軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

摘要：為了應(yīng)對(duì)軌道交通行業(yè)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的軌道幾何探測(cè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)負(fù)責(zé)前端采集的激光探測(cè)器進(jìn)行了差異化和定制化設(shè)計(jì)，從而確保了系統(tǒng)在整個(gè)生命周期內(nèi)的高精度、穩(wěn)定性和可靠性。系統(tǒng)配備了包含加速度傳感器、傾角儀、陀螺儀等各類(lèi)進(jìn)口傳感器的慣性測(cè)量單元，能夠完成對(duì)軌道水平、軌向等軌道不平順的檢測(cè)以及參數(shù)修正。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有高精度檢測(cè)能力，安裝便捷，并具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：軌道幾何檢測(cè)；激光探測(cè)器；傾角測(cè)量?jī)x；軌道參加檢測(cè)與校正

中圖分類(lèi)號(hào)：TP334.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）14-0094-04

0引言

軌道是鐵路交通運(yùn)行的載體，軌道幾何參數(shù)的精確是確保安全的重要保障，軌道幾何參數(shù)的偏差會(huì)導(dǎo)致軌道水平或方向不平順，出現(xiàn)三角坑，甚至引發(fā)軌道變形等問(wèn)題，進(jìn)而造成安全事故和人員傷亡[1-4]。因此，開(kāi)發(fā)高精度、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要。

基于以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)負(fù)責(zé)前端采集的激光探測(cè)器進(jìn)行了差異化和定制化設(shè)計(jì)，并配備了包含加速度傳感器、傾角儀、陀螺儀等各類(lèi)進(jìn)口傳感器的慣性測(cè)量單元，確保了系統(tǒng)在整個(gè)生命周期內(nèi)的精度、穩(wěn)定性和可靠性，能夠完成對(duì)軌道水平、軌向等軌道不平順的檢測(cè)以及參數(shù)修正[5-9]。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有高精度檢測(cè)能力，安裝便捷，并具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1系統(tǒng)組成

軌道幾何動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置分為車(chē)底設(shè)備、車(chē)內(nèi)設(shè)備、地面設(shè)備三部分[10-14]。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1車(chē)底設(shè)備

1.1.1軌道檢測(cè)梁

采用全斷面軌道檢測(cè)梁（簡(jiǎn)稱(chēng)軌檢梁），安裝于車(chē)體底架上，重量不超過(guò)120KG，主要完成對(duì)各軌道幾何參數(shù)檢測(cè)傳感器封裝。

車(chē)體底架安裝在頭車(chē)，懸掛在車(chē)體帽型梁上，具體安裝位置及示意圖如圖2所示。設(shè)備外形圖如圖3所示。

1.1.2車(chē)體加速度

車(chē)體加速度傳感器安裝在軌檢梁上方，用于測(cè)量車(chē)體垂向和橫向的加速度，如圖4所示。

1.2車(chē)內(nèi)設(shè)備

車(chē)內(nèi)設(shè)備采用3U的CPCI機(jī)架式工控機(jī)，并配有一個(gè)3U的電氣控制箱。系統(tǒng)內(nèi)置4G/LTE傳輸接口，CPCI機(jī)架中還包含獨(dú)立的工控主板，不同系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，總體尺寸在6U內(nèi)。車(chē)內(nèi)設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后，通過(guò)4G/LTE等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面（DCC和OCC）。地面設(shè)備主要由中央處理計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析、處理和輸出。

1.2.1軌距檢測(cè)

軌距檢測(cè)是指在軌道同一橫截面、鋼軌頂面以下16mm處，左右兩根鋼軌之間的最小內(nèi)側(cè)距離相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)軌距值1435mm的偏差。測(cè)量原理如圖5所示。

該系統(tǒng)采用激光三角測(cè)距原理，利用2D激光輪廓傳感器對(duì)軌面和內(nèi)軌腰、軌底進(jìn)行掃描。運(yùn)用高速圖像處理技術(shù)對(duì)輪廓曲線(xiàn)進(jìn)行提取和分析，從而確定軌距的變化。結(jié)合兩個(gè)2D傳感器的安裝距離，計(jì)算合成動(dòng)態(tài)的軌距值，最終得到軌距變化率。

1.2.2軌道高低不平順

軌道高低不平順是指左右軌頂面縱向起伏變化。如圖6所示，軌檢梁慣性元件測(cè)得整個(gè)軌檢梁的姿態(tài)以及軌檢梁的加速度大小。通過(guò)兩次積分得到左右軌檢梁相對(duì)大地的位移，結(jié)合左右2D傳感器測(cè)得的軌頂距離和軌檢梁姿態(tài)補(bǔ)償，可以計(jì)算出左、右高低值。

