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【摘 要】运用计量基本原则对用于铁路线上设施几何位置安全监控的测量仪器的定位基准实现方式存在的问题进行了分析，以接触网拉出值的测量基准的两种实现方案比较为实例对其测量误差和作业方式的影响进行说明，并提出相关的改进措施建议。
【关键词】铁路线路上部设施；安全监控；几何测量；基准；接触网拉出值；阿贝误差移动设施动态标准
引言：对铁路线路上部设施空间几何形状位置历来是安全监控的重点，涉及部门面广、专业种类多，各种固定设施有供电的接触网几何参数、工务的隧道限界、房建的建筑限界，移动设施如机务和车辆的机车车辆限界、货运的货物超限等方面的测量；随着高速铁路发展的需要，安全管理更加科学严格，必然对这些用于保障运输安全重要技术手段的监控检测设备尤其是动态临界状态事故判责的测量设备在技术提出的更高要求。这类测量工作属于二维以上的大尺度的工程几何测量，由于大都在野外露天进行，环境影响因素复杂，且被测物基础条件一般，因此要达到很高的相对准确度比较困难；虽然现在普遍采用了基于激光、红外和图像数字采集分析等单一测量准确度非常高的先进技术的精密仪器，但由于对基本测量原则忽视和根本因素概念上的误区，制约了其系统集成准确度，造成结构复杂和影响作业便捷性。特别是作为定义被测量的关联要素、确定工程测量方案、设计测量仪器的根本出发点的测量基准选择及其定位实现方式存在的问题，更应引起高度重视，值得深入探究。
一、标准规范的定义和测量基本原则及对现存问题的解析
在计量学中几何计量的基准分为设计、工艺、加工、装配和测量基准，基准是定义被测量前提要素，其中设计基准是定义被测量概念的基本要素，基准统一原则是计量的最基本原则，也就是力求五种基准一致，首选尽力保证设计基准与测量基准统一。其对准确度和作业方式产生的重要影响，下面以接触网几何参数测量仪对线路直线段拉出值（"之"字值）的测量为例进行分析说明。
铁路运输安全监测几何测量一般以铁路线路横断面内的轨道垂直中心线和两钢轨轨顶连线形成的直角坐标轴系作为原始的测量基准，而轨道中垂线是非实物的理想要素，需通过相关具体的实物要素间接体现。
为保证电力机车在牵引运行过程中受电弓持续平稳地与接触网导线保持接触导通，必须固定接触网导线相对受电弓在铁路线路上的空间位置；而为使这种不能间断摩擦在受电弓上产生的磨耗均匀，铁路电力牵引供电设计规范规定了接触网导线悬挂定位点对受电弓中心的偏离量，这就是接触网导线的拉出值工程设计的原始定义；显然受电弓和悬挂定位点的连线就是拉出值的设计基准，但由于受电弓是移动设施，和悬挂定位点一样都处于5米多高的空中，不便直接测量；而设计理想的状态是当线路为直线段时受电弓中心垂线与轨道中心垂线共线，即作为拉出值的线段平行于两轨顶连线，拉出值实测值就等于测量悬挂点在两轨顶连线上垂直投影点到轨道中心的距离，这里空中的设计基准与地面的测量基准（轨顶面）并不一致，且二者实际上也不可能理想的绝对平行。
目前常见的非接触式（光学式和激光）接触网几何参数测量仪（如图1所示，主要结构见参考文献①、⑩）它们测量基准定位都采用的是类似于使用轨距尺测量轨距的方式确定轨顶面和轨距中心垂线，以通过两轨顶尺身形成的实际测量基面作为测量基准，基于接触导线悬挂 点在其上的投影和受电弓中心在其上的正投影点即轨道中心之间的距离即为拉出值。
