GJ-6型與數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)比分析

李穎 王昊 李國龍 程朝陽 余寧 秦哲 魏世斌

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081

軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)多年來一直承擔(dān)全國高速鐵路、普速鐵路、重載鐵路線路的日常檢測(cè)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試任務(wù)，是鐵路工務(wù)系統(tǒng)軌道基礎(chǔ)設(shè)施中重要的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)裝備，能夠檢測(cè)的軌道幾何參數(shù)包括高低、軌向、軌距、水平（超高）、三角坑等［1］。GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)自2011年研制成功以來，已經(jīng)在全路14 列高速綜合檢測(cè)列車和50多列軌道檢測(cè)車、10多列城市軌道檢測(cè)車上廣泛安裝應(yīng)用，為工務(wù)系統(tǒng)提供大量檢測(cè)數(shù)據(jù)，用于線路維修，保障列車運(yùn)行安全［2］。隨著科技的發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)成為現(xiàn)代社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展方向，2018年底中國鐵道科學(xué)院集團(tuán)有限公司研制出數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)并推廣應(yīng)用［3］。

本文分別對(duì)GJ-6 型與數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)過程中不同測(cè)量位置軌道變形情況、傳感器、信號(hào)處理方式等進(jìn)行對(duì)比。通過兩系統(tǒng)對(duì)同一條線路檢測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比，給出根據(jù)兩種系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)軌道質(zhì)量指數(shù)（Track quality Index，TQI）的應(yīng)用建議。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GJ-6 型與數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及所使用的傳感器如圖1、圖2所示。

圖1 GJ-6型與數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 GJ-6型與數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)所用傳感器

GJ-6 型軌道檢測(cè)系統(tǒng)全部采用模擬信號(hào)傳感器，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理時(shí)采用模擬濾波器，由電容、電感等模擬器件電路板完成。GJ-6 型軌道檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，測(cè)量用的傳感器采用分布式布局，車上車下均布設(shè)傳感器，在車體中間安裝慣性補(bǔ)償器件（Compensated Assembly System，CAS）；車體左右兩側(cè)分別安裝垂向加速度計(jì)和拉線位移計(jì)；轉(zhuǎn)向架端頭一側(cè)懸掛檢測(cè)梁，檢測(cè)梁左右兩側(cè)安裝激光攝像組件，用于測(cè)量軌道橫向位移；檢測(cè)梁中間安裝橫向加速度計(jì)。車上信號(hào)調(diào)理單元含有硬件電路板，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波、調(diào)理與監(jiān)控。傳感器信號(hào)經(jīng)A/D 采集后進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)，根據(jù)相應(yīng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算得到軌道幾何參數(shù)。

GJ-6 型軌道檢測(cè)系統(tǒng)所使用傳感器主要有分立的陀螺和傾角計(jì)、加速度計(jì)、拉線位移計(jì)、測(cè)量橫向位移的激光攝像組件。拉線位移計(jì)反映的是在動(dòng)態(tài)有載運(yùn)行情況下輪軸正下方軌道的變形，該位移計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是量程大，適合車體和構(gòu)架之間變化較大的測(cè)量，抗環(huán)境干擾性能好，成本低，安裝方便，但是也具有頻響低、容易產(chǎn)生諧振或者伸縮異常、損壞率高的缺點(diǎn)［4-5］。另外，GJ-6 型系統(tǒng)的傳感器分別安裝在軸箱、轉(zhuǎn)向架、車體三種位置，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相對(duì)復(fù)雜［6］。

數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)全部使用數(shù)字信號(hào)傳感器，通過控制器局域網(wǎng)CAN 總線進(jìn)行信號(hào)傳輸，采集后通過軟件編程即可改變信號(hào)頻譜，精度高，抗電磁干擾能力強(qiáng)，可靠性高，不易受環(huán)境溫度影響。數(shù)字濾波器能夠進(jìn)行分時(shí)復(fù)用，可同時(shí)操作處理多個(gè)信號(hào)。

數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，所用傳感器均安裝于轉(zhuǎn)向架端頭的檢測(cè)梁上，全部加速度計(jì)、陀螺等慣性傳感器集成一個(gè)慣性組件（Inertial Measurement Unit，IMU）。與GJ-6 型軌道檢測(cè)系統(tǒng)不同，數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)的激光攝像組件不僅測(cè)量鋼軌橫向位移，還測(cè)量垂向位移，不再裝配拉線位移計(jì)等損耗型傳感器，所有信號(hào)均通過CAN 總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型更簡單。數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)故障點(diǎn)少、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。目前全世界大部分軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)均采用該種結(jié)構(gòu)，如意大利MERMEC 公司、美國MRX 科技公司等。GJ-6 型與數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、傳感器方面的對(duì)比見表1。

