鞠國(guó)江

(中國(guó)鐵路總公司建設(shè)管理部，北京 100844)

有砟軌道動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)在軌道精調(diào)中的應(yīng)用

鞠國(guó)江

(中國(guó)鐵路總公司建設(shè)管理部，北京 100844)

提出利用有砟軌道動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)配合大機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化搗固作業(yè)的方法，介紹動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的原理，并分析了測(cè)量的精度、效率及配合大機(jī)自動(dòng)化搗固作業(yè)的工程案例。工程實(shí)踐證明，該方法具有操作簡(jiǎn)便、精度高、效率高等特點(diǎn)，可以在新建有砟線路軌道粗搗、精搗和既有有砟線路的檢測(cè)養(yǎng)護(hù)階段推廣應(yīng)用。

有砟軌道動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 自動(dòng)化搗固 撥道量 起道量

1 概述

新建有砟鐵路在完成鋼軌鋪設(shè)后，需經(jīng)過多次精確搗固調(diào)整，以使鋼軌的絕對(duì)位置、整體平順性，以及道砟的厚度、密實(shí)程度等達(dá)到規(guī)范要求[1]，從而確保列車運(yùn)行的安全、平穩(wěn)以及乘坐舒適。

對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)速200 km及以上有砟線路的精搗作業(yè)，文獻(xiàn)[2]中已做出了明確規(guī)定，這類線路的精搗數(shù)據(jù)，大都通過靜態(tài)軌檢小車獲得[3]。隨著我國(guó)鐵路建設(shè)不斷加快，以及大機(jī)搗固作業(yè)效率不斷提高，這種測(cè)量設(shè)備及方法已難以滿足大機(jī)自動(dòng)化搗固作業(yè)的需要，研究配合大機(jī)搗固作業(yè)測(cè)量新技術(shù)、新方法顯得尤為重要。

2 國(guó)內(nèi)配合大機(jī)搗固作業(yè)測(cè)量的現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)采用靜態(tài)軌檢小車進(jìn)行配合大機(jī)搗固作業(yè)的流程如下：

(1)在待測(cè)區(qū)段事先按照一定的間隔(一般直線上間隔5～10 m，曲線上間隔3～5 m)做標(biāo)記，然后采用全站儀配合靜態(tài)軌檢小車采集這些標(biāo)記點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集完畢后，由靜態(tài)軌檢小車配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理，得到各標(biāo)記點(diǎn)的里程和起撥道數(shù)據(jù)。

(2)搗固作業(yè)前，將各處的起撥道數(shù)據(jù)標(biāo)注在相應(yīng)的軌枕上，搗固作業(yè)時(shí)，由大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械(簡(jiǎn)稱大機(jī))[4]地面引導(dǎo)人員將各標(biāo)注處的起撥道數(shù)據(jù)通過對(duì)講機(jī)報(bào)送給大機(jī)操作人員，然后大機(jī)操作人員旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的旋鈕，控制大機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的起撥道作業(yè)。

(3)當(dāng)次搗固作業(yè)完成后，再次使用靜態(tài)軌檢小車進(jìn)行軌道檢測(cè)，以檢查線路當(dāng)前的幾何狀態(tài)情況，并為下次搗固作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持，以此類推，直到線路達(dá)到相關(guān)要求。

這種作業(yè)模式精度非常高，能準(zhǔn)確的指導(dǎo)鋼軌精調(diào)，但這種配合大機(jī)搗固的測(cè)量方法存在以下缺點(diǎn):

①起撥道數(shù)據(jù)依靠靜態(tài)測(cè)量方式獲取(即將軌檢小車推行至待測(cè)點(diǎn)，停穩(wěn)后方可點(diǎn)擊采集按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè))，檢測(cè)效率受到影響[5]。

五是檢驗(yàn)方式不同。軍民融合和國(guó)防動(dòng)員都強(qiáng)調(diào)建設(shè)效益和總體評(píng)價(jià)，但兩者的評(píng)價(jià)方式手段不同。軍民融合注重平時(shí)物質(zhì)建設(shè)，檢驗(yàn)評(píng)估手段單一，主要依靠提出需求方對(duì)融合成果進(jìn)行靜態(tài)評(píng)估。國(guó)防動(dòng)員注重戰(zhàn)時(shí)能力建設(shè)，除靜態(tài)檢驗(yàn)評(píng)估外，更注重通過演練形式檢驗(yàn)評(píng)估國(guó)防動(dòng)員能力。

