【導(dǎo)讀】制的大型動態(tài)檢測設(shè)備。該設(shè)備的軌距軌向測量裝置采用安裝于軸箱上的軌距吊梁方。項目組在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用了當(dāng)今國際在該領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)，以鋼軌斷面圖像檢測方式，實現(xiàn)軌距軌向的實時測量。本文系統(tǒng)地論述了該裝置的檢。測模型、基本原理、圖像處理的基本方法及采用FPGA數(shù)據(jù)處理芯片實現(xiàn)系統(tǒng)集成，并以鄭州局DJ998416軌檢車為試點進(jìn)行的改造工作。全面升級，經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試、驗收，軌檢車于2021年12月底交付鄭州局使用。

　　

【正文】 圖 13 根據(jù)軌距的定義，有： 軌距 KY LR ??? ?? 其中 K 為相對于軌距梁中心的固定的偏移值 ； L? 為左軌軌距點的偏移值，可以直接由激光攝像系統(tǒng)得到其坐標(biāo)值； R? 為右軌軌距點的偏移值，可以直接由激光攝像系統(tǒng)得到其坐標(biāo)值；通過上述公式，從而得到了軌距測量值。 圖 14 GJ4 型軌檢車原軌距吊梁 GJ3 型和 GJ4 型軌距軌向檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 23 圖 15 改造后系統(tǒng)的軌距梁 圖 16 改造后的系統(tǒng)實物圖 軌向合成原理 軌向加速度計響應(yīng)： 2222 s i n dtdhgdt yd btbby ?????? (1) 式中 by 為軌距梁的中點， b? 為軌距梁相對于地面的傾角 。 GJ3 型和 GJ4 型軌距 軌向檢測檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 24 第一項為軌距梁橫向運動所產(chǎn)生的加速度，正是我們想要的測量值；第二項為重力分量；第三項由于軌距梁側(cè)滾運動所產(chǎn)生的加速度； 則左右軌向為： 左軌向： Ly = by cos( bt? )( L? +C)。 右軌向： Ry = by cos( bt? )+( R? +C)。 其中為 bt? 軌向測量平面和軌距梁所在平面夾角，可由 L和 R計算獲得。在原四型車中，由于軌距吊梁安裝于軸箱上， bt? 很小，近似認(rèn)為軌距梁所在平面和軌道平面平行，即軌道的傾角就是梁的側(cè)滾角，而軌向的測量平面 和軌距梁所在平面平行， cos( bt? )近似為一，可以不做該修正；對于安裝于構(gòu)架上的安全梁，軌向的測量平面和軌距梁所在平面并不平行；要將 by 投影到軌向的測量平面，其投影為 by *cos( bt? )；則通過上述公式即可測得左右軌向。 利用 GJ4 型車原有慣性系統(tǒng)合成軌向 其信號處理流程如圖 23 所示：軌向加速度計首先經(jīng)過模擬二階低通濾波器F(s),其傳遞函數(shù)為： 2222)()( bas basF ?? ?? ， 式中 0??la s e c/2/11145002ra dllb??????? F(S)的幅頻特性為： ?????? ?????? ??? 2202220 40)(l og10)( jF 式中時域頻率 ? 與空域波長的關(guān)系為： ???/2?? 式中 ? 為列車運行的速度。由此可看出，其幅頻特性在空域內(nèi)隨列車的速度的不同而改變，圖 17 為當(dāng)列 車速度為 18km/h、 36km/h、 144km/h 其空域的幅頻特性圖。 GJ3 型和 GJ4 型軌距軌向檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 25 右單邊軌距 R? 、左單邊軌距 L? 、軌距梁右端到右軌面的距離 、軌距梁左端到左軌面的距離 和經(jīng)過模擬低通濾波后的軌向加速度通過 A/D 轉(zhuǎn)換進(jìn)入計算機(jī)，進(jìn)行距離同步處理后，由 和 可計算得到軌向測量平面和軌距梁所在平面夾角為 bt? ，即： G RLbt ?? ??? 利用四型車的車體上原有的慣性 測量系統(tǒng)我們可以測得軌道的傾角 t? ，從而由 bt? 、 t? 我們可得梁的傾角 b? ： b? = bt? + t? 有了 b? 采樣時間間隔（ TBS），就能對軌向加速度進(jìn)行重力修正（ bg ?sin ） 和軌距梁的旋轉(zhuǎn)加速度修正（ 22dtdh bt ? ）。 然后對軌向加速度進(jìn)行解偏濾波，其傳遞函數(shù)為： 11)1(1 )1)(1()( ???? ??? zzzD dd ?? 其幅頻響應(yīng)為： ?????? ???? ??? )/2c os ()1(2)1(1 ))/2c os (1()1(2l og10)( 2 2 ???? ??? sdd sd LLzD 式中 sL 為取樣間隔，圖 18 為 d? 分別取 1/102 1/51 1/256 是的幅頻特性。