李 穎，王 昊，侯智雄，趙延峰，杜馨瑜，魏世斌，任盛偉

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京100081）

車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)︿撥壍膸缀螀?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、掌握其狀態(tài)變化，是鐵路基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修和保障列車運(yùn)行安全的重要裝備。近年來(lái)，隨著我國(guó)大量建設(shè)高速度等級(jí)的鐵路線路，列車運(yùn)行速度不斷提升，乘客對(duì)舒適性的要求進(jìn)一步提高，因此對(duì)軌道幾何狀態(tài)的控制也提出了更高的要求，需要不斷研制更高精度、更可靠的軌道檢測(cè)系統(tǒng)［1-3］。

世界各國(guó)的軌道檢測(cè)設(shè)備隨著現(xiàn)代科技數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步同步發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下2 個(gè)方面：一是傳統(tǒng)軌道檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)字化改進(jìn)；二是基于數(shù)字技術(shù)的全新設(shè)計(jì)。近年來(lái)，俄羅斯圣彼得堡電子技術(shù)大學(xué)開(kāi)發(fā)的慣性技術(shù)測(cè)量系統(tǒng)（Inertial Tech?nology Measurement System，ITMS）以及瑞士的數(shù)字激光軌道檢測(cè)系統(tǒng)等都是直接采用基于數(shù)字技術(shù)的全新設(shè)計(jì)。

我國(guó)的軌道檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)歷長(zhǎng)期發(fā)展已經(jīng)有6 代產(chǎn)品。其中，GJ-4 型軌道檢測(cè)系統(tǒng)采用伺服跟蹤式檢測(cè)技術(shù)，全部使用模擬信號(hào)傳感器，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)采樣后再使用數(shù)字濾波技術(shù)，波形和超限判斷都通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示和輸出［4］。GJ-5 型軌道檢測(cè)系統(tǒng)引進(jìn)美國(guó)的激光攝像式檢測(cè)技術(shù)，采用8個(gè)模擬信號(hào)相機(jī)，加速度計(jì)和陀螺仍采用模擬信號(hào)傳感器，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理［5］，該系統(tǒng)也只是在后端使用了數(shù)字化技術(shù)。2009年，研制出GJ-6 型軌道檢測(cè)系統(tǒng)并大量應(yīng)用，該系統(tǒng)采用了激光攝像檢測(cè)技術(shù)，使用數(shù)字相機(jī)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，但陀螺、加速度計(jì)和位移計(jì)仍然是模擬信號(hào)傳感器，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)字化處理，是目前廣泛使用的軌道幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)［6-7］。

本文設(shè)計(jì)和研制基于控制器局域網(wǎng)（CAN）總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)，其全部使用數(shù)字信號(hào)傳感器通過(guò)CAN 總線組成信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)，而且與前幾代軌道檢測(cè)系統(tǒng)將慣性器件安裝在車體上不同，該系統(tǒng)將測(cè)量用的傳感器全部安裝到車下，將激光攝像組件和集成的慣性組件安裝在檢測(cè)梁上，分別用于測(cè)量檢測(cè)梁與軌道之間的位移和姿態(tài)。根據(jù)傳感器安裝位置與軌道之間的相對(duì)位置關(guān)系，建立新的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，通過(guò)數(shù)字信號(hào)采集和處理方法，對(duì)軌道幾何參數(shù)進(jìn)行合成計(jì)算，隨車實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，為鐵路工務(wù)部門提供有效數(shù)據(jù)，指導(dǎo)軌道養(yǎng)護(hù)維修。

1 基本原理及組成

基于CAN 總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在車下轉(zhuǎn)向架上懸掛檢測(cè)梁，檢測(cè)梁左、右2 側(cè)安裝激光攝像組件，用于測(cè)量鋼軌左、右軌距點(diǎn)的橫向位移和左、右軌頂點(diǎn)的垂向位移。將測(cè)量用的分立式慣性傳感器集成為慣性組件，其內(nèi)部由3 個(gè)軸向的陀螺和3 個(gè)軸向的加速度計(jì)組成，安裝在檢測(cè)梁中間，用于測(cè)量檢測(cè)梁的姿態(tài)。數(shù)字式地面標(biāo)志傳感器ALD（簡(jiǎn)稱數(shù)字ALD）安裝在檢測(cè)梁外部，用于探測(cè)道岔、橋梁等地面標(biāo)識(shí)。車體上一側(cè)安裝數(shù)字加速度計(jì)，用于測(cè)量車體橫向和垂向加速度。車上計(jì)算機(jī)設(shè)備通過(guò)CAN 總線接收并處理傳感器信號(hào)，根據(jù)相應(yīng)的軌道幾何參數(shù)數(shù)學(xué)模型，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、補(bǔ)償?shù)葦?shù)據(jù)處理，最終獲得軌道幾何參數(shù)，同時(shí)系統(tǒng)還接受GPS 的信息進(jìn)行里程修正。