②大機(jī)搗固作業(yè)前，需將起撥道數(shù)據(jù)事先標(biāo)注在軌道上，增大了外業(yè)工作量和工作強(qiáng)度。

③大機(jī)搗固作業(yè)時(shí)，需專門安排一名地面引導(dǎo)人員將起撥道數(shù)據(jù)報(bào)給大機(jī)操作人員，增加了人工投入。

④大機(jī)2號(hào)位操作人員根據(jù)起撥道數(shù)據(jù)旋動(dòng)相應(yīng)的旋鈕，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工順坡，這種作業(yè)模式無法充分發(fā)揮已廣泛應(yīng)用于精搗作業(yè)的D09-32型大機(jī)本身具有的精搗作業(yè)功能，并且也增大了大機(jī)操作人員的工作強(qiáng)度。

提出采用有砟軌道動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱中鐵咨詢動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng))配合大機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化搗固作業(yè)的方法，相關(guān)工程項(xiàng)目中的成功應(yīng)用表明，該方法精度滿足有砟鐵路搗固的需要，軌道檢測(cè)效率較靜態(tài)測(cè)量有大幅提高。同時(shí)，又能夠控制D09-32、DWL及以上型號(hào)大機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化搗固作業(yè)，可以簡(jiǎn)化大機(jī)搗固作業(yè)流程，減少人為因素影響，提升大機(jī)搗固作業(yè)效果。

3 有砟軌道動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)

有砟軌道動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng))由全站儀推車(圖1左側(cè)所示)和動(dòng)態(tài)軌檢小車(圖1右側(cè)所示)兩部分組成。

圖1 有砟軌道動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)軌檢小車是動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)最核心的部分，動(dòng)態(tài)軌檢小車集成了高精度的陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器。在測(cè)量過程中，由陀螺儀實(shí)時(shí)測(cè)定軌檢小車的實(shí)時(shí)姿態(tài)，軌距傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定軌道的實(shí)際軌距，在完成數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，通過配套軟件自動(dòng)對(duì)全站儀及多傳感器的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空匹配，并經(jīng)過相應(yīng)的濾波數(shù)據(jù)處理、內(nèi)插數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而獲得軌道的相關(guān)平順性指標(biāo)數(shù)據(jù)。

4 動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)配合大機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化搗固作業(yè)方法

使用動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)配合大機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化搗固作業(yè)，主要涉及到軌道數(shù)據(jù)的采集與處理、控制大機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化搗固作業(yè)兩方面。

4.1 軌道數(shù)據(jù)采集與處理

采用全站儀自由設(shè)站，每測(cè)站通過線路兩側(cè)的CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行后方交會(huì)設(shè)站，設(shè)站精度遵照文獻(xiàn)[2]中的相關(guān)規(guī)定。外業(yè)測(cè)量如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)作業(yè)模式

將動(dòng)態(tài)軌檢小車停放在待測(cè)區(qū)段起點(diǎn)，確保全站儀推車距軌檢小車的距離不超過200 m，并進(jìn)行自由設(shè)站[6]。

設(shè)站完成后，啟動(dòng)采集軟件，在起始位置采集一個(gè)靜態(tài)點(diǎn)，然后啟動(dòng)動(dòng)態(tài)采集功能，接著推行動(dòng)態(tài)軌檢小車前行，在距全站儀推車5 m左右處停止，并在該處采集靜態(tài)點(diǎn)，這樣即完成一測(cè)站的測(cè)量工作。本測(cè)站測(cè)量完成后，推行全站儀推車進(jìn)行搬站，開始下一測(cè)站的測(cè)量，依次類推，即可完成軌道檢測(cè)工作。

軌道數(shù)據(jù)采集完畢后，由動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)配套軟件進(jìn)行分析處理，并自動(dòng)生成控制大機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)所需的Geo文件和Ver文件。

