基于海南运营动车组的轨道检测系统研制及应用

刘正毅，李 颖，胡莲俊，谭 松，夏博光，魏世斌

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081；2.海南铁路有限公司海口综合维修段，海南海口 570000）

国内外通常采用专用的车辆安装轨道检测设备，构成轨道检测车或综合检测车，用以对轨道进行周期性检测［1］。近年来，一些国家开始研究一种新的方式，即将检测设备安装于运营列车［2］。该方式可节省人力和费用，并能提高检测频率和效率。

2012年美国联邦铁路管理局研发了一种新型轨道状态检测系统。该系统安装在运营列车的转向架或车体上，在列车运营过程中完成对轨道状态的自动检测。日本JR 东海公司将测试装置安装在运营列车上，达到每日对轨道进行检测的目的。通过有效运用多趟运营列车的高频率测试数据，可以对乘车舒适度不太好的区段事先制定出维修保养计划。2008年JR东海公司将新研制的轨道装置安装到N700 系运营列车的6 个编组中，对轨道高低不平顺每天测试数次。荷兰RailData 公司开发出一种安装在运营列车上的轨道检测系统，通过测量和分析车辆加速度，对轨道质量进行监测和评价。此外，法国、德国、加拿大、巴西等国家均在研究和使用装载在运营列车的检测设备。

由国外在运营列车上加装轨道检测设备的实例可知，检测设备检测车辆加速度的较多，检测轨道几何参数的较少；应用于低速车辆的较多，应用于动车组的较少。日本、德国等少数国家也有在动车组上应用轨道检测设备的实例，但检测项目较少。目前国内最先进的GJ-6 型轨道检测系统最高检测速度可达400 km/h，但其设备过于分立，不适用于空间有限的运营动车组。在运营动车组上安装的轨道检测系统必须具有结构简单、集成度高、易于维护、安全可靠的特点。

海南环岛高速铁路东线于2010年开通运营，若采用综合检测列车进行线路等速检测需要其渡过琼州海峡，会导致投入过大且设备使用效率低。为确保运营安全，基于CRH1A型运营动车组研制一套用于检测轨道状态的轨道检测系统，以解决海南环岛高速铁路轨道状态日常检测的问题。

1 系统总体设计

系统采用高度集成的惯性组件（包括三轴加速度传感器和三轴陀螺传感器）安装在检测梁中间位置（此处采用转向架做为检测梁），测量检测梁的运动姿态［3］。由激光摄像组件测量钢轨与检测梁的相对几何关系，计算各项轨道几何参数。系统传感器安装位置如图1所示。其中：θ为检测梁滚动角，绕x轴转动，从y轴指向z轴为正方向，即当左轨较高时产生的滚动角为正方向；ψ为检测梁俯仰角，绕y轴转动，从z轴指向x轴为正方向，即当坡度上升时为正方向；φ为检测梁摇头角，绕z轴转动，从x轴指向y轴为正方向；G为轨距；GL为左轨轨距点相对检测梁的y向位移；GR为右轨轨距点相对检测梁的y向位移；PL为左轨轨面顶点相对检测梁的z向位移；PR为右轨轨面顶点相对检测梁的z向位移；AL为检测梁中心点的横向加速度计的y向输出；AV为检测梁中心点的垂向加速度计的z向输出；APL为垂向加速度计左侧z向分量；APR为垂向加速度计右侧z向分量；hL为检测梁相对于轨距测量平面的垂直高度；ωx为检测梁的滚动角速率；ωy为检测梁的俯仰角速率；ωz为检测梁的摇头角速率。

图1 传感器安装位置示意

对惯性组件安装在转向架上的情况分析可知，此转向架相对于惯性空间的运动可以用刚体绕质心运动方程得到，则刚体坐标系内3 个坐标轴方向的角速度与刚体在3个方向上转过的角度之间的关系为

由此可解算出检测梁的姿态参数，结合激光摄像组件的输出值，进而可导出轨道几何参数。

2 轨道几何参数计算模型

2.1 轨距

与GJ-6 型检测系统一致，采用图像处理方法由激光摄像组件提供单边轨距［4］，通过CAN 总线方式传输给实时处理采集机进行实时处理，得到合成轨距G为

式中：Y为标准轨距，取1 435mm；yL，yR分别为图像中左右轨距点实时y向坐标；YL，YR分别为图像中左右轨距点零点位置。

2.2 曲率

曲率指轨道的弯曲程度，可用轨道中心线在单位长度内转动的角度来表示。摇头陀螺位于转向架上时，与GJ-6型陀螺安装在车体上的曲率计算流程相比得到了简化，减少了修正变量。摇头陀螺测量转向架的摇头角，其输出信号ωz为

