地铁轨道动态检测技术的发展及研究

地铁轨道动态检测技术的发展及研究

摘要：地铁列车轨道不平顺的问题直接影响了乘车体验以及车辆运行的安全性，轨道动态检测技术利用特定的技术原理检测地铁列车轨道是否存在高低不平顺、轨向不平顺、轨距不合理、水平变化不合理等问题，目前主流的地铁列车轨

道检测技术包括车载动态检测技术、轨道检测小车（集成陀螺仪等检测装置）等。本文介绍几种较为有效的地铁轨道动态化检测技术，分析了每一种技术的实现原理。

关键词：地铁轨道；动态检测技术；车载动态检测；陀螺仪

引言：

地铁轨道检测技术是一系列效率较高的检测地铁轨道安全性的技术的总称，

其中的典型代表是轨道检测小车和车载式动态检测技术。检测的重点内容是轨道

的轨距、高低、轨向、水平以及三角坑，当然车载式动态检测技术也可以通过加

装相应的检测设备，从而实现对于钢轨磨耗情况、车体振动加速度情况的检测。

每一种轨道线路检测技术都存在一定的优势和缺陷，研究其各自的工作原理和适

用场景对轨道检测工作具有重要的意义。

一、基于陀螺仪的轨道测量小车检测技术

地铁列车的轨道在长期的运行过程中受到载荷以及地基变形或沉降等因素的

影响，有可能在垂直或水平方向上出现不平顺的问题，显然，这一现象的出现将

会威胁到地铁列车的安全运行。在地铁列车的轨道检测中可使用陀螺仪来精确测

量垂直和水平方向不平顺的严重程度，这种检测技术是一种相对检测法，其原理

如下：测量中使用的核心设备是光纤陀螺仪、单片机（用于数据处理和计算）以

及信号转换器。将陀螺仪设置在检测小车上，并且让小车沿着轨道运行，此时陀

螺仪会随着小车的振动作用，在惯性的趋势下沿着某一方向摆动，由此便可在水

平方向和垂直方向各自产生一个角度，如果轨道在高低方向上存在不平整的问题，陀螺仪就会在垂直方向上产生运用分量，形成俯仰角。信号转换装置将电信号转

化成数字信号，然后由单片机对其实施精确的计算，形成相应的运动参数。要通

过这种检测技术完成轨道检测任务，小车的运行速度不能过高，否则检测装置的

检测和反应速度无法适应检测需求[1]。这就限制了这种技术不能满足在线网规模

不断扩大、天窗点时间逐步变短的今天，对线路全线路检测的要求，并且这种检

测技术在实际运用过程中还需克服一个技术难题，那就是陀螺仪在零点位置的漂移，可采用零点渐变的算法来处理这一问题。

二、基于手机传感器的动态添乘检测

地铁列车的运行状态受到轨道实际情况和列车运行状态等多方面因素的影响，常规的轨道测量小车检测技术在实际应用中虽然取得了较好的效果，但同时也表

现出一定的缺陷，主要体现在虽然个别指标超过了规定的范围，但是地铁列车的

运行并没有受到明显的影响，此时若根据超限的指标做系统维护，容易导致资源

浪费，另一方面，上述常规的轨道测量小车检测技术存在一定的检测周期，并不

能实施监控。为了弥补这种不足，可采用基于手机传感器的动态添乘检测技术。

智能手机内部集成了陀螺仪、摄像头、加速度传感器以及GPS等一系列装置和功能，将其和动态添乘的原理结合在一起可实现轨道的动态化检测。在检测过程中

可将智能手机看做一个陀螺仪，将其固定在地铁列车的车厢地板上，然后和便携

式添乘设备连接在一起，便携式添乘仪可在离线环境下工作，并且具备良好的人

机交互界面，将手机固定在车体上之后，其在运行过程中的振动情况，无论是横

向的运动，还是纵向的运动，均可被智能手机设备监测到，进而作为评估列车轨

道平顺性的重要依据，当车体调校到位之后，监测到的异常振动数据则与列车轨

道系统密切相关。这种检测过程和车体运行同步进行，并且动态添乘仪可提供良

好的界面，为数据读取创造了有利的条件，因此，其实施的间隔周期大幅缩短，

在地铁轨道检测中具有一定的应用价值[2]。

三、车载动态检测

（一）检测内容、结构及工作原理

第一，检测内容。关于轨道的检测内容，基本上以影响地铁列车运行平稳性

的因素为主，如两轨道之间的距离、轨道的方向和高低变化以及水平和三角坑，

这几个参数非常关键，影响力突出，因而成为检测的重点。轨道转弯处的曲率半径等参数相对比较稳定，只有在极端的情况下才会发生变化，但是在检测过程中也可一并完成。

第二，检测系统结构。此类系统的核心组件包括定位装置、里程校验装置、信号处理装置以及激光摄像装置等，这几个组件的主要作用是采集数据，其获取的数据传递给专门的数据处理组件。

第三，检测原理分析。车载动态检测方法是将各种检测装置设置在特定的检测列车上，或者将其直接设置在地铁列车上，当车辆前进时可同步对列车轨道完成检测。评价轨道的情况时需要一个检测参考基准，因此检测系统中设置了专门的检测梁，当检测车向前运行的过程中，设置在车体上的陀螺仪以及其他传感器可实时获取检测量的姿态信息，然后测量钢轨相对于检测量的位置变化，可分为水平良和垂直量[3]。系统中的信号处理装置将电信号量转化成数字信号（模拟量），最终以可视化的报表将这些数据展示出来。

（二）轨道动态检测技术要点

第一，激光摄像技术。高速运行的检测车辆不断向前推进，要动态化地获取轨道的结构或者轮廓信息，就要使用到激光摄像技术，然后在这些钢轨轮廓信息的基础上实施特定的处理，整个测量系统中设置有专门的虚拟坐标系，用于标定位置，在动态测量中要计算出钢轨相对于坐标系的位置，摄像和图像处理技术在这一过程中发挥着关键的作用。

第二，惯性技术。地铁列车轨道检测技术中要频繁地使用惯性技术来完成特定参数的检测，如列车轨道的水平、高低变化、曲率等参数，该技术的实现依赖于灵敏度高的惯性传感器，实际上陀螺仪就是一种典型的惯性传感器。

第三，检测梁技术。

检测过程中使用的激光摄像组件悬挂在专门的检测梁上，而车辆的结构存在一定的差异性，尤其是车辆的转向架，对检测梁的设计具有非常突出的影响力，