4.2 控制大機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化搗固作業(yè)

大機(jī)開行至作業(yè)區(qū)后，將Geo文件和Ver文件通過U盤導(dǎo)入到搗固車的WinALC或ALC(線路控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng))中，然后啟動(dòng)大機(jī)上的車載計(jì)算機(jī)，打開車載軟件WinALC或ALC，在做完同步點(diǎn)后，點(diǎn)擊“OK”啟動(dòng)大機(jī)進(jìn)行自動(dòng)搗固作業(yè)。

在自動(dòng)化搗固作業(yè)過程中，由WinALC或ALC系統(tǒng)自動(dòng)控制每個(gè)作業(yè)位置處的起撥道量，不再需要人工輸入，大機(jī)自動(dòng)化搗固作業(yè)如圖3所示。

圖3 大機(jī)自動(dòng)化搗固作業(yè)

5 動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的效率和精度分析

5.1 作業(yè)效率

使用動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)或使用靜態(tài)軌檢小車進(jìn)行軌道檢測(cè)，效率都取決于兩個(gè)方面：全站儀搬站與設(shè)站的速度以及動(dòng)態(tài)軌檢小車的測(cè)量速度。

(1)全站儀搬站與設(shè)站方面：使用動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行軌道檢測(cè)時(shí)，全站儀固定安裝在手推車上，在搬站時(shí)，可以十分安全便捷的推行手推車至設(shè)站位置，并且在固定手推車時(shí)，可同步完成全站儀的粗平調(diào)整，節(jié)約大量時(shí)間；而使用靜態(tài)軌檢小車進(jìn)行軌道檢測(cè)時(shí)，全站儀固定在三腳架上，在搬站時(shí)，需將三腳架和全站儀人工搬運(yùn)至設(shè)站位置，顯而易見，推車推行的速度明顯會(huì)比人工搬運(yùn)的速度要高。此外，在使用靜態(tài)軌檢小車檢測(cè)軌道的搬站過程中，為確保全站儀安全，在搬站前，需將全站儀從三腳架上取下，裝入儀器箱，到達(dá)設(shè)站位置后，首先將三腳架安置在設(shè)站位置，確保三個(gè)腳腿都被踩實(shí)后，方可取出全站儀，進(jìn)行整平調(diào)整及設(shè)站工作，這些環(huán)節(jié)又會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間。綜上，在搬站、設(shè)站方面，使用動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)效率明顯提高。

(2)測(cè)量方面：使用靜態(tài)軌檢小車在測(cè)量軌道點(diǎn)時(shí)，需推行至該點(diǎn)并停穩(wěn)，然后方可點(diǎn)擊軟件進(jìn)行測(cè)量工作[8]；而動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)量無需停止，直接推行前進(jìn)即可自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集。因此，在測(cè)量方面，使用動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，效率明顯提升很多。

綜上，在測(cè)量人員同樣熟練的情況下，使用動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量在作業(yè)效率方面明顯更有優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過大量的統(tǒng)計(jì)分析，使用動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量效率達(dá)到1.2 km/h，而使用靜態(tài)軌檢小車按每3 m測(cè)一個(gè)點(diǎn)，測(cè)量效率最多能達(dá)到0.5 km/h。在測(cè)量效率大幅提高的同時(shí)，由于不需要寫標(biāo)，更是節(jié)省了大量的人工投入，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

5.2 精度分析

動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度受全站儀的精度、動(dòng)態(tài)傳感器的采集精度以及濾波模型方面的精度等多方面因素影響。為直觀驗(yàn)證動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，特以靜態(tài)軌檢小車測(cè)量數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，將動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)與靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過兩者差值，得出動(dòng)態(tài)軌檢小車的測(cè)量精度。在廈深鐵路某標(biāo)段隨機(jī)選擇了一段1公里多的測(cè)試段，分別使用動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)和靜態(tài)軌檢小車進(jìn)行了測(cè)量，兩者測(cè)量結(jié)果對(duì)比情況如圖4和圖5所示。

