曾若飛
(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)
根據(jù)國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008年調(diào)整)》,2020年全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到12萬(wàn)km以上,其中客運(yùn)專線為1.6萬(wàn)km,如此龐大的運(yùn)營(yíng)路網(wǎng),對(duì)鐵路的養(yǎng)護(hù)維修而言將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。依據(jù)規(guī)劃,有砟軌道將占據(jù)運(yùn)營(yíng)路網(wǎng)中的絕大部分,這其中不僅包括新建時(shí)速200 km以上的有砟客運(yùn)專線,也包括通過鐵路六次大提速而使運(yùn)營(yíng)速度達(dá)到200 km/h的部分既有線路。有砟軌道經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)營(yíng)后,其軌道幾何形位將不可避免的偏移線路設(shè)計(jì)位置,不僅影響行車速度,造成乘車旅客的不舒適感,而且還會(huì)加劇鋼軌的磨耗,使道床及路基承受不良狀態(tài)的受力,對(duì)道床及路基結(jié)構(gòu)造成破壞,導(dǎo)致鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的上升,嚴(yán)重情況下還會(huì)危及行車安全。因此,必然要使用大型搗固設(shè)備對(duì)有砟軌道幾何形位進(jìn)行整正,使其滿足運(yùn)行需要。
使用搗固車對(duì)有砟軌道進(jìn)行線路維護(hù),將軌道撥道至正確位置,其前提條件是為搗固車的搗固控制系統(tǒng)提供正確的撥道量與起落量,而撥道量及起落量的獲取則是通過線路測(cè)量的方法得到。我國(guó)傳統(tǒng)的作業(yè)方法是通過既有線復(fù)測(cè)系統(tǒng)獲取線路的幾何形位狀態(tài),進(jìn)而指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)作業(yè)。既有線復(fù)測(cè)系統(tǒng)主要包括里程丈量、軌道抄平、導(dǎo)線測(cè)量及曲線計(jì)算等流程,同時(shí)引入了平面位置基準(zhǔn)與高程位置基準(zhǔn),能夠較為全面地反映軌道的幾何狀態(tài)。然而,該系統(tǒng)是基于落后的技術(shù)水平與測(cè)量手段建立起來,未能反映當(dāng)前日新月異的測(cè)量新技術(shù)及裝備水平,其主要特點(diǎn)是采用大量人工進(jìn)行作業(yè),效率低下且精度不高。隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的大發(fā)展及路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,運(yùn)營(yíng)階段的線路養(yǎng)護(hù)問題日益突出,落后的線路養(yǎng)護(hù)技術(shù)手段越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代化鐵路養(yǎng)護(hù)的需求,因此,為了從根本上緩解龐大的線路養(yǎng)護(hù)作業(yè)需求與現(xiàn)有線路測(cè)量系統(tǒng)低精度、低效率間的矛盾,開展與搗固車配套作業(yè)的“有砟軌道自動(dòng)養(yǎng)護(hù)測(cè)量系統(tǒng)”研究就顯得尤為重要。
作為與搗固車配合作業(yè)并為搗固車提供有砟軌道線路整正數(shù)據(jù),能夠滿足現(xiàn)代鐵路運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)高效率、高精度作業(yè)需求的線路測(cè)量系統(tǒng),“有砟軌道自動(dòng)養(yǎng)護(hù)測(cè)量系統(tǒng)”集成了當(dāng)前眾多的測(cè)量新技術(shù),進(jìn)一步發(fā)展完善了軌道線形測(cè)量的數(shù)據(jù)處理理論,具有如下幾個(gè)顯著的特點(diǎn):
(1)引入了絕對(duì)位置測(cè)量基準(zhǔn),包括平面位置基準(zhǔn)及高程位置基準(zhǔn),也即通過該系統(tǒng)不僅能快速高效地獲取軌道的軌距、超高等內(nèi)部幾何數(shù)據(jù),還能獲取左、右鋼軌的平面位置及高程等外部幾何數(shù)據(jù),通過這些內(nèi)外部數(shù)據(jù)來描述軌道完整的幾何狀態(tài)。
(2)與絕對(duì)位置測(cè)量功能相匹配,還需要有一個(gè)遍布全線的位置控制基準(zhǔn),這個(gè)控制基準(zhǔn)為空間定位與測(cè)量提供了必要的位置信息。例如CPⅢ控制網(wǎng)就是基于空間三維坐標(biāo)建立起來的這樣一種位置控制基準(zhǔn)。