虽然垂直方向光学或激光照准的准直性比较理想，但轨顶面方向受材料、结构、加工和装配等技术经济条件制约，由于支点跨度大、尺身自重、热应力乃至测量力等因素不可避免地使其产生垂向变形撓曲，加上导轨加工精度和照准测头运动也会对垂直度的产生叠加影响，而这种在垂直方向上哪怕是微小的直线度变形都将对水平方向上被测量的准确度造成不可忽视的影响，如图2所示当测量仪尺身在垂直方向上有变形量δ（即相当于轨顶线（面）产生了微小的角度偏转γ，γ与δ呈递增关系），与理想平直的轨顶面（线）不符（直线度误差），由几何相似关系可得在轨顶面水平方向上测量值（拉出值的定位基准误差）Δ≈γ×H（γ为变形偏转角，此以弧度表示；H为接触网导线高度值），即水平测量基准在轨顶面垂直方向上的微小变化导致在水平方向上被放大了H倍，如δ以0.001mm计（而TB/T 1924-2008《铁路标准轨距尺》规定轨距尺尺身变形量大不超过0.5mm，远大于此值），接触网导线高度仅按5.5米算（一般在5m-6m之间），测量仅此因素导致的测量误差就超过5.5mm。而按JJG（铁道）150-2009《接触网几何参数测量仪》的规定整个拉出值测量不得大于±5mm，考虑到还有激光测距、测角及光路、刻线等其他因素带来的各项误差，因此如无特别补偿措施测量仪必然很难满足规程要求。
拉出值的设计或者说定义基准（假定受电弓的中心与线路中心一致）是在距轨顶面垂直上方5、6米处，而实际测量的基准却是在其下的轨顶面上，显然被测量定义的设计基准线与实际测量的基准线不一致，以及测量线与读数线不一致（共线或平行）是引起上述问题的根本原因；由此产生所产生的误差就是典型的计量仪器设计学所谓的阿贝误差，两者之间的距离就是此项误差的倍乘因子。概言之，凡是以实物拟合轨顶面（线）理想基线作为测量基准线对上部横向长度的“投影”进行的“并列式”的测量，其实物量具垂直方向上微小变形都可能因两线之间大尺度的距离值“放大”从而导致较大的横向测量误差。类似上述原理的测量方式比较常见，如铁路隧道限界、建筑限界、机车车辆限界以及货物装载超限等测量，其测量高度一般都在5米左右，有可能出现同样的问题，因此而产生较大的不容忽视的测量误差。
需要指出的是，有时受制于使用环境和经济条件限制不得不采用存在阿贝误差的测量方式，但应评估其影响程度是否满足总的技术指标要求，并决定是否采取补偿处理措施。
二、改进方案及推广应用
可以看出设计测量基准是两轨道顶面和轨道中心线，而二者都是理想要素（非实际要素），关键是如何通过合理的测量定位方式实际体现具体的基准要素，这是确保测量准确、操作便捷的基本前提。针对上述问题我们研制JKL-1型接触网几何参数快速测量仪进行了改进，该仪器采用结合高精度光栅测角及激光测距的优势测量接触网悬挂点的空间位置，其测量定位方式如左图所示。该仪器激光测量头（可旋转照准接触网悬挂点目标）可安置在任一股钢轨头部，配合特殊设计专用指示装置，建立拟合出近似于理想直线的轨顶测量基准线，充分发挥了激光优良的准直特性，采用三角测量原理实现测距和测角的闭合测量，对其测量数据处理及测量不确定度评定采用经典科学的数学方法，累计系统误差可以得到消除或有效控制。 比较上述两类方案可以看出测量定位对作业方式的影响也很大。第一种方案由于采用的光学反射式原理，物镜必须朝天正对悬挂点（导线），视场受限较小，搜寻目标接触网导线需大范围移动，并且受天气影响较大，太阳光较强或直射时，背景与目标反差较大，测量易受强光干扰，因此观察和读数都比较困难。而且因为测量仪两端放置两股钢轨头部上，操作人员必须在轨道中间俯身进行测量，可能对轨道电路及行车产生影响，使安全防护作业更加复杂。第二种方案其测量定位原理和照准目标方式决定了可避免上述问题。由于仪器只需架设于钢轨一侧头部，不会影响轨道电路；并且只需改变测量模式（需增加测量参数，对数学模型稍加修改）和改进扫描伺服装置，即可将测量头固定在轨道外（无需在轨道线路上）进行，完全不会影响行车，可持续在线监测接触网几何状态变化情况，实现日常维护监控。构成本测量方案的系统模块比较精简，因而具有普遍的经济技术实用性。