圖1 基于CAN總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)梁

安裝在轉(zhuǎn)向架上的檢測(cè)梁結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。檢測(cè)梁主要由吊臂、梁體、激光攝像組件、慣性組件、慣性組件防護(hù)罩、遮陽(yáng)罩、減震墊、調(diào)整墊片等組成。

檢測(cè)梁選取材質(zhì)堅(jiān)硬的材料，以保障與所有傳感器相互之間牢固安裝，檢測(cè)梁的重量經(jīng)過(guò)嚴(yán)格控制，不影響轉(zhuǎn)向架的慣性特性。在安全方面，對(duì)檢測(cè)梁的平衡負(fù)重、結(jié)構(gòu)壽命和強(qiáng)度進(jìn)行了設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。在減振裝置設(shè)計(jì)上，考慮安裝連接環(huán)節(jié)安全余量，在線路惡劣的環(huán)境下能夠保護(hù)傳感器和布置的線纜不松動(dòng)或下落，當(dāng)機(jī)械主體部分受到?jīng)_擊振動(dòng)，能夠確保檢測(cè)梁運(yùn)用安全。

圖2 安裝在轉(zhuǎn)向架上檢測(cè)梁結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 激光攝像組件

激光攝像組件內(nèi)部安裝有激光器和高速相機(jī)，如圖3所示。激光器發(fā)出的光源在鋼軌表面形成能量較高的窄光帶，便于高速相機(jī)提取鋼軌的輪廓外形，激光器光源的光譜特性、強(qiáng)度和穩(wěn)定性都會(huì)對(duì)攝像機(jī)采集到的圖形質(zhì)量產(chǎn)生影響。高速相機(jī)透過(guò)光學(xué)玻璃片獲取軌道圖像信息，相機(jī)的分辨率、幀頻速度、曝光時(shí)間等方面都需要滿足相應(yīng)的指標(biāo)，達(dá)到高速采集的要求。

圖3 激光攝像組件結(jié)構(gòu)圖

采集到的鋼軌斷面圖像經(jīng)過(guò)灰度提取、細(xì)化、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等一系列處理后得到鋼軌輪廓，提取軌距點(diǎn)和軌頂點(diǎn)得到在測(cè)量坐標(biāo)系內(nèi)鋼軌的橫向、垂向位移，2 者是測(cè)量軌道幾何參數(shù)的重要分量，鋼軌斷面圖像處理過(guò)程及效果如圖4所示［8-11］。

圖4 鋼軌斷面圖像處理過(guò)程及效果

2.3 慣性組件

基于CAN 總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將所有的慣性傳感器集成為慣性組件，該組件內(nèi)部含有3個(gè)軸向的閉環(huán)光纖陀螺（FOG）和石英撓性加速度計(jì)，克服了已有系統(tǒng)分立元件多、安裝方式復(fù)雜的缺點(diǎn)。

慣性組件由傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理和接口電路等組成，采用一定的減振措施安裝在檢測(cè)梁中間。慣性組件的信號(hào)處理和接口電路是以DSP 為中心的信號(hào)采集、計(jì)算、通訊于一體的綜合處理單元，如圖5所示，主要完成對(duì)各路光纖陀螺、加速度計(jì)等傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和解算以及誤差補(bǔ)償?shù)忍幚?，將各個(gè)軸向的角速度和加速度信息發(fā)送給采集設(shè)備，電路信號(hào)處理中采用24位A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖5 慣性組件實(shí)物及信號(hào)處理電路示意圖

對(duì)慣性組件的電磁兼容進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，從電磁干擾形成的機(jī)理入手，采取的措施包括：結(jié)構(gòu)防磁設(shè)計(jì)、使用雙絞線傳輸脈沖信號(hào)、采用適當(dāng)?shù)臑V波器、大電流和小電流信號(hào)之間避免共地、信號(hào)地與機(jī)殼地分開(kāi)等。