(3)具有一個(gè)為線路運(yùn)營(yíng)管理提供技術(shù)支持服務(wù)的線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù),該數(shù)據(jù)庫(kù)記錄了所管理軌道的正確的幾何狀態(tài),則在獲得軌道實(shí)際幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)后,將之與線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析,以獲取線路搗固使用的起道量與撥道量。
(4)線路測(cè)量的最終目的是為搗固作業(yè)提供起撥道數(shù)據(jù),且在滿足行車要求的前提下,搗固作業(yè)量應(yīng)該盡可能小。因此,僅僅通過與線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)來獲取起撥道量是不夠的,還應(yīng)具有更加完善的軌道幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)處理方法,以獲得最優(yōu)化的線路起撥道量。
綜上所述,位置控制基準(zhǔn)與線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是“有砟軌道自動(dòng)養(yǎng)護(hù)測(cè)量系統(tǒng)”能夠進(jìn)行正常測(cè)量作業(yè)的前提條件,需要提前實(shí)施;完善的數(shù)據(jù)處理則在獲取數(shù)據(jù)之后進(jìn)行,如何快速、高效、可靠地獲取軌道的內(nèi)外部幾何數(shù)據(jù),是“有砟軌道自動(dòng)養(yǎng)護(hù)測(cè)量系統(tǒng)”的難點(diǎn)所在。
前已述及,既有線復(fù)測(cè)系統(tǒng)不能滿足日益擴(kuò)大的線路運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)需要。為獲取線路的起撥道量,還存在一種安裝在搗固車上的弦測(cè)量系統(tǒng)。顧名思義,弦測(cè)量系統(tǒng)即是采用拉弦測(cè)量的方法,測(cè)量軌道的矢距并進(jìn)而評(píng)判軌道的軌向平順性與高低平順性[1],然后搗固作業(yè)。由于該測(cè)量系統(tǒng)直接安裝在搗固車上,因而實(shí)現(xiàn)了邊測(cè)量邊搗固的作業(yè)模式,有效提高了工作效率。然而,該方法的弦線長(zhǎng)度通常只有10 m,也即只能測(cè)量軌道的短波平順性,對(duì)長(zhǎng)波平順性測(cè)量無能為力。換句話說,采用弦測(cè)量系統(tǒng)搗固出來的軌道實(shí)際上是由無數(shù)的小碎波組合而成,圓曲線地段也不再遵從統(tǒng)一的曲線半徑,從宏觀上看軌道線形極為不利。
弦測(cè)量系統(tǒng)在本質(zhì)上為一相對(duì)測(cè)量系統(tǒng),其作業(yè)模式及效果如圖1所示。
圖1 相對(duì)測(cè)量系統(tǒng)作業(yè)示意
雖然搗固作業(yè)后的軌道在短波范圍內(nèi)比搗固前更加平順,然而仍然偏離理論軌道較遠(yuǎn),且長(zhǎng)波不平順沒有得到實(shí)質(zhì)性改善。研究表明,列車在較低速度運(yùn)行時(shí),其振動(dòng)主要由軌道短波平順性缺陷引起,此種缺陷可以采用弦線測(cè)量技術(shù)進(jìn)行一定程度的修復(fù);但在高速運(yùn)行時(shí),軌道長(zhǎng)波不平順成為影響列車運(yùn)行安全和旅客乘坐舒適度的主要因素之一。很顯然,弦線測(cè)量系統(tǒng)滿足不了現(xiàn)代列車行車對(duì)軌道平順性的要求。
因此,發(fā)展具有絕對(duì)測(cè)量功能的“有砟軌道自動(dòng)養(yǎng)護(hù)測(cè)量系統(tǒng)”,使之不僅能夠處理短波不平順,同時(shí)還能夠處理長(zhǎng)波不平順,并且可以與現(xiàn)代鐵路養(yǎng)護(hù)的高精度、高效率相匹配,就顯得尤為必要。
“有砟軌道自動(dòng)養(yǎng)護(hù)測(cè)量系統(tǒng)”在國(guó)外已有一些成熟的技術(shù)產(chǎn)品,但與中國(guó)的國(guó)情不相適應(yīng):一是產(chǎn)品價(jià)格昂貴,如2 000萬(wàn)人民幣至4 000萬(wàn)人民幣一套;二是運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高,體積龐大,燃油驅(qū)動(dòng);三是國(guó)外沒有在時(shí)速250 km的有砟鐵路上成功應(yīng)用過,測(cè)量精度證據(jù)不足;四是國(guó)外測(cè)量系統(tǒng)與中國(guó)鐵路傳統(tǒng)的工務(wù)基礎(chǔ)測(cè)量(含數(shù)據(jù)庫(kù))觀念及方法不完全兼容。鑒于此,我們認(rèn)為應(yīng)該結(jié)合中國(guó)鐵路的具體情況,研究適合中國(guó)國(guó)情的技術(shù)產(chǎn)品系統(tǒng)。該系統(tǒng)的研究難點(diǎn)在于如何快速高效、成本合理且高精度地測(cè)量軌道的內(nèi)外部幾何數(shù)據(jù),根據(jù)現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)水平,存在如下幾種技術(shù)方案。
