中国铁路广州铁路局集团有限公司长沙工务段 湖南长沙 410000
摘要：近年来，工务维修体制改革有序推进，在推行集中修、机械修方面取得长足进步，随着2019年4月份《普速铁路线路修理规则》的颁布实施，更加明确了“检、养、修”分开，检测、修理专业化建设，以及设备维修以大型养路机械为主、小型养路机械为辅的养修理念。根据惯性导航技术的相对测量原理，通过确定检测小车的位置轨迹线，并与既有铁路线型进行拟合对比分析，得到既有铁路线型的实际偏差数据，形成作业方案，用于指导普铁线路大机捣固作业，最大程度优化既有铁路线型，提升线路整体平顺度。
关键词：惯性导航；测量；应用；线路大机捣固；效果
0 引言
随着铁路的多次提速，列车运行速度越来越快，如何在确保行车安全的前提下最大化提升线路质量也显得越来越重要。准确、及时、全面快速检测铁路线路危及行车安全的病害、掌握线路状况、精确制定轨道作业计划是确保铁路行车安全的关键。在倡导大型机械作业为主、小型机械作业为辅，倡导最大化提升劳动效率、降低运营成本、提升信息化的今天【1】，应不断探索新的轨道几何尺寸检测技术，为日常轨道线路的养护维修方案制定提供数据支撑。
目前，借助CPIII（基桩控制网）对既有线路进行精确测量，在国内运用比较普遍。但该方法受自身技术特点限制，建设难度大，维护和使用成本高，且无法实现快速轨检测量，不适用于未设置CPIII工程测量网的既有普速线路【2】。为实现快速有效地检测既有普速铁路线路轨道几何尺寸状态，分析既有线型平纵断面变化，根据惯性导航工作原理，通过确定运载体在惯性参考坐标系中的位置，得到运载体的位置轨迹线，再与既有铁路线型进行拟合、对比、分析，得到线路轨道偏差数据，通过人工调整、优化后，形成作业方案，指导普铁线路大机捣固作业，以提升线路整体平顺度。
1 惯性导航系统工作原理
惯性导航系统也称作惯性参考系统，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量（如无线电导航那样）的自主式导航系统。利用安装在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体位置，从而确定运载体在惯性参考坐标系中的运动，计算出运载体在惯性参考坐标系中的位置。惯性导航系统基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息【3】。利用惯性导航系统的工作原理，研发制造用于轨道几何状态及线型、线位测量的仪器，简称惯导小车。目前在我局应用的惯导小车主要有2种，见图a和图b。
2019年，广州局集团公司在主要干线第1阶段集中修线路大机捣固时，采用惯导小车测量数据应用于线路大机捣固作业，并对线路捣固作业前后动静态TQI（轨道质量指数）进行分析。为进一步分析惯导小车测量的优越性，同步安排人工水准仪测量部分线路，并进行捣固效果分析。
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图（a） 图（b）
2 作业流程
2.1准备线型资料
（1）平面线型资料确认。对计划测量区段线路内曲线要素资料进行复核确认，主要复核各曲线要素资料的准确性，曲线资料要素必须和现场情况符合。在测量前期准备工作阶段，根据曲线资料，在现场标注曲线“四大”桩点的位置，即曲线ZH，HY，YH和HZ。
（2）纵断面线型确认。复核确认测量曲线线路坡度的起止里程、坡度以及是否设置竖曲线。
（3）断链表数据确认。复核确认断链表中的长短链，为现场拉链确定里程提供依据，为惯性导航系统测量做好测量点搭接。
2.2惯导小车现场采集数据
2.2.1 组装调试
上道测量前按要求组装好惯导小车，组装时轻拿轻放。运输过程中相关零件及车体均按要求装箱运输，以便保障各部件的灵敏度处于正常状态。上道后利用小车快速测量数据处理系统对小车进行正反面调试，让小车适应测量环境。
2.2.2 校核系统里程
惯导小车在普速既有线路上进行测量的过程中，唯一的“约束条件”是现场标记里程。现场标记里程、惯导小车测量系统里程与大机捣固里程，三者统一才能使测量出的轨道线型线位得到精准处理。
