铁路基础设施动态检测系统计量保证方案研究

陈春雷，韩庐平，郝晋斐

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081；2. 北京铁科英迈技术有限公司，北京 100081）

0 引言

铁路基础设施动态检测装备是保障铁路运营安全的重要手段。依据运营于各条线路上的高速综合检测列车及各类专业检测车（简称检测车）的检测结果，可及时掌握基础设施设备状况，并指导基础设施综合维修和运用管理。近年来，随着基础设施各类检测设备的运用不断增加，检测设备的准确性、可靠性要求不断提高。同时，由于检测车分布在全国各地，检测环境条件的差异、检测装备的差异、检测人员流动等问题，都会影响量值传递的质量，各类检测系统的溯源、校准工作面临较大的困难和挑战。尤其是车载检测设备所测量的参数均为相关设施的动态参数，因此无法用传统的量值传递方法实现量值传递，导致各类检测装备运用过程中有时出现不同检测车辆在同一线路、相近的时间点、检测结果的不同，或者是动静态检测结果差异较大等现象，降低了检测结果的可靠性和有效性，给进一步的数据应用工作带来困扰。现行的检测系统量值溯源方法已不能满足行业发展的需求。因此，提出一套系统、完整、有效的检测系统计量保证方案（MAP），是进一步提高铁路基础设施动态检测系统检测能力的重要环节。

1 动态检测系统MAP原理

MAP是指测量过程的质量保证方案。通过MAP对测量过程总的测量不确定度实施控制，包含随机因素和系统因素引入的不确定度，并通过一系列措施，减小测量不确定度，以满足用户对测量的要求。

检测车以动车组或单节车辆作为载体，加装了轨道几何检测、轨道状态巡检、钢轨轮廓检测、接触网检测、轮轨动力学检测、车辆动态响应检测、通信检测、信号检测、隧道路基检测、钢轨探伤等精密测量设备，集成了光学测量、电磁学测量、超声测量、惯性测量、时空定位同步、实时图像处理和识别等先进技术，在检测车辆运行过程中对工务、电务、供电等基础设施状态进行等速检测的重要技术装备。开展铁路基础设施动态检测系统计量保证方案的研究，是为满足检测装备整系统在现场运行条件下的量值高准确度需要，提升各类车载检测系统的可靠性、稳定性以及检测数据的一致性[1-3]。

MAP有两大主体，即主持实验室和参加实验室。在本方案中铁路基础设施检测中心的校准实验室即为主持实验室，实验室建设有校准设备及校准试验线。检测车为参加实验室，装备有各类检测系统及人员。

动态检测系统MAP的原理是，通过量值传递和量值溯源获得与检测系统相关测量结果相对应的参考量值，保证检测系统量值的准确性。通过核查检测并进行数据统计分析，建立检测车连续的核查检测数据，并由此对检测系统的日常检测过程进行评定与控制，保证量值传递的连续有效。动态检测系统MAP的实施分为2个阶段，传递阶段和核查阶段。由于检测系统的不同特性，需建立不同类型检测系统的溯源工作路线，建立轨道几何、钢轨探伤、接触网、通信、信号、车辆动态响应等检测系统不同参数的传递标准与核查标准。

2 动态检测系统MAP设计

2.1 动态检测系统的特点

通常情况下，量值溯源要求计量标准器、测量环境等具有一定的稳定性，多是静态条件下的一组操作。检测车辆属于大型专用装备，受各方面因素的限制，不能随意调动。因此，对检测系统的计量应根据不同的特点尽量避免不利条件，利用优势资源，减小对运营和检测的影响。各专业的检测系统有各自的计量特点。其中，以几何量测量为主要检测指标的有轨道几何检测系统、接触网几何参数检测系统、限界检测系统等；以力学参数测量为主要检测指标的有弓网动态作用参数检测系统；以电压、电流测量为主要检测指标的有接触网供电参数检测系统、信号检测系统；以频率及相位差的测量为主要检测指标的有通信检测系统等。动态检测系统工作时与被测物均处于动态变化中，实验室的静态校准结果，不足以反映检测系统的状态，因此动态检测系统长度计量测量是溯源的难点。

针对不同检测系统被测对象的差异，设计2种不同的工作路线。第1种情况是传递标准和核查标准可以作为可移动装备送往检测车辆。检测系统中力、电压、电流、频率、加速度的测量均可适用此情况。第2种情况是传递标准为固定设施不能移动，同时由于检测车辆不能频繁地调往检测中心实验室，核查标准将以另一辆通过检定的车辆以比对的方式进行。检测系统中长度测量适用此种情况。

2.2 动态监测系统MAP实施流程

动态检测系统MAP量值传递过程[4]见图1。

图1 动态监测系统MAP量值传递过程

（1）MAP中铁路基础设施检测中心实验室为主持实验室，检测车辆为参加实验室，用于量传的计量设备为工作标准，实验室获得的最高计量特性的计量标准为参考标准，由参加实验室向主持实验室申请传递标准。

（2）检测中心实验室接到检测车辆运用单位的传递申请后，提供一个传递标准，经参考标准校准合格后，根据检测系统特点分为2条路线进行传递。第1种，将该传递标准送至检测车辆，并附检测方法、条件等测量要求（简称方案A）；第2种，将检测车辆调往传递标准所在地，并规定检测人员和测量要求（简称方案B）。

