高速综合检.pdf

3 - 本 刊 特 稿 CHINESE RAILWAYS 2012/10 高速综合检测列车关键技术研究 康熊 等 速列车的安全、平稳运行，对线路轨道、牵引供 电、通信、信号等基础设施的技术指标及其稳定 性要求极高，采用高速综合检测列车对轨道几何状态、加 速度、轮轨力、接触网几何参数、弓网动态作用、供电参 数、通信、应答器、轨道电路等进行同步、动态、等速检 测，通过综合数据分析，对高速列车运行品质及基础设施 状态变化规律作出评价，可为高速铁路运营安全评估和指 导养护维修提供技术支撑，对保障高速铁路安全高效运营 具有十分重要的作用高速综合检测列车是进行高速铁路 基础设施高速综合检测的重要技术装备 1 总体设计 高速综合检测列车装备专用检测系统可对线路轨 高速综合检测列车关键技术研究高速综合检测列车关键技术研究 康 熊：中国铁道科学研究院，常务副院长，研究员，北京，100081 王卫东：中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，副所长，研究员，北京，100081 李海浪：中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，助理研究员，北京，100081 摘 要：高速综合检测列车以高速动车组为载体， 装备专用检测系统，在保证各系统时空同步的前提 下，可对线路轨道、牵引供电、通信、信号等基础 设施，轮轨和弓网接触状态及列车舒适性指标等进 行高速动态检测；具有检测列车精确定位、数 据集成、综合处理和分级评判等功能，是提高高速 铁路基础设施检测效率、指导养护维修的重要技术 装备。

重点分析我国最新研制的400 km/h高速综合 检测列车的系统集成、轨道、弓网、动力学、通 信、信号等关键技术研究与实现方案，介绍试验验 证情况 关键词：高速综合检测列车；400 km/h；关键技 术；试验验证 高 - 4 - 本 刊 特 稿 CHINESE RAILWAYS 2012/10 高速综合检测列车关键技术研究 康熊 等 道、牵引供电、通信、信号等基础设施，轮轨和弓网接 触状态及列车舒适性指标等进行高速动态时空同步检 测，并具有检测列车精确定位、实时数据传输、数据集 成、综合处理和分级评判等功能 整车检测系统主要包括轨道、弓网、轮轨动力学、 通信、信号等检测系统，同时，设置了包括空间同步、时 空校准、数据网络与集中监控、视频监测、数据综合处理 等系统组成的综合系统，整车检测系统技术架构见图1 2 关键检测技术 2.1 轨道检测技术 采用惯性基准法和激光摄像等技术，测量轨距、轨 向、高低、曲率、水平（超高）、长波长高低和轨向等 轨道几何不平顺参数轨道检测系统主要由激光摄像组 件、惯性测量组件、信号处理组件、数据处理组件、机 械悬挂装置5部分组成轨道检测系统结构见图2，设备 安装见图3。

突破了图像滤波、多CPU协同并行处理、GPU高速 图形处理、Kalman区域跟踪等技术在高速轨道检测系统 中运用的技术“瓶颈”，提出了轨道检测高速图像并行 处理算法；融合模拟滤波技术和数字滤波技术，提出了 一种混合滤波方法，实现了信号的自动补偿和修正；基 于载波相位差分GPS和多体惯性测量基准一体化实时处 理技术，提出了不同测量基准紧密耦合实时滤波标 定算法和基于多个分体基准的轨道曲线半径提取算法； 采用高精度惯导传感器技术，建立了轨道长波不平顺检 测的数学模型，实现了截止波长120 m（或150 m可选） 的轨道长波不平顺检测 2.2 弓网检测技术 采用接触式、非接触式2种测量方式实现了弓网动 态作用参数、接触网几何参数、供电参数的测量 接触式采用测力受电弓，实现弓网接触力、硬点（垂向 加速度）、离线状态（燃弧率）等参数的精确测量；非 接触式采用光学测量原理，实现接触线高度、拉出值、 定位器坡度等参数的精确测量弓网检测系统结构见图 4，设备安装见图5 弓网动态作用参数检测技术：基于高速弓网动态作 用特性，建立弓网动态作用参数测量模型；针对高速铁 路牵引供电系统大电流和高电压产生的多次谐波的电磁 特性，分析电磁场干扰源的传导和辐射特性，采用精确 空间电磁环境仿真技术，实现复杂电磁干扰环境下的微 信号电磁干扰抑制。