該濾波器的特點就是去掉信號的極低頻的分量，如信號的漂移等， d? 的大小決定了長波長的衰減特性，我們經(jīng)過試驗， d? 的取值為 1/512 比較合適。 前面提到，模擬二階低通濾波器的幅頻特性在空域內(nèi)隨列車的速度的不同而改變，我們必須再進(jìn)行與該模擬濾波相對應(yīng)的數(shù)字補(bǔ)償濾波 G(z)，使得加速度計的模數(shù)混合濾波在我們所測量的空間頻率范圍內(nèi)與速度無關(guān)。即設(shè)計 G(z)，使得其滿足： 1)()( ??? ?jeGjF 式中 ?????? sii LTT 22 ????， sL 固定的采樣距離， iT 為采樣時間間隔。 GJ3 型和 GJ4 型軌距 軌向檢測檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 26 關(guān)于 G(z)設(shè)計這里不作詳細(xì)討論，主要遵循以下原則： 圖 17 模擬低通濾波器 F(s)在不同速度下的幅頻特性 圖 18 糾偏濾波器的幅頻特性 (1) 確定數(shù)字濾波器的形式：從濾波器的穩(wěn)定性和便于計算的角度出發(fā)，一般取階數(shù)與模擬濾波器相同的 FIR 濾波器。 (2) 確定近似準(zhǔn)則，求得數(shù)字濾波器傳遞函數(shù)的近似解。近似準(zhǔn)則一般為： ? S平面與 z平面零極點相消的準(zhǔn)則 ? 在頻率軸（模擬域）或單位園 （數(shù)字域）通帶內(nèi)確定若干點，令這些點處的值為理想值 ? 用計算機(jī)優(yōu)化方法設(shè)計，而最優(yōu)的準(zhǔn)則又是多種多樣的。 GJ3 型和 GJ4 型軌距軌向檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 27 基于上述方法，我們設(shè)計的 G(z)如下： )()( 22110 ?? ??? zkzkkczG 式中 )( 1 222 baTc ?? 220 1 TaaTk ??? )1(2 221 Tak ??? 222 1 TaaTk ??? 2 1??? ii TTT a 、 b 的定義與前面相同， iT 、 1?iT 分別為 兩個相鄰采樣時間間隔。 其幅頻響應(yīng)為： ??????????????????????????????)2c o s (2)2c o s (2)2c o s (2l o g10)(0221012221202???????sssjLkkLkkLkkkkkceG 圖 19 為其 18km/h、 36km/h、 144km/h 在不同速度下的幅頻特性，圖 20 為加速度經(jīng)過模擬濾波 F(s) 與數(shù)字濾波 G(z)后的混合特性。由該圖可以看出，模數(shù)混合濾波后其幅頻特性近似與速度無關(guān)。經(jīng)過混合濾波后，即可進(jìn)行重力及梁的旋轉(zhuǎn)修正，得到軌距 梁中心點的加速度。 再進(jìn)行下一步討論以前，首先說明 FFD(二階差分 ) 與加速度的關(guān)系。如圖21 所示： GJ3 型和 GJ4 型軌距 軌向檢測檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 28 圖 19 不同速度下數(shù)字補(bǔ)償濾波 G(z)的幅頻特性 圖 20 不同速度下模擬濾波 F(s)和數(shù)字補(bǔ)償濾波 G(z)的混合幅頻特性 圖 21 FFD和加速度的關(guān)系 GJ3 型和 GJ4 型軌距軌向檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 29 對于速度： ,)2()1()1(1??????nTnynyn? 1)1()()1()()(???????nn TnynyT nynyn? 對于加速度：nnn TTnynynyT nnna1)2()1(2)()1()()(????????? ?? (1) 對于 FFD(一階差分 )： FFD( )(ny )= )1()( ?? nyny 對于 SFD(二階差分 ):SFD( )(ny )=FFD( )(ny )FFD( )1( ?ny ) = )2()1(2)( ???? nynyny (2) 由 (1)、 (2)可得： ?? nn TTna 1)( SFD( )(ny )。 對其作 Z變換得： SFD( )(ny ) )()1( 21 zyzz ???? ?? 變換 (3) 即經(jīng)過修正后得加速度計信號后乘以相鄰兩個采樣時間間隔 TnTn1，得到軌距梁中心點的慣性空間曲線的二階差分，與左右單邊軌距得二階差分相加減，得到左右軌向的二階差分，由式 (3)可知：二階差分經(jīng)過兩次積分就可得到左右軌向的空間曲線（ space curve）。該結(jié)果仍然包含有我們不期望長波成分，再經(jīng)過高通濾波器 U(z)，得到我們所需要的結(jié)果。即： )()()( ZUzyzR ? ， )1(831)( 14241 ?????? zzzzU, 其幅頻響應(yīng)為：22)s i n(83)83s i n(1l og10)2s i n(83)283s i n(1l og10)(???????????????????????????????ssjLLeU 其幅頻特性如圖 22 所示。