轨道平顺性检测技术的分析与对比

张子亮

（中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081）

轨道平顺性检测技术的分析与对比

张子亮

（中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081）

轨道平顺性是影响列车运行安全的关键因素之一。目前，常见的轨道平顺性检测方法大致可以分为静态直接测量、动态直接测量和动态间接测量等 3 类。文章对上述方法的检测原理进行了阐述，分析了优缺点和适用性，并通过实验数据对比分析，对3种方法的检测结果进行了检验。

轨道平顺性；检测技术；分析对比

0　引言

轨道平顺性是影响列车运行安全性的关键因素之一，高速铁路的轨道必须具有高平顺性［1］。为此，铁路行业投入了大量的人力、物力，研究开发轨道平顺性检测技术。目前，常用的轨道平顺性检测技术主要有 3 类：静态直接测量、动态直接测量和动态间接测量。静态直接测量以人工作业为主，目前仍是一种不可替代的测量手段，线路开通前的精调、施工作业后的复核等都离不开静态直接测量。为降低工人的劳动强度、提高检测效率，世界各国相继开发出了多种静态或准静态的线路检查装置［2］，如轨检小车等。动态直接测量方法近些年获得了长足进步，英国、美国、法国、日本、意大利、中国等相继开发出了轨道检查车或综合检测列车等特种车辆［3］，可以对线路进行快速、准确、全面的检测，其测量结果更加接近线路动态荷载下的真实状态。动态间接测量作为前 2 种方法的补充，业已成为线路病害低成本快速筛查的重要手段［4］，如车载式线路检查仪和车辆动态响应系统等。本文将对上述方法逐一进行阐述和分析。

1　静态直接测量

静态直接测量主要包括道尺、弦绳和轨检小车等。其中，轨检小车作为一种准静态轨道不平顺测量装置，在新线施工、整道、检查铺设精度、验收作业质量等方面发挥了重要作用。轨检小车生产厂家众多，国外有德国 GEDOCE、瑞士 Amberg 等，国内有南昌日月明、四川什郁瑞邦、资阳立信、长沙悦诚、中铁咨询等。其中，瑞士 Amberg 的 GRP1000 系列在国内市场占有率较高，见图 1。

图 1 Amberg GRP1000系列

轨检小车的测量原理［5］基本相似，都是由小车携带测量装置（包含倾角仪、加速度计、陀螺仪、位移传感器、里程计等），由手推或马达驱动小车沿轨道移动时测量轨道不平顺，可以输出轨距、超高（水平）、轨向、高低等轨道不平顺参数。

（1）轨距检测。轨距指两股钢轨头部内侧轨顶面下方 16 mm 处两作用边之间的最小距离。通常根据横梁上的直线位移传感器的输出来计算轨距值，钢轨飞边将对轨距检测产生较大影响。

（2）超高（水平）检测。超高是指同一横截面上左右轨顶面相对所在水平面的高度差。检测时，由轨检小车上搭载的水平传感器（倾角仪、侧滚陀螺等）测量出走行面和水平参考面之间的角度，再结合两股钢轨顶面中心间的距离（直角三角形斜边），通过三角函数关系即可求出线路超高，见图 2。水平通常是对超高测量值进行高通滤波后得到。

图 2 超高示意图

（3）高低/轨向检测。高低是指钢轨顶面沿轨道延长方向上的垂向凹凸不平顺，轨向是指钢轨内侧沿轨道延长方向上的横向凹凸不平顺。二者检测原理相同，可以通过弦测正矢或陀螺仪的垂向输出或横向输出测得线路的高低和轨向，再经过相应的数学模型推算即可得到对应弦长的正矢。

（4）里程。里程是指轨检小车测量时走过的距离，通过里程测量轮上的旋转编码器来记录里程值。轨检小车的所有测量结果均包括里程信息，以便快速定位轨道几何偏差对应的线路位置。

轨检小车作业灵活，使用方便，相比于人工使用道尺或拉弦的测量方式，效率得到了大幅提升。但同时，由于测量时线路处于无轮载状态，其测量得到的结果只是静态轨道不平顺［6］，只能部分反映道床路基不均匀残余变形积累形成的不平顺，不能反映暗坑、吊板、弹性不均匀等线路荷载下出现的动态不平顺。

