高速鐵路軌道不平順的激光檢測系統設計

賈 巖

（湖南鐵路科技職業技術學院，湖南 株洲 412000）

鐵路是國民經濟的大動脈，隨著經濟的快速增長，我國的鐵路建設步入“高鐵時代”。高平順性是高速鐵路對軌道的最根本要求，也是建設鐵路的控制性條件，為保障高速行車的平穩、安全和舒適，必須嚴格控制軌道的平順性[1]。鐵路軌道不平順是導致機車車輛等結構物產生振動或破壞的根本原因之一，同時也是機車車輛設計、計算及評估的重要依據。在我國傳統的工務維修中，采用拉繩法進行測量，這種檢測方法存在很多弊端，檢測精度不高，工作效率低，所需工作量大，易受天氣影響。這種傳統的檢測方法嚴重制約了鐵路線路幾何參數檢測的發展。近幾年，對軌道不平順性狀態檢測已開始使用弦測法和慣性基準法，但仍滿足不了對高速鐵路軌道長波不平順的測量要求。

本文采用激光長弦發射和數字接收光靶配合測量軌道的長波不平順，利用傳感器對軌道的水平和軌距進行同步測量。激光長弦的使用，能有效擴大測量基準弦的長度，直接測量軌道的長波不平順，真實地反映出軌道的平順性狀態，減少操作的重復性，高質量檢測軌道的幾何形位參數。

1 軌道不平順的激光檢測原理

軌道不平順是指兩根鋼軌在高低和左右方向與鋼軌理想位置幾何尺寸的偏差，其中包括軌道方向（軌向）不平順和軌道前后高低不平順。軌向是指鋼軌內側面測距點沿軌道縱向水平位置的變化量（曲線上稱正矢）；高低是指軌道沿線路方向的豎向平順性[2]。

本文采用激光長弦發射和數字接收光靶配合測量，其中利用激光準直技術在最長150 m鋼軌頭尾兩端上構建一個激光準直基準系統。將激光長弦發射器和數字接收光靶分別安裝在發射小車和接收小車上。測量開始時將發射小車和接收小車置于軌道上相距一定距離，由激光發射器發射激光束，由數字接收光靶進行接收。調整發射器，使發射器發射出的正十字形激光束的中心與數字接收光靶的軸線重合。測量時保持搭載激光發射器的發射小車在軌道上位置不變，推動接收小車靠近發射小車運動，每移動一段枕木長（0.625 m）停止一次，停止時將接收小車在軌道上固定好進行信號接收，然后開始進行下一段的測量。每測完一段弦長，則移動發射裝置到新的測量點，重復上述過程測量。為了保證測量的準確性和測量的精度，新的測量點為上次測量弦段的中點，最后完成全部路程的測量。

數字接收光靶用于接收激光發射器發射出的激光束，并將其轉換成圖像信號傳輸至計算機，通過計算機軟件圖像信號出現在圖像視頻窗口，經過計算機的分析和處理，通過分析數字接收光靶標定的初值與接收正十字形激光束的中心位置的相對位移，即可得到高精度的軌向和高低的值。

由計算機依據理論曲線方程及相關參數計算出理論曲線軌道的軌向和高低，即設計值30 m、300 m弦軌向的不平順性檢測和高低的檢測。

1.1 30 m、300 m弦軌向的不平順性檢測

1.1.1 300 m弦軌向的不平順性檢測

將測量的初始點設為P1，采用300 m弦線進行測量。按間距150 m設置一對檢測點，得到2個測量弦段，每個測量弦段則包含n個檢測點，這里n=240（軌枕間距0.625 m），則有P1、P2、…、P481共計481個測量點。于是評價300 m軌向的不平順性方法如下：P1、P241形成第一組評價點（點間隔為150 m），P2、P242形成第二組評價點，以此類推，直到P240、P480形成第n（n=240）組評價點，則完成300 m弦軌向的不平順性評價。按照150 m的重疊區段長度，新的測量弦線則從已檢測的最后一點P240開始，重復測量按相同的方法確定評價組。其300 m弦軌向不平順性檢測示意圖如圖1所示。

圖1 300 m弦軌向不平順性檢測示意圖

300 m弦軌道的軌向評價方法：P25與P265間的軌向檢測按式（1）計算：

式中，Δh為軌向的評價值；h25設計為理論曲線第25個測量點的軌向；h25實測為實際實際曲線第25個測量點的軌向。

1.1.2 30米弦軌向的不平順性檢測

測量的初始點為P1，按30米弦線，按間距5 m分成6個測量弦段，每個子區段包含m個檢測點[3]。這里m=8，則有P1、P2、…、P49共計49個檢測點。于是30 m弦軌向的不平順性的評價如下：P1、P9、P17、P25、P33、P41形成第一組評價（點間隔5 m），然后P2、P10、P18、P26、P34、P42形成第二組評價，以此類推，最后完成30 m弦軌向不平順性評價。30 m弦軌向不平順檢測示意圖如圖2所示。