（3）结果及传递标准一起送回检测中心实验室。方案B，检测车辆抵达传递标准所在地后，将传递标准作为一个未知量按相应检测程序的要求进行检测，并将检测结果发送至检测中心实验室。

（4）由于传递标准在往返途中或动态检测后可能发生计量特性的改变，检测中心实验室在收到测量数据和传递标准后，立即使用参考标准对其进行校准，分析校准结果以判定传递标准的漂移量是否超出允许范围。若传递标准没有超出允许范围，则此次量值传递有效，否则无效。针对传递标准漂移量的异常情况，查找原因并重新组织量值传递。

（5）核查标准是由检测中心实验室提供给检测车辆的。其具有良好的稳定性以确保计量保证方案的连续实施。方案A，量值传递过程完成后，检测车辆在2次溯源期间，应按要求对核查标准进行多次检测，获取完整的测量数据并建立数据库进行分析，并评定检测车辆的日常检测是否一直处于有效状态。方案B，检测车辆在接受量值传递前后及2次溯源期间，与另一通过检定合格的检测车辆针对同一条线路进行测量，获取完整的测量结果并建立数据库进行分析，并评定检测车辆的日常检测是否一直处于有效状态。

（6）检测车辆按要求及时地将全部溯源和核查数据提交至检测中心实验室。检测中心实验室对测量数据进行分析，计算偏差和测量不确定度，并向检测车辆提供测试报告。

2.3 传递标准与核查标准

传递标准与核查标准是动态检测系统MAP能够实施的关键因素，应是具备良好复现性和稳定性的高准确度计量器具，能够进行量值传递、溯源、比对等工作[5]。本方案中，2种不同溯源路线其传递标准与核查标准有不同的特点。

方案A中，传递标准采用由计量标准校准过的计量器具，因其体积小、质量轻，便于作为传递标准运往检测车，用于评定检测系统的测量不确定度。核查标准是检测车上配备的稳定性良好的标准器具，在其间核查阶段保证检测系统量值可靠，检测结果真实有效。

方案B中，传递标准不再具备体积小、质量轻、便于携带的特点。传递标准为一条位于铁科院东郊分院的新建设的校准试验线。图2中蓝色线路（试车Ⅲ线）为一条专用的校准铁路线，且其钢轨和接触网的几何参数稳定可调（见图3）；由于检测车调往校准试验线较为繁琐，占用较多的资源，因此，核查标准则选择一条正常运营的线路。在2次溯源期间，该检测车与另一通过检定合格的检测车辆针对同一条线路进行测量，对测量结果进行分析并建立数据库，评价检测车辆的日常检测工作是否一直处于有效状态[6]。

图2 检测系统校准试验线

图3 可进行几何不平顺准确调整的轨道

3 动态检测系统MAP实施

JJF 1001—2011《通用计量术语及定义》给出的计量保证定义为“法制计量中用于保证测量结果可信性的所有法规、技术手段和必要的活动”。基础设施动态检测系统计量保证采用合格评定、年检、期间核查等方式来进行（见表1）。

表1 计量保证项目

基础设施动态检测系统合格评定是指证明基础设施动态检测系统满足技术条件要求的活动（见图4），主要用于对动态检测系统新产品及升级产品的技术评定。使用更高一级的专用校准装备对检测系统的功能和技术指标进行全面的评定（见图5），出具评定报告并给出结论[7-9]。

图4 系统评定工作现场

图5 专用校准装备

基础设施动态检测系统年检是对每一型经过评定的检测系统在新出厂时或按周期（结合厂修一般为18个月）进行的。使用便携校准装备对检测系统不稳定的技术指标和系统功能进行检查（见图6）。出具年检报告，包括检测系统基本情况、技术指标要求、软硬件功能验证情况、技术指标验证情况、年检结论及有效的标定证明材料等内容。

图6 便携校准仪

基础设施动态检测系统期间核查是指根据规定程序，为了确定检测系统是否保持其原有状态而进行的操作。期间核查的目的是在2次校准（年检）之间的时间间隔期内保持检测系统校准状态的可信度。形成《设备期间核查记录表》，核查发现问题时，应停止使用该仪器设备，加贴停用标识。安排相关人员组织维修，进行原因分析，并核查对已完成的检测/检验结果的影响，直到消除故障和异常后才可恢复设备的使用。

4 结束语

随着科学技术的发展和铁路现场人员技术水平的提高，铁路基础设施状态越来越好，同时也对基础设施动态检测系统的检测能力要求越来越高。在提升检测装备能力的同时，也对量值的准确统一、质量的安全可靠提出了越来越高的要求。

铁路基础设施动态检测系统MAP的核心是不确定度评定以及测量过程的统计控制、闭环量传。通过传递标准使检测车辆与铁路基础设施检测中心实验室之间定期地保持着量值的溯源关系，又通过核查标准由检测车辆随时保持自查的关系，并把受控或失控状态信息随时反馈到实验室，形成封闭的监控状态。该MAP能够有效地实现量值溯源，保证检测车辆测量结果的准确、可靠和统一，为基础设施动态检测、监测体系提供了有效的监管手段。