第二节 轨道几何动态检测系统
轨道检查车（简称轨检车）、高速综合检测列车是我国目前最普遍、最重要的轨道动态检测装备。轨检车最高运行速度160km/h。高速综合检测列车以动车组为平台，最高运行速度350km/h。
自20世纪50年代至今，我国轨道检测技术经历了EX-1型、EX-2型、GJ-3型、GJ-4型、GJ-5型和GJ-6型六个发展阶段。EX-1型和EX-2型轨检车检测技术均采用弦测法检测原理，GJ-3型至GJ-6型轨检车检测技术均采用惯性基准法检测原理。
GJ-6型轨检系统是我国当前主型轨检系统，并已推广安装在所有高速综合检测列车和大多数轨检车上，用于我国铁路的日常检测和新建线路的联调联试，本节主要介绍GJ-6型轨检系统。
一、轨检车检测技术参数
轨检车检测技术参数及技术指标见表3-1，其中检测速度受限于轨检车车辆的最高运行速度。除表中所列主要检测参数外，还可测量速度、里程、曲率、地面标志、车体横向加速度、车体垂向加速度等。
表3-1 轨检车检测技术参数及技术指标
二、检测系统原理及结构
GJ-6型轨道几何检测系统基于激光摄像、惯性基准等原理，采用激光摄像组件测量钢轨相对于检测梁的横向和垂向位移；采用惯性基准原理，通过惯性传感器如加速度计、陀螺等多种传感器测量车体和检测梁的姿态变化，传感器将需要检测的位移、速度、加速度等物理量转换为相应的模拟电信号，经过放大和模拟滤波处理后输入到数据采集和处理计算机。该计算机对输入模拟信号进行数字转换、存储、滤波、修正以及补偿处理，经过综合运算，合成得到所需轨道几何参数，并按照一定的检测标准，摘取超限数据，输出统计报表，实时显示及存储轨道几何波形图。
1.高低
高低指钢轨顶面纵向起伏变化。高低测量采用惯性基准原理，惯性基准原理见图3-1。在质量弹簧振动系统中，M为质量体，A为加速度计，在质量体与车轮之间安装有位移传感器，K、C分别为弹簧和阻尼，位移传感器测量质量体与轮轴的相对位移W，加速度计A输出值a的二次积分为质量体相对惯性基准的位移Z，轮子半径为R，质量弹簧系统在高低不平顺的钢轨上运行时，钢轨相对于惯性基准的位移Y可由式（3-1）得出：
图3-1 惯性基准法测量原理示意图
Y=Z-W-R （3-1）
因轮子半径R为常量，实际测量时式（3-1）可改为
Y=Z-W=∬adtdt-W （3-2）
惯性基准法在低速情况下误差较大。因此，采用惯性基准法对车速下限有限制，停车和低速时不能进行测量。
2.轨距
轨距采用激光摄像式非接触测量方式，激光器和摄像机组成一个整体组件，线光源垂直于钢轨纵向中心线，摄像机以一定的角度摄取在激光照射下的钢轨图像，如图3-2所示。
图3-2 激光摄像式轨距测量
通过图像采集、图像处理、特征提取后，得到钢轨轮廓线的骨架图像，根据摄像系统标定得出的一组标定参数，结合钢轨轮廓图像进行像素坐标—物理坐标的坐标变换，在激光摄像组件对图像进行处理并获取单边轨距位移后，传输到实时处理计算机中进行轨距合成。
3.轨向
轨向指钢轨内侧面轨距点沿轨道纵向水平位置的变化。轨道方向（简称轨向）测量采用惯性基准原理，是惯性基准法在横向进行轨道不平顺测量的结果。轨向测量包括两个部分：一部分是安装于检测梁中央位置的轨向加速度传感器，用于测量检测梁中央位置相对惯性空间的惯性位移；另一部分是左右激光摄像组件所测得的左右单边轨距分量，由惯性位移和左右轨距分量计算得到左右轨的轨向。需要说明的是，轨向是左（右）轨的方向，而非轨道中心线的方向。
4.水平（超高）
超高测量是在运动的轨检车上建立水平基准，如图3-3所示。在车内地板上安装有陀螺平台，不管车辆如何运动，陀螺平台始终稳定在当地水平位置。因此，可以得到车体的倾角。利用车体和轮对之间安装的位移传感器，可以得到车体与轮对（不考虑轮对的锥形踏面等因素），即车体与轨道所在平面的倾角。求车体倾角和车体与轨道倾角的代数和，可以得到轨道的倾角。通过轨道倾角和轨距运算，即可得到超高。
图3-3 超高测量原理
5.三角坑（扭曲）
