ZXJ-160型综合巡检车检测装置试验方案设计及实施

方火根 中国铁路上海局集团有限公司科研所

ZXJ-160型综合巡检车（以下简称：综合巡检车）经过了课题方案研究编制和评审、样车设计制造、调试试验、试验评审等阶段研制过程，2018年样车分别在西安、上海局集团公司通过了国家铁路产品质检中心、铁科院集团公司基础设施检测所型式试验，目前综合巡检车已在上海局集团公司高铁线路上投入运用考核。本文结合综合巡检车检测装置在衢九线常山至杨林区间性能试验，以轨道结构状态巡检装置性能测试验证过程为主线，研究了科研试验大纲编制、试验方案设计的要点和方法，针对铁路营业线科研试验特点，明确了试验流程和内容，提出了试验准备、现场试验和试验收尾阶段过程控制与管理，对铁路营业线涉及多专业的重大、综合性科研试验或科研课题研发的新产品、新技术和新装备试验具有一定的参考和借鉴意义。

1 综合巡检车总体组成及技术特点

综合巡检车是高速铁路工、电、供关键设施设备和沿线环境检测监测、综合数据分析处理和运营维修辅助决策技术支持为一体的特种车辆，主要由车辆平台和检测装置两大部分组成，采用一体化设计理念。如图1所示，车辆平台集成安装工电供等专业10多套检测装置，主要包括轨道几何参数、钢轨廓形、轨道结构状态、隧道限界及轮廓、隧道结构状态、声屏障状态、雨量和风力监测设备状态、接触网几何参数、接触线磨耗、定位器坡度、接触网悬挂状态、电务轨旁设备状态、TEDS轨旁设备状态等检测装置和定位同步系统、车载综合数据分析与处理中心平台组成。其主要技术特点：①采用内燃电传动技术的轨道车平台，最高运行速度为160 km/h，整车与检测装置一体化设计；②采用三角法立体动态测量、PCA筛选、LDA建模、K-means聚类的缺陷自动识别、微秒时序下空间调制同步和超匀光照明与共焦检测光电结构等技术，提高几何量检测精度、图像清晰度和自动识别率；②采用多专业同步采集、数据共享、综合处理、关联分析、趋势预测和超限预警设计思路，实现对铁路工电供专业沿线设备和环境监测设备状态的一体化检测与分析。

图1 ZXJ-160型综合巡检车总体结构布置图

2 试验目的和依据

检测装置试验委托有资质条件的检验检测机构，依据审核批准的《型式试验大纲》科学设置试验场景，保持设备状态良好，获取可靠的试验数据，验证被试验检测装置各项功能指标是否满足试验依据规定的要求。试验主要依据《ZXJ-160型综合巡检车通过试验评审意见》《高速铁路综合巡检车暂行技术条件》《ZXJ-160型综合巡检车暂行技术条件》《ZXJ-160型综合巡检车检测系统试验实施办法》等有关规定及要求。

3 试验方案设计

科研试验方案设计是试验研究工作的重要环节，需要将整个试验方法、试验内容和试验配合等工作条理化地描述清楚，最好采用表格形式表达，并对各种工况进行编号，这样既方便试验的实施，也便于后续数据处理。对于综合巡检车检测装置较为大型复杂的试验，为了有条理地设计执行诸多试验项目，要求科研试验方案具有标准的结构、规范的格式。首先要全面掌握理解试验依据，采用列表方式设计编制检测装置试验项目，明确试验项目、试验评定标准、试验状态、试验地点等要素，能够将复杂的综合性试验通过列表方式直观地展示出来，便于计算、查找、分析和处理数据。其次将试验项目列表中检测装置逐项进行试验方案研究，结合每一项检测装置用途、功能指标等特点，主要从试验目的、试验依据、试验条件、试验设备、试验方法、试验内容、试验评定标准等方面设计试验方案，最终编制形成检测装置《型式试验大纲》。以轨道结构状态巡检装置为例，设计试验方案主要包括以下7个部分组成。

（1）试验目的：验证被试综合巡检车的轨道结构状态巡检装置是否满足试验依据规定的要求。

（2）试验依据：《高速铁路综合巡检车暂行技术条件》《ZXJ-160型综合巡检车暂行技术条件》。

（3）试验条件：[被试车]综合巡检车（ZXJ-160型）；[试验线路]上海局集团公司衢九线常山～开化区间；[试验速度]最高速度160 km/h；[试验编组]单机。