圖2 30 m弦軌向不平順性檢測示意圖

圖2中的點是鋼軌支承點的編號，以P1到P49表示。P25與P33間的軌向檢測按式（2）計算：

式中各符號如式（1）所示。

1.2 高低檢測

高低測量根據已測量的傾角以及激光點的屏幕坐標，可以推出相應位置的高低計算公式：

式中，Y0為高低實際值；Y為接收點處的縱坐標值；α為接收點處兩軌高度差相對于水平面所傾斜的角度。然后利用超高、軌距及所測量的左軌（右軌）前后高低推算出右軌（左軌）的前后高低。

2 軌道幾何參數檢測系統總體方案

本系統采用高性能的MSP430F149單片機作為數據采集、數據處理和信號傳輸的控制核心。利用激光長弦發射和數字接收光靶相配合建立一測量弦，通過圖像傳輸線將接收信號傳輸至計算機，對軌道的軌向和高低進行直接檢測。采用磁致伸縮位移傳感器、傾角傳感器、旋轉編碼器和溫度傳感器對軌距、水平、里程和溫度等參數進行測量，接收信號通過處理后傳至單片機用于數據采集、處理和傳輸。系統總體結構如圖3所示。

圖3 系統結構框圖

3 軌道幾何參數檢測硬件系統設計

3.1 軌向、高低測量模塊

本系統利用激光準直原理測量軌道的不平順性，采用的激光長弦發射器是半導體激光器，其具有長距離激光準直特性。激光發射器的波長為658 nm，儀器的出瞳功率＜1 mW，該激光屬于2類激光產品，工作距離為0～150 m。

本系統利用數字接收光靶接收十字形激光束，主要利用圖像處理技術實現數字化檢測，選用拉特有限公司的T114型號數字接收光靶，數字接收光靶通過圖像傳輸線與計算機的USB接口相連接。測量時，激光長弦發射器在指定位置發射正十字形激光束，數字接收光靶在與激光發射器相距一定距離處進行接收。通過測量數字接收光靶標定的初值與接收正十字形激光束的中心位置的相對位移，即可得到高精度的軌向和高低的值。

3.2 軌距、水平、里程測量模塊

（1）軌距是指兩股鋼軌頭部內側的軌頂面下16 m m處兩作用邊之間的最小距離。本系統選用FWD-L系列磁致伸縮位移傳感器進行軌距測量，并安裝溫度傳感器，用于對軌距等測量結果進行溫度補償，使測量結果精度得到提高[4]。本系統采用DS1820溫度傳感器進行溫度測量。

（2）水平（超高）是指線路左右兩股鋼軌頂面的相對高度差。將傾角傳感器置于橫梁上，通過傾角傳感器輸出軌頂面與水平面之間的角度，然后根據已測出的軌距值，計算出左右軌的超高值。本系統選用SCA100T型傾角傳感器，需通過AD模數轉換器，將測量值傳輸至單片機[5]。

（3）里程測量的目的主要用于測定測量系統的行進位置。在里程測量模塊中選用增量式旋轉編碼器作為里程的測量[6]。旋轉編碼器是高精度控制系統中常用的位移測量傳感器。

（4）本系統采用AD模數變換器高精度采集磁致伸縮位移傳感器和傾角傳感器的模擬信號，并將其轉換成數字信號輸出給單片機進行數據處理。本系統采用AD974作為磁致伸縮位移傳感器和傾角傳感器的模數轉換器。

4 軟件系統方案設計

軟件設計主要是基于軌道幾何參數測量原理對檢測得到的數據進行采集、分析處理和文件存儲，最終得出鐵路線路的幾何參數。激光軌道檢測系統軟件部分主要分為三大模塊，包括數據接收、數據分析和數據顯示。軟件系統整體方案設計如圖4所示。

圖4 軟件系統整體方案設計

計算機接收數據后，對其進行存儲，將其按固定格式存儲在數據庫中，最后從數據庫中讀取數據進行各項操作。最后將測量數據進行處理，以列表的方式查看各監測點的具體數值，也可以以圖形的方式查看鐵路軌道幾何參數的情況。軟件系統界面如圖5所示。

圖5 軟件系統界面

5 結束語

本系統利用激光束和接收光靶在軌道上建立測量弦對軌道的不平順進行直接測量，數字接收光靶將接收到的激光轉換成圖像信號并將其傳至計算機進行分析、處理，直接得出軌道的軌向和高低，有效地提高了檢測效率和檢測精度。利用高精度的16位AD974模數轉換器對4路信號進行采集，使轉換系統具有高通過性、高精度，極大地簡化了外圍電路的設計，減小了應用系統的體積。本檢測系統的設計完成了軌向、高低、軌距、水平、里程、溫度的檢測，可有效解決傳統軌道幾何參數測量中檢測精度低、測量效率低等問題。檢測系統可以直接向用戶提供檢測數據結果，直觀地反應出軌道線路的情況。