表1 GJ-6型與數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比

數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)所使用的傳感器主要有三軸加速度與陀螺集成的慣性組件IMU 和激光攝像組件。系統(tǒng)中無論是橫向還是垂向位移都由激光攝像組件通過拍攝鋼軌斷面圖像，經(jīng)過二值化、細(xì)化、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、特征點(diǎn)提取等圖像處理算法后輸出，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍大、耗損率低，但也容易受到雨雪和陽光干擾，目前國內(nèi)外的軌道檢測(cè)系統(tǒng)大多使用激光攝像方式非接觸式測(cè)量方法。

2 檢測(cè)位置

GJ-6 型和數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)均為車載系統(tǒng)，在有載情況下對(duì)軌道幾何參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。采用不同種類的檢測(cè)車，如高速綜合檢測(cè)列車、普速軌道檢測(cè)車、巡檢車等，檢測(cè)不同速度等級(jí)以及不同軌道形式（有砟或無砟）的線路，檢測(cè)車輛經(jīng)過時(shí)的軌道變形是不同的［7-8］。為了分析軌道變形的情況，進(jìn)行如下動(dòng)力學(xué)仿真。

1）高速鐵路有砟軌道

車輛參數(shù)采用高速綜合檢測(cè)列車CRH380B型車，以動(dòng)-動(dòng)-拖-動(dòng)-動(dòng)-拖-動(dòng)-動(dòng)的形式8 節(jié)編組。仿真時(shí)，列車速度取250 km/h，軌下膠墊和道床等效剛度取15 kN/mm，阻尼取75 kN·s/mm。在隨機(jī)不平順激勵(lì)下，檢測(cè)車經(jīng)過時(shí)軌道垂向位移曲線見圖3。可知：輪下鋼軌垂向位移最大為1.160 mm，發(fā)生在a點(diǎn)；與其相鄰1 個(gè)軌枕間距（650 mm）的b點(diǎn)鋼軌垂向位移為0.863 mm，兩點(diǎn)垂向位移相差0.297 mm。

圖3 有載條件下高速有砟軌道垂向位移曲線

2）普速線路（120 km/h速度等級(jí)）

車輛采用普速列車25T 型車。仿真時(shí)，列車速度取160 km/h，軌下膠墊和道床等效剛度取10 kN/mm，阻尼取75 kN·s/mm。在隨機(jī)不平順激勵(lì)下，檢測(cè)車經(jīng)過時(shí)軌道垂向位移曲線見圖4。可知：輪下鋼軌垂向位移最大為1.53 mm，發(fā)生在c點(diǎn)；與其相鄰1 個(gè)軌枕間距（650 mm）的d點(diǎn)的鋼軌垂向位移為1.19 mm，兩點(diǎn)垂向位移相差0.34 mm。

圖4 有載條件下普速線路軌道垂向位移曲線

根據(jù)兩種檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異，給出兩種系統(tǒng)垂向位移測(cè)量位置，見圖5。

圖5 GJ-6型與數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)垂向位移測(cè)量位置

由圖5 可知：GJ-6 型軌道檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量垂向位移的傳感器安裝在車輛輪軸正上方，其測(cè)量的位移是軌道變形最大處，對(duì)應(yīng)圖3中a點(diǎn)和圖4中c點(diǎn)；數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)的垂向位移采用安裝在轉(zhuǎn)向架一側(cè)的激光攝像組件進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量的垂向位移對(duì)應(yīng)圖3中b點(diǎn)和圖4 中d點(diǎn)。對(duì)于高速綜合檢測(cè)車、普通軌道檢測(cè)車等多種類型檢測(cè)車，其垂向位移測(cè)量位置與輪軸中心橫向距離在550 ～750 mm，接近軌枕間距，因此輪軸正下方與相鄰軌枕處軌道變形相差約0.3 mm，即GJ-6 型軌道檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的垂向位移始終比數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的垂向位移大0.3 mm。由于軌道檢測(cè)系統(tǒng)水平（超高）、三角坑軌道幾何參數(shù)的測(cè)量屬于絕對(duì)測(cè)量，因此數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)與垂向位移相關(guān)的檢測(cè)項(xiàng)目（水平、三角坑），檢測(cè)結(jié)果比GJ-6 型軌道檢測(cè)系統(tǒng)略小；而高低、軌向采用慣性基準(zhǔn)測(cè)量原理，屬于相對(duì)測(cè)量，兩種系統(tǒng)的高低、軌向、軌距等項(xiàng)目檢測(cè)結(jié)果相近。

3 檢測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)GJ-6 型與數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)同一條線的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。分別選取采用兩種系統(tǒng)在3條線路上的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