（4）试验设备：标定板、直尺等。

（5）试验方法:

①功能性验证：通过静动态试验，验证轨道结构状态巡检装置的功能。

②图像分辨率验证：在常山高铁线桥车间线路轨面、扣件和轨枕的位置设置棋盘式黑白格标定板，读取棋盘式黑白格标定板空间宽度和对应相机的像素值，验证图像分辨率。

③扣件检出率验证：抽取不同试验速度条件下，常山～开化区间250根连续轨枕左右轨各500个扣件的轨道结构图像数据，正向重复10次采集数据后进行数据处理，统计分析得出扣件检出率。

④光带宽度测量精度验证：在常山高铁线桥车间线路轨面粘贴5条均为20 mm宽的白色胶带用来模拟光带，根据采集到的图像数据中白色胶带像素值计算出模拟光带的宽度，计算光带宽度测量精度。

⑤表面擦伤、扣件异常自动识别率验证：在试验线路上制作钢轨表面擦伤、扣件缺失、弹条断裂和歪斜仿真样本，分别以80 km/h、120 km/h和160 km/h的试验速度正向重复10次采集数据后进行数据处理，统计分析表面擦伤和扣件异常自动识别率。

（6）试验内容:

表1 轨道结构状态巡检装置功能验证表

①功能性验证：通过试验，验证装置的主要功能，主要包括图像采集、图像管理和图像识别等模块功能。记录表样式见表1所示。

②图像分辨率验证：通过图像的空间分辨率测试，验证图像采集模块获取的图像分辨率是否满足评定标准要求，图像分辨率=被拍摄棋盘式黑白格标定板空间宽度/像素值。记录表样式见表2所示。

表2 轨道结构状态巡检装置图像分辨率记录表

③扣件检出率验证：抽取250根连续轨枕左右轨各500个扣件的图像数据,验证图像采集模块扣件检出率，检出率=检出数量/设置数量×100%。记录表样式见表3所示。

表3 轨道结构状态巡检装置扣件检出率记录表

④光带宽度测量精度验证：线路轨面设置模拟光带，根据采集到的图像数据中模拟光带的像素值计算出光带宽度，验证光带宽度测量精度。光带宽度=图像数据像素值×光带区域垂直轨道方向的图像分辨率。记录表样式见表4所示。

表4 轨道结构状态巡检装置光带宽度测量精度记录表

⑤表面擦伤、扣件异常自动识别率验证：验证图像识别模块具有对表面擦伤、扣件异常自动识别功能，识别率=识别数量/设置数量×100%。表面擦伤自动识别记录表样式见表5所示，扣件异常自动识别记录表样式见表6所示。

表5 轨道结构状态巡检装置钢轨表面擦伤自动识别率记录表

表6 轨道结构状态巡检装置扣件异常自动识别率记录表

（7）试验评定标准：①图像分辨率：≤1 mm/pixel；②可自动识别扣件缺失、弹条歪斜等异常，自动识别率＞80%；③可自动识别15 mm×15 mm以上的钢轨表面擦伤及剥离掉块，自动识别率＞80%；④光带宽度（mm）：±1.0；⑤扣件检出率≥99%。

4 试验实施

现场测试试验是验证设备性能指标、技术规定、管理规范是否符合设计目标，是否符合实际生产需要，是否满足安全性、稳定性和可靠性的重要手段和方法。本次检测装置动、静态调试和试验安排在常山高铁线桥车间存车线和衢九线常山至杨林站间营业线上进行，涉及专业部门多、参试人员多、试验项目多、试验时间长、安全风险大等特点，为加强和规范综合巡检车试验管理，建立了试验准备、现场试验和试验收尾工作管理制度，为全面、细致地对检测装置技术性能和运用安全可靠性验证提供保障。

4.1 试验准备阶段

4.1.1 现场试验条件考察

通过对试验区段沿线基础设施及环境状况实地勘察，选择符合《型式试验大纲》要求的试验线路区间。综合考虑试验样车停放点为常山高铁线桥车间、以及试验速度、天窗时间、场景设置等因素，通过分析比选确定衢九线常山~开化为试验区间。试验区间沿线有7座隧道、5处声屏障、3处风速雨量监测点。

