方 明

（中鐵二局集團(tuán)新運工程有限公司，四川 成都 610000）

目前施工階段的軌道精調(diào)主要采用軌道幾何狀態(tài)檢測儀（簡稱軌檢小車）進(jìn)行軌道參數(shù)采集，進(jìn)而制定調(diào)整方案，實施軌道調(diào)整。軌檢小車以CP Ⅲ測量控制網(wǎng)為基準(zhǔn)，利用全站儀作為主要數(shù)據(jù)采集設(shè)備。但全站儀受作業(yè)模式和外界環(huán)境影響極大，導(dǎo)致軌檢小車作業(yè)效率不能完全滿足現(xiàn)階段軌道檢測需要。新型INS/GNSS鐵路組合慣導(dǎo)軌檢小車及其應(yīng)用工法，很好地解決了這一問題，極大地提高了軌道精調(diào)效率和質(zhì)量。

1 國內(nèi)外同類技術(shù)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外施工階段軌道幾何參數(shù)測量主要有兩種基本方法：光學(xué)檢測法和慣性基準(zhǔn)法。

光學(xué)檢測法：最具有代表性的是德國CEDO 以及瑞士安伯格GRP 系列軌檢小車，主要應(yīng)用于軌道工程施工階段。該類設(shè)備依托高精度的CP Ⅲ測量控制網(wǎng)，主要采用全站儀實現(xiàn)對軌道方向、高低等幾何參數(shù)的測量。該類設(shè)備測量精度高，但是測量方法復(fù)雜，且測量速度較慢，作業(yè)效率較低，受高溫、大風(fēng)等外界環(huán)境因素影響大，無法保證全天候作業(yè)，降低了軌道檢測的效率和精度。

慣性基準(zhǔn)法：國內(nèi)如江西日月明、什邡瑞邦和長沙悅城等廠家推出了便攜式慣性軌道檢測小車。該類設(shè)備通過軌距傳感器，兩個陀螺儀測量軌道幾何參數(shù)，具有檢測精度高、檢測速度快、適應(yīng)性強等特點。但該類設(shè)備里程測量精度低，且無法檢測線路長波不平順性，而長波平順性是影響列車舒適度的重要指標(biāo)。該類測量設(shè)備及方法不能完全滿足高速鐵路軌道檢測要求。

2 INS/GNSS 鐵路組合慣導(dǎo)軌檢小車技術(shù)設(shè)計

綜合以上兩種檢測方式的優(yōu)缺點，中鐵二局新運公司聯(lián)合相關(guān)單位依托鐵路項目開展了技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)INS/GNSS 組合慣導(dǎo)小車精密測量系統(tǒng)及其應(yīng)用技術(shù)。

2.1 系統(tǒng)組成

組合慣導(dǎo)軌檢小車由車架、軌距測量系統(tǒng)、里程測量系統(tǒng)、GNSS 基站、移動站、高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)、高速信息采集器、電氣控制器、組合解算軟件、綜合數(shù)據(jù)后處理軟件、TDES 長軌精調(diào)軟件及配套工具軟件組成。2

2.2 主要功能

組合慣導(dǎo)軌檢小車主要檢測項目包括軌距、水平（超高）、扭曲（三角坑）、長短波平順性等指標(biāo)測量，經(jīng)過后處理可以擬合生成對應(yīng)扣件調(diào)整量，用于指導(dǎo)軌道精調(diào)施工和軌道質(zhì)量檢查。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為慣性測量平臺，慣性測量平臺由3 只激光陀螺和3 只石英加速度計組成，陀螺和加速度計直接固聯(lián)在組合導(dǎo)航系統(tǒng)框架上的3 個正交面上。3 只陀螺相互正交，用于測量載體的三軸角速度ωx、ωy、ωz；3 只加速度計相互正交，用來測量載體的三軸線加速度ax、ay、az。導(dǎo)航計算機實時采集3 只陀螺和3 只加速度計輸出的角速度和線加速度，利用基準(zhǔn)方向和初始位置信息，解算出軌檢小車的位置、速度、姿態(tài)和航向。

3 工藝流程

3.1 軌道幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)外業(yè)采集測量

待檢測軌道的組裝設(shè)備包括車體、慣導(dǎo)、采集器、電池等部件組裝。同時在測區(qū)中間位置選取已知CPII 點架設(shè)基站，基站架設(shè)要穩(wěn)定可靠。數(shù)據(jù)采集過程中，應(yīng)注意測段長度一般以2km 為宜，慣導(dǎo)精度隨時間發(fā)散，時間過長會引起慣導(dǎo)測量精度損失，因此每個測段作業(yè)時間不宜超過2h。

3.2 數(shù)據(jù)處理

測量完成后，將基站數(shù)據(jù)、移動站數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，結(jié)合線路設(shè)計數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4 性能對比測試與工程應(yīng)用效果

4.1 工程概況

新建蘭新鐵路設(shè)計時速250km/h，全線采用雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，中鐵二局新運公司蘭新鐵路項目部負(fù)責(zé)本標(biāo)段雙塊式無砟軌道鋪設(shè)及軌道精調(diào)任務(wù)。

