態(tài)精調(diào)后軌道平順度技術(shù)要求[5-6]。

1 研究背景

王同軍[7]提出了智能鐵路總體架構(gòu)，無砟軌道數(shù)字建造與信息化管理是該架構(gòu)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(tǒng)，提高了施工測量效率。袁曼飛等人[9]提出了軌道檢測系統(tǒng)內(nèi)部幾何參數(shù)和外部幾何參數(shù)測量一體化的設(shè)計(jì)方案，介紹了客運(yùn)專線軌道三維檢測系統(tǒng)的架構(gòu)、技術(shù)、界面及功能設(shè)計(jì)；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(qū)段進(jìn)行標(biāo)架法逐軌枕復(fù)測新方法、新工藝的試驗(yàn)，取得了較好的應(yīng)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(shù)創(chuàng)新方面，缺少通過信息系統(tǒng)統(tǒng)一管理無砟軌道測量數(shù)據(jù)，以及對測量數(shù)據(jù)有效分析和利用的研究。本文基于無砟軌道標(biāo)架法逐軌枕復(fù)測原理與相關(guān)技術(shù)要求，重點(diǎn)闡述高速鐵路無砟軌道復(fù)測信息系統(tǒng)的總體架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)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(xiàng)目成功實(shí)踐應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。

2 逐軌枕復(fù)測原理與方法

2.1 復(fù)測原理

逐軌枕復(fù)測的無砟軌道檢測方法，實(shí)際上是板式精調(diào)的拓展運(yùn)用，其原理與軌道板精調(diào)相似，分為以下幾個步驟。

（1）標(biāo)架棱鏡中心通過精密機(jī)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(biāo)架上棱鏡坐標(biāo)，根據(jù)線路參數(shù)，計(jì)算棱鏡中心的準(zhǔn)確里程，并根據(jù)里程計(jì)算鋼軌中心理論坐標(biāo)。

（3）根據(jù)坐標(biāo)差解算鋼軌中心偏差值。

2.2 復(fù)測工裝選擇

隨著高速鐵路多年的快速發(fā)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(fā)出多種板式無砟軌道精調(diào)工裝，例如，基于螺栓孔定位的CRTS I型板式精調(diào)工裝、基于大鉗口定位的CRTS II型板式精調(diào)工裝、基于螺栓孔定位的CRTS III型板式精調(diào)工裝和基于小鉗口定位的CRTS III型板式精調(diào)工裝。多次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，基于小鉗口定位的精調(diào)工裝滿足復(fù)測精度要求最優(yōu)，其他定位模式的工裝均存在一定不穩(wěn)定性。

2.3 復(fù)測方式

標(biāo)架法逐軌枕復(fù)測使用與無砟軌道精調(diào)精度相同的全站儀，經(jīng)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(jìn)行測量，得到各軌枕的三維坐標(biāo)。

2.4 復(fù)測技術(shù)要求

標(biāo)架法逐軌枕復(fù)測設(shè)站要求與道床板或軌道板精調(diào)相同，每一測站復(fù)測的長度應(yīng)＜50 m，全站儀架設(shè)高度不宜超過1 m，復(fù)測過程中需要換站時，應(yīng)保留上一測站最后標(biāo)架的位置不變，換站后測量同一標(biāo)架的三維坐標(biāo)差值應(yīng)≤2 mm，且應(yīng)重復(fù)測量上一站不少于5根的軌枕。將逐軌枕復(fù)測作為一個施工必要環(huán)節(jié)，融入整體工序流程控制設(shè)計(jì)，確保及時使用復(fù)測數(shù)據(jù)，發(fā)揮數(shù)據(jù)價值。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體架構(gòu)

高速鐵路無砟軌道軌枕復(fù)測信息系統(tǒng)（簡稱：復(fù)測系統(tǒng)）通過手持終端控制軟件，利用無線傳輸技術(shù)（如藍(lán)牙）采集軌枕復(fù)測數(shù)據(jù)，采用專業(yè)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以圖形化形式展示各軌枕的偏差，從而進(jìn)行超限預(yù)警。復(fù)測系統(tǒng)能夠加快施工進(jìn)度，保證施工質(zhì)量，提高現(xiàn)場管控能力，其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

（1）感知層。通過全站儀、棱鏡和手機(jī)藍(lán)牙等多種感知設(shè)備，獲取無砟軌道待測軌枕的承軌槽高程和水平三維坐標(biāo)位置信息以及線路曲線要素、道床板及軌枕編號等數(shù)據(jù)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回傳至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

