有砟轨道道床断面检测系统的研制

有砟轨道道床断面检测系统的研制

李雪

朔黄铁路有限责任公司线路检测和救援中心河北沧州062350

摘要：伴随着大量铁路有砟轨道新线路的修建与开通运营，对有砟轨道道床的检测和维修提出了更高要求。除了现有的病害之外，有砟轨道道床的顶面位置、砟肩宽度和堆高的状态如果不满足规范的要求可能会造成无缝线路胀轨、轨枕横向阻力减弱、道砟飞溅等危害，将会给列车的运行安全带来巨大的安全隐患。基于此，本文主要对有砟轨道道床断面检测系统的研制进行分析探讨。

关键词：有砟轨道；道床断面；检测系统；研制

1、前言

依靠传统的检测维修方式已无法满足现实的需要，但目前尚无有效的动态检测方式来进行快速检测评估。为此需要加强有砟轨道道床断面检测技术的研究，开发有砟轨道道床断面动态检测系统，安装在既有检测车辆上对线路进行定期巡检，实现有砟轨道道床状态的快速动态检测评估，为线路维修部门提供准确可靠的线路有砟轨道道床状态信息，及时组织整修维护，保证行车安全。

2、有砟轨道道床断面检测系统的原理与组成

有砟轨道道床断面检测系统采用激光扫描技术作为道床断面基础数据获取方式。通过设计精密机械结构将高精度激光扫描传感器安装到专用检测车辆上，在车辆运行过程中连续不断地测量有砟轨道道床区域的空间距离信息。经空间坐标变换将距离信息转换成二维空间坐标信息，通过基准捕捉和坐标修正算法形成基于轨道坐标系的有砟轨道道床断面轮廓图。将之与标准道床断面轮廓图进行比对来自动识别道床缺陷位置，基于算法模型自动识别轨枕并进行道床盈/欠砟量统计分析，输出相关数据及报表。

检测系统主要由高精度激光扫描传感器组件、供电控制单元、数据采集与分析服务器、里程定位同步单元和软件系统组成。系统总体结构如图1所示。

图1

2.1硬件组成

高精度激光扫描传感器组件由高精度激光扫描传感器和安装支架组成。该组件安装在车头专用平台上，平台距轨面高度约1.5m，承重≤20kg，采用由两级气缸联动控制的可伸缩精密滑轨结构，保证在车辆高速运行时不会产生颤动和变形。平台的伸缩可通过车内控制器远程操控，操作简单方便。电气布线采用可伸缩式绞链防止线缆损伤。平台不用时缩回到车头内部，采用IP68级别的密封装置进行防护；使用时伸出到车钩前端，保证传感器扫描断面不受任何遮挡。供电控制单元安装在车内机柜里，用于远程控制高精度激光扫描传感器组件的供电和大容量数据传输。它集成了工业级电源、控制电路、工业级网络交换机模块、脉冲分配器等设备。

里程定位同步单元由GPS、射频标签阅读器、轴头编码器、控制电路等组成，能够实时获取高精度的里程定位信息，同时为各系统提供高精度的里程修正信息。数据采集与分析服务器由数据采集软件、数据分析软件、计数板卡、串口卡、高速数据网卡等组成，能够实时获取里程定位同步单元发送的修正信息，进行里程修正；接收轴头编码器发送的脉冲信号，累加计算线路里程；通过数据采集软件实时采集存储有砟轨道道床断面数据；通过数据分析软件进行数据的分析处理、展示和报表打印控制。

2.2软件系统

软件系统数据处理流程见图2，包含数据采集软件和分析软件两部分，基于VS2012开发环境，采用了模块化和分层的开发理念，架构健壮，实时性高，可扩展性强，具备较好的移植性，能够在不同的windows操作系统环境下正常运行，软件界面简洁友好，操作方便快捷，功能简单实用。

