地铁车载动态轨 、 网检 系统 计量校准 方法研究

乔梅 王利博 杨焰鑫

北京市轨道交通运营管理有限公司 北京市 100070

摘要：探讨通过静态检测数据来对动态检测系统进行计量校准的方法。地铁车载动态轨、网检系统是一套分别通过惯性基准法和激光数字摄像法来动态检测地铁轨道和基础网几何参数的系统，目前行业内还没有一套统一的轨、网动态检测系统计量校准的方法。因动静态检测的检测原理和受力状态的不同，轨道和接触网的几何参数动静态检测值会存在一定的偏差。

关键词：计量校准；轨道；接触网；动态检测；静态检测

1 轨道、接触网的动态检测

地铁轨道系统作为一个整体性工程结构，轨道铺设在路基、桥梁或者隧道之上，起着列车运行的导向作用，直接承受列车及其荷载的巨大压力。在列车运行的动力作用下，它的各个组成部分必须具有足够的强度和稳定性，列车按照规定的速度，安全、平稳和不间断地运行。接触网系统是地铁重要的供电设备，其作用是通过列车受流器可靠地将电能传送给电力牵引列车，其运行性能、质量直接关系到地铁运营的安全性、可靠性、稳定性。当列车在快速行驶时，地铁轨道会承受具有随机性和重复性特点的荷载，轨道结构的空间位置和几何形状在列车的随机荷载的重复作用下会产生一定的偏差，形成轨道的几何不平顺；由于接触网跨距的弹性不均匀以及受电弓的惯性力影响导致受电弓与接触线之间可能产生离线，从而受流被破坏。对轨道、接触网运行性能、设备状态基本参数及时进行动态检测，是保证轨道、接触网正常运行的必要手段。

借助于地铁车载动态轨、网检系统对轨道和接触网进行动态检测，可连续检测轨道和接触网性能状态、参数，并分析、处理数据，并以此来评价轨道和接触网的性能好坏。轨道动态检测系统采用数字激光技术、光电测量技术、陀螺平台、数字滤波以及高速计算机实时数据处理等新技术，对轨道状态实施动态检测；接触网动态检测系统运用紫外检测及综合精确量化、红外热成像、机器视觉图像处理等相关技术，对地铁接触网动态几何、弓网作用等参数进行动态检测；并最终通过计算机智能分析管理软件输出轨道和接触网的各项参数。

轨道动态检测系统采用无剧烈运动的非接触式测量方案与惯性基准法的原理，将二维数字激光传感器和惯性测量单元（陀螺仪、加速度计、倾角仪）安装在轨道检测梁里面，利用二维激光位移传感器测量轨道的轮廓信息，利用加速度计、陀螺仪、倾角仪等惯性单元测量检测梁的空间姿态和一些补偿信息，通过车载计算机处理系统对采集到的数据进行算法处理，得到轨道几何参数。接触网动态检测系统采用的检测方法是利用线结构光三维视觉原理，通过将线激光器和高速工业数字相机安装车顶进行测量。线激光器倾斜一定的角度向接触网照射，高速工业数字相机向上拍摄激光投射在接触线和汇流排上的轮廓图像，通过成像位置计算出接触线相对相机的高度和横向偏移，再根据相机安装在车体的位置换算出接触线的导高和拉出值。

图1为安装在轨道检测梁内部用于采集轨道轮廓数据的传感器组件，图2为检测导高、拉出值、磨耗、跨度、定位坡度等指标的接触网几何参数检测模块，图3为接触网动态检测系统结构功能示意图。

图1 各传感器组件及安装位置示意图

图2 接触网动态检测系统几何参数检测模块的典型结构

图3 接触网动态检测系统结构功能图

地铁车载动态轨、网检系统在运用一段时间后，需要对其进行计量校准。如何对动态轨、网检系统进行计量校准，目前行业内还没有统一的规范。

2 校准参数

对地铁车载动态轨、网检系统进行计量校准就是校验动态轨、网检系统检测的轨道及接触网的参数与轨道及接触网的实际参数是否一致。本文主要校验的参数如下：轨道几何参数（轨距、水平、高低、轨向、三角坑）、接触网几何参数（接触线高度、拉出值）。