由摇头陀螺输出值经过滤波处理获得曲率Curve为

2.3 水平（超高）

轨道水平是指2股钢轨的顶面在直线地段应保持在同一水平面，在曲线地段应满足外轨超高均匀和平顺的要求。水平参数Crosslevel的表达式为

其中θt为轨道倾角，其表达式为

式中：zL，zR分别为图像中左右轨顶点实时z坐标。

检测梁相对于轨道的倾角θbt由图像处理提供的垂向位移获得。检测梁的倾角θb需要由横向加速度计测量的低频成分θbL（包括检测梁静止时的倾角）和滚动陀螺测量的高频成分θbH之和获得，而检测梁的摇头运动会对横向加速度计的输出产生附加影响，因此将摇头陀螺作为横向加速度计的补偿信号。

2.4 高低［5-8］

系统的惯性基准建立在检测梁也就是转向架上时，检测梁中间的垂向加速度计测量z向加速度AV，而检测梁是刚体，可以将其解算为左右两侧的z向加速度分量APL和APR。当列车运行而产生倾角时，重力加速度会在z向产生重力加速度分量AGP，检测梁滚动加速度在z向的分量为ARP。则检测梁左右端z向合成加速度ACPL和ACPR可表示为

由图像得到左右钢轨顶面z向偏移量PL，PR为

式中：ZL，ZR分别为图像中左右轨高低点零点位置。

则左右高低参数ProfileL和ProfileR可表示为

2.5 轨向

安装于检测梁中心点的横向加速度计输出信号为AL，当检测梁有倾角时重力加速度会在y向产生重力加速度分量AGR，检测梁滚动加速度在y向的分量为ABR。则检测梁中心点y向合成加速度AB为

结合由图像所测得的左右轨距分量GL和GR，则左右轨向参数AlignmentL和AlignmentR可表示为

3 检测数据分析及应用

3.1 检测数据重复性对比

该轨道检测系统具备检测高低、轨向、轨距、水平、超高、三角坑等轨道几何参数的功能，经动态试验调试与系统测试后，取线路任意1 000组检测数据xi与当天重复数据yi进行对比（i= 1，2，…，1 000）。各几何参数重复性差异值曲线见图2。图中每条曲线表示在线路上同一位置检测系统对同一几何参数2次检测数据的差异值，共1 000个采样点。

图2 各几何参数重复性差异值曲线

2 次测量数据差异值的绝对值δi=∣xi-yi∣，对δi由小到大排序，取排序后的第95百分位数描述检测系统的重复性［9］。从当天的1 000 组重复数据中计算并选取各项几何参数的δi，见表1，可知，该系统的检测数据重复性较好，远优于指标要求。

表1 数据重复性对比（第95百分位数） mm

3.2 检测数据现场复核

系统研制完成后，组织专家组对系统检测数据进行了上线复核，专家组对现场线路几何尺寸进行了人工测量，并对现场静态实测数据与动态检测数据进行了对比，见表2。可知动静态差值均在1 mm 范围内，说明了系统检测结果的真实性、可靠性及准确性。

表2 系统动态检测值与静态人工测量值对比

3.3 系统检测运营

自该系统上线检测以来，累计检测里程已超过15 万km，工务管理人员可以根据需要和运营动车组的交路随时安排检测计划，确保海南环岛高速铁路运营安全。例如，2018年1月某站整改施工后，上行线某段路基不太稳定，通过对该系统数次检测数据的对比分析，及时发现了上行线某处连续几天内高低最大变化量为8.35 mm，几何参数变化较明显。据此现场及时采取了相应措施，有效指导了现场维修作业。

4 结语

新研制的轨道检测系统高度集成，适用于运营动车组架构，并创新了数据处理方法与参数计算模型。现场应用情况表明：该套设备状态良好，系统稳定可靠，检测数据的一致性和准确性高，为指导现场作业和线路运行安全提供了科学依据，成功解决了海南环岛高速铁路的等速检测问题。该系统更大的意义在于动车组具备载客和线路检测的双重功能，极大地节约了铁路运营成本，提高了运营效率，探索了轨道由周期性检测发展为实时监测的可行性。