4.1.2 制订试验实施方案

试验组织单位根据现场试验要求，研究制订《ZXJ-160型综合巡检车检测系统试验实施办法》和《ZXJ-160型综合巡检车检测系统试验总体计划和任务分工》等试验文件，明确试验依据和目的、试验组织和任务分工、试验内容、试验列车运行管理和安全管理等内容。同时成立试验工作现场指挥组，负责协调试验列车检测系统试验工作，解决现场试验过程中的问题，确保“按期、优质、高效、安全”的完成试验任务。

4.1.3 现场试验条件准备

试验开始前，试验工作现场指挥组召开试验协调会，听取参试单位各项试验准备情况，对接试验方案实施过程中的配合工作，建立试验例会和工作联系制度，明确试验列车日运输组织计划编制和公布、行车组织指挥、试验列车库内股道转线、试验区段场景设置、安全协议签订等相关事项，确保试验计划、人员、设备、材料、场景、安全等各环节准备就绪，具备上线试验条件。

4.2 现场试验阶段

4.2.1 试验运输组织

试验列车上线运行严格按照《ZXJ-160型综合巡检车检测系统试验总体计划》规定的试验时间、试验项目、地点（区间）、参加单位、试验内容等要求，由课题单位根据试验需要，提前2天向运输部门提出试验计划需求，运输部门编制试验列车日运输组织计划并在试验前1天公布，调度所按照车站操作模式组织试验列车运行，并组织做好应急救援准备。

4.2.2 性能测试验证

检测装置性能测试验证主要包括现场仿真样本制作、各种速度等级下通过试验区间数据采集、依据规定试验方法和数据处理方法对采集数据进行处理、对照试验评定标准判断是否符合规定的设计要求、恢复仿真样本设置等。以轨道结构状态巡检装置性能测试验证为例，试验流程主要包括以下6个部分组成。

（1）试验区段：衢九线常山-开化，k34+091～k55+332。

（2）现场仿真样本制作：为了便于现场仿真样本设置、日常检查和管理，采取小区间集中设置方法，选择衢九线常山-开化区间（k45+500～k46+0）。根据《型式试验大纲》要求设置仿真样本，具体见表7所示，由设备单位申请施工维修天窗，派人提供安全防护，课题单位和测试专家组负责现场仿真样本设置和验收确认，确保现场仿真样本设置科学、安全可靠。

表7 轨道结构状态巡检装置仿真样本列表

（3）试验速度：80 km/h、120 km/h、160 km/h。

（4）试验次数：80 km/h在试验区段往返1次，120 km/h和160 km/h在试验区段各往返2次，共采集数据10次。

（5）试验开行计划：①综合巡检车以80 km/h检测速度进入试验区段往返1次采集图像数据；②综合巡检车以120 km/h检测速度进入试验区段往返2次采集图像数据；③综合巡检车以160 km/h检测速度进入试验区段往返2次采集图像数据。

（6）试验数据采集与分析：依据规定试验方法将轨道结构状态巡检装置5类功能指标采集的试验数据分别填入记录表，将采用假设检验数据处理方法对记录表数据进行统计分析，对照试验评定标准判断结果是否符合规定的设计要求。

4.3 试验收尾阶段

在试验执行期间试验收尾管理工作包括每日收尾管理和最终收尾管理，是确保整个试验成功的重要手段。每日试验收尾管理应把控综合巡检车入库检查维护、现场设备巡检、试验数据整理和保存、试验日交班（进度、效果、配合、安全等评估和控制）等环节管理。最终试验收尾管理应把控检测数据收集整理、与测试专家组沟通、试验记录数据核对和交接、现场仿真样本恢复、综合巡检车检查维护和安全存放、试验资料档案保管和试验总结等管理。通过加强试验收尾阶段管理，以确保试验有序推进并达到预期目标。

5 结束语

综合巡检车检测装置于2018年11月～12月在衢九线全部完成了性能验证试验，上海局集团公司（科研所）研制的九套检测装置测试项目均符合《综合巡检车（ZXJ-160型）检测系统型式试验大纲》的要求。通过本次铁路营业线科研试验全过程的研究与实践，较为详细的阐述轨道结构状态巡检装置试验大纲编制、试验方案设计和试验实施等方面要点、方法、流程及应对措施，其他检测装置性能验证试验类同，对开展铁路营业线科研试验，加强试验管理，提高试验质量，保障试验安全具有一定指导作用。