2　动态直接测量

动态直接测量方法是利用安装有检测设备的特种用途车辆对轨道动态不平顺进行直接测量，此类设备主要有轨道检查车和综合检测列车 2 类。我国轨道检查车或综合检测列车上的轨道不平顺检测装备主要为 GJ-6 型轨道几何检测系统［7］，该系统采用惯性测量原理、捷联式结构和非接触测量方法，应用了图像处理技术、陀螺平台、数字滤波、以及计算机实时数据处理等高技术，能够选择不同截止波长的空间曲线或不同弦长的弦测结果输出轨道不平顺。GJ-6 型轨道几何检测系统主要由激光摄像组件、惯性测量组件、信号处理组件、数据处理组件等组成。

（1）激光摄像组件。主要包含激光器、摄像机、温控系统、光学系统等关键部件，见图3。通过对钢轨轮廓进行图像处理，得到钢轨相对于测量坐标系的横向位移，再由 2 根钢轨的横向位移合成轨距，横向位移也是轨向测量的重要分量。

图 3 激光摄像组件

（2）惯性测量组件。主要由陀螺平台（摇头陀螺YAW、滚动陀螺 ROLL 和倾角仪 INCL）、左右高低加速度计、轨向加速度计等惯性器件组合而成，见图 4。惯性测量组件主要功能是采集检测梁和车体的滚动和摇头角速度、倾角、垂向和横向加速度，用于建立轨道检测的惯性基准［8］，满足轨向、高低、水平（超高）、三角坑、曲率等参数的测量要求，并通过设计适当的高通滤波器滤除不需要的波长成分，保留所需的波长成分，即可得到一定波长范围内的高低不平顺曲线［9］。

（3）信号处理组件。信号处理组件由信号转接及监视装置（Patch-Panel）、信号调节滤波装置（SCU）、和一台数字滤波计算机组成，能够对惯性测量部件输出的信号进行滤波、补偿、修正、合成计算，输出轨道几何参数包括轨距、左右高低、左右轨向、水平（超高）、三角坑、曲率、曲线半径。同时，可以检测线路标志，包括道口、道岔、桥梁、曲线拉杆等。

（4）数据处理组件。数据处理组件是由数据库服务器、实时处理计算机、数据应用计算机、网络打印机、交换机等设备组成车载局域网系统［10］。其中，实时处理计算机实现了传感器原始信号的采集、处理、修正、滤波和轨道几何参数的合成，并通过网络将检测数据传送给数据库服务器，用户通过数据应用计算机可以进行超限数据及波形的浏览、打印、分析对比等工作。

轨道检查车或综合检测列车使用了大量高精度传感器，且检测速度与线路允许运营速度一致，具备了检测算法先进、检测项目全面、检测精度高、检测效率高的特点，为工务的现场养护维修提供了重要的支持。同时，轨道检查车或综合检测列车缺点也较为明显，如购置及维护成本高、运营费用昂贵、需安排专用的车辆调度计划、不能及时对作业地点进行检查、基于激光摄像原理的检测项目易受雨雪天气影响等，因此，其推广及使用受到了一定的制约。

图 4 传感器安装位置示意

3　动态间接测量

动态间接测量的主要思想是通过在运营车辆的特定位置安装惯性传感器，利用车线耦合原理，通过测量车辆响应来反映线路状态。目前，具有代表性的动态间接测量装置主要有车载式线路检查仪［11］和车辆动态响应系统［12］。

（1）车载式线路检查仪。车载式线路检查仪是一种安装在机车、动车组上的测量装置，目前已在国内铁路行业广泛使用，生产厂家主要有山西世恒、北京三岭等。其工作原理是通过测量机车或动车组的车体加速度，来反映轨道不平顺状态，通过是否“晃车”以及“晃车”的等级来确认是否需要对线路进行维修。该装置通过与机车安全信息综合监测装置（TAX）或列控设备动态监测系统（DMS）通信，获取机车、动车组运行数据，以便及时发现并准确定位线路不良位置。

（2）车辆动态响应系统。车辆动态响应系统与车载式线路检查仪类似，但其测量范围比车载式线路检查仪要全面很多。车载式线路检查仪只关注车体横向和垂向加速度，而车辆动态响应系统则同时关注轴箱、构架、车体等 3 个部位的加速度。如，美国 ENSCO公司的 VAMS 系统（Vehicle Acceleration Measurement System），其在动车组 1 车、5 车、8 车的车体、构架、轴箱分别安装了加速度计，独立测量 3 个检测断面不同部位的振动加速度，见表 1。

车辆动态响应系统同一检测断面不同部位的加速度数据可以相互验证，不同检测断面的加速度数据也可以相互验证，因此，其测量结果较车载式线路检查仪更加准确。

动态间接测量装置简单实用，可以安装在运营车辆上，避免了轨道检查车和综合检测列车的高成本等问题，能够对线路进行高频次连续监测，具有一定的实用价值。但由于其属于间接测量手段，测量结果与所搭载机车或动车组的车辆状态、线路的湿滑状态等有很大关系，所以只能作为一种定性测量的手段对线路病害进行快速筛查。