接触网几何参数检测技术：基于多目机器视觉测量 原理，提出高速接触线图像定位算法；结合接触线图像 特性，建立连续后向追踪模型，实现接触线高度、拉出 图1 整车检测系统技术架构 图2 轨道检测系统结构 图3 轨道检测系统设备安装 轨道检测系统弓网检测系统 轮轨动力学 检测系统通信检测系统 信号检测系统 检测数据网络检测数据网络 距离脉冲 时间里程 综合系统 波形显示 数据处理计算机 数据编辑 报表打印 数据处理组件 网络交换机 图像处理计算机 模拟信号处理 加速度计 信号处理组件 车体 CAS 加速度计 悬挂装置 惯性组件 激光摄像组件 惯性测量组件 激光摄像组件 激光摄像组件 - 5 - 本 刊 特 稿 CHINESE RAILWAYS 2012/10 高速综合检测列车关键技术研究 康熊 等 值等几何参数的 测量 定位器坡度 检测技术：提出 检测定位器 坡度的视觉测量 模型，结合模式 识别、机器学习 等技术，对接触网运行图像进行智能识别和信息挖掘， 提出基于物体高阶特征模型的定位器快速检测算法，实 现对复杂背景图像中定位器的快速检测 2.3 动力学检测技术 采用先进的连续测量测力轮对，可精确测量轮轨 接触点位置和垂向、横向、纵向轮轨接触力，实现脱轨 系数、减载率、轮轴横向力等安全性指标的连续高速测 量。

动力学检测系统由测力轮对、数据传输采集、数据 分析等组成动力学检测系统结构见图6，设备安装见 图7 采用有限元仿真计算和实物测试相结合的方法，对 在垂向力、横向力、纵向力作用下及垂向力加载位移横 移变化条件下，轮对辐板的应力分布进行研究，设计了 轮轨力连续测量技术方案 对划线定位、应变片粘贴固化、测力轮对密封防护 等测力轮对制作工艺进行深入研究，研制 了测力轮对加热固化装置和划线台 深入研究测力轮对标定技术，研制了 标定试验台，可满足垂向力、横向力、纵 向力加载及垂向力加载位置横移变化的要 求，具有适用于不同轨距、不同轮径、不 同轴承外径测力轮对的优点 2.4 通信检测技术 通信检测系统具备检测GSM-R服务 质量、GSM-R场强覆盖、网络参数、电 磁环境、电路域数据通信质量等参数的功 能通信检测系统的体系模型分为3个层 次、4大功能（见图8） 采 用 多 模 块 的 设 计 方 法 ， 可 对 GSM-R网络进行全方位、多层面测试，实 现多项目同时检测、多数据源融合及联动 分析等，提高了检测效率，并可避免检测过程中对既有 图4 弓网检测系统结构 图5 弓网检测系统设备安装 图6 轮轨动力学检测系统结构 图7 测力轮对安装 接触压力传感器 加速度传感器 角位移导高传感器 供电 数据采集处理装置 光纤信号发送器 供电 网压、网流传感器 高低压隔离 高压侧 低压侧 光纤信号传送器 光纤信号接受器 视频 摄像机 火花控测 信号处理 隔离变压 光学滑道、CCD 摄像机、聚光灯 车顶 车内 供电 电源电源 同步定位系统 数字信号处理单元 UDP协议 接触网检测数据 前置处理计算机 视频处理 计算机 TCP/IP协议 全车主干网络 接触网检测数据 预处理计算机 UDP协议 接触网检测数据 波形显示计算机 接触网检测数据 集成处理计算机 同步定位数据 非接触式数据 处理计算机 通过网络集中控制 TCP/IP协议 火花控测数据处理计算机 全车主干网络 UDP协议 弓网动态作用参数 供电参数 接触网几何参数 轮轨力 检测系统 轮轨力数据传 输采集子系统 轮轨力数据综 合分析子系统 应力 分布 有限 元计 算及 测试 轮轨 力连 续测 量技 术方 案设 计 连续 测量 测力 轮对 制作 连续 测量 测力 轮对 标定 集 流 环 装 置 IMC 轮轨 力信 号采 集设 备 轮轨 力数 据采 集计 算机 轮轨 力数 据采 集软 件 轮轨 力数 据综 合分 析计 算机 轮轨 力数 据综 合分 析软 件 与综 合系 统时 空同 步及 数据 通信 高精度连续 测量测力轮对 - 6 - 本 刊 特 稿 CHINESE RAILWAYS 2012/10 高速综合检测列车关键技术研究 康熊 等 图10 信号检测结果 心校正法的轨道电路信号谱线细化算法，以较少的计算 量实现较高的频率和幅值测试精度，实现了轨道电路采 集信号的快速解析，保证了测试的实时性。