2.4 數(shù)字ALD

數(shù)字ALD 安裝在與車軸平行的檢測(cè)梁上，距軌枕面小于350 mm，可以檢測(cè)軌道上的道岔、橋梁、軌距拉桿等地面標(biāo)志物，由探測(cè)線圈、信號(hào)處理電路、正弦波振蕩器等組成，數(shù)字ALD 實(shí)物及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。數(shù)字處理單元DSP作為信號(hào)處理和控制部件。探測(cè)線圈由平衡、發(fā)射和接收3 個(gè)線圈組成，構(gòu)成2 個(gè)平衡差動(dòng)式正弦波振蕩電路，可以用于檢測(cè)被測(cè)物線圈電感參數(shù)的變化。當(dāng)傳感器檢測(cè)到軌道上的金屬部件后，產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理后的電壓信號(hào)輸出給軌道檢測(cè)系統(tǒng)采集設(shè)備。

圖6 數(shù)字式ALD實(shí)物及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

基于CAN 總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)的核心處理計(jì)算機(jī)采用QNX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，軟件具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、合成計(jì)算、超限判斷、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3.1 數(shù)字信號(hào)同步采集及傳輸

基于CAN 總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)將慣性組件、激光攝像組件、數(shù)字ALD、車體加速度計(jì)等按照CAN 總線協(xié)議組成1 個(gè)多級(jí)分布式系統(tǒng)用于數(shù)字信號(hào)傳輸，CAN 總線在傳輸距離，傳輸速率和抗電磁干擾能力上具有優(yōu)勢(shì)。采用QNX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為主機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集和處理，執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制，控制CAN 總線的控制/收發(fā)器，對(duì)CAN總線通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、緩存和傳輸，實(shí)現(xiàn)由傳感器組成的軌道檢測(cè)系統(tǒng)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵目刂啤?/p>

為了保證采集的傳感器數(shù)據(jù)是鋼軌斷面同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，采用脈沖計(jì)數(shù)器卡發(fā)送觸發(fā)脈沖中斷的方式來(lái)同步采集各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。由于軌道檢測(cè)系統(tǒng)采用空間0.25 m 等距離采樣，因此，脈沖計(jì)數(shù)器卡讀取安裝在車輪上的光電編碼器輸出的脈沖數(shù)，當(dāng)脈沖計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定的比較脈沖時(shí)，由計(jì)數(shù)器卡發(fā)出指令產(chǎn)生硬件中斷，采集此刻各個(gè)傳感器發(fā)出的數(shù)據(jù)，保持信號(hào)同步采集，實(shí)時(shí)同步采集處理流程如圖7所示。

圖7 實(shí)時(shí)同步采集處理流程

3.2 軌道幾何參數(shù)數(shù)學(xué)計(jì)算模型

與GJ-6 型軌道檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，基于CAN 總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)的慣性組件和激光攝像組件全部安裝在檢測(cè)梁上，根據(jù)傳感器的安裝位置，利用檢測(cè)梁與軌道的姿態(tài)與位置關(guān)系重新建立數(shù)學(xué)計(jì)算模型合成得到軌道幾何參數(shù)。

3.2.1 軌距參數(shù)

利用激光攝像組件獲取左、右軌頂面下16 mm處軌距點(diǎn)相對(duì)轉(zhuǎn)向架的橫向位移即可得到軌距G為

式中：GL和GR分別為左、右軌距點(diǎn)的橫向位移；K為常數(shù)。

3.2.2 高低參數(shù)

高低參數(shù)的計(jì)算主要采用慣性組件內(nèi)的垂向加速度計(jì)和激光攝像組件提供的垂向位移獲得，高低參數(shù)計(jì)算流程如圖8所示。垂向加速度計(jì)信號(hào)需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理濾波，消除噪聲和零點(diǎn)偏移，設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器得到所需波段的數(shù)據(jù)。同時(shí)要消除列車運(yùn)行時(shí)各種姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)對(duì)垂向加速度的干擾，比如側(cè)滾產(chǎn)生的加速度在垂向的分量、離心加速度在垂向的分量等，提取有效數(shù)據(jù)再與位移信號(hào)進(jìn)行計(jì)算得到高低參數(shù)［12-13］。

圖8 高低參數(shù)計(jì)算流程

3.2.3 軌向參數(shù)

軌向參數(shù)的測(cè)量與高低參數(shù)類似，使用安裝于檢測(cè)梁中間位置慣性組件中的橫向加速度計(jì)，測(cè)量檢測(cè)梁的橫向位移；使用激光攝像組件測(cè)量左、右軌距點(diǎn)的橫向位移，2 者合成計(jì)算得到軌向參數(shù)，軌向參數(shù)計(jì)算流程如圖9所示。橫向加速度計(jì)輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)預(yù)濾波處理，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)采樣后進(jìn)行消偏和移變補(bǔ)償濾波處理，得到橫向加速度信號(hào)，由于其包含著重力加速度、離心加速度以及振動(dòng)等影響，還必須對(duì)其進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償和濾除［14-15］。

