重載鐵路道岔區鋼軌組合廓形及幾何參數檢測技術

孫陶陶 代永波 司道林 徐玉坡 梁宏波 胡偉 毛慶洲

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081； 2.中國鐵路武漢局集團有限公司， 武漢 430071；3.鐵科（北京）軌道裝備技術有限公司， 北京 102202； 4.武漢漢寧軌道交通技術有限公司， 武漢 430074

道岔是鐵路線路中的薄弱環節，尤其在重載鐵路載重量大、運營條件惡劣的工況下，須要重點檢查［1-2］。道岔區軌道狀態檢查包括檢測道岔區鋼軌形貌、零部件位置關系、軌道幾何狀態等項目。目前主要應用道尺、鋼板尺、鋼軌輪廓儀、鋼軌磨耗儀［3］等機械測量工具對道岔區軌道狀態進行人工檢測，功能單一且效率低下。道岔區軌道類型繁多，結構復雜，現有高效軌道檢查手段很難廣泛應用。以鋼軌輪廓檢測為例，道岔區鋼軌數量多，組合廓形測量區域大，常規的接觸式鋼軌輪廓儀［4］無法滿足道岔區大范圍、復雜廓形的檢測需求。以區間線路大量使用的軌道檢查儀［5］為例，道岔區有害區間影響了軌道檢查儀的通過性，在道岔區難以連續測量，而且道岔區工作軌的轉換也極大地影響了常規接觸式軌道幾何測量效果。

綜上，道岔區軌道檢查工作需求大，任務繁重，但尚未形成能夠綜合覆蓋道岔區段重點檢查項點的一體化高效檢測手段。因此，亟待研究一種道岔區軌道狀態綜合檢測方法，以提升道岔區工務檢查效率，降低工務部門道岔養護維修成本。

1 檢測原理

1.1 道岔區軌道狀態檢測項目

如圖1所示，鋼軌廓形和幾何參數是道岔區軌道狀態檢查的重點項目。鋼軌組合廓形檢測技術：采集軌道橫斷面上多結構體的綜合廓形，計算鋼軌件磨耗和零部件位置關系。道岔幾何參數檢測技術：采集軌道三維坐標，將道岔鋼軌組合廓形與軌道線形坐標融合，形成軌道三維點云，計算道岔結構幾何參數（尖軌降低值、間隙值、導曲線支距、查照間隔/護背距離等）和道岔軌道幾何參數（軌距、水平、軌向、高低等）。

圖1 道岔區軌道狀態檢測項

1.2 道岔區鋼軌組合廓形檢測技術

相比接觸式廓形測量方法，非接觸式光學測量方法能快速、大范圍地獲取被測物幾何信息，在道岔區鋼軌組合廓形檢測中具有獨特優勢。近年來三維光學測量技術發展迅速，三維測量在平面測量的基礎上加入了高度信息，具有大視場、高精度和高實時性的優點，在工業檢測、逆向設計、生物醫藥等方面應用廣泛［6-8］。因此，選用線結構光三維光學測量技術（簡稱線結構光技術）研究道岔區鋼軌組合廓形檢測方法。

線結構光技術能夠快速獲取斷面輪廓，適用于大跨度鋼軌廓形測量。線結構光技術的高度測量原理基于三角測量法。如圖2（a）所示，激光在物空間基平面M上的O點入射，O點在相機像平面m上的對應點為o。當激光在被測物表面A點反射時，反射光在m上的光斑位置為a點。設A點距M的豎向距離為S，像平面中a點與o點的距離為s，則建立像空間中s與物空間中S的映射關系，在已知像高的情況下可獲取物體的高度信息。如圖2（b）所示，線激光傳感器可同時采集物體較大范圍的高度信息，實時性強。利用多個線結構光傳感器同步采集的轍叉區鋼軌組合廓形如圖2（c）所示。

