智能轨道检测仪的应用研究
智能轨道检测仪的应用研究郑健上海铁路局科研所
摘要介绍SGJ-T-SRI1型智能
轨道检测仪的检测功能和系统标
定，并通过现场检测应用分析，阐述
其广阔的应用前景。
关键词智能轨道检测仪；应用；研
究
SGJ-T-SRI1型智能轨道检测仪（以下简称轨检仪）由上海铁路局自主研制成功，测量机理和结构均有别于国内外同类产品，它基于轨道三维精密控制网，采用静态交会、动态跟踪测量模式，自动、连续、精确地采集轨道几何参数，以提高线路坐标的测量精度和检测效率，是一种适应高速铁路精密检测的新型技术设备。
1适用检测功能
1.1功能模式特征
本轨检仪利用架设在轨检小车上全站仪的自动照准功能，照准沿线路两侧设置的三维精密控制网控制桩点（CP Ⅲ），静态交会测量出测站三维坐标和精确测量轨道卫星车起、终点坐标；两静态交会测点间采用动态跟踪测量模式，高密度自动检测线路左右轨及中线坐标、轨顶高程以及轨距、水平、高低和方向等轨道静态参数，通过计算机记录整理并形成相关数据报表，以满足工务部门对高速铁路轨道"养检修"的需要。
1.2功能适用性
本轨检仪主要适用于检测轨道的平顺性。
1.2.1垂向轨道不平顺
⑴高低不平顺：指轨道沿钢轨长度方向在垂向的凸凹不平。一般情况下，
左、右轨高低的变化趋势基本一致，但在
短距离内各自的变化往往不同，所以还
必须区分左、右轨高低。
⑵水平不平顺：指轨道同一横截面
上左、右两轨顶面的高差；在曲线上是指
扣除正常超高值的偏差部分，在直线上
也是指扣除将一侧钢轨故意抬高形成的
水平平均值后的差值。
⑶扭曲不平顺（三角坑）：指左、右两
轨项面相对于轨道平面的扭曲，用相隔
一定距离的两个横截面水平幅值的代数
差度量。
⑷轨面短波不平顺：指钢轨顶面小
范围内的不平顺。
1.2.2横向轨道不平顺
⑴轨道方向不平顺:常简称轨向不
平顺或方向不平顺，是指轨头内侧面沿
长度方向的横向凸凹不平顺；左、右轨方
向变化往往不同，需区分左轨方向和右
轨方向，并将左、右轨方向的平均值作为
轨道的中心线方向偏差。
⑵轨距偏差：指在轨顶面以下
16mm处量得的左、右两轨内侧距离相
对于标准轨距（1435mm）的偏差。
1.3功能数据流程
本轨检仪功能实现的数据流程见图
1。
图1轨检仪系统数据流程
1.4功能实现的核心测量部件
支撑本轨检仪实现自动、连续、精确地
测量，与之匹配的测量部件的精度、范围等
性能指标十分关键，其核心测量部件主要有
全站仪、自动安平、传感器和编码器。
1.4.1全站仪
全站仪选用徕卡、天宝等国外品牌
智能型全站仪；以徕卡（Leica）为例，主
要功能包括"项目管理"、"系统设置"、"
数据采集"三大部分，"系统设置"含通讯
设置、传感器校准、限差、棱镜、标定等参
数设置，"数据采集"含起测点静态测量、
轨检小车动态测量、卫星小车动态测量、
自动交会静态测量等部分；测角精度不
低于1°，测距精度不低于1mm+1ppm，
且实现自动追踪。
1.4.2自动安平
自动安平选用德国进口的AD-12
型，安平范围为±90，精度为±0.0090，最大
载重10kg，供电电源12VDC，工作电流
0.11A。
1.4.3位移传感器
位移传感器选用德国NOVOTECH－
NIK电位器式TS系列直线位移传感器，
模拟量输出信号，穿透伸缩轴，插头式连
接，重复精度为0.002mm，线性精度为±
0.075%，两个位移传感器的行程分别为
25和100mm，最高操作速度为10m/s。
1.4.4倾角传感器
双轴倾角传感器选用加拿大进口的
SANG1000-S\D015系列动态双轴倾角
传感器，倾角数据采样频率为40Hz，多
种补偿技术，测量范围为±150，精度±
0.0020，换算水平（超高）的最大精度为
0.06mm；工作温度：-40℃～70℃。
上海铁道科技2011年第1期