而对本系统数学模型稍加调整很容易实现铁路隧道限界、建筑限界、机车车辆限界以及货物装载超限等测量功能。克服了传统的方式由于通常需要在轨道上定位建立基准，受制于被测实物在上部遮挡造成实际操作困难、计算处理繁琐弊端。而且采用本定位装置和基于本测量原理的数学模型还可移植到常用的全站仪方便地实现同样的功能，具有普遍的适应性。
结语：在制订安全监控标准时首先就应本着严谨实际的原则将理论设计量转换为明确的可直接实现测量的被测量，尽量减少附加假设的理想条件，即无需二次定义所谓等效的可测量，避免产生歧义。其次应以易于实现的实体要素作为基准，并预先考虑统一设计基准和测量基準；对关联复杂的大型高空几何监测量可以极坐标形式表述，从根本上消除或减小定位基准误差。在设计测量仪器和工程测量方案时还应遵循阿贝原则等计量基本原则，必要时采取补偿措施。当然不仅于此，其他因素如环境温度、测量力变形等误差也不可忽视，测量系统的设计还需结合具体情况根据总体的技术经济要求进行深入全面的综合分析。
参考文献：
[1]JJG（铁道）150-1994《接触导线高度和离中值光学测量仪》检定规程
[2]JJG（铁道）150-2009《接触网几何参数测量仪》检定规程
[3]TB10009-2005《铁路电力牵引供电设计规范》
[4]张道俊 张韬《接触网运营检修与管理》中国铁道出版社
[5]GB146.1～146.2-83《标准轨距铁路机车车辆限界和建筑限界规》
[6]铁运（2007）62号《铁路超限超重货物运输规则》
[7]TB/T 1924-2008《标准轨距铁路轨距尺》
[8]TB/T10082-2005《铁路设计规范》
[9]GB50090-2006《铁路线路设计规范》
[10]2007.12《铁道技术监督》：《新型激光接触网全参数检测仪的研制》
【关键词】铁路线路上部设施；安全监控；几何测量；基准；接触网拉出值；阿贝误差移动设施动态标准
引言：对铁路线路上部设施空间几何形状位置历来是安全监控的重点，涉及部门面广、专业种类多，各种固定设施有供电的接触网几何参数、工务的隧道限界、房建的建筑限界，移动设施如机务和车辆的机车车辆限界、货运的货物超限等方面的测量；随着高速铁路发展的需要，安全管理更加科学严格，必然对这些用于保障运输安全重要技术手段的监控检测设备尤其是动态临界状态事故判责的测量设备在技术提出的更高要求。这类测量工作属于二维以上的大尺度的工程几何测量，由于大都在野外露天进行，环境影响因素复杂，且被测物基础条件一般，因此要达到很高的相对准确度比较困难；虽然现在普遍采用了基于激光、红外和图像数字采集分析等单一测量准确度非常高的先进技术的精密仪器，但由于对基本测量原则忽视和根本因素概念上的误区，制约了其系统集成准确度，造成结构复杂和影响作业便捷性。特别是作为定义被测量的关联要素、确定工程测量方案、设计测量仪器的根本出发点的测量基准选择及其定位实现方式存在的问题，更应引起高度重视，值得深入探究。
一、标准规范的定义和测量基本原则及对现存问题的解析
在计量学中几何计量的基准分为设计、工艺、加工、装配和测量基准，基准是定义被测量前提要素，其中设计基准是定义被测量概念的基本要素，基准统一原则是计量的最基本原则，也就是力求五种基准一致，首选尽力保证设计基准与测量基准统一。其对准确度和作业方式产生的重要影响，下面以接触网几何参数测量仪对线路直线段拉出值（"之"字值）的测量为例进行分析说明。
