论文部分内容阅读
摘要：轨道检查车是检查轨道病害的大型动态检测设备,对运输安全具有重要作用。文章简要探讨GJ-5型轨检车所采用的激光和摄像检测技术对常见病害的检测原理，介绍轨检车在病害检测中所产生的数据的识读及处理方式，分析我国两种轨道质量评价法的利弊以及应用方法。
关键词：轨检车；检测原理；数据处理
1引言
上世纪80年代以来，通常采用一维光电位移传感器，为满足测量系统的定位要求，安装基准一般选择在以轮对为刚体的结构上。
从测量原理角度来看，测量链的简捷有助于提高测量系统的精度。但是，随着检测速度的提高，轮轨作用力的增大，轴箱的振动随之增大，工作环境的恶劣束缚了检测系统的性能。随着传感器技术及计算机技术的发展，开始采用二维光电位移传感器，上世纪90年代末期，满足于更高精度的检测速度的激光和摄像技术获得应用并逐步取代了原有的其他检测系统。
目前，当今世界高速铁路发达的国家，激光和摄像检测技术获得了广泛的应用，而且，已成为目前世界上轨道检测系统的主流。如日本、美国、法国、德国、意大利等，均不同程度采用了该检测技术，从而提高了系统检测速度、精度和可靠性。在此背景下，我国引进了GJ-5型轨检车，采用激光和摄像检测技术，可测项目有：轨距、左右轨向、三角坑、曲率、车体加速度、轨底坡（可选项）、钢轨断面（可选项）等。
2GJ-5型轨检车对病害的检测原理
2.1高低检测原理
高低的测量基于惯性基准原理与图像测量原理。
测量梁相对于钢轨的位移分为两部分，第一部分为测量梁自身的位移，这部分由测量梁中的惯性包测量出梁的垂直加速度，并由系统对其修正，除去重力分量等不利因素，对加速度进行二次积分可得位移值。第二部分为测量梁移动后与钢轨之间的距离，由图像处理系统获得。两项位移之和为钢轨的高低数值。
图1高低检测原理简图
2.2轨距检测原理
轨距采用图像测量原理。钢轨内外两侧激光器发出一扇形光带，垂直照射在钢轨上，在钢轨上形成一垂直断面。同时，断面和轨距摄像机捕捉到激光线的图像，视频图像输出到VME计算机系统，经数字化后，拟合成完整的钢轨断面图像，通过坐标变换，合成和滤波处理等，得到轨道几何数据。见图2。
2.3轨向检测原理
轨向的测量基于惯性基准原理与图像测量原理。测量梁相对于钢轨的位移分为两部分，第一部分测量梁自身的位移，这部分由测量梁中的惯性包测出梁的水平加速度，并由系统对其进行修正，除去重力分量等不利因素，对加速度进行二次积分可得位移值；第二部分为测量梁移动后与钢轨之间的距离，由图像处理系统获得。系统采集位移后经过运算得出左、右轨向数值。
图2轨距检测原理简图
图3轨向检测原理简图
2.4水平、超高检测的原理
GJ-5型轨检车对水平、超高的测量等同于线路倾角测量，采用重力测量。
由于轨距已知，则超高=轨距×Sinθ，θ角由安装于测量包中的侧滚陀螺测得。
2.5三角坑、曲率检测原理
GJ-5型轨检车对三角坑的采集是对水平数据的处理，由于轨检车对水平数据的采集分正负，正值为左侧钢轨高，负值为右侧钢轨高，对相距2.4m的两点的水平值进行代数运算即可得到三角坑的数值。
曲率是轨检车采集摇头陀螺输出的数据，并考虑轨检车行车速度、重力等因素进行修正，经过运算得出的。
GJ-5型轨检车在运行过程中还对水平、垂直振动加速度进行采集。在轨检车上对车体及轴箱振动加速度进行测量，是对舒适度的综合评价手段，也是对轨道几何不平顺检测的补充。
通过左右钢轨内外两侧的激光摄像系统，通过图像处理，将钢轨的内外侧断面图像拟合成完整的钢轨断面图像，与系统中存储的标准轨断面进行比较，从而获得左右钢轨的水平、垂直磨耗并计算得到总磨耗。
3轨道质量检测数据处理
