运营动车组加装轨道检测系统方案研究

彭昭云，李颖，魏世斌

（1. 广州铁路（集团）公司 工务检测所，广东 广州 510088；2. 中国铁道科学研究院 基础设施检测研 究所，北京 100081）

运营动车组加装轨道检测系统方案研究

彭昭云1，李颖2，魏世斌2

（1. 广州铁路（集团）公司 工务检测所，广东 广州 510088；2. 中国铁道科学研究院 基础设施检测研 究所，北京 100081）

由于高速综合检测列车经轮渡过琼州海峡困难及海南环岛铁路基础设施得不到等速检测等原因，提出在海南运营动车组上加装一套轨道检测系统的方案。对运营动车组加装轨道检测系统的方案、实施过程、应用管理等进行阐述，对系统推广前景进行展望。

海南东环；运营动车组；轨道检测系统

0 引言

海南东环铁路自2010年12月开通运营以来，由于高速综合检测列车经轮渡过琼州海峡时的解编与恢复工作相当繁琐，且用时较长，容易影响运输正点率，另外还需安排专业人士配合，部分区段无电气化条件，因此利用高速综合检测列车来检测海南东环铁路非常困难。至今，高速综合检测列车检测东环铁路仅1次。目前，广州铁路（集团）公司（简称广铁集团）采用单机加隔离车加挂轨检车的编组形式，以最高速度160 km/h的方式完成海南东环铁路轨道检测工作。这种方式存在检测速度偏低（非等速）、监测不到动车组实际运行情况（非实车）等问题，使海南东环铁路轨道动态质量得不到有效检测。

为确保运营安全，需要采取更有效的检测手段，解决海南东环铁路基础设施定期、等速、实车动态检测的问题。广铁集团提出在海南东环铁路运营的动车组（经原铁道部批准选择CRH1099动车组）上加装一套综合检测系统，以代替高速综合检测列车完成海南环岛铁路轨道几何参数不平顺日常检测任务。在运营动车组上安装的轨道检测系统，必须具有结构简化、集成度高、易于维护、安全可靠的特点，能够实现对轨道几何状态和车辆响应的精确测量，以指导轨道养护维修，保障铁路运营安全。国内外还没有在运营动车组上安装轨道检测系统的应用案例，系统研制成功后，将成为我国首套安装在运营动车组上的轨道检测系统。

1 技术方案与系统结构设计

1.1 技术方案

轨道检测系统安装在CRH1099动车组5号车上，各检测系统布置示意见图1。

图1 CRH1099动车组各检测系统布置示意图

目前我国最先进的轨道检测设备为自主研发的GJ-6型轨道检测系统[1-2]，信号处理采用硬件、软件相结合的方式，这种方式分立元件多，硬件组成较为复杂，不宜安装在运营动车组上。在运营动车组上安装轨道检测设备，首先设备尺寸不能太大，以尽量减小对旅客座席的影响为目标；其次还需考虑动车组本身结构特点，检测设备的设计必须便于安装；再次考虑检测系统的应用模式，不同于普通轨检车和综合检测车，检测的实施要结合旅客列车的运营安排。

因此，提出在GJ-6型轨检系统基础上，保留激光摄像组件安装位置与图像处理方法，将高度集成的惯性组件安装在检测梁中间位置[3]，测量检测梁的运动姿态，采用激光摄像组件测量钢轨与检测梁的相对几何关系，通过数字信号传输方式，建立以检测梁为惯性基准的数学计算模型，计算各项轨道几何参数，该轨道检测系统传感器安装示意见图2。其中，G为左右轨面中点之间的标准轨距，为1 435 mm；GL为左轨轨距点相对转向架的横向位移；GR为右轨轨距点相对转向架的横向位移；PL为左轨轨面顶点相对转向架的垂向位移；PR为右轨轨面顶点相对转向架的垂向位移；AL为轨道检测梁中心点轨向加速度传感器的输出；hL为轨道检测梁相对轨距测量平面的垂直高度；ωx为转向架滚动角速率；ωy为转向架的俯仰角速率；ωz为转向架摇头角速率。

对于将惯性器件安装在转向架上的情况进行分析可知，此转向架相对于惯性空间的运动可用刚体绕质心运动方程得到，以φ为刚体偏航角（即摇头角），θ为刚体滚动角，ψ为刚体俯仰角，则刚体坐标系内3个坐标轴方向的角速度与刚体在3个方向上转过角度的关系为[4-7]：

图2 CRH1099动车组轨道检测系统传感器安装示意图

由此可知，使用惯性器件的输出可解算出检测梁的姿态参数，结合激光摄像系统的输出值，进而准确求解出轨道几何参数。

1.2 系统设备组成及特点

按照上述测量要求，同时考虑安装和使用需要，在运营动车组上配置的轨道检测设备如下：

（1）检测梁（包括安装连接件、遮阳罩），1 套；

（2）激光摄像组件，2套，安装在检测梁两端；

（3）惯性测量组件，1套，安装在检测梁中部；

（4）光电编码器，2个，安装于轴端；

（5）机柜，1个；

（6）UPS，1组；

（7）图像处理机，2套，处理左、右轨断面图像；

（8）实时处理机，1套，实时采集合成轨道几何参数；

（9）KVM切换器，1套；（10）显示器，1台；

（11）加速度计，2套；

（12）加速度采集处理机，1套；

（13）射频卡，150套；

（14）GPS定位天线，1个；

（15）里程处理机，1套。

系统主要技术创新点：设计了适用于运营动车组的轨道检测系统结构、采用高度集成的新型传感器、全部使用数字信号处理技术、建立了以检测梁为惯性基准的轨道检测数学模型等。

这些新技术除了在类似运营动车组上推广使用外，还可在下列领域推广应用：用于高速综合检测列车，如对中国铁路总公司综合检测列车进行轨检系统升级；用于普通轨检车，如对广铁集团现有轨检车进行升级改造；还可用于地方铁路、地铁轻轨的轨检车等。