图2有砟轨道道床断面检测系统数据处理流程

数据采集软件用于实现在检测车高速运行状态下的有砟轨道道床断面原始数据的实时采集与存储，集成了传感器、计数板卡、串口卡、高速数据网卡等多种硬件设备，综合运用了多线程交互、虚拟内存映射、文件快速索引和数据同步技术，实现了大容量数据的同步实时采集与存储，具备设备标定、参数配置、里程速度接收计算、二维和三维显示控制、区段采集等功能。数据分析软件对数据采集软件存储的大文件数据进行预处理；运用并行处理、虚拟内存映射、特征识别、点云建模、快速图像处理等技术快速重绘基于轨道坐标系的有砟轨道道床断面轮廓；依靠快速的数据分析算法模型进行精细的分析处理，自动输出有砟轨道道床断面缺陷数据及道床不同区域的盈/欠砟量数据；基于三维点云建模技术生成道床三维立体图，能够形象展示有砟轨道道床的三维轮廓；能够对缺陷数据和盈/欠砟量数据进行浏览、检索、编辑和归类管理，并按照特定格式打印生成相关报表。检测和现场相关人员可以很方便地根据报表内容指导现场养护维修。

2.3算法分析

有砟轨道道床标准剖面划分为中间、左外侧和右外侧3个区域。基于点云处理、特征识别和图像处理技术，依据不同区段的道床特征建立轨枕智能识别、有砟轨道道床断面轮廓缺陷分析和道砟盈/欠砟量统计分析算法模型，自动对道床区域进行缺陷分析和砟量评估。

1）轨枕智能识别

钢轨和轨枕铺设在有砟轨道道床上，其中轨枕(Ⅲ型枕)每公里大约铺设1680根。在有砟轨道道床断面动态检测和数据分析过程中，轨枕是最主要的干扰源。要保证检测系统数据分析的可靠性，必须有效地识别这些干扰源并进行屏蔽处理。这就是轨枕智能识别模型的功能。该模型的分析对象为断面二维离散点数据，通过捕捉轨枕识别区内的二维离散点的分布特征建立特征分类识别器，自动对符合轨枕特征的断面进行识别并作屏蔽处理。

2)道床断面轮廓缺陷分析

基于凸集理论，采用空间投影比对方法，自动识别二维离散点在有砟轨道道床标准断面模型中的分布位置。对于缺陷区域着红色，正常区域着绿色，不符合标准轮廓的区域着蓝色。

3、现场试验

图4有砟轨道道床缺陷

有砟轨道道床断面检测系统安装在综合巡检车上，在试验线上进行了现场试验。通过数据分析软件对采集的现场大文件数据进行道床断面分析处理，轨枕智能识别算法能有效地识别轨枕断面。当识别为轨枕时中间区域被自动屏蔽，显示绿色。典型的道床缺陷如图4所示。对比图3、图4可知轨枕断面与床缺陷断面特征差异非常明显。图4中有2处缺陷区域，其中中间区域有道砟越过轨枕中部，右侧砟肩区域道砟欠砟。可以依据不同的压缩间隔和里程区段进行分析输出，宏观掌握整体道床盈/欠砟量状态。从现场运用情况看，有砟轨道道床断面检测系统安装快捷方便，运行可靠稳定，能够快速获取线路详细的有砟轨道道床断面轮廓，分析并输出有砟轨道道床断面缺陷数据和盈/欠砟量数据，方便运维单位有针对性地开展线路整修作业。

4、结语

有砟轨道道床断面检测系统实现了运营线路有砟轨道道床断面状态的快速动态检测评估，提供了准确、可量化的有砟轨道道床断面缺陷数据和盈/欠砟量数据。工务部门现场能够全面地掌握线路不同区段的道床缺陷状态及盈/欠砟量的分布情况。依此可以科学规划现场施工作业方案，精细计算配砟量，合理安排运砟车辆和作业人员，显著提升现场维修作业的效率，极大地降低运营维护成本，直接创造巨大的经济效益。该系统安装方式灵活，不受安装平台限制，可以定期地对铁路线路进行巡检，为铁路道床的精细化维修作业提供重要的检测设备。

参考文献

［1］牛怀军．道床轮廓测量系统的研制［J］．铁道建筑，2008(1)：96-99．

［2］刘维桢，孙淑杰．基于激光扫描技术的铁路限界检测系统［J］．铁路技术创新，2012(1)：56-59