数据处理系统将采集的参数按一定数学模型进行计算，计算出里程、速度、曲率及其他轨道几何参数，然后根据每点的几何状态参数值和不同速度的检测标准摘取不同级别的超限数值。所有几何参数项目都以一级超限的数值为基准，采用连续多点判别技术，判断超限的起点、终点、长度和级别，随后进行区段轨道超限情况统计。数据处理系统通过对实时速度的区分，统计不同速度档次的超限数量和扣分情况，多角度地进行轨道质量评估。在整理好以上数据资料的基础上，进行轨道几何工级、Ⅱ级、Ⅲ级超限报表的编制和其余报表的编制。
3.1轨道质量评价法
目前我国所采用的轨道质量评价方法有两种，分别为峰值扣分法与轨道质量数评价法。
峰值扣分法是测量轨道各参数每个测点的幅值大小来判断测点的幅值是否超过规定的界限，并根据超限的不同等级进行扣分，在确定的轨道区段范围内，统计各级超限数量及格参数的扣分数。每级超限所对应的扣分数不同。
轨道质量数评价法是衡量轨道區段整体质量状态的综合指标，是200m区段内高低（左、右）、轨向（左、右）、轨距、水平、三角坑七项几何参数标准差的和。
峰值扣分法能够找出轨道的局部病害及病害的类型、程度和所在位置，作为指导现场做紧急补修非常实用，但是即用超限点峰值的大小、超限的数量及扣分多少，不能全面、科学、合理地评价轨道区段的平均质量状态。而TQI所描述的是一个区段内轨道质量状态，能够全面的评价该区段轨道状态，但不能准确定位病害的位置。在实际中，通常应用两种方法共同描述轨道的质量状态。
3.2严重轨道不平顺的识别及整治
一般情况下，轨道不平顺可依据检测报告以及对应区段的波形图判断，具体操作为如果在轨道检测报告中出现轨道病害项目，则需根据报告中提供的病害里程，查找出病害所在位置的波形图，查看是轨道病害所产生的超限还是由于轨检车误判所产生的超限（轨检车误判情况详见误判数据的识别），再进行具体操作。
图4轨道不平顺的识别
但是对于特殊波形，仅靠上述方法判断不够妥善。例如,图4所示，A、B、C、D四段轨道不平顺波形，如果仅根据幅值超过某一限度的情况来评分，则A、B、C三段都是III级超限，失分相同，D段的状态良好。但实际情况并非如此。A、B中幅值大、平均变化率也大，应评为不良或严重病害，定为需要进行紧急补修或限速的地点。C中幅值虽大，但波长较长、平均变化率很小、变化平缓，由于影响小，不必评为病害。D中出现三波以上（含三波）连续的周期性不平顺，其波长在谐振波长范围，属于谐振波形，虽然幅值不超过现有的允许限度，也应判为有害的严重不平顺，必须进行维修或紧急补修，以严格避免引起共振。轨检车对病害的记载方式只停留在对超限病害的记载，并不分析病害的变化率、周期性不平顺等情况，因此需要工作人员对轨检车所记录的波形图文件加以分析判断，以防漏判的发生，保障铁路运营的安全。
3.3误判数据的分析以及处理方法
轨检车在运行过程中，会受到外部环境或线路设备的影响，产生一些误判数据，对这些数据应及时分析删除，避免不必要的损失。误判数据大致可分为以下五类。
A．轨检车运行过程中，可能会由于仪器出现故障，或由于轨检车运行带起杂物，挡住激光头，导致波形图产生误判，发生此类问题是，应结合台账，手动对误判进行删除。
此类误判通常表现为在超限监视器中出现绵延几公里的小轨距病害，如果误判线路过长，则需对误判线路进行复测，反之，则应在超限编辑器中将此类数据删除。
B．在山区小半径曲线地段，常定期对钢轨的轮轨接触角部位进行现场手工涂油。在一些地段，这些油脂与列车上掉落的煤屑、污垢相混合，在轨头下形成一层很厚的油垢层，光电头所发射出的激光无法穿透这些油垢，将油垢厚度误认为轨距缩小。此时，也应进行手动删除误判范围。