該方案僅采用一輛可在軌道上行走且具有動(dòng)力的測(cè)量車,其上搭載了六個(gè)子系統(tǒng),分別是陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、軌距測(cè)量系統(tǒng)、里程測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與通信單元、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),并基于沿線布置的控制基準(zhǔn)進(jìn)行線路測(cè)量作業(yè),其作業(yè)模式如圖2所示。首先給測(cè)量車一個(gè)起始位置,則測(cè)量車的走行距離可以通過里程測(cè)量系統(tǒng)得到,同時(shí)由光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤測(cè)量車前方的絕對(duì)控制基準(zhǔn)點(diǎn)并返回測(cè)量車與基準(zhǔn)點(diǎn)間的相對(duì)位置關(guān)系,由陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)提供測(cè)量車在每一時(shí)刻的三維姿態(tài)信息,由軌距測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量線路的軌距,最后由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將所有的數(shù)據(jù)匯總起來,由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)解算出軌道在每一測(cè)量位置的幾何狀態(tài),包括軌距、超高、平面位置及高程等。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于只有一輛測(cè)量車,簡(jiǎn)潔方便;光電跟蹤目標(biāo)可以設(shè)置為永久裝置,且陀螺慣導(dǎo)及光電跟蹤的實(shí)時(shí)性也較好,則整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量作業(yè)的自動(dòng)化程度較高,能夠滿足現(xiàn)代鐵路自動(dòng)化養(yǎng)護(hù)作業(yè)的需要,瑞士瑪?shù)偕镜腜ALAS系統(tǒng)是應(yīng)用該技術(shù)的成功先例。
圖2 基于陀螺慣導(dǎo)及光電跟蹤技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)作業(yè)示意
具有自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別功能(ATR)及跟蹤測(cè)量功能的智能型全站儀(測(cè)量機(jī)器人)一經(jīng)推出,即在測(cè)繪工程界得到極為廣泛的應(yīng)用,本方案即利用測(cè)量機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)線路的自動(dòng)養(yǎng)護(hù)測(cè)量。系統(tǒng)由測(cè)量車A及測(cè)量車B兩部分組成,A車搭載測(cè)量機(jī)器人,B車搭載軌距測(cè)量單元、超高測(cè)量單元、數(shù)據(jù)采集及處理單元等。作業(yè)時(shí),首先由A車上的測(cè)量機(jī)器人后視線路兩邊的CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行自由設(shè)站[2],然后在對(duì)B車上的棱鏡進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量;B車則以一定的速度由遠(yuǎn)及近地向A車行進(jìn),同時(shí)由數(shù)據(jù)采集單元不斷地采集軌距、超高等信息,最后結(jié)合棱鏡三維坐標(biāo)即可解算出軌道的內(nèi)外部幾何狀態(tài)結(jié)果,其作業(yè)示意圖如圖3所示。
圖3 基于測(cè)量機(jī)器人跟蹤測(cè)量技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)作業(yè)示意
在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高效測(cè)量的同時(shí),測(cè)量精度決定了系統(tǒng)的成敗。應(yīng)用本方案進(jìn)行的精度測(cè)試表明,在100 m左右的設(shè)站距離下,動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量的精度能夠得到保障,數(shù)據(jù)分析情況如圖4所示。