研究探讨3
1.4.5编码器
编码器选用GAM60系列EasyPro 智能型绝对值编码器，轴每周输出8192（13位）个码或者65536（16位）个码，可设定连续圈数为1-4096圈，数字通讯输出最快可设200kHz bps；智能设定软件界面，其输出信号可选择直接对应测量的角度、长度、速度量值，或直接输出多组凸轮开关信号；以RS485信号转RS232或者USB信号连接计算机，可以EasyPro设定地址和速率等参数；具有停电记忆功能，工作电压8～30VDC。
2系统标定
系统标定是轨检仪应用的关键环节，是确保检测数据准确的前提条件；轨检小车上安装有全站仪、自动安平和传感器，是核心组件，应在实验室标定台上实施进行系统标定。
2.1轨检小车标定内容
图2轨检小车结构示意图
轨检小车结构及参数示意如图2所示，并作如下定义，其中：
A—表示全站仪观测中心；B—表示自动安平平台旋转轴中心；
C—表示用作轨距测量参考点的轨检小车双轮部分内轨道顶点。
根据以上定义，轨检小车使用前需要对以下参数进行标定：
AB—表示全站仪的观测中心到自动安平平台旋转中心的距离(用d表示)；
BE—表示自动安平平台旋转轴中心到钢轨面的距离(h)；
CE—表示自动安平平台旋转轴中心到轨距测量参考点的距离（s）；
CD—位于标准轨距上（1435mm），位移传感器的标定值（a）；
FG—位于标准轨距上（1435mm），位移传感器的标定值（b）；
EF—位于标准轨距上（1435mm），
测定位移固定的长度（t）,按公式t=
1435-(a+b)计算。
2.2轨检小车标定方法
标定实验室应由法定计量技术机构
检定合格，测量器具量程、精度应满足要
求，做到测量方法科学、读数准确。实验
室标定台示意见图3所示。
图3轨检仪标定台
经实验室标定，取得095号、125号
轨检小车的相关参数见表1。x、y分别为
倾角传感器x轴、y轴的标定值；r为小
车测量轮的直径。
表1实验室标定值
2.3轨检小车结构参数定义
2.3.1小车方向定义
图4轨检小车方向定义示意图
轨检小车的方向定义如上图所示，
小车的双轮在线路里程增加方向的右轨
上，定义为正向；小车的双轮在线路里程
增加方向的左轨上，定义为反向。
2.3.2小车超高定义
轨检小车的超高定义如上图所示，
小车正向时，沿里程增加方向，测量点处
左轨低于右轨为正；小车正向时，沿里程
增加方向，测量点处左轨高于右轨为负。
图5轨检小车超高定义示意图
2.3.3传感器方向定义
（1）倾角传感器：倾角传感器的X
轴平行于线路走向方向；倾角传感器的
Y轴垂直于线路走向方向（平行于超高
方向）；小车为正向时，左轨高于右轨时，
随着超高绝对值的增大，倾角传感器Y
轴的示值变小；小车为正向时，前高于后
时，倾角传感器X轴的示值变小；(前里
程小于后里程)。
（2）位移传感器：位移传感器A的量
程为25mm；位移传感器B量程为100
mm；位移传感器的示值向外侧为增大。
（3）编码传感器：正向时，随里程增
加方向示值增加。
3现场检测应用
3.1应用技术关键
(1)检测点布设密度：无砟轨道不大
于100m静态交会检测一处，有砟轨道
不大于180m表态交会检测一处；交会
测点间采用跟踪测量采集数据，系统自
动弃异常数据后拟合，提供0.65m点距
数据成果。
(2)用轨道检测小车检测正线轨道和
道岔的绝对坐标、轨面绝对高程、轨距、
轨向、高低、水平等。
(3)依据轨检小车量测的轨道绝对坐
标，计算曲线各要素。
(4)利用轨道检测小车量测的轨道绝
对坐标和轨面高程反算两点之间的空间
距离，进行全线精确的里程贯通。
(5)根据轨检小车量测的轨道和道岔
的静态几何数据，与设计数据进行比较，
统计出差值，对线路平面位置与设计位
置的一致性、平顺性作出分析评价。
3.2应用操作程序
智能轨道检测仪的应用研究研究探讨