此类误判应结合设备台账、外界环境以及超限监视器中的数据进行判读。若超限监视器中出现小轨距病害时，恰好经过上述地段，则可判定为误判，应予以删除。
C．在小半径曲线地段，特别是在350m≤R≤600m的曲线上，日常养护中有可能因为养护不当造成曲线正矢连续偏差较大，造成在部分曲线范围内半径与设计半径不符，或轨道结构强度不足，在列车轮载作用下，出现轨头挠曲，轨底横移等问题，根据轨检车曲率检测原理有可能认为曲线半径不是在350m≤R≤600m，而是R≤350m，应按《维规》规定设置曲线加宽。另外，在半径350m≤R≤600m的曲线上，都不同程度地存在侧磨或不均匀侧磨，根据轨检车曲率检测原理，会根据其实测结果将侧磨地段的曲线半径测算为R≤350m。因此将标准轨距判断为轨距减小。
这种情况应要求轨检车数据编辑人员根据图幅进行人工判断，将误判删除。具体判断方法是水平/超高波形图所显示该曲线为一小半径曲线，出现严重的轨距减小问题，而对应位置的轨距波形图波峰并未超过规定扣分范围的，即很有可能是上述情况所反映问题，应予以删除。
D．在进行道岔区的轨距、轨向波形图判读时，如果道岔结构为带有有害空间的固定型道岔，应注意会伴有轨距、轨向数值突然增加的情况，其原因是轨距检测装置将有害空间轨距线中断部位，误认为轨距、轨向扩大。这种情况轨检车操作人员应将其删除，不参与轨道超限评分。
E．GJ-5型车采用激光摄影原理，所以阳光斜射影响钢轨激光成像，也可能对波形图造成误判。应结合超限监视器以及外界环境判断并及时删除。
4.结语
轨检车具有检测速度快、检测准确率高、不影响线路正常运营等优点，可大幅提高铁路局对铁路线路检测的作业效率。本文简要概述了GJ-5型轨检车的检测原理，并阐述了轨检车检测数据的处理方法，对理解轨检车的工作流程有一定的帮助作用。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词：轨检车；检测原理；数据处理
1引言
上世纪80年代以来，通常采用一维光电位移传感器，为满足测量系统的定位要求，安装基准一般选择在以轮对为刚体的结构上。
从测量原理角度来看，测量链的简捷有助于提高测量系统的精度。但是，随着检测速度的提高，轮轨作用力的增大，轴箱的振动随之增大，工作环境的恶劣束缚了检测系统的性能。随着传感器技术及计算机技术的发展，开始采用二维光电位移传感器，上世纪90年代末期，满足于更高精度的检测速度的激光和摄像技术获得应用并逐步取代了原有的其他检测系统。
目前，当今世界高速铁路发达的国家，激光和摄像检测技术获得了广泛的应用，而且，已成为目前世界上轨道检测系统的主流。如日本、美国、法国、德国、意大利等，均不同程度采用了该检测技术，从而提高了系统检测速度、精度和可靠性。在此背景下，我国引进了GJ-5型轨检车，采用激光和摄像检测技术，可测项目有：轨距、左右轨向、三角坑、曲率、车体加速度、轨底坡（可选项）、钢轨断面（可选项）等。
2GJ-5型轨检车对病害的检测原理
2.1高低检测原理
高低的测量基于惯性基准原理与图像测量原理。
测量梁相对于钢轨的位移分为两部分，第一部分为测量梁自身的位移，这部分由测量梁中的惯性包测量出梁的垂直加速度，并由系统对其修正，除去重力分量等不利因素，对加速度进行二次积分可得位移值。第二部分为测量梁移动后与钢轨之间的距离，由图像处理系统获得。两项位移之和为钢轨的高低数值。
图1高低检测原理简图
2.2轨距检测原理