線路1：某普速線（120 km/h 速度等級(jí)），兩系統(tǒng)進(jìn)行連掛試驗(yàn)檢測(cè)。

線路2：某普速干線（160 km/h 速度等級(jí)），兩系統(tǒng)短期內(nèi)分別進(jìn)行檢測(cè)。

線路3：某客運(yùn)專線（250 km/h 速度等級(jí)），兩系統(tǒng)短期內(nèi)分別進(jìn)行檢測(cè)。

分別統(tǒng)計(jì)3組檢測(cè)數(shù)據(jù)的TQI值，結(jié)果見表2。其中，差值為兩系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的差的絕對(duì)值。可知，兩系統(tǒng)對(duì)同一條線路檢測(cè)得出的TQI 值差異不大，其中水平、三角坑的單項(xiàng)差異比其他項(xiàng)略大；對(duì)于線路1—線路3，GJ-6 型軌道檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)得到的總TQI 值比數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)分別大4.2%、8.5%和7.5%。

表2 GJ-6型與數(shù)字式軌檢系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

對(duì)線路1 的部分檢測(cè)波形進(jìn)行對(duì)比，見圖6。可知，兩系統(tǒng)在三角坑和水平的波形差異略大，與理論分析結(jié)果相符，總體上兩系統(tǒng)檢測(cè)波形重合度較高。

圖6 兩種系統(tǒng)檢測(cè)得到的軌道幾何參數(shù)波形（線路1）

GJ-6 型軌道檢測(cè)系統(tǒng)在高速綜合檢測(cè)列車以及普速軌道檢測(cè)車上應(yīng)用近10年以來，為工務(wù)系統(tǒng)軌道檢測(cè)提供了大量數(shù)據(jù)。該檢測(cè)系統(tǒng)在準(zhǔn)確性、重復(fù)性、一致性方面都達(dá)到相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)要求［9-10］。

數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)自研制成功以來，以其結(jié)構(gòu)簡潔、易于維護(hù)、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)在鐵路、城市軌道交通等領(lǐng)域推廣應(yīng)用近30 套，逐漸被市場(chǎng)和用戶認(rèn)可。為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)的性能，2021年初，分別使用某動(dòng)檢車A和某普速軌檢車B上安裝的數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)在某高速鐵路（250 km/h速度等級(jí)）上下行線路進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表3。可知：兩種檢測(cè)車檢測(cè)得到的TQI值最大相差0.06 mm。

表3 數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)同一線路TQI對(duì)比

2021年5月，使用某鐵路局3 輛數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了連掛檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)某200 km/h 速度等級(jí)客運(yùn)專線上下行線路累計(jì)286 km，檢測(cè)結(jié)果見表4。可知：3輛檢測(cè)車檢測(cè)得到的TQI值最大相差0.09 mm。

表4 數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)三車連掛檢測(cè)線路TQI對(duì)比

選取2022年1月某路局3套數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)兩條線路（分別編號(hào)線路4、線路5）的檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表5。可知，TQI值最大相差0.05 mm。

表5 數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)普速線TQI對(duì)比

綜上，數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)同一條線路TQI一致性良好，差異較小，滿足Q/CR 751—2020《鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)》的要求。

為了對(duì)數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)TQI差異進(jìn)行精細(xì)分析，對(duì)相同線路不同軌道檢測(cè)系統(tǒng)每200 m 單元TQI指標(biāo)差值的分布進(jìn)行分析。結(jié)果表明，兩個(gè)數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)200 m 單元TQI 差值分布在［-0.5 mm，0.5 mm］內(nèi)占比97.63%，重復(fù)性較好。

4 應(yīng)用建議

GJ-6 型和數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)都具有良好的檢測(cè)性能。雖然兩種系統(tǒng)檢測(cè)位置有區(qū)別，但是檢測(cè)結(jié)果都是有效的。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，GJ-6 型與數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)同一條線的TQI值差異平均在4%～8%，但兩者差異不是簡單的線性比例，還需要更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

建議盡量使用同型系統(tǒng)對(duì)同一線路進(jìn)行檢測(cè)，以便于對(duì)比、分析線路質(zhì)量。若分別交替使用這兩種系統(tǒng)檢測(cè)，可以先選定某種型號(hào)系統(tǒng)檢測(cè)的TQI 結(jié)果為基準(zhǔn)，再增加或者減小4% ～8%進(jìn)行修正，以便于更好地把控線路質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文對(duì)GJ-6 型和數(shù)字式軌道檢測(cè)系統(tǒng)的性能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、有載情況下軌道動(dòng)態(tài)變形、系統(tǒng)傳感器、信號(hào)處理等方面進(jìn)行了對(duì)比分析。通過系統(tǒng)連掛檢測(cè)試驗(yàn)以及大量數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，兩種系統(tǒng)在檢測(cè)同一條線路時(shí)TQI差異平均在4%～8%。當(dāng)兩種系統(tǒng)分別檢測(cè)同一條線路時(shí)，可以根據(jù)需要選擇某種型號(hào)的線路TQI 檢測(cè)結(jié)果作為基準(zhǔn)，按照這個(gè)比例增加或者減小TQI值后作為參考，對(duì)軌道質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。