試驗線便攜式軌道檢測車設(shè)計方法

摘 要：軌道的工作狀態(tài)對于鐵路的正常運行效率和安全起著至關(guān)重要的作用。目前，針對區(qū)間試驗段軌道（尤其是10公里以下的車輛廠區(qū)內(nèi)試驗線路）養(yǎng)護維修，國內(nèi)外沒有成熟的集成軌道和接觸網(wǎng)兩部分檢測功能的綜合檢測系統(tǒng)或設(shè)備。因此文章結(jié)合高精度定位測量技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和健康管理技術(shù)，充分利用線路檢測數(shù)據(jù)，建立故障檢測診斷模型以及一套對試驗線路有效性和線路養(yǎng)護維修質(zhì)量的科學(xué)評價體系。實現(xiàn)軌道病害報警、指導(dǎo)線路養(yǎng)護維修以及線路試驗有效性評價。

關(guān)鍵詞：試驗線 軌道檢測車 數(shù)據(jù)處理

1 概述

針對鐵路試驗線運行軌道存在的主要缺陷、上部和下部受流軌的主要安裝幾何尺寸、接觸網(wǎng)的高度等幾何尺寸以及軌道障礙物等檢測要素，需要研究行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則下的綜合檢測平臺[1]。綜合檢測平臺具備動力系統(tǒng)，自身具備供電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)滿足全天候條件的檢測，具備GPS定位系統(tǒng)功能，能實現(xiàn)綜合檢測系統(tǒng)運行軌跡的可追溯性，可實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)即時存儲，并通過5G網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送至后端分析系統(tǒng)，針對典型缺陷或者問題，建立故障檢測診斷模型、線路養(yǎng)護維修和試驗線路有效性的科學(xué)評價體系，具備報警功能和告知維修的手段，確保列車能夠進(jìn)行有效性試驗。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，針對區(qū)間試驗段軌道（尤其是10公里以下的車輛廠區(qū)內(nèi)試驗線路）養(yǎng)護維修，國內(nèi)外沒有成熟的集成軌道和受流兩部分檢測功能的綜合檢測系統(tǒng)或設(shè)備[2]。區(qū)間試驗段由于距離、成本等諸多受限因素，通常采用人工巡檢方式完成日常維護的線路巡檢。采用的測試檢測工具通常為單一功能的軌道幾何參數(shù)測量儀器或手持式接觸網(wǎng)檢測設(shè)備等。在軌道線巡檢方面，更是僅停留在人工目視巡查，手工記錄等原始方式。缺乏系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的解決手段及策略。鐵路系統(tǒng)內(nèi)對短距離區(qū)間段的軌道工務(wù)巡檢缺乏相關(guān)國家或企業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，對廠區(qū)內(nèi)軌道日常維護及大修養(yǎng)護策略的制定帶來的諸多不便。

3 軌道檢測車系統(tǒng)方案設(shè)計

軌道檢測車系統(tǒng)主要是由便攜式軌檢車硬件平臺和后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩部分組成。（圖1）

3.1 便攜式軌道檢測車硬件平臺

3.1.1 便攜式牽引小車

便攜式牽引小車上可同時乘坐2～3人，帶有直流減速電機，無極調(diào)速，電機正反轉(zhuǎn)雙向運行，采用電池動力，配備大容量鋰電池，可實現(xiàn)自動巡航，最快時速為20公里/小時。

3.1.2 測量小車

測量小車檢測系統(tǒng)可分為五個分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)通過無線網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互及共享，所有安裝的設(shè)備均能全天候不間斷工作。各檢測分系統(tǒng)間既可獨立工作，又可同時作業(yè)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互及共享，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及傳輸數(shù)據(jù)、無人值守操作。

（1）軌道幾何參數(shù)檢測分系統(tǒng)

軌道幾何檢測分系統(tǒng)主要實現(xiàn)軌道幾何參數(shù)采集及測量，具有如下檢測功能：軌距、水平（超高）、扭曲（三角坑）和軌向（高低）等[3]。

1）軌距

軌距指兩股鋼軌頭部內(nèi)側(cè)軌頂面下16mm處兩作用邊之間的最小距離。

2）水平（超高）

超高示意圖見圖2。超高測量精度主要取決于慣性測量滾動角絕對精度。

3）扭曲（三角坑）

扭曲指在6.25m的范圍內(nèi)，左右股鋼軌間形成的一個凹陷。扭曲示意圖見圖3。

4）軌向（高低）

軌向指鋼軌內(nèi)側(cè)軌距點處沿軌道延長方向的橫向不平順；高低指鋼軌頂面沿軌道延長方向的垂向不平順。軌向示意圖見圖4。

（2）鋼軌全斷面檢測分系統(tǒng)

鋼軌全斷面檢測系統(tǒng)采用2D激光測量技術(shù)，對鋼軌磨耗、全斷面進(jìn)行實時、動態(tài)、高精度檢測，為軌道檢修、車輪鏇修提供依據(jù)。

（3）三維掃描分系統(tǒng)

三維掃描系統(tǒng)由激光掃描儀、成像檢測裝置構(gòu)成，實現(xiàn)隧道、橋梁限界、接近物限界的實時監(jiān)測。三維掃描系統(tǒng)將激光掃描儀的測量信息引入計算機進(jìn)行分析處理。基于慣性測量的多信息組合導(dǎo)航方案，為掃描系統(tǒng)提供高精度空間基準(zhǔn)，準(zhǔn)確建立限界分析基準(zhǔn)，使得測量不受車輛振動及蛇形運動的影響。