圖4 測(cè)量機(jī)器人動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量的精度測(cè)試情況
對(duì)圖4的分析表明:在70 m設(shè)站距離下,分別以1 m/s及2.5 m/s的速度得到的動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量結(jié)果與靜態(tài)測(cè)量結(jié)果的比較,平面位置差值的均值不足1 mm,高程差值的均值小于1.5 mm,吻合較好。此外,為了提高系統(tǒng)的作業(yè)效率,對(duì)全站儀自由設(shè)站過程還可進(jìn)行如下改進(jìn):
①采用三個(gè)CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行自由設(shè)站,且對(duì)設(shè)站精度進(jìn)行適當(dāng)放寬。
②由于CPⅢ控制網(wǎng)是精度均勻且相對(duì)精度良好的三維控制網(wǎng),故可采用全站儀無整平設(shè)站技術(shù)進(jìn)行自由設(shè)站,進(jìn)而可節(jié)約大量的時(shí)間。
該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較小,測(cè)量機(jī)器人也提供有編程應(yīng)用程序接口,易于實(shí)現(xiàn)編程自動(dòng)控制,且可直接利用許多線路已經(jīng)建成的CPⅢ控制網(wǎng);缺點(diǎn)在于系統(tǒng)由兩輛測(cè)量車組成,不夠簡(jiǎn)便,且在作業(yè)過程中需要不斷地進(jìn)行CPⅢ棱鏡的安裝與拆卸工作。然而從總體來看,該技術(shù)方案仍然具有較大的研究?jī)r(jià)值。
近景攝影測(cè)量技術(shù)近來得到飛速發(fā)展,不僅攝影器材得到長(zhǎng)足進(jìn)步,而且在圖像處理、特征提取、目標(biāo)判別等數(shù)據(jù)處理方法上也有巨大進(jìn)展。該方案的原理如下:以沿軌道兩側(cè)的CPⅢ點(diǎn)作為像控點(diǎn),聯(lián)合軌道點(diǎn)與控制點(diǎn)[3],采用基于正反向三攝站交向攝影法為技術(shù)手段(圖5),運(yùn)用自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差理論,解算控制點(diǎn)的攝影測(cè)量坐標(biāo)與軌道檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),然后根據(jù)軌道測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算軌道平順度參數(shù),進(jìn)而得到軌道的起撥道量。
系統(tǒng)由一輛具有動(dòng)力的測(cè)量車組成,搭載攝影儀器及數(shù)據(jù)采集單元。作業(yè)時(shí),測(cè)量車在軌道上行駛,攝影儀器則不斷地對(duì)軌道進(jìn)行拍照并將數(shù)據(jù)保存下來,由此可實(shí)現(xiàn)軌道的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。采用合適的攝影方案及像控策略,可以有效地保證測(cè)量精度;而數(shù)字圖像處理技術(shù)則可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)同名影像匹配,極大的提高了數(shù)據(jù)處理效率。試驗(yàn)表明,采用近景攝影測(cè)量的方法獲取的軌道幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)能夠達(dá)到毫米級(jí)精度。該技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,能夠?qū)崿F(xiàn)很高的動(dòng)態(tài)測(cè)量效率;不足之處在于圖像數(shù)據(jù)量異常龐大,不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理,且在特征提取方面仍然存在算法上的不足。
圖5 某客運(yùn)專線正反向三攝站交向攝影試驗(yàn)
將激光弦測(cè)量技術(shù)用于軌道線路測(cè)量早已有之,國(guó)內(nèi)也有也有與搗固車配合作業(yè)的相關(guān)報(bào)導(dǎo)。然而國(guó)內(nèi)目前的研究現(xiàn)狀是根據(jù)激光準(zhǔn)直原理對(duì)線路進(jìn)行測(cè)量,僅能應(yīng)用于直線地段,曲線地段還不能應(yīng)用,而且未引入平面位置基準(zhǔn)與高程位置基準(zhǔn),因此與弦線測(cè)量系統(tǒng)非常類似,僅僅是把每次測(cè)量的弦長(zhǎng)增加了,從根本上講仍是一個(gè)相對(duì)測(cè)量系統(tǒng),不能滿足長(zhǎng)波平順性測(cè)量的要求。