（2）傳輸層。主要包括互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng)。負(fù)責(zé)提供安全高效的傳輸通道，將采集到的數(shù)據(jù)信息安全、快速地傳輸?shù)綇?fù)測系統(tǒng)，使各級用戶能夠隨時獲取施工質(zhì)量數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)層。包括工程實(shí)體、軌向、超高、軌距等測量和分析數(shù)據(jù)，以及超限報(bào)警、短信提醒和閉環(huán)處置等管理數(shù)據(jù)。

（4）應(yīng)用層。主要針對施工單位測量員和技術(shù)員、專業(yè)監(jiān)理工程師、建設(shè)單位軌道工程師等用戶，具備數(shù)據(jù)采集處理、復(fù)測數(shù)據(jù)分析、超限數(shù)據(jù)報(bào)警發(fā)布與整改、施工質(zhì)量合格統(tǒng)計(jì)等功能。

（5）表現(xiàn)層。支持通過局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和移動網(wǎng)絡(luò)，以調(diào)度中心指揮大屏、網(wǎng)頁端和移動手持端等方式進(jìn)行訪問。

3.2 技術(shù)架構(gòu)

復(fù)測系統(tǒng)由工地現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(fù)測數(shù)據(jù)處理分析客戶端（簡稱：客戶端）組成，如圖2所示，通過數(shù)據(jù)中心服務(wù)器對各部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)一集中管理。

圖2 技術(shù)架構(gòu)

（1）采集終端主要包括手機(jī)控制終端、全站儀和復(fù)測標(biāo)架，在無砟軌道待復(fù)測區(qū)域?qū)?fù)測標(biāo)架進(jìn)行調(diào)校，通過手機(jī)控制終端設(shè)定曲線要素、道床板及軌枕編號等參數(shù)，利用全站儀對所述復(fù)測標(biāo)架的棱鏡中心進(jìn)行測量，以獲取所述任一待測軌枕的實(shí)際三維坐標(biāo)和軌枕的偏差值，并通過數(shù)據(jù)中心服務(wù)器分發(fā)到平臺端和客戶端。

（2）平臺端主要用于建設(shè)、施工、監(jiān)理等單位的進(jìn)度和質(zhì)量問題閉環(huán)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(biāo)數(shù)據(jù)分析功能。

3.3 功能設(shè)計(jì)

結(jié)合軌道復(fù)測施工業(yè)務(wù)管理需求，為實(shí)現(xiàn)無砟軌道復(fù)測施工質(zhì)量管理，本文從數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)分析—超限預(yù)警—閉環(huán)處置全過程管理角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了復(fù)測系統(tǒng)功能，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、復(fù)測數(shù)據(jù)分析、超限報(bào)警和統(tǒng)計(jì)分析，功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 功能架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

同步軌道專業(yè)所有工程實(shí)體數(shù)據(jù)，追加相關(guān)屬性字段，形成新的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，同時建立軌枕復(fù)測數(shù)據(jù)和工點(diǎn)關(guān)聯(lián)關(guān)系。信息化管理員對上線逐軌枕復(fù)測項(xiàng)目的軌距、超高、高低、軌向、扭曲等參數(shù)進(jìn)行超限閾值設(shè)定。

（2）復(fù)測數(shù)據(jù)分析

通過采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用客戶端進(jìn)行計(jì)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(biāo)段、各分部、各工點(diǎn)的橫向偏差、豎向偏差、軌距、超高等數(shù)據(jù)的對比分析功能。

（3）超限報(bào)警

對超出閾值的復(fù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警消息發(fā)布，并為施工單位提供不同報(bào)警等級的超限情況，提醒施工單位及時消除，形成閉環(huán)流程管理。

（4）統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)各施工標(biāo)段無砟軌道施工精度檢測合格率，施工進(jìn)度與復(fù)測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)上傳及時和各無砟軌道施工作業(yè)面報(bào)警率，通過對超限報(bào)警、超限已處置與超限未處置的數(shù)據(jù)指標(biāo)分析，提高數(shù)字化施工和信息化管理水平。

4 關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)