在 0dB 點的截止波長為 83 sL ，在 3dB 點的截止波長約為 116 sL 。 GJ3 型和 GJ4 型軌距 軌向檢測檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 30 圖 22 低通濾波 U(z)的幅頻特性 應(yīng)用該軌向處理方法，在 2021 年 4 月，已成功的對哈爾濱局 GJ3 型軌 檢車、軌向 、高 低系統(tǒng)進(jìn)行了改造。經(jīng)與哈爾濱局 GJ4 型軌檢車波形圖對比，其軌向?qū)Ρ惹闆r良好，取得了滿意的結(jié)果，同時得到了哈爾濱局的認(rèn)可和好評。 因此，將任何成熟的軌距測量系統(tǒng)集成到 GJ4 型軌檢車上，利用 GJ4 型軌檢車現(xiàn)有的軌向加速度計和車體上的慣性包合成軌向，同時實現(xiàn)整個系統(tǒng)的同步輸出，從理論上來講是可行的，從實踐來講是行得通的，軌距軌向可達(dá)到甚至超過 GJ4 型軌檢車既有的技術(shù)指標(biāo)。是一種科學(xué)的、切實可行的、較低成本的解決方案。 GJ3 型和 GJ4 型軌距軌向檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 31 左單邊軌距 L? 右單邊軌距 R? 梁左端到左軌面距離 δ L 梁左端到右軌面距離 δ R 軌道的傾角（四 型車 θ t） 軌向加速度計（ α y） 梁相對于軌道的傾角 θ bt 梁相對于慣性空間的傾角 θ b 低通濾波 F（ s） 同步調(diào)整 糾偏濾波 D（ z） 數(shù)字補(bǔ)償濾波 G（ z） 采樣時間間隔 TBS 重力修正 軌距梁旋轉(zhuǎn)修正 軌距梁 中心的 加速度 同步調(diào)整 A B C GJ3 型和 GJ4 型軌距 軌向檢測檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 32 圖 23 軌向合成流程圖 軌距梁中心線的二階差分 乘以 cosθ bt 軌道中心線二階差分 右單邊軌距二階差分 左單邊軌距二階差分 左軌向二 階差分 右軌向二 階差分 乘以 TiTi1 左軌向空間曲線 右軌向空間曲線 二次積分 二次積分 高通濾波 U（ z） 高通濾波 U（ z） 左軌向空間曲線 offset 右軌向空間曲線 offset A B C GJ3 型和 GJ4 型軌距軌向檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 33 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 鄭州車軌距軌向改造的軟件系統(tǒng)主要由兩部分組成，第一部分是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，考慮到系統(tǒng)的實時性以及對四型車軟件的兼容性，該部分由 QNX 平臺下的4型車采集程序組成，在原來的軟件基礎(chǔ)上增加了同步功能和快速數(shù)據(jù)傳輸功能。第二部分是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，分為超限編輯計算機(jī)和波形圖顯示計算機(jī)。由一臺工控機(jī)承擔(dān)編輯機(jī)的功能；而由另一臺 IBM 工作站承擔(dān)波形圖顯示功能。 網(wǎng)絡(luò)硬件選型設(shè)計，這里采用了 RS422 串行通訊，此種協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸率高，抗 干擾能力強(qiáng)，最大傳輸率可達(dá) 10Mbps， QNX 主機(jī)與波形計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)量較大，以 160km/h 車速計算，數(shù)據(jù)流量為 200kbps； QNX 主機(jī)和編輯機(jī)之間數(shù)據(jù)流量小于 10Kbps，因此采用 RS422 串行通訊速度滿足要求。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計，為保證數(shù)據(jù)傳輸實時性和同步，采用了一種面向字節(jié)的同步協(xié)議，增加了同步編碼和檢錯編碼。編碼形式以 0 兩字節(jié)作為同步編碼開始，隨后為兩字節(jié)一單位的數(shù)據(jù)編碼，數(shù)據(jù)中出現(xiàn) 10 時作重復(fù)填充處理，經(jīng)測試系統(tǒng)能達(dá)到 400km/h 的處理速度且無數(shù)據(jù)丟失和出錯。 同時，使用交換機(jī)將波形圖 計算機(jī)和編輯機(jī)以及其他入網(wǎng)的機(jī)器組成一個局域網(wǎng)。局域網(wǎng)擴(kuò)展性很強(qiáng)，利用 TCP/I