4.2 對比測試

（1）對比測試方案設(shè)計。為了驗證組合慣導(dǎo)軌檢小車性能和穩(wěn)定性，在蘭新項目先導(dǎo)段進(jìn)行了實地驗證。測試線路包含直線、緩和曲線和圓曲線。測試包含組合慣導(dǎo)軌檢小車重復(fù)性測試和外符合對比測試兩個內(nèi)容。

（2）對比測試數(shù)據(jù)分析。①軌道高低平順性測試，包括高低平順性內(nèi)符合精度測試以及高低平順性外符合精度測試。針對高低平順性內(nèi)符合精度測試，組合慣導(dǎo)軌檢小車在同一段里程內(nèi)采集了5 組數(shù)據(jù)，計算其重復(fù)性精度。測試對比結(jié)果如表1 所示。

表1 各測回平順性與平均值之間的差異統(tǒng)計表 單位：mm

高低平順性外符合精度測試。因常規(guī)軌檢小車高程測量精度略低，且重復(fù)性較差，因此選取電子水準(zhǔn)儀精確測量每個軌枕高程，求取高低平順性參數(shù)；再用組合慣導(dǎo)軌檢小車測量得到的高低平順性結(jié)果和電子水準(zhǔn)儀測量結(jié)果進(jìn)行對比。測試結(jié)果如表2 所示。

表2 高低平順性外符合精度測試測試統(tǒng)計結(jié)果 單位：mm

②軌向平順性測試，包括軌向平順性內(nèi)符合精度測試以及軌向平順性外符合精度測試。軌向平順性內(nèi)符合精度測試，組合慣導(dǎo)軌檢小車在相同的里程段內(nèi)重復(fù)采集數(shù)據(jù)5 次，做重復(fù)性數(shù)據(jù)分析。測試結(jié)果如表3 所示。

表3 軌向平順性內(nèi)符合精度測試差異統(tǒng)計表 單位：mm

軌向平順性外符合精度測試。實驗采用經(jīng)過標(biāo)定的軌檢小車對線路進(jìn)行逐枕測量，求取該段線路軌向平順性參數(shù)，并以此做為對比基準(zhǔn)。測試結(jié)果如表4 所示。

表4 軌向平順性外符合精度測試測試統(tǒng)計結(jié)果 單位：mm

（3）測試結(jié)論。測試結(jié)果表明，組合慣導(dǎo)系統(tǒng)測量精度高，可靠性強。重復(fù)性測量精度均在0.2mm 以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)測量工具。外符合精度測試采用軌檢小車數(shù)據(jù)做為對比基礎(chǔ)，該基準(zhǔn)自身精度受全站儀測量精度的影響，存在一定的不確定性和系統(tǒng)偏差，但測試結(jié)果表明，組合慣導(dǎo)軌檢小車與軌檢小車外符合精度均方差僅為0.36mm，最大值僅為1.44mm，結(jié)合重復(fù)性測量精度，該設(shè)備完全可以勝任現(xiàn)有的軌道精調(diào)工作。

4.3 工程應(yīng)用效果

項目部分別采用組合慣導(dǎo)軌檢小車和常規(guī)軌檢小車兩種測量方法對管段內(nèi)380km 單線軌道進(jìn)行測量。

（1）投入與效率對比分析。作業(yè)區(qū)段長度劃分、設(shè)備投入、人員投入和測量效率對比如表5 所示。

表5 組合慣導(dǎo)軌檢小車與常規(guī)小車作業(yè)情況綜合對比表

由表5 可見，與常規(guī)軌檢小車相比，組合慣導(dǎo)軌檢小車設(shè)備和技術(shù)人員投入極少，但平均效率極高，經(jīng)濟效益明顯。

（2）環(huán)境適應(yīng)性分析。在施工過程中，正常情況下組合慣導(dǎo)軌檢小車每天可完成5 個測段共10km 線路的檢測，常規(guī)小車可以完成1.2km 線路檢測。在5 級以上大風(fēng)天氣，常規(guī)軌檢小車很難保證測量精度，組合慣導(dǎo)軌檢小車作業(yè)不受影響。在環(huán)境適應(yīng)性方面，組合慣導(dǎo)軌檢小車具有明顯優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

蘭新、蘭渝等鐵路軌道精調(diào)工程項目實踐表明，組合慣導(dǎo)軌檢小車及測量工法適用于有砟及無砟長軌測量。在測量過程中不受高溫、大風(fēng)等不良?xì)夂蛴绊懀淖兞嗽小白咄Ｊ健钡臏y量模式，實現(xiàn)了“動態(tài)連續(xù)測量”，具有測量精度高、速度快、環(huán)境適應(yīng)性強等特點。同等條件下，作業(yè)綜合效率可達(dá)傳統(tǒng)方法作業(yè)效率10 倍以上。與傳統(tǒng)工藝相比，軌道精調(diào)質(zhì)量顯著提高，且極大地減少了設(shè)備及人員投入，降低了技術(shù)人員的勞動強度，滿足當(dāng)前軌道精調(diào)施工高效率的需要，具有廣泛的推廣價應(yīng)用價值。