4
(1)室内准备。前往现场前，一方面，对本轨检仪整机设备进行清洁保养，在基准平台上对超高传感器进行校准以及调头测量，调整、消除误差，确保一致性；另一方面，对所检测线路的设计数据（平曲线、竖曲线、超高等）在计算机中复核无误后输入到本轨检仪软件系统中。
(2)现场准备。到达现场每回实施测量时，先对控制测点（CPⅢ）进行检查，确认完好并插装妥棱镜，以确保控制点数据（平面坐标及高程）正确无误；剔除异常控制测点（CPⅢ）。
(3)保证测点。每个测量区间全站仪自由交会时需要保证4个（有碴）或8个（无碴）CPⅢ控制点，以保证轨道线形的检测精度。
(4)设置基准。进行正确的测量设置，高程和平面位置以路肩侧钢轨为基准。
(5)规范使用。全站仪起始测站静态测量，系统自动采集轨距和超高值，确认数据无误后进入数据采集的测站设置；设站的主要内容是选择所需要观测的目标点，设置观测的测回数，获得各待测目标点与测站点之间的水平方向与天顶距观测值，从而在数据自动采集过程中自动瞄准并锁定棱镜；系统自动化采集，并实时显示数据采集过程中的状态信息；系统在半测回、一测回以及各测回观测完毕后，按设定的限差对数据采集过程进行实时质量控制，对超限情况实时检核，并提示用户进行干预；用户干预可选择重新测量或忽略超限观测值；待本测站测量结束且各项误差符合系统设定限差，表示本测站观测已完成；对本测站观测的各目标点测量值进行平差计算，查看与已知坐标的偏差值，以便检查已知的CPⅢ控测点是否存有问题。做完测量静态交会后，则进行动态测量卫星小车的X、Y、H坐标，采集卫星小车所处里程以及轨检小车与卫星小车的距离。轨检小车动态测量是指卫星小车静止不动，推动轨检小车，采集轨检小车所在位置的轨距、超高、里程。
(6)成果输出。测量完成后生成成果文件，对轨道几何形位数据进行输出做
进一步处理，输出报表，可选择性的输出
轨道位置、轨距、水平、轨向（长波和短
波）、高低（长波和短波）、轨面高程等几
何参数。所有参数都以设计数据、实测数
据和偏差值的形式输出。
3.3实际应用案例
本轨检仪研制成功后，先后在甬台
温、温福客专（有碴）和沪杭客专（无碴）
上现场应用，以650mm为间距，动态测
量卫星小车的X、Y、H坐标成,形成处理
报表。其测量过程为：起始测站静态测量
（图6）→动态测量卫星小车的X、Y、H
坐标（图7）→轨检小车动态测量（图8），
有碴轨道测量实景图9所示。
图6起始测站静态测量示意图
图7动态测量卫星小车坐标示意图
图8轨检小车动态测量
图9有碴轨道现场测量实景
现仅选2010年8月12日，本轨检
仪在沪杭客专精调期间参与检测的结果
选20个测点数据作为例证，见表2所示。
表2沪杭客专下行K12+748.16--K12+760.51
轨道检测数据表
注：横向拨量为正值时，拨道方向为线间距
加宽方向，负值则相反；进入曲线必须标下股之
起道量。
本轨检仪在沪杭客专检测结果已与
德国进口的安博格轨检仪静态测量结果
相对比，数据对等性优良，趋势性一致，
得到了应用检验，能满足线路精调作业
和维护养修的需求。
4结论与建议
SGJ-T-SRI1智能轨道检测仪在有
砟、无碴客运专线轨道上的应用研究表
明，本轨检仪相比同类型其它产品，一是
检测技术先进，检测精度高，动静结合，
测量效率高达1000～1300m/h；二是操作
简便，检测数据显示清晰，易于识别，电
池容量较高，适合长时间10～15h连续作
业；三是适用性广，完全适宜夜间天窗点
检测使用，可广泛应用在新建或开通的
客运专线轨道检测领域。建议应进一步
提升全站仪、自动安平与轨检小车的安
装匹配精度，完善轨检小车的可拆装结
构与防振功能，优化系统自检功能，以确
保强稳定性与高可靠性。
责任编辑：万宝安
来稿日期：2011-03-17智能轨道检测仪的应用研究
研究探讨5