如图3-4所示，相距一定基长的两个轨道断面Ⅰ和Ⅱ，与左右两轨顶面分别相交于a、b、c、d，三角坑可以理解为c点到a、b、d三点所形成的平面的距离h，实际计算时，用相距一定基长水平的代数差表示，Δh1为轨道断面Ⅰ-Ⅰ的水平值，Δh2为轨道断面Ⅱ-Ⅱ的水平值。Δh1-Δh2为一定基长的两轨道断面的水平差。基长可变，目前基长采用2.5m，三角坑包含缓和曲线超高顺坡造成的扭曲量。
6.曲率
曲率定义为曲线半径的倒数，实际测量时用单位距离的曲线轨道对应的圆心角来表示（图3-5）。度数大，曲率大，半径小。反之，度数小，曲率小，半径大。
图3-4 三角坑（扭曲）测量原理图
图3-5 曲率计算原理图
轨检车通过曲线时（直线亦如此），采用惯性陀螺测量车体运行方向变化的角速度，采用车体与转向架间的横向位移计测量车体相对两转向架中心连线的转角，利用速度距离信息，即可计算出轨检车通过一定距离曲线后所对应的圆心角。
7.速度和里程
速度和里程测量采用光电编码器脉冲计数的方式，轨检车轮对转动，驱动光电编码器同步转动，光电编码器每转一周输出一定数量的脉冲n，根据车轮周长和每周n个脉冲的已知条件，可计算出脉冲间距L，通过脉冲计数和脉冲间距L可计算出距离，通过脉冲间距L和计数计时可计算出速度。
8.地面标志
地面标志物包括道口、道岔、桥梁等，这些标志物或是金属结构或含有金属部件，轨道检测系统可采用电涡流传感器来检测这些地面标志物，并在轨道几何波形图上显示出来，辅助确定轨道几何偏差的具体位置。
9.车体横向及垂向加速度
测量车体横向和垂向振动加速度时，要求加速度传感器安装在车体底板上，并与二位转向架心盘位于同一断面，距车体纵向中心线1m。车体垂直和水平振动加速度测量是发现轨道偏差，辅助评价轨道平顺性，监测轮轨作用的重要手段。
轨检系统中车体振动加速度采用高精度石英挠性伺服加速度计进行测量，传感器信号先进行模拟滤波，然后进入计算机处理，与轨道几何参数一起按空间里程位置同步输出。
三、检测系统关键技术
1.激光摄像及图像处理技术
GJ-6型轨检系统采用激光摄像技术得到钢轨轮廓，通过对视觉图像的处理，得到钢轨相对于测量坐标系的横向、垂向位移。由两根钢轨的横向位移合成轨距，横向位移和垂向位移分别是测量轨向和高低的重要分量。
图像处理过程见图3-6，图像采集卡获取图像，经过二值化处理、图像细化后获得钢轨骨架，即钢轨轮廓线，再经过坐标变换和特征点提取得到左右单边轨距分量和高低分量。激光摄像的关键部件有激光器、摄像机、温控系统、光学系统等。
图3-6 图像处理过程
2.惯性技术
惯性技术是惯性敏感器、惯性稳定、惯性导航和惯性测量等技术的统称。惯性技术的核心是惯性敏感器（传感器），在GJ-6型轨检系统中采用陀螺平台和加速度计等惯性传感器，陀螺用于建立一个稳定的导航坐标系，加速度计用于测量载体的加速度信号，经过二次积分计算，得到载体相对惯性参考坐标系的运动位移，在高低、轨向、水平的测量中都用到了惯性测量原理。
3.数据合成处理
GJ-6型轨检系统成功开发了轨道几何参数合成计算模型，解决了不同运行速度和不同运行方向检测结果准确性和一致性的问题。通过实时采集处理软件、图像处理软件、网络通信软件、波形浏览软件、编辑汇总及报表输出等软件，将轨道几何检测系统的数据采集、处理、计算合成、数据通信、存储、显示、汇总统计融为一体，使轨道检测系统软件成为一组功能强大的应用软件。
4.抗阳光干扰
通过硬件的抗干扰处理以及图像处理算法的优化、完善、试验和验证，GJ-6型轨检系统将阳光对检测系统的干扰降到了最低。
5.适应高速环境的检测梁设计
GJ-6型轨检系统根据不同类型车辆的转向架结构，创新设计了多种用于悬挂激光摄像组件的检测梁类型，使得轨检系统可广泛安装于各种车辆，包括CRH380A、CRH380B、CRH2A和CRH5A型等动车组，以及其他客车车辆。同时，每种检测梁都进行了动应力测试和结构安全强度计算，以保证检测梁在高速、强振动环境下的运行安全。