轨距采用图像测量原理。钢轨内外两侧激光器发出一扇形光带，垂直照射在钢轨上，在钢轨上形成一垂直断面。同时，断面和轨距摄像机捕捉到激光线的图像，视频图像输出到VME计算机系统，经数字化后，拟合成完整的钢轨断面图像，通过坐标变换，合成和滤波处理等，得到轨道几何数据。见图2。
2.3轨向检测原理
轨向的测量基于惯性基准原理与图像测量原理。测量梁相对于钢轨的位移分为两部分，第一部分测量梁自身的位移，这部分由测量梁中的惯性包测出梁的水平加速度，并由系统对其进行修正，除去重力分量等不利因素，对加速度进行二次积分可得位移值；第二部分为测量梁移动后与钢轨之间的距离，由图像处理系统获得。系统采集位移后经过运算得出左、右轨向数值。
图2轨距检测原理简图
图3轨向检测原理简图
2.4水平、超高检测的原理
GJ-5型轨检车对水平、超高的测量等同于线路倾角测量，采用重力测量。
由于轨距已知，则超高=轨距×Sinθ，θ角由安装于测量包中的侧滚陀螺测得。
2.5三角坑、曲率检测原理
GJ-5型轨检车对三角坑的采集是对水平数据的处理，由于轨检车对水平数据的采集分正负，正值为左侧钢轨高，负值为右侧钢轨高，对相距2.4m的两点的水平值进行代数运算即可得到三角坑的数值。
曲率是轨检车采集摇头陀螺输出的数据，并考虑轨检车行车速度、重力等因素进行修正，经过运算得出的。
GJ-5型轨检车在运行过程中还对水平、垂直振动加速度进行采集。在轨检车上对车体及轴箱振动加速度进行测量，是对舒适度的综合评价手段，也是对轨道几何不平顺检测的补充。
通过左右钢轨内外两侧的激光摄像系统，通过图像处理，将钢轨的内外侧断面图像拟合成完整的钢轨断面图像，与系统中存储的标准轨断面进行比较，从而获得左右钢轨的水平、垂直磨耗并计算得到总磨耗。
3轨道质量检测数据处理
数据处理系统将采集的参数按一定数学模型进行计算，计算出里程、速度、曲率及其他轨道几何参数，然后根据每点的几何状态参数值和不同速度的检测标准摘取不同级别的超限数值。所有几何参数项目都以一级超限的数值为基准，采用连续多点判别技术，判断超限的起点、终点、长度和级别，随后进行区段轨道超限情况统计。数据处理系统通过对实时速度的区分，统计不同速度档次的超限数量和扣分情况，多角度地进行轨道质量评估。在整理好以上数据资料的基础上，进行轨道几何工级、Ⅱ级、Ⅲ级超限报表的编制和其余报表的编制。
3.1轨道质量评价法
目前我国所采用的轨道质量评价方法有两种，分别为峰值扣分法与轨道质量数评价法。
峰值扣分法是测量轨道各参数每个测点的幅值大小来判断测点的幅值是否超过规定的界限，并根据超限的不同等级进行扣分，在确定的轨道区段范围内，统计各级超限数量及格参数的扣分数。每级超限所对应的扣分数不同。
轨道质量数评价法是衡量轨道區段整体质量状态的综合指标，是200m区段内高低（左、右）、轨向（左、右）、轨距、水平、三角坑七项几何参数标准差的和。
峰值扣分法能够找出轨道的局部病害及病害的类型、程度和所在位置，作为指导现场做紧急补修非常实用，但是即用超限点峰值的大小、超限的数量及扣分多少，不能全面、科学、合理地评价轨道区段的平均质量状态。而TQI所描述的是一个区段内轨道质量状态，能够全面的评价该区段轨道状态，但不能准确定位病害的位置。在实际中，通常应用两种方法共同描述轨道的质量状态。
3.2严重轨道不平顺的识别及整治
一般情况下，轨道不平顺可依据检测报告以及对应区段的波形图判断，具体操作为如果在轨道检测报告中出现轨道病害项目，则需根据报告中提供的病害里程，查找出病害所在位置的波形图，查看是轨道病害所产生的超限还是由于轨检车误判所产生的超限（轨检车误判情况详见误判数据的识别），再进行具体操作。
图4轨道不平顺的识别