铁路运输安全监测几何测量一般以铁路线路横断面内的轨道垂直中心线和两钢轨轨顶连线形成的直角坐标轴系作为原始的测量基准，而轨道中垂线是非实物的理想要素，需通过相关具体的实物要素间接体现。
为保证电力机车在牵引运行过程中受电弓持续平稳地与接触网导线保持接触导通，必须固定接触网导线相对受电弓在铁路线路上的空间位置；而为使这种不能间断摩擦在受电弓上产生的磨耗均匀，铁路电力牵引供电设计规范规定了接触网导线悬挂定位点对受电弓中心的偏离量，这就是接触网导线的拉出值工程设计的原始定义；显然受电弓和悬挂定位点的连线就是拉出值的设计基准，但由于受电弓是移动设施，和悬挂定位点一样都处于5米多高的空中，不便直接测量；而设计理想的状态是当线路为直线段时受电弓中心垂线与轨道中心垂线共线，即作为拉出值的线段平行于两轨顶连线，拉出值实测值就等于测量悬挂点在两轨顶连线上垂直投影点到轨道中心的距离，这里空中的设计基准与地面的测量基准（轨顶面）并不一致，且二者实际上也不可能理想的绝对平行。
目前常见的非接触式（光学式和激光）接触网几何参数测量仪（如图1所示，主要结构见参考文献①、⑩）它们测量基准定位都采用的是类似于使用轨距尺测量轨距的方式确定轨顶面和轨距中心垂线，以通过两轨顶尺身形成的实际测量基面作为测量基准，基于接触导线悬挂 点在其上的投影和受电弓中心在其上的正投影点即轨道中心之间的距离即为拉出值。
虽然垂直方向光学或激光照准的准直性比较理想，但轨顶面方向受材料、结构、加工和装配等技术经济条件制约，由于支点跨度大、尺身自重、热应力乃至测量力等因素不可避免地使其产生垂向变形撓曲，加上导轨加工精度和照准测头运动也会对垂直度的产生叠加影响，而这种在垂直方向上哪怕是微小的直线度变形都将对水平方向上被测量的准确度造成不可忽视的影响，如图2所示当测量仪尺身在垂直方向上有变形量δ（即相当于轨顶线（面）产生了微小的角度偏转γ，γ与δ呈递增关系），与理想平直的轨顶面（线）不符（直线度误差），由几何相似关系可得在轨顶面水平方向上测量值（拉出值的定位基准误差）Δ≈γ×H（γ为变形偏转角，此以弧度表示；H为接触网导线高度值），即水平测量基准在轨顶面垂直方向上的微小变化导致在水平方向上被放大了H倍，如δ以0.001mm计（而TB/T 1924-2008《铁路标准轨距尺》规定轨距尺尺身变形量大不超过0.5mm，远大于此值），接触网导线高度仅按5.5米算（一般在5m-6m之间），测量仅此因素导致的测量误差就超过5.5mm。而按JJG（铁道）150-2009《接触网几何参数测量仪》的规定整个拉出值测量不得大于±5mm，考虑到还有激光测距、测角及光路、刻线等其他因素带来的各项误差，因此如无特别补偿措施测量仪必然很难满足规程要求。
拉出值的设计或者说定义基准（假定受电弓的中心与线路中心一致）是在距轨顶面垂直上方5、6米处，而实际测量的基准却是在其下的轨顶面上，显然被测量定义的设计基准线与实际测量的基准线不一致，以及测量线与读数线不一致（共线或平行）是引起上述问题的根本原因；由此产生所产生的误差就是典型的计量仪器设计学所谓的阿贝误差，两者之间的距离就是此项误差的倍乘因子。概言之，凡是以实物拟合轨顶面（线）理想基线作为测量基准线对上部横向长度的“投影”进行的“并列式”的测量，其实物量具垂直方向上微小变形都可能因两线之间大尺度的距离值“放大”从而导致较大的横向测量误差。类似上述原理的测量方式比较常见，如铁路隧道限界、建筑限界、机车车辆限界以及货物装载超限等测量，其测量高度一般都在5米左右，有可能出现同样的问题，因此而产生较大的不容忽视的测量误差。
