地铁轨道动态检测技术的发展及研究

刘海军

兰州市轨道交通有限公司运营分公司 甘肃兰州 730030

精准掌握轨道动态几何参数是保障列车安全、可靠、平稳运行的必要条件。目前国内地铁对轨道的平顺性、舒适性要求越来越高，对轨道检查设备也提出了更高的要求，因此高精度、髙效率、智能化的轨道内部和外部几何状态检查系统的研究与设计，显得越来越重要，由于各类检测技术都有优缺点，各大研究、检测机构针对不同的需求和不同设备的优势也进行了多种分析研究，有些检测设备对高速检测有很好的检测效果，但不适应于低度检测，有些成本高昂，无法满足资金困难的单位，有些无法满足不同的检测工况，本文针对以上多种缺陷进行分析，来探讨不同的解决方案[1]。

1 基于陀螺仪的动态低速检测

目前大型轨检车检测主要有惯性基准法、弦测法。我国主流的轨道检测设备均采用惯性基准法，经历长期发展、不断改进已经有六代GJ-6型，目前的GJ-6型轨道检测该系统利用模拟信号的光纤陀螺、加速度计、位移计，使用惯性测量技术、激光摄像检测技术、数字相机和数字图像处理技术，经过AD转换后进入计算机进行处理、波形显示、数据存储和超限判断等。其优点是检测范围广、检测精度高、检测效率高。

而地铁轨道检测往往采用工程车提供动力，拖动网轨检测车进行检测，国内好多地铁对工程车行驶有速度限制，尤其在道岔地段。当轨道检查车的检测速度下限小于临界值时，检测结果发生失真，便会发生漏检情况，存在一定的安全隐患，也会增大现场轨道工班的检查工作量。

目前，在研究弦测法和惯性基准法的基础上，研究一种基于陀螺仪的轨道高低不平顺低速检测，完全不同于弦测法的高低不平顺测量方法。将能感应角度变化的陀螺仪安装到转向架构架，根据构架的点头运动，陀螺仪反馈检测出列车行驶时构架俯仰角的变化，建立前后不同测点间的高低不平顺几何关系，由陀螺仪测得的俯仰角信号是轨道高低不平顺按规律畸变的结果，其畸变特性由传递函数表达，通过设计逆滤波器对畸变波形进行复原。而且陀螺仪受振动的影响较小，测值的积分信号不易饱和，用于低速检测高低不平顺有很大优势，当轨检车速度较高时按目前的计算方法，当速度较低时切换到该方法，从而得到较高的精度。

2 基于真实路况的车载动态检测

大型轨检车由于高昂的造价，新地铁运营前期一般不做配置，而且检测周期较长，不能及时对线路质量检测评价；而轨检仪、添乘仪受里程、动载等因素限制，也不能准确反应真实线路状况，容易造成误判。由此研究车载线路质量检测系统也是轨道检测技术的发展方向。根据轮轨动力学与轨道不平顺模型，计算轮轨间动力响应原理，直接输出轨道几何形变量，能够真实反映出线路轨道在列车荷载作用下的几何状态，经过处理器的分析处理，判断出线路的动态质量，并针对性指导线路养修[2]。

目前添乘仪轨道信号采集部分，与钢轨不是刚性接触，且多以车体加速度作为评判线路质量的理论依据。这种方式受速度、车型等诸多因素影响，信号采集的真实性必受影响。另外，添乘仪只能检测到车体晃动的垂向和纵向加速度，与列车速度高低有很大关系，与线路动态形变没有直接的对应关系，因此用车体加速度评判线路质量不够全面。

要真实全面检测出线路动态质量，信号采集部分的安装位置非常关键。若在车体内安装采集器，由于二系弹簧的减震影响，采集器检测出的数据并非根据轨道线路缺陷所直接得出，并非轨道线路真正形变数据。另一方面，系统的检测值受车况等因素的影响很大。因此，将信号采集部分安装在二系簧以上不够合理。考虑将信号采集设备装在一系簧上，一定程度上排除了车体因素的干扰，但受一系簧影响，不确定因素仍然存在，检测数据仍有变化。如果传感器直接安装于列车一、四轴两侧轴箱上，可以排除上述诸多影响。采集的信息直接反馈出线路的状态信息，为数据的真实性提供了可靠依据。此类车载轨道检测系统，最大的优势是可以准确、直观地检测出线路质量状况。

3 基于手机传感器的动态添乘检测

地铁车辆多在隧道内无GPS的环境下行驶，无法采用添乘仪的GPS里程定位技术，只能手工进行每公里标记定位，而列车往往不是匀速行驶，速度时刻变化，添乘仪不能实时记录精确位置信息，无法实现对车辆运行速度的校正，不支持车辆的动态变化，不能较好反映轨道状态病害的准确位置。

随着智能手机内置传感器质量和计算运行速度的提升，可充分挖掘潜力，凭借能耗低、方便快捷等优点，借用智能手机内置传感器监测车体振动响应，可实现高频次监测乘客舒适度和局部轨道不平顺状态。借用舒适性、指标分析车体晃车的持续时间、频率、加速度幅值，实现局部轨道不平顺的定性监测[3]。

智能手机检测受测试环境变化、传感器信噪比的影响，数据包含多种随机误差，经系统性地数据预处理修正以及坐标偏角修正，手机纵向加速度经二次积分初步预测车辆运行里程，依据卡尔曼滤波修正车辆运行里程预测误差，里程误差可控制在1m范围内，将车辆运行速度、里程、舒适度指标转化为空间域，获取车辆晃车点的里程位置，进而提升查找现场病害效率。

4 结语

当前，城市轨道交通正处于快速发展时期，随着新技术、新领域的不断深入研究，轨道检测技术也在向信息化、智能化方向发展。不同的轨道检测技术，都有其各自的优势所在，不同单位、不同线路应根据自己的情况进行研究、配置不同的检测设备，为线路质量监测提供一种新的高科技、高精准的检测手段，进而保障车辆运营的安全性与舒适性。