圖9 軌向參數(shù)計(jì)算流程

3.2.4 水平（超高）參數(shù)

利用檢測(cè)梁上慣性組件提供的橫向加速度和滾動(dòng)方向角速度得到檢測(cè)梁的傾角θb，將搖頭方向角速度作為傾角θb的補(bǔ)償量，由激光攝像組件提供的垂向位移測(cè)量檢測(cè)梁與軌道間的相對(duì)夾角θbt；再根據(jù)檢測(cè)梁傾角θb和檢測(cè)梁與軌道相對(duì)夾角θbt的代數(shù)和，即可計(jì)算出軌道傾角θt；通過(guò)左、右2軌面中心線之間的距離d=1 500 mm 和式（2）可計(jì)算出水平（超高）參數(shù)H，其計(jì)算流程如圖10所示。

圖10 水平（超高）參數(shù)計(jì)算流程

4 系統(tǒng)應(yīng)用

基于CAN 總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、標(biāo)定，且通過(guò)第三方對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的外觀、絕緣、高低溫、交變濕熱、低溫存放、沖擊與振動(dòng)、電磁兼容性等環(huán)境方面進(jìn)行檢驗(yàn)后，在某鐵路局某型號(hào)軌檢車上實(shí)車安裝（如圖11所示），并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試時(shí)，隨車按照同速度、同方向或者不同速度、不同方向檢測(cè)某條線路，動(dòng)態(tài)檢測(cè)檢驗(yàn)指標(biāo)主要是重復(fù)性和再現(xiàn)性，得到的重復(fù)性波形對(duì)比如圖12所示。從圖12中可以看出：軌距、高低、軌向、水平（超高）等各檢測(cè)參數(shù)波形重復(fù)性較好。

圖11 基于CAN總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)車安裝

分別分析現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)系統(tǒng)對(duì)某條線檢測(cè)得到的軌距、高低、軌向、水平等參數(shù)數(shù)據(jù)，提取進(jìn)行重復(fù) 性 或 再 現(xiàn) 性 對(duì) 比 的 2 個(gè) 數(shù) 據(jù) 列xi，yi(i=1，2，…n)，計(jì)算2 個(gè)數(shù)列的差δi=|xiyi|，對(duì)其進(jìn)行大小排序，取第95%個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的數(shù)值為第95 個(gè)百分位數(shù)，該數(shù)值應(yīng)滿足現(xiàn)行的軌道檢測(cè)系統(tǒng)重復(fù)性或再現(xiàn)性指標(biāo)要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，基于CAN 總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試的重復(fù)性和再現(xiàn)性指標(biāo)完全滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，并且通過(guò)第三方測(cè)試，該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性也完全滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

圖12 重復(fù)性檢測(cè)波形對(duì)比

表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)的重復(fù)性、再現(xiàn)性和準(zhǔn)確性分析結(jié)果

統(tǒng)計(jì)基于CAN 總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)與現(xiàn)在廣泛使用的某型號(hào)軌道檢測(cè)系統(tǒng)零備件損耗量對(duì)比如圖13所示。從圖13可以看出：某型號(hào)軌道檢測(cè)系統(tǒng)中僅拉弦位移計(jì)損耗量占比即為46%，而基于CAN 總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)此器件，僅這一項(xiàng)即可降低46%的器件損耗量。另外，基于CAN 總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)采用集成的慣性組件，相比于分立的慣性器件損耗量必然減少。可見(jiàn)，該系統(tǒng)能夠克服現(xiàn)有系統(tǒng)故障頻繁、零備件消耗多等問(wèn)題，且檢測(cè)可靠性較高。

圖13 基于CAN總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)與某型號(hào)軌道檢測(cè)系統(tǒng)器件損耗量對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際測(cè)試，基于CAN 總線的車載軌道檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確性、重復(fù)性、再現(xiàn)性等技術(shù)指標(biāo)上均達(dá)到相應(yīng)的要求，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，后期維護(hù)量小，可靠性大大提高，能夠克服現(xiàn)有系統(tǒng)故障點(diǎn)多、傳感器與電路板易損壞、線纜多、易受到電磁干擾等問(wèn)題。為鐵路工務(wù)部門提供更加穩(wěn)定準(zhǔn)確的軌道幾何參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，還可以利用其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步拓展軌道檢測(cè)設(shè)備的安裝范圍，在鐵路、地鐵、輕軌的運(yùn)營(yíng)列車上安裝檢測(cè)設(shè)備，具有良好的應(yīng)用發(fā)展前景和推廣價(jià)值。