需要指出的是，有时受制于使用环境和经济条件限制不得不采用存在阿贝误差的测量方式，但应评估其影响程度是否满足总的技术指标要求，并决定是否采取补偿处理措施。
二、改进方案及推广应用
可以看出设计测量基准是两轨道顶面和轨道中心线，而二者都是理想要素（非实际要素），关键是如何通过合理的测量定位方式实际体现具体的基准要素，这是确保测量准确、操作便捷的基本前提。针对上述问题我们研制JKL-1型接触网几何参数快速测量仪进行了改进，该仪器采用结合高精度光栅测角及激光测距的优势测量接触网悬挂点的空间位置，其测量定位方式如左图所示。该仪器激光测量头（可旋转照准接触网悬挂点目标）可安置在任一股钢轨头部，配合特殊设计专用指示装置，建立拟合出近似于理想直线的轨顶测量基准线，充分发挥了激光优良的准直特性，采用三角测量原理实现测距和测角的闭合测量，对其测量数据处理及测量不确定度评定采用经典科学的数学方法，累计系统误差可以得到消除或有效控制。 比较上述两类方案可以看出测量定位对作业方式的影响也很大。第一种方案由于采用的光学反射式原理，物镜必须朝天正对悬挂点（导线），视场受限较小，搜寻目标接触网导线需大范围移动，并且受天气影响较大，太阳光较强或直射时，背景与目标反差较大，测量易受强光干扰，因此观察和读数都比较困难。而且因为测量仪两端放置两股钢轨头部上，操作人员必须在轨道中间俯身进行测量，可能对轨道电路及行车产生影响，使安全防护作业更加复杂。第二种方案其测量定位原理和照准目标方式决定了可避免上述问题。由于仪器只需架设于钢轨一侧头部，不会影响轨道电路；并且只需改变测量模式（需增加测量参数，对数学模型稍加修改）和改进扫描伺服装置，即可将测量头固定在轨道外（无需在轨道线路上）进行，完全不会影响行车，可持续在线监测接触网几何状态变化情况，实现日常维护监控。构成本测量方案的系统模块比较精简，因而具有普遍的经济技术实用性。
而对本系统数学模型稍加调整很容易实现铁路隧道限界、建筑限界、机车车辆限界以及货物装载超限等测量功能。克服了传统的方式由于通常需要在轨道上定位建立基准，受制于被测实物在上部遮挡造成实际操作困难、计算处理繁琐弊端。而且采用本定位装置和基于本测量原理的数学模型还可移植到常用的全站仪方便地实现同样的功能，具有普遍的适应性。
结语：在制订安全监控标准时首先就应本着严谨实际的原则将理论设计量转换为明确的可直接实现测量的被测量，尽量减少附加假设的理想条件，即无需二次定义所谓等效的可测量，避免产生歧义。其次应以易于实现的实体要素作为基准，并预先考虑统一设计基准和测量基準；对关联复杂的大型高空几何监测量可以极坐标形式表述，从根本上消除或减小定位基准误差。在设计测量仪器和工程测量方案时还应遵循阿贝原则等计量基本原则，必要时采取补偿措施。当然不仅于此，其他因素如环境温度、测量力变形等误差也不可忽视，测量系统的设计还需结合具体情况根据总体的技术经济要求进行深入全面的综合分析。
参考文献：
[1]JJG（铁道）150-1994《接触导线高度和离中值光学测量仪》检定规程
[2]JJG（铁道）150-2009《接触网几何参数测量仪》检定规程
[3]TB10009-2005《铁路电力牵引供电设计规范》
[4]张道俊 张韬《接触网运营检修与管理》中国铁道出版社
[5]GB146.1～146.2-83《标准轨距铁路机车车辆限界和建筑限界规》
[6]铁运（2007）62号《铁路超限超重货物运输规则》
[7]TB/T 1924-2008《标准轨距铁路轨距尺》
[8]TB/T10082-2005《铁路设计规范》
[9]GB50090-2006《铁路线路设计规范》
[10]2007.12《铁道技术监督》：《新型激光接触网全参数检测仪的研制》