轨距：指钢轨踏面（顶面）下16mm处两股钢轨工作边之间的最小距离。

水平：指线路左右两股钢轨顶面的相对高差。

高低：指轨道沿线路方向的竖向平顺性。

轨向：指轨道中心线在水平面上的平顺性

三角坑：是指在一定基长的距离内，先是左股钢轨高于右股，后是右股高于左股，高差值超过容许偏差值，而且两个最大水平误差点之间的距离小于相应规定的基长。

接触线高度：指接触线悬挂点距轨面的垂直高度。

拉出值：是指在接触网定位点处，接触导线偏离受电弓理想中心线的距离。

3 计量校准方法

对以上几个参数进行动态检测和静态检测，通过动态检测数据的重复性对比和动静态检测数据的偏差判断，可对地铁车载动态轨、网检系统进行校准。首先进行系统稳定性的检测，然后进行现场校准检测。

3.1 系统稳定性检测

在列车静止的情况下，打开地铁车载动态轨、网检系统，热机1个小时后，进行零点标定，打开静态启动，从30~160km/h，记录各项参数值的变化情况，比较检测值是否在规定的精度要求范围内，如果变化超出精度要求，则不能进行现场检测。

3.2 现场校准检测

3.2.1 动态参数检测及重复性比较

选择一段5km左右的线路，该线路需包含直线段和由不同曲线半径组成的连续曲线段。搭载动态轨、网检系统的列车应在此段线路上重复检测三次，分别提取该段线路的第1次动态检测数据、第2次动态检测数据和第3次动态检测数据。选择不少于250个定位点，分别比较3次检测数据的重复性。具体检测项目检表1。

表1 检测项目

各项检测数据应按照表2的方式进行两两对比，表2中的数字即代表第几次的检测数据。

表2 重复性对比方式

为了比较个项检测值，必须将每次的采集信号做精确同步分析。因此，对于检测的所有参数，应使用以下步骤评估其重复性。

（1）计算各项目检测值3次检测之间的差异。

（2）误差分布分析（95%可信度计算）。评估误差分布的95%可信度的常用方法是假设该误差分布是高斯分布。这种情况下，其分布概率完全由平均值（μ）和标准偏差（σ）定义，并且其95%可信度采用±2σ。应采用每次检测所获取的数据之间的误差分布来评估每一项参数，误差分布的95%可信度应在表3所给的精度范围之内。

表3 重复性的预期值

3.2.2 静态参数检测及动静态检测值对比

（1）静态参数检测

①在同段线路上选取若干定位点，使用轨道检查仪和接触网几何参数测试仪检测出这些定位点各项参数的静态检测值，作为该点的静态检测值。见表4。

②使用的测量设备需经过检定，且在检定有效期内；

③该线路经过上述动态检测后，线路轨道、接触网未进行维修作业。

2. 动态参数选取

在3组动态检测数据中提取相同定位点的检测数据，取各定位点3组动态检测数据的算术平均值作为该点的动态检测值。见表4。

表4 动静态检测值

2. 通过车载动态轨、网检系统检测出的动态检测值与轨道检查仪及接触网几何参数测试仪检测出的静态检测值对比，差值应该在允许的误差范围内。各参数合格条件见表5。

表5 各参数合格条件

该合格条件主要针对本文涉及的地铁车载动态轨、网检系统，具体精度各企业应根据所使用的动态检测系统及对动态检测系统要求的高低确定。

4 结论

当轨距、水平、高低、轨向、三角坑、接触网高度和拉出值的动态检测数据重复性比较和动静态检测数据的差值对比都通过，则表示该地铁车载动态轨、网检系统的相应检测项目合格，若有一项不通过，则该检测项目不合格，应进行相应地调试。

总之，通过以上系统的校验方法，可以科学有效地解决目前地铁车载动态轨、网检系统精度验证问题，为地铁车载动态轨、网检系统的计量校准工作提供了方法和依据，对地铁车载动态轨、网检系统的计量校准具有重要意义。

参考文献

1. 罗亚敏.地铁接触网（轨）动态检测系统精度验证.现代城市轨道交通，2015（3）.

2. 谭社会，毛晓君.基于转换矩阵的新建无砟高铁动静态轨道质量指数关系研究.铁道科学与工程学报,2016（9）.

作者简介：乔梅（1988-05-21），女，汉族，籍贯：甘肃庆阳，当前职务：接触网维修工程师，当前职称：助理工程师，学历：本科，研究方向：接触网检测

发改办高技〔2016〕583号