采用AHP理 论，提出了轨道电路综合性能评判方法，为制定动态测 试标准奠定了基础 补偿电容检测技术：提出基于相空间重构及遗传算 法理论的补偿电容故障检测方法，建立了补偿电容检测 数学模型，实现了有砟和无砟轨道补偿电容的实时、准 确检测 通信的干扰基于语音评估最新算法（PESQ评估模型） 实现了语音MOS质量检测，掌握了语音MOS质量与高速 运行的关系；对GPRS数据用于高速铁路CTCS-3级列控 系统可行性进行了研究，为进一步开展GPRS应用的深入 研究打下了基础；分析了天线间距与隔离度的关系和天 线安装的安全性，提出了天线的合理性布置，保证了检 测数据的可靠性 2.5 信号检测技术 信号检测系统具备对CTCS-3级（兼容CTCS-2级） 轨道电路、应答器、补偿电容、牵引回流实时检测及车 载列控设备工作状态的监 测等功能信号检测系统 结构见图9，信号检测结 果见图10 应 答 器 检 测 技 术 ： 依据毕奥-萨伐尔定律， 实现应答器基准点位置的 实时识别；采用基于时域 过零检测与频域分析相结 合的解调方法，实现了应 答器信号的解析，提高了 解调精度；采用层次分析 （AHP）理论，提出了应 答器综合性能评判方法， 为制定动态测试标准奠定 了基础。

轨 道 电 路 信 号 检 测 技术：提出了基于能量重 图8 通信检测系统结构 图9 信号检测系统结构 调度通信车次号成功率调度命令成功率 GSM-R应用功能检测 应用层 语音业务QoSCSD业务QoSGPRS业务QoS GSM-R服务质量（QoS）检测 协议链路层 无线场强覆盖检测 电磁环境监测 物理层 1车 JRU通信接口 Igsmr三通 安全接口 天馈线系统 天线、电压 电流探头 BTM天线 TCR天线 CTM天线 ASTM天线 车载运行数据 （JRU）分析单元 嵌入式网络接口 Igsmr接口监测单元 Um无线环境监测单元 车载ATP电磁 干扰监测单元 应答器检测单元 轨道电路调谐区 补偿电容脉冲（状态、位置及步长） 轨道电路信号电压传输曲线、频率 轨道电路不平衡电流曲线、 电流大小及不平衡率 轨道电路检测单元 补偿电容检测单元 牵引回流检测单元 系统维护、通信管理 检测数据综合分析 通用人机交互终端 信号检测系统局域网 数据服务器 8车 信号检测系统局域网 通用人机交互终端 通用人机交互终端 通用人机交互终端 通用人机交互终端 通用人机交互终端 通用人机交互终端 通用人机交互终端 数据服务器 嵌入式网络接口 嵌入式网络接口 嵌入式网络接口 嵌入式网络接口 嵌入式网络接口 嵌入式网络接口 嵌入式网络接口 嵌入式网络接口 嵌入式网络接口 嵌入式网络接口 嵌入式网络接口 嵌入式网络接口 嵌入式网络接口 嵌入式网络接口 嵌入式网络接口 车载主干网（双环网） 车载运行数据 （JRU）分析单元 Igsmr接口监测单元 Um无线环境监测单元 车载ATP电磁 干扰监测单元 应答器检测单元 轨道电路检测单元 补偿电容检测单元 牵引回流检测单元 JRU通信接口 Igsmr三通 安全接口 天馈线系统 天线、电压 电流探头 BTM天线 TCR天线 CTM天线 ASTM天线 - 7 - 本 刊 特 稿 CHINESE RAILWAYS 2012/10 高速综合检测列车关键技术研究 康熊 等 最高检测速度达到400 km/h，轨道几何参数检测精度达 到毫米级，轮轨接触力检测精度±2 kN，弓网接触力检 测精度±5 N，无线通信场强测量精度±1.5 dB，信号误 。