1.2.3軌道水平不平順

軌道同一橫斷面內(nèi)左右鋼軌頂面的高度差。如圖7可知傾角儀和陀螺儀分別測(cè)得軌檢梁相對(duì)大地的高頻和低頻角度，2D的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的軌檢梁與鋼軌平面的角度。因此可以推算出鋼軌平面相對(duì)大地的角度，從而可以推算出水平和超高值。

1.2.4軌道方向不平順

軌向指的是鋼軌內(nèi)側(cè)面軌距點(diǎn)沿軌道縱向水平位置的變化情況。示意圖如圖8所示。軌檢梁上的橫向加速度測(cè)得梁的橫向加速度，通過(guò)兩次積分得到軌檢梁相對(duì)軌道中心基準(zhǔn)線(xiàn)的橫向位移。左右2D測(cè)得軌檢梁相對(duì)軌道的水平位移，結(jié)合慣性包數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償，可以推算出軌向數(shù)據(jù)。

1.2.5三角坑

三角坑反映了軌頂?shù)钠矫嫘浴Ｈ绻夗攁bcd四點(diǎn)不在同一平面上，則c點(diǎn)到abd三點(diǎn)組成平面的垂直距離h為扭曲。如圖9所示，三角坑是按水平值一定基長(zhǎng)換算得到的，即基長(zhǎng)兩端的水平差。對(duì)于一個(gè)轉(zhuǎn)向架來(lái)說(shuō)，三角坑基長(zhǎng)取2.5m，而對(duì)于一個(gè)車(chē)體來(lái)說(shuō)，基長(zhǎng)取18m，即18m內(nèi)最大水平的差值。

1.2.6曲率

曲率測(cè)量是指對(duì)于一定弦長(zhǎng)的曲線(xiàn)軌道（例如30M），對(duì)應(yīng)之圓心角θ（度/30米）。度數(shù)越大，曲率越大，半徑越小；反之，度數(shù)越小，曲率越小，半徑越大。如圖10所示。

1.2.7車(chē)體加速度

定義：車(chē)體橫向擺動(dòng)和垂向振動(dòng)的沖擊力大小。車(chē)體橫向和垂向振動(dòng)加速度是軌道不平順的間接反映，是乘車(chē)舒適度的重要指標(biāo)，通過(guò)安裝在車(chē)體上的橫向加速度傳感器和垂向加速度傳感器測(cè)得。

2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1高精度激光動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)

為了解決軌道交通行業(yè)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的激光探測(cè)問(wèn)題，該系統(tǒng)對(duì)負(fù)責(zé)前端采集的激光探測(cè)器進(jìn)行了差異化和定制化設(shè)計(jì)，確保了系統(tǒng)在整個(gè)生命周期內(nèi)的檢測(cè)精度、穩(wěn)定性和可靠性。激光二維傳感器的外觀及拍攝效果如圖12所示。

2.2慣性基準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)

系統(tǒng)配備了包含加速度傳感器、傾角儀、陀螺儀等各類(lèi)進(jìn)口傳感器的慣性測(cè)量單元，能夠完成對(duì)軌道水平、軌向等軌道不平順的檢測(cè)以及參數(shù)修正。慣性測(cè)量示意圖如圖13所示。

2.3復(fù)雜場(chǎng)景下數(shù)字成像技術(shù)

該系統(tǒng)采用夜間低照度主動(dòng)成像、白天強(qiáng)光過(guò)曝抑制、高速動(dòng)態(tài)圖像消影、低溫恒溫控制和高溫單機(jī)冷備等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全天候復(fù)雜場(chǎng)景下的高速高清成像。

3系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用成效

軌道檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的界面如圖14所示。以下是在烏魯木齊地鐵1號(hào)線(xiàn)正線(xiàn)下行段檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)圖，包括軌道幾何實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、缺陷報(bào)告、TQI總結(jié)報(bào)表和車(chē)體加速度統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

4結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)軌道幾何動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行了研究，并詳細(xì)闡述了軌道幾何檢測(cè)裝置的組成及其安裝要求。在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和解決方案進(jìn)行了分析，并給出了完整的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)備已在烏魯木齊地鐵1號(hào)線(xiàn)正線(xiàn)下行段進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠通過(guò)軌道幾何實(shí)時(shí)曲線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軌道狀態(tài)，并生成缺陷報(bào)告，有效實(shí)現(xiàn)了軌道幾何狀態(tài)的檢測(cè)。系統(tǒng)具有高精度和實(shí)時(shí)性，并取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

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