奧地利普拉塞公司的EM-SAT測(cè)量系統(tǒng)是基于激光弦測(cè)量且能夠用于曲線地段測(cè)量的一個(gè)案例。EM-SAT系統(tǒng)由測(cè)量車(EM)及衛(wèi)星前導(dǎo)車(SAT)構(gòu)成,測(cè)量車搭載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及各種控制和接收裝置,用于激光弦測(cè)量、里程測(cè)量、軌距測(cè)量等;衛(wèi)星前導(dǎo)車搭載激光發(fā)射源并根據(jù)固定樁系統(tǒng)進(jìn)行絕對(duì)定位,作業(yè)時(shí)由測(cè)量車向衛(wèi)星前導(dǎo)車行進(jìn),從而實(shí)現(xiàn)軌道幾何狀態(tài)的連續(xù)測(cè)量。該系統(tǒng)的運(yùn)作有賴于一個(gè)事先建立的固定樁系統(tǒng),這個(gè)固定樁系統(tǒng)采用里程加支距的方法建立,有別于使用空間三維坐標(biāo)建立的控制基準(zhǔn)(如圖6所示)。
圖6 EM-SAT固定樁系統(tǒng)示意
固定樁安裝在線路旁邊的接觸網(wǎng)桿上,然后測(cè)量該固定樁在垂直于線路方向上與線路中心點(diǎn)的垂直距離及水平距離,并且記錄該固定樁的所在里程,由此建立起控制基準(zhǔn)。基于該控制基準(zhǔn),還建立有一個(gè)關(guān)于軌道幾何狀態(tài)的中央數(shù)據(jù)庫(kù),EM-SAT系統(tǒng)作業(yè)的前提,既是固定樁系統(tǒng)及其中央數(shù)據(jù)庫(kù)。
如上所述,實(shí)現(xiàn)本方案所需建立的固定樁系統(tǒng)及其中央數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的表達(dá)方式,均與我國(guó)基于空間三維坐標(biāo)建立的控制基準(zhǔn)及數(shù)據(jù)表達(dá)方式相差甚遠(yuǎn),采用本方案則意味著我國(guó)鐵路已經(jīng)建立的控制基準(zhǔn)及相關(guān)成果均不能使用,破壞現(xiàn)有技術(shù)體系的延續(xù)性,并且成本異常巨大。
全球定位系統(tǒng)(GPS)能夠?qū)π盘?hào)所及的空間任意點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位,且動(dòng)態(tài)特性良好,能夠滿足“有砟軌道自動(dòng)養(yǎng)護(hù)測(cè)量系統(tǒng)”對(duì)動(dòng)態(tài)特性的要求。該方案采用一輛測(cè)量車,搭載GPS接收機(jī)、軌距測(cè)量系統(tǒng)、超高測(cè)量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),利用GPS的絕對(duì)定位功能[4],再結(jié)合軌距、超高等信息,可以解算出軌道的內(nèi)外部幾何狀態(tài)。該方案的不足之處在于不論采用何種技術(shù)手段,GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位精度均達(dá)不到毫米級(jí),離“有砟軌道自動(dòng)養(yǎng)護(hù)測(cè)量系統(tǒng)”的測(cè)量精度尚有一定距離。
我國(guó)鐵路規(guī)模的不斷擴(kuò)張對(duì)運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)的效率提出了極高的要求,繁忙干線鐵路的人工養(yǎng)護(hù)越來越不適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的需要,發(fā)展高質(zhì)量、高效率養(yǎng)護(hù)技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)鐵路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化養(yǎng)護(hù)的必然;而清除軌道長(zhǎng)波缺陷的需要,也促使了軌道測(cè)量由相對(duì)測(cè)量向絕對(duì)測(cè)量的方式轉(zhuǎn)變。基于我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)的現(xiàn)狀及未來的現(xiàn)實(shí)需要,本文提出了“有砟軌道自動(dòng)養(yǎng)護(hù)測(cè)量系統(tǒng)”這一概念,掃描了國(guó)內(nèi)外軌道測(cè)量的現(xiàn)狀,并對(duì)當(dāng)前能夠?qū)崿F(xiàn)這一系統(tǒng)的各種技術(shù)方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要的評(píng)述。
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