（1）基于小鉗口定位的扣件原位保留新型復(fù)測標(biāo)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(guī)復(fù)測工裝需要將扣件拆除進(jìn)行復(fù)測，待復(fù)測完畢后再將扣件重新安裝，這種方式不僅浪費(fèi)大量的人力和物力，而且還存在扣件污染問題。為了滿足標(biāo)架法逐軌枕復(fù)測能夠適應(yīng)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(fù)測標(biāo)架，如圖4所示。新型復(fù)測標(biāo)架直接放置在安裝有扣件系統(tǒng)的承軌槽上，不僅滿足復(fù)測精度要求，還能夠節(jié)約拆裝扣件成本。

圖4 基于小鉗口定位的新型復(fù)測標(biāo)架

（2）高速鐵路無砟軌道施工質(zhì)量數(shù)字化管理技術(shù)

依托鐵路工程管理平臺，研發(fā)了移動端與網(wǎng)頁端逐軌枕復(fù)測信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全站儀、移動端、客戶端和網(wǎng)頁端的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，具有測量數(shù)據(jù)即測即得、實(shí)時分析、加密傳輸，消息報(bào)警等功能，方便了建設(shè)、施工和監(jiān)理等單位的施工質(zhì)量管理工作。

（3）基于無砟軌道復(fù)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析評估技術(shù)

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

5 實(shí)踐應(yīng)用

復(fù)測系統(tǒng)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(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，逐軌枕復(fù)測模式和信息系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)“扣件不落槽”“空吊”等常見軌道缺陷，復(fù)測數(shù)據(jù)也能夠滿足長軌鋪設(shè)預(yù)調(diào)整的需要，經(jīng)過軌道平順性模擬分析后進(jìn)行長軌預(yù)調(diào)整，預(yù)精調(diào)效果明顯，復(fù)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析界面如圖5所示。

圖5 復(fù)測信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析界面

在實(shí)際應(yīng)用過程中，逐軌枕復(fù)測模式和系統(tǒng)提供的圖形化數(shù)據(jù)分析功能已展示了良好的實(shí)用價值，避免了采用軌道幾何狀態(tài)測量儀和軌排框架檢測方式的眾多缺點(diǎn)，通過分析研究復(fù)測數(shù)據(jù)，能夠找出施工質(zhì)量缺陷，并及時反饋到現(xiàn)場，避免下一施工循環(huán)再次出現(xiàn)同類施工缺陷，提升無砟軌道鋪設(shè)質(zhì)量。

（1）發(fā)現(xiàn)漏裝扣件。漏裝扣件和道釘扭力不足（或工具軌下有異物）導(dǎo)致單個承軌槽的高程出現(xiàn)較大偏差，在進(jìn)行長軌精調(diào)時應(yīng)注意順接，避免出現(xiàn)空吊。漏裝軌下墊板波形如圖6所示，圖中藍(lán)線表示橫向，紅線表示高程。

圖6 漏裝軌下墊板波形

（2）發(fā)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)件不易安裝。綜合性異常如圖7所示。

圖7 綜合性異常

（3）發(fā)現(xiàn)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(diào)支撐力影響，易發(fā)生軌排框架的變形，因此，一般要求直線段10個作業(yè)循環(huán)，曲線段5個作業(yè)循環(huán)后，應(yīng)進(jìn)行軌排框架的調(diào)校。但在實(shí)際中，受工期和測量不便的影響，易發(fā)生圖8所示的軌排框架變形，導(dǎo)致軌距、超高出現(xiàn)區(qū)段式偏差，增大扣件使用量。

圖8 軌排框架翹曲變形

6 結(jié)束語

高速鐵路無砟軌道逐軌枕復(fù)測方法及系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)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(qiáng)，效率高，規(guī)避了長軌鋪設(shè)后的道床施工重大質(zhì)量問題。基于復(fù)測數(shù)據(jù)對軌道平順性模擬分析，進(jìn)行長軌預(yù)精調(diào)試驗(yàn)，有效降低了長軌精調(diào)階段的扣減更換率，提升了無砟軌道數(shù)字化建造和信息化管理水平。

加強(qiáng)無砟軌道施工精度的全面檢測，是發(fā)現(xiàn)各工序、各工種配合問題的關(guān)鍵，推進(jìn)逐軌枕復(fù)測模式有助于施工質(zhì)量的全面控制和分析，將逐軌枕復(fù)測納入無砟軌道施工工序，并通過信息系統(tǒng)處理與分析數(shù)據(jù)，是提升無砟軌道施工質(zhì)量行之有效的辦法。