圖2 基于線結構光的道岔區鋼軌組合廓形檢測技術

1.3 道岔區幾何參數檢測技術

道岔區幾何參數檢測首先需要建立道岔區軌道的三維信息，由道岔區鋼軌組合廓形融合廓形采集截面的位置信息獲得。以手推檢測機構為載體，以線結構光和慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）［9］為核心傳感器，搭載里程測量裝置（Distance Measuring Instrument，DMI）和全球衛星導航定位系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）的軌道三維測量系統的結構如圖3所示。其中，IMU積分計算輸出系統相對于初始狀態的速度、位置和姿態；DMI作為獨立單元，輸出測量系統的運動距離和速度；GNSS作為獨立觀測單元，輸出系統的位置和速度。

圖3 道岔軌道三維測量系統結構

兼顧高分辨率和長距離精度是軌道三維測量系統的難點。高性能IMU保障了系統具有較高的測量分辨率，為降低IMU長時間積分帶來的誤差，采用多傳感器組合定位方法解算系統的位置姿態數據，即POS（Position and Orientation System）數據。如圖4所示，首先對DMI、IMU和GNSS數據做初始化對齊，將IMU數據進行航位推算，得到系統基于慣性測量方法的速度與位置，即INS（Inertial Navigation System）數據；然后利用DMI數據和GNSS數據對IMU數據進行參數增量修正，利用卡爾曼濾波將INS與GNSS數據做差值處理，得到高精度POS數據。根據線結構光與位姿傳感器的位置關系，將鋼軌組合廓形與POS數據融合，獲得具有幾何線形的道岔區軌道三維點云。

圖4 道岔區軌道三維測量技術多傳感器組合定位算法流程

對道岔區軌道三維點云進行數據挖掘，可以獲得具有結構意義的道岔區幾何參數。以結構參數中的尖軌降低值和軌道幾何參數中的軌道高低的檢測為例，道岔幾何參數的解算過程如圖5所示。檢測尖軌降低值時，利用圖像識別方法找到尖軌所在區域，提取區域內鋼軌組合廓形，根據結構特征計算尖軌與基本軌頂面高差，即尖軌降低值。檢測軌道高低時，從軌道三維點云中提取工作軌軌頂三維曲線，滑動截取設定弦長下的空間曲線，依次計算弦線中點矢距，即軌道高低。

圖5 道岔幾何參數解算方法

2 道岔區軌道狀態綜合檢測樣機

為驗證道岔區鋼軌組合廓形及幾何參數檢測技術的可行性，研制了道岔區軌道狀態綜合檢測樣機。樣機以手推小車為載體，搭載軌道三維測量系統、嵌入式計算機等模塊，見圖6。其中，線結構光傳感器作為廓形采集傳感器，采集道岔尖軌、心軌、基本軌、翼軌等部件的組合廓形數據；DMI、IMU和GNSS作為位置與姿態傳感器組合，分別采集小車的行駛里程、瞬時速度、姿態和位置；嵌入式計算機作為數據處理單元，對傳感器數據進行處理和解算，輸出道岔區軌道狀態綜合檢測結果。系統采用同步控制技術，同步觸發多源異構傳感器，將數據統一到同一時間基準中。

圖6 道岔區軌道狀態綜合檢測樣機結構

3 樣機性能試驗

3.1 廓形檢測

應用道岔區軌道狀態綜合檢測樣機對道岔區鋼軌廓形檢測效果進行驗證。由于行業內缺乏成熟的道岔區鋼軌組合廓形測量儀器，選取50 kg/m基本軌開展驗證試驗，將樣機檢測結果與成熟產品MiniProf鋼軌輪廓儀的檢測結果進行對比，見圖7。可知：光學系統在軌頂面的數據間隔小于軌側面的間隔；本文系統與MiniProf測量得到的豎直、水平方向偏差分別控制在±0.2 mm和±0.1 mm，測量結果具有較高可信度。

圖7 鋼軌廓形測量效果

3.2 幾何參數檢測

在鐵科（北京）軌道裝備技術有限公司的試驗道岔上，對道岔區軌道狀態綜合檢測樣機開展了幾何參數檢測性能試驗。道岔類型為50 kg/m鋼軌9號單開道岔；小車樣機由單人推行，推行速度約3 km/h，推行距離約50 m。樣機采集的道岔區軌道三維點云見圖8。可知：采集區域內鋼軌、扣件、道砟和軌縫清晰可見，系統具備高分辨建立道岔區軌道復雜三維模型的良好采集性能。

