城市轨道交通车载轨道动态几何检测研究

郭雪，张井玉，尹昱淞，卢波

中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山，064099

0 引言

测试人员在某线路进行了轨道几何参数测试。试验主要内容为试验线轨道几何参数测试。本报告内容主要是对检测系统进行现场试验验证，验证的主要内容是对检测参数的重复性及准确性进行验证。精度验证主要是验证各测量项目与实际的偏离程度，重复性主要是指检测系统自身的稳定性。

1 实验设备

1.1 设备功能介绍

轨道几何参数检测系统（以下简称：轨检系统）主要检测项目包括：钢轨断面测量、轨距、左右轨向、左右高低、水平、三角坑、曲率、钢轨垂直以及侧面磨耗等。轨道几何状态实时监控系统实现对轨道线路水平、曲线、高低及里程等技术参数的实时检测。在现有的轨道检测设备基础上，本系统采用数字激光技术、光电测量技术、陀螺平台、数字滤波以及高速计算机实时数据处理等新技术，对轨道状态实施动态检测，并且具有高速、可靠、精确高的特点[1]。

检测车可以在隧道、地面上、高架线路上运行，车体和所有外部安装的设备均能全天候不间断地工作。

1.2 设备性能

表1 轨道检测系统电气架构图

2 轨道检测试验验证及评价方法

将研究的轨检设备集成在电客车辆上，通过现场实际线路试验，验证检测系统各参数的检测性能。主要是对轨距、高低、水平、三角坑参数进行验证。以下是对各参数验证方法描述。

（1）轨距试验验证

①在试验段线路上选取指定线路区段，用轨检系统多次测量动态运行检测，取多次测量的轨距值进行对比误差的统计分析，通过计算误差的95%置信区间评估该参数的检测系统稳定性能。

②在该区段，用标准轨检仪对线路进行检测。得到轨距静态测量值，通过对比分析轨检仪所测量的轨距值，计算轨检系统和轨检仪分别测量的轨距差值，统计分析95%置信区间。

③统计误差的95%置信区间在精度要求范围内，即验证了该参数检测的准确性。

（2）高低试验验证

高低测量采用惯性基准测量原理，本系统采用了10m波长输出高低不平顺波形。

①在试验段线路上选取指定线路区段，用轨检系统多次测量动态运行检测，取多次测量的高低值进行对比误差的统计分析，通过计算误差的95%置信区间评估该参数的检测系统稳定性能。

②在该区段，用标准轨检仪对线路进行检测。得到线路高低参数静态测量值，通过对比分析轨检仪所测量的高低值，计算轨检系统和轨检仪分别测量的高低差值，统计分析95%置信区间[2]。

③统计误差的95%置信区间在精度要求范围内，即验证了该参数检测的准确性。

（3）水平试验验证

①在试验段线路上选取指定线路区段，用轨检系统多次测量动态运行检测，取多次测量的水平值进行对比误差的统计分析，通过计算误差的95%置信区间评估该参数的检测系统稳定性能。

②在该区段，用标准轨检仪对线路进行检测。得到线路水平参数静态测量值，通过对比分析轨检仪所测量的水平值，计算轨检系统和轨检仪分别测量的水平差值，统计分析95%置信区间。

③统计误差的95%置信区间在精度要求范围内，即验证了该参数检测的准确性[3]。

（4）三角坑试验验证

①在试验段线路上选取指定线路区段，用轨检系统多次测量动态运行检测，取多次测量的三角坑值进行对比误差的统计分析，通过计算误差的95%置信区间评估该参数的检测系统稳定性能。

② 在该区段，用标准轨检仪对线路进行检测。得到线路三角坑参数静态测量值，通过对比分析轨检仪所测量的三角坑值，计算轨检系统和轨检仪分别测量的三角坑差值，统计分析95%置信区间。

③统计误差的95%置信区间在精度要求范围内，即验证了该参数检测的准确性[4]。

3 结果验证分析

3.1 重复性验证

选取线路上500米区间范围内3次跑车动态检测数据进行数据重复性对比分析。通过计算各参数每两组数据之间的差值，对差值分布统计95%置信区间[5]。

从上表中轨距、高低、水平、三角坑的三次测量对比结果得知，95%置信区间均小于精度范围要求，该检测系统具有很好的重复性，系统在不同检测工况下具有很好的稳定性。另外，还需要指出的是，受简支梁竖向挠曲所产生的影响，轨道高低不平顺波形呈现出明显的周期性特征，并且周期性波长一致于简支梁跨度；对此，通过将简支梁竖向刚度增大，或者是将简支梁跨度予以减少，都有助于对由于桥梁竖向挠曲所造成的周期性轨道高低不平顺情况的有效控制，最终促进轨道高低平顺状态的提升。

3.2 精度验证

在试车线K0+3～K3+0区间用轨检小车采集的轨道数据作为标准进行轨检系统检测精度验证[6]。

对比结果如下：

（1） 轨距

该区段的动静态检测数据差值的95%置信区间为[-1.1139，0.6303]mm

（2）左高低

表2 各参数每两组数据之间的差值的 95%置信区间统计对比分析

该区段的动静态检测数据差值的95%置信区间为[-2.0940，2.0734]mm

（3）右高低

（4）水平

该区段的动静态检测数据差值的95%置信区间为[-1.7066，1.3456]mm

误差分析：与轨检仪数据对比差异较大位置主要分布在线路曲线段。但在误差较大的地方可以看到具有一致的波形趋势（波峰波谷一致对应）[7]。

（5） 三角坑

该区段的动静态检测数据差值的95%置信区间为[-1.3973，1.4105]mm

3.3 结果分析及结论

3.3.1 重复性和精度的结果分析

（1）针对重复性对比，误差来源主要是定位误差，导致曲线不能很好地整段对齐。

（2）针对精度验证：由于线路是有碴道床，具有动静态测量值的差异。一般存在动态测量值较轨检仪数据偏大的特性。

（3）对比动静态曲线，曲线包含的频率成分及峰值大小均符合理论分析：包含频率成分一样，动态值大于静态值。

3.3.2 重复性及精度验证结论

（1）系统重复性较好，验证系统测量结果具有较高的稳定性。

（2）动态值大于静态值，且包含轨道频率成分一样，验证动态轨检系统数据满足测量精度要求[8]。

4 试验验证结论

综上所述，通过在线路上跑车试验，验证了检测系统对检测结果具有很好的重复性，系统稳定可靠；在试车线通过系统结果与轨检仪数据对比分析，验证了检测系统的有效性，检测结果满足精度要求。需要强调的是，城市轨道交通轨道工程在实际验收过程中，有必要对城市轨道交通车载轨道进行实车动态验收，从中不仅能够发现轨道不平顺及不良区段，为轨道不平顺状态的精调提供指导，而且还能发现轨道的高低、水平情况对桥梁挠曲的影响情况，从而为运营期间轨道日常养护、维修等提供便利，因此，做好城市轨道交通车载轨道的动态几何检测工作，尤为必要且重要。