但是对于特殊波形，仅靠上述方法判断不够妥善。例如,图4所示，A、B、C、D四段轨道不平顺波形，如果仅根据幅值超过某一限度的情况来评分，则A、B、C三段都是III级超限，失分相同，D段的状态良好。但实际情况并非如此。A、B中幅值大、平均变化率也大，应评为不良或严重病害，定为需要进行紧急补修或限速的地点。C中幅值虽大，但波长较长、平均变化率很小、变化平缓，由于影响小，不必评为病害。D中出现三波以上（含三波）连续的周期性不平顺，其波长在谐振波长范围，属于谐振波形，虽然幅值不超过现有的允许限度，也应判为有害的严重不平顺，必须进行维修或紧急补修，以严格避免引起共振。轨检车对病害的记载方式只停留在对超限病害的记载，并不分析病害的变化率、周期性不平顺等情况，因此需要工作人员对轨检车所记录的波形图文件加以分析判断，以防漏判的发生，保障铁路运营的安全。
3.3误判数据的分析以及处理方法
轨检车在运行过程中，会受到外部环境或线路设备的影响，产生一些误判数据，对这些数据应及时分析删除，避免不必要的损失。误判数据大致可分为以下五类。
A．轨检车运行过程中，可能会由于仪器出现故障，或由于轨检车运行带起杂物，挡住激光头，导致波形图产生误判，发生此类问题是，应结合台账，手动对误判进行删除。
此类误判通常表现为在超限监视器中出现绵延几公里的小轨距病害，如果误判线路过长，则需对误判线路进行复测，反之，则应在超限编辑器中将此类数据删除。
B．在山区小半径曲线地段，常定期对钢轨的轮轨接触角部位进行现场手工涂油。在一些地段，这些油脂与列车上掉落的煤屑、污垢相混合，在轨头下形成一层很厚的油垢层，光电头所发射出的激光无法穿透这些油垢，将油垢厚度误认为轨距缩小。此时，也应进行手动删除误判范围。
此类误判应结合设备台账、外界环境以及超限监视器中的数据进行判读。若超限监视器中出现小轨距病害时，恰好经过上述地段，则可判定为误判，应予以删除。
C．在小半径曲线地段，特别是在350m≤R≤600m的曲线上，日常养护中有可能因为养护不当造成曲线正矢连续偏差较大，造成在部分曲线范围内半径与设计半径不符，或轨道结构强度不足，在列车轮载作用下，出现轨头挠曲，轨底横移等问题，根据轨检车曲率检测原理有可能认为曲线半径不是在350m≤R≤600m，而是R≤350m，应按《维规》规定设置曲线加宽。另外，在半径350m≤R≤600m的曲线上，都不同程度地存在侧磨或不均匀侧磨，根据轨检车曲率检测原理，会根据其实测结果将侧磨地段的曲线半径测算为R≤350m。因此将标准轨距判断为轨距减小。
这种情况应要求轨检车数据编辑人员根据图幅进行人工判断，将误判删除。具体判断方法是水平/超高波形图所显示该曲线为一小半径曲线，出现严重的轨距减小问题，而对应位置的轨距波形图波峰并未超过规定扣分范围的，即很有可能是上述情况所反映问题，应予以删除。
D．在进行道岔区的轨距、轨向波形图判读时，如果道岔结构为带有有害空间的固定型道岔，应注意会伴有轨距、轨向数值突然增加的情况，其原因是轨距检测装置将有害空间轨距线中断部位，误认为轨距、轨向扩大。这种情况轨检车操作人员应将其删除，不参与轨道超限评分。
E．GJ-5型车采用激光摄影原理，所以阳光斜射影响钢轨激光成像，也可能对波形图造成误判。应结合超限监视器以及外界环境判断并及时删除。
4.结语
轨检车具有检测速度快、检测准确率高、不影响线路正常运营等优点，可大幅提高铁路局对铁路线路检测的作业效率。本文简要概述了GJ-5型轨检车的检测原理，并阐述了轨检车检测数据的处理方法，对理解轨检车的工作流程有一定的帮助作用。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看