圖8 道岔區軌道三維點云圖

1）結構幾何參數

利用道岔區軌道狀態綜合檢測樣機測得道岔區結構幾何參數，并與人工測量（使用鋼板尺、卷尺、道尺等工具）的結果進行對比，見表1。可知：除查照間隔外，樣機與人工測量結果的偏差基本控制在±1 mm內，該樣機具有替代人工檢測手段的可行性；護軌輪緣槽寬度、查照間隔和護背距離的樣機與人工測量結果偏差較大，考慮這三項檢測對象中均包含護軌，認為偏差是由護軌工作邊采集點稀疏造成的。

表1 道岔結構幾何參數檢測結果對比

2）軌道幾何參數

利用道岔區軌道狀態綜合檢測樣機測得道岔區軌道幾何參數，并與人工弦線法測量結果進行對比，結果見圖9。其中，檢測弦長選取TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規則》［10］規定的軌道靜態幾何不平順評價弦長（10 m弦）。以軌向檢測為例，將軌道曲線以10 m弦長劃分，分別以1 m間隔計算每段軌道的10 m弦矢距。由圖9可知：樣機解算結果與人工弦線法測量結果趨勢一致，可替代人工檢測。

圖9 軌向檢測中樣機與人工弦線法測量結果對比

人工弦線測量方法受弦線張緊程度與人工操作影響，具有較大誤差。為進一步驗證樣機對軌道幾何參數的檢測精度，將檢測結果與軌道檢查儀的測量結果進行對比，見圖10。由于軌道檢查儀在道岔區適應性不佳，該試驗在區間線路開展，共采集100 m長軌道信息，以0.5 m間隔滑動計算每10 m弦軌道正矢。由圖10可知：樣機解算結果與軌道檢查儀測量結果趨勢一致，偏差基本控制在±2 mm內，能夠可靠反映軌道幾何不平順規律。進一步分析偏差數據，偏差數值在零值兩側對稱分布，幅值隨測量里程增加呈發散趨勢，后續應提升慣性測量單元的長時穩定性，進一步提高檢測精度。

圖10 軌向檢測中樣機與軌道檢查儀測量結果對比

3.3 檢測效率

道岔軌道狀態綜合檢測系統操作的主要耗時項分別為設備組裝時間（約5 min）、系統初始化時間（約5 min）、推行采集時間（約2 min，以步行速度3 km/h、推行單股100 m長的道岔計算）和數據后處理時間（約5 min），用時總計約17 min。

目前工務部門實施道岔狀態綜合檢測時，一般是逐個開展單項檢查。以道尺操作為例，人工檢測每個檢測點需10 s。以1 m間隔采集，單股百米長道岔的單項數據采集用時為17 min。

可見，道岔軌道狀態綜合檢測系統的檢測效率遠高于人工檢測。

4 結語

為解決重載道岔區軌道狀態檢測人力成本高、缺乏高效檢測手段的問題，本文針對鋼軌廓形和幾何參數兩個道岔區段重點檢查項點，研究了道岔區軌道狀態綜合檢測技術。根據道岔區鋼軌廓形具有結構復雜和測量范圍大的特點，選用基于多個線結構光傳感器的技術方案，通過建立多傳感器高精度光學映射關系，實現了快速、大范圍的道岔區鋼軌廓形測量。研究了以慣性測量單元為核心的軌道三維測量技術，通過設計多傳感器組合定位方法，能夠高分辨地建立道岔區軌道三維點云。在三維點云的基礎上，研究了幾何參數自動化解算算法，具有綜合性強和自動化程度高的優點。

對所提出的檢測方法開展了樣機研制與性能試驗，分別與人工檢測方法和儀器檢測方法的檢測結果進行了對比。結果表明，所提出的道岔軌道狀態綜合檢測方法原理可行，各項檢測結果與現有方法一致且精度較高，檢測用時顯著低于人工方法。

本文研究成果有望取代人工測量手段，極大提升道岔區檢測效率，具有良好的應用前景。后期需進一步開展測量精度研究，減小測量誤差，形成穩定可用的道岔區軌道狀態綜合檢測產品。