圖4 靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量所測(cè)橫向偏差對(duì)比

圖5 靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量所測(cè)高程偏差對(duì)比

由圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)測(cè)量與靜態(tài)測(cè)量相比，所測(cè)中線平面偏差、基準(zhǔn)軌高程偏差的趨勢(shì)一致，其中動(dòng)態(tài)模式與靜態(tài)模式所測(cè)中線偏差之差的均值為0.8 mm，最大為3.2 mm，其中99.5%的偏差分布在3 mm以內(nèi)；高程偏差之差的均值0.7 mm，最大為3.3 mm，其中99.5%的偏差分布在3 mm以內(nèi)。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，可以看出靜態(tài)精測(cè)與動(dòng)態(tài)精測(cè)所測(cè)得的平面偏差和高程偏差均非常吻合度，說明該動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精測(cè)所測(cè)的軌道數(shù)據(jù)，能準(zhǔn)確反映出軌道的偏差情況。

6 工程應(yīng)用案例

廈深(廈門-深圳)鐵路選取了2.1 km的線路，利用動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行多次搗固作業(yè)測(cè)量，分析各次搗固作業(yè)前后的線路波形圖(注：因線路粗搗階段已搗固過三次，故精搗階段的搗固次數(shù)從第四次開始計(jì)數(shù)，分別為第四次搗固、第五次搗固……)，其中平面波形如圖6所示。

圖6 平面偏差分析

如圖6所示，第四次平面偏差即為精搗開始前的線路平面狀況，第七次平面偏差即為三次精搗作業(yè)后的線路平面狀況。由圖6可以明顯看出，使用動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)配合大機(jī)自動(dòng)化搗固作業(yè)，經(jīng)過三次搗固作業(yè)后，線路平面明顯改善，平面偏差全部介于10 mm以內(nèi)，且平順性狀況也顯著改觀。

四次采集數(shù)據(jù)，高程波形變化情況如圖7所示。

如圖7所示，第四次高程偏差即為精搗開始前的線路高程狀況，第七次高程偏差即為三次精搗作業(yè)后線路的高程狀況。由圖7可以明顯看出，使用動(dòng)態(tài)測(cè)

圖7 高程偏差分析

量系統(tǒng)配合大機(jī)自動(dòng)化搗固作業(yè)，經(jīng)過三次搗固作業(yè)后，線路高程明顯改善，高程偏差全部介于10 mm以內(nèi)，且平順性狀況也顯著改觀。

綜上，在動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)配合大機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化搗固作業(yè)三次以后，線路的平順性達(dá)到了靜態(tài)調(diào)試階段的預(yù)期效果。在后續(xù)聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，再經(jīng)局部消分作業(yè)，即可使線路平面和高程均達(dá)到驗(yàn)收規(guī)范。

7 結(jié)論

采用常規(guī)的方法進(jìn)行軌道檢測(cè)，存在測(cè)量效率低的缺點(diǎn)，同時(shí)，在配合大機(jī)搗固作業(yè)時(shí)，還需要大量寫標(biāo)，并需提前將線路設(shè)計(jì)線型手工輸入至WinALC或ALC系統(tǒng)。此外，在搗固作業(yè)過程中，大機(jī)2號(hào)位操作人員需實(shí)時(shí)手工旋動(dòng)按鈕。采用動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)配合D09-32、DWL及以上型號(hào)的大機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化搗固作業(yè)，不僅測(cè)量效率提高，而且還能自動(dòng)生成大機(jī)作業(yè)所需的線形資料和起撥道數(shù)據(jù)文件，進(jìn)而控制大機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化搗固作業(yè)。該方法提高了軌道的檢測(cè)效率，并減少了不必要的人工參與，有效提升了大機(jī)搗固作業(yè)水平。綜上，該方法具有極大的推廣價(jià)值，可以在新建有砟軌道線路的搗固作業(yè)階段和既有有砟線路養(yǎng)護(hù)過程進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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ApplicationofBallastTrackDynamicMeasurementSystemInTrackFineComissioning

JU Guojiang

2014-10-30

鞠國(guó)江(1965—)，男，1988年畢業(yè)于西南交通大學(xué)鐵道運(yùn)輸專業(yè)，高級(jí)工程師。

1672-7479(2014)06-0001-03

U412.24

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