表 1 VAMS系统检测项目及技术指标

4　检测数据分析比对

图 5～图 8 分别为轨检小车和轨道几何检测系统对应的轨距、三角坑、轨向、高低的动静态检测数据比对，图中蓝色波形为轨检小车的静态测量数据，粉色波形为轨道几何检测系统的动态测量数据。从图中不难看出，二者波形在某些峰值点存在一定的动静态差异，但大部分区段的重合性较好。

图 9、图 10 为轨道几何动态检测数据和车辆动态响应的对比关系。图 9 中，所选区段的轨向、轨距、超高等轨道几何状态均存在一定程度的不良现象，各因素综合导致检测车经过该区段时车体水平加速度发生了连续的多波宽幅震荡。图 10 中的高低不平顺则是造成车体垂向加速度波动的主要原因。

图 9、图 10 为动态直接测量结果和动态间接测量结果吻合较好的情况。当因为横风、会车、车辆减震故障等原因造成车体加速度响应过大时，动态间接测量和动态直接测量结果的差异性将会比较明显，即车体加速度响应较大而轨道几何状态并无明显对应特征。

图 5 轨距动静态对比

图 6 三角坑动静态对比

图 7 轨向动静态对比

图 8 高低动静态对比

5　结束语

综上所述，轨检小车作业灵活，使用方便，但只能反映静态轨道不平顺。轨道检查车或综合检测列车提供了高精度、高效率的动态不平顺测量方案，但购置及维护成本高且调度不便。车载式线路检查仪或车辆动态响应系统虽能对线路实现低成本连续监测，但受制于检测原理，只能作为一种定性测量的手段。3 种方法各具优缺点，但可以互为补充，取长补短，共同保证铁路的安全运营。需指出，虽然轨道平顺性检测技术在近些年获得了极大的发展，但仍存在一些亟待解决的问题，例如，更长波长不平顺的检测及基于绝对坐标体系的空间动态测量基准的获得等。

图 9 轨道几何状态与车体水平加速度的对应关系

图 10 轨道几何状态与车体垂向加速度的对应关系

［1］ 罗林. 高速铁路轨道必须具有高平顺性［J］. 中国铁路，2000（10）：8-11.

［2］ 左玉良. 轨道几何状态检测技术的应用研究［D］. 上海：同济大学，2007：23-24.

［3］ 徐其瑞，许建明，黎国清. 轨道检查车技术的发展与应用［J］. 中国铁路，2005（9）：37-39.

［4］ 邢宗义，陈岳剑，王晓浩，等. 基于构架点头角速度的轨道垂向长波不平顺在线检测［J］. 中国铁道科学，2015，36（4）：32-39.

［5］ 郭介平，吴汪清. 工长用轨检小车的研制［J］. 铁道标准设计，2005（3）：73-77.

［6］ 龙京，应立军，贾文强. 新型轨道静态几何参数检测仪的研制及应用［J］. 铁道科学与工程学报，2006，3（2）：74-78.

［7］ 魏世斌，李颖，赵延峰，等. GJ-6型轨道检测系统的设计与研制［J］. 铁道建筑，2012（2）：97-100.

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［9］ 杜鹤亭. 长波长轨道不平顺检测中的数字滤波方法［J］. 中国铁道科学，2000，21（4）：58-64.

［10］ 黎国清，魏世斌，赵延峰，等. 高速轨道检测系统［R］. 北京：中国铁道科学研究院，2010：32-33.

［11］ 中华人民共和国铁道部运输局［2007］284号. 车载式线路检查仪暂行技术条件［S］. 2007：4-8.

［12］ 侯卫星. 0号高速综合检测列车［M］. 北京：中国铁道出版社，2010：41-42.

责任编辑 朱开明

Analysis and Comparison of Track Regularity Detection Technologies

Zhang Ziliang

Track regularity is one of the key factors infl uencing the safety of train running. At present，the common track regularity detection methods can be generally divided into three categories，namely static direct measurement， dynamic direct measurement and dynamic indirect measurement. In this paper， the detection principle of the above-mentioned methods is described， and the advantages and disadvantages are given. Through the analysis and comparison of the test data， the detection results of the three methods are verifi ed.

track regularity， testing technology，analysis and comparison

P258

2016-04-17

中国铁道科学研究院基金项目：高速铁路轨面局部沉降监测与识别技术（编号：1452JJXM70）

张子亮（1982—），男，硕士研究生