2 实施过程

2012年5月，经原铁道部批准，海南东环铁路CRH1099动车组加装综合检测系统，由广铁集团负责组织实施。广铁集团工务处负责总体策划，工务检测所负责需求和方案分析等具体事宜；中国铁道科学研究院基础设施检测研究所和北京铁科英迈技术有限公司负责轨道检测系统技术方案和具体实施；青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司（BST）负责动车组改造；粤海铁路有限责任公司和海南高速铁路有限公司作为配合和应用单位，负责研究成果现场使用，从现场使用单位角度提供完善意见。

2012年5月—2013年5月，完成了轨道检测系统技术方案的确定、设备招标、设备制造、动车组改造、设备安装、动静态调试（含检测梁探伤、应力测试）、模拟运行及交验用户等工作。2013年11月，项目组组织专家组进行了现场复核和测试验收，专家组一致认为该系统检测项目齐全、运行稳定、数据完整、准确可靠，同意验收，可用于海南东环等高速铁路的轨道动态质量检测。2016年该项目又获得中国铁路总公司的课题立项。

3 应用管理

为加强海南东环铁路CRH1099动车组加装综合检测系统的使用、维护及管理工作，充分发挥其等速检测、指导基础设施养护维修的作用，广铁集团根据原铁道部相关文件要求，制定下发了《海南东环动检车运用维护管理办法（试行）》（广铁工发［2013］134号）。文件对组织和管理、检测项目和评定标准、检测范围和检测周期、人员配备及要求、数据分析与报告管理、动车组日常维护管理及后勤保障、检测设备日常维护管理、动车组检测系统运用安全等方面进行了明确规定。随后粤海铁路有限公司下发了《海南东环动检车运用维护管理实施细则（试行）》（粤海工管发［2013］161号）文件，对该动车组的用管修进行了细化。该系统的使用、维护及管理情况每月纳入广铁集团轨控分析报告，并在工务轨控分析电视电话会上进行通报。

4 结束语

自2013年5月在CRH1099动车组上安装轨道检测系统，承担海南东环铁路轨道动态质量检测任务以来，在世界范围内开创了运营动车组上安装轨道检测系统的先河。

运行3年多来，轨检设备状态良好，检测数据准确可靠，为指导工务安全生产提供了科学依据，并成功解决了海南东环铁路的等速检测等问题。同时，为每年我国博鳌论坛的召开和东环铁路各级专运任务的顺利完成提供了强有力的检测手段支撑，也为海南新西环铁路的开通奠定了基础。

随着我国铁路建设的飞速发展，铁路轨道动态质量检测越来越重要，创新实用的轨道检测系统必将得到更加广泛的应用，并将产生良好的社会效益和经济效益。

[1] 魏世斌，李颖，赵延峰，等．GJ-6型轨道检测系统的设计与研制[J]．铁道建筑，2012(2)：97-100．

[2] 魏世斌，刘伶萍，赵延峰，等．GJ-6型轨道检测系统[J]．铁道建筑，2011(11)：98-101．

[3] 刘军，陈翠梅，卢峰华．高速综合检测列车轨道检测梁制造技术研究[J]．中国铁路，2013(S1)：50-53.

[4] 占栋，于龙，肖建，等．轨道检测中激光摄像式传感器标定方法研究[J]．机械工程学报，2013，49(16)：39-47．

[5] 程志全．轨道检测车的运用[J]．中国铁路，2015(5)：82-85．

[6] 陈文．高速铁路轨道静态检测数据处理方法研究[D].成都：西南交通大学，2015．

[7] 伊兴亚．轨道检测粗大误差分析和处理[J]．中国铁路，2011(12)：27-29．

责任编辑 高红义

Installation of Track Inspection System on In-service EMU

PENG Zhaoyun1，LI Ying2，WEI Shibin2
(1. Track Inspection Institute，Guangzhou Railway Group，Guangzhou Guangdong 510088，China；2. Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Since the high speed comprehensive inspection train cannot run across the Qiongzhou strait by ferry, the round-island high speed railway in Hainan are short of inspection by high speed inspection train. A track inspection system is proposed to be installed on the in-service EMU, with specif c installation, application and management scheme introduced and future potential of such system prospected.

East-ring HSR in Hainan；in-service EMU；track inspection system

U216.3

A

1001-683X（2017）03-0055-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.03.055

2016-11-30

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2016G006-A）

彭昭云（1970—），男，高级工程师。E-mail：13570091618@139.com

李颖（1979—），女，副研究员。E-mail：liyinghit@rails.cn

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