（4）線路巡檢分系統(tǒng)

線路部件及線路環(huán)境巡檢子系統(tǒng)主要由線路巡檢監(jiān)視相機組、光源組件、中央數(shù)據(jù)分析處理單元機輸出客戶端設(shè)備等組成。線路部件及線路環(huán)境巡檢子系統(tǒng)主要實現(xiàn)線路軌道設(shè)施的高清成像，采用非接觸測量方法，實時不間斷按里程記錄鋼軌表面圖像信息，并提供相應(yīng)應(yīng)用軟件保證完成圖像回放、畫面抓取、扣件丟失等圖像分析[4]。

（5）激光接觸網(wǎng)檢測分系統(tǒng)

激光接觸網(wǎng)檢測分系統(tǒng)采用激光器傳感器和相位脈沖技術(shù)，可對接觸網(wǎng)的導(dǎo)高、拉出值、定位器坡度、錨段關(guān)節(jié)、線岔、超高、軌距等幾何參數(shù)進(jìn)行快速測量[5]。激光接觸網(wǎng)檢測的主要技術(shù)指標(biāo)如表1。

3.2 前端數(shù)據(jù)采集單元

前端數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)對各個傳感器的設(shè)備控制管理、系統(tǒng)狀態(tài)自檢、傳感器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)圖像采集，并與后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行時間同步。以實時獲取的位置坐標(biāo)信息作為多源信息融合的基準(zhǔn)，對采集數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行預(yù)處理和存儲，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)和實時處理結(jié)果發(fā)送至后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行病害故障模型診斷分析。

3.3 后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

采用在線數(shù)據(jù)處理和離線處理兩種工作模式。主要負(fù)責(zé)對采集數(shù)據(jù)的分析處理，通過數(shù)據(jù)分析和故障模式分析，在對軌道病害進(jìn)行科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建試驗段線路巡檢標(biāo)準(zhǔn)體系，為軌道檢測提供有針對性的診斷評價和養(yǎng)護維修指導(dǎo)。主要包括以下模塊。

3.3.1 用戶登錄管理模塊

主要實現(xiàn)用戶管理、修改密碼頁設(shè)計、添加管理員等功能。

3.3.2 系統(tǒng)自檢模塊

主要用于對系統(tǒng)設(shè)備及傳感器進(jìn)行初始化設(shè)置，并檢測系統(tǒng)初始化狀態(tài)。

3.3.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

實現(xiàn)前端采集到的檢測數(shù)據(jù)能夠及時通過無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖藬?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對檢測結(jié)果進(jìn)行實時處理。

3.3.4 圖像處理分析模塊

主要負(fù)責(zé)對圖像視頻進(jìn)行解碼和預(yù)處理。

3.3.5 數(shù)據(jù)存儲顯示模塊

對傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲，以圖表形式顯示測量曲線、理想曲線、平順曲線和不平順曲線；能夠通過位置信息對波形圖進(jìn)行定位，實現(xiàn)查看特定范圍內(nèi)的檢測信息對比分析；能夠?qū)崿F(xiàn)波形圖與線路綜合圖的聯(lián)動；以不同顏色的波形圖的形式將此次檢測的原始波形數(shù)據(jù)、超限數(shù)據(jù)與上次檢測的相應(yīng)信息進(jìn)行對比分析；可以自由放大和縮小圖像，便于數(shù)據(jù)分析和相互比較。

3.3.6 故障診斷模塊

根據(jù)區(qū)間試驗段軌道養(yǎng)護維修標(biāo)準(zhǔn)，利用前端數(shù)據(jù)采集單元提供的有關(guān)軌道線路的外部幾何信息和內(nèi)部幾何信息，推算出兩軌間的軌距變化率、水平不平順和三角坑等參數(shù)，并以表格形式輸出所有的計算結(jié)果。

3.3.7 故障報告生成模塊

將故障診斷模塊生成的故障病害診斷結(jié)果生成規(guī)范的診斷報告，實現(xiàn)紙質(zhì)打印存檔。

4 總語

本文主要針對適用于國內(nèi)車輛廠試驗線路的日常檢測與維護工作的便攜式軌道檢測車進(jìn)行了系統(tǒng)方案設(shè)計。便攜式軌道檢測車主要包括有牽引小車、測量小車、前端數(shù)據(jù)采集單元和后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。軌道檢測車在便攜式牽引小車上設(shè)置有人員乘坐位置，可以人員監(jiān)督檢測，各檢測分系統(tǒng)間可獨立工作，可同時作業(yè)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互及共享，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及傳輸數(shù)據(jù)、所以，也可以無人值守操作。

基金項目：名師工作室項目：陳文軒機車電類技能研訓(xùn)工作室（2024-JNDS004）。

參考文獻(xiàn)：

[1]周長樂.高速鐵路無砟軌道精測精調(diào)數(shù)據(jù)處理[D].鄭州：中原工學(xué)院，2023.

[2]陶一銘.一種輕型電動軌道檢測車結(jié)構(gòu)設(shè)計與動力學(xué)分析[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2022.

[3]國家鐵路局.軌道幾何狀態(tài)動態(tài)檢測及評定：TB/T 3355—2014[S].2014.

[4]李一凡.基于機器視覺的軌道缺陷智能巡檢小車設(shè)計研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2022.

[5]胡政漢.城市軌道交通線網(wǎng)檢測車路徑優(yōu)化[J].都市快軌交通，2024，37（01）：107-113.

[6]國家鐵路局.接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測量儀：TB/T 3227—2010[S].北京：中國鐵道出版社，2010.