由于普速既有线路存在长短链及现场标记里程不准确等各种偏差，加之惯导小车里程计也存在累计误差，导致在实际测量过程中惯导小车系统的里程很难与现场标记里程完全一致。为解决该问题，作业前，必须人工复核曲线ZH，HY，YH，HZ 这4大桩点，确保位置正确无误。提供准确的曲线起止里程台账资料，确保惯导小车作业方案中的里程数据和大机捣固使用的曲线台账一致。惯导小车在实际测量过程中，以曲线起点或终点里程为测量起点里程，由人工记录现场百米标里程及对应的惯导小车里程。惯导小车现场测量及制定作业方案处理里程偏差时，以曲线起点或终点里程作为基准点，在相对应的设计里程备注现场里程标的数值。
2.2.3 现场测量
①按操作规范要求，在小车系统里建立测量项目文件，导入线型资料。
②确定作业起点，匀速推行惯导小车。
③在推行惯导小车过程中，复核现场特殊地点轨道的状态，比如，翻浆冒泥地点，以及轨道几何尺寸的变化。
④每个测量项目结束后，应及时处理测量数据。发现数据不符合要求，及时进行复测。
⑤测量作业全部完毕后，保存测量数据。
2.3制定作业方案
利用惯导小车自带的轨道设计系统，对轨道各参数进行偏差计算。根据高程偏差、水平偏差，按照《普速铁路线路修理规则》（铁总工电[2019]34号）规范要求以及现场实际限制条件，优化轨道平顺度，并给定出最优的起、拨道量。普铁线路最大起拨道量宜控制在30 mm以内。
2.4实施作业方案
在大机捣固作业过程中，以作业方案中备注的现场百米标为地标参考点，在大机里程计算程序中输入对应的设计里程，校核里程偏差，校核对准后进行捣固。
3 应用案例分析
2019年，广州局集团公司在管内主要干线，如焦柳线、京广线、沪昆线等线路均有将惯导小车测量数据应用于线路大机捣固作业，累计完成462.4 km的线路捣固作业。捣固后轨道质量指数（TQI）降幅（轨距除外）均在25%左右，部分区段达到35%。
3.1 惯导小车测量数据应用效果
选取广州局集团公司管内京广下行线某段9.0 km线路，采用惯导小车测量数据应用于线路大机捣固。将捣固前后同一趟轨检车检测的TQI，作为捣固作业效果评价依据。除轨距外各项TQI值数据变化如表1所示。
表1 捣固前后除轨距外各项TQI数据变化表
采用惯导小车的测量数据指导捣固作业，捣固作业后，整体TQI值（除轨距外），平均降低1.86，降幅24.49%。其中高低降幅最为为明显，平均降低1.26，降幅38.12%。
3.2 人工测量数据应用效果
选取广州局管内京广下行线某段计7.0 km线路，采用人工测量形成作业方案，对其测量数据捣固后前后同一趟轨检车检测的轨道质量指数（TQI）作为捣固作业效果评价依据。除轨距外各项TQI值数据变化如表2所示。
表2 捣固前后除轨距外各项TQI数据变化表
采用人工测量数据指导捣固作业，捣固后整体TQI值（除轨距外）由捣前6.67降至捣后5.57，平均降低1.10，降幅16.48%。单项降幅较为明显的为高低，由捣前2.77降至捣后1.95，平均降低0.82，降幅29.64%。
3.3 惯导小车与人工测量效果对比
为更好地分析惯导小车与人工测量方案应用于线路大机捣固后效果，选取广州局管内XX工务段京广上行线线型、捣固前TQI值均比较接近的区段2.0km，由同一捣固机组进行捣固作业，分析捣固前后的TQI数据。
人工测量地段为京广上行线某段线路TQI捣前为6.37，不含轨距时为5.25；惯导小车测量地段为京广上行线某段线路TQI捣前为6.34，不含轨距时为5.61。大机捣固前后，2种测量方式TQI值数据见表1。
表1 惯导小车及人工2种测量方式捣固前后除轨距外各项TQI数据变化表
惯导小车测量数据指导线路大机捣固后，整体TQI值（除轨距外）降低2.07，降幅37.08%，降幅较为明显的为高低，降低1.25，降幅49.41%；人工测量数据指导线路大机捣固后，整体TQI值（除轨距外）降低0.48，降幅9.14%，降幅较为明显的为高低，降低0.49，降幅22.58%。
3.4 惯导小车与人工测量优缺点
3.4.1 测量速度快
为确保惯导小车采集测量数据的连续性，宜在天窗点内安排。广州局试用均在集中修期间，每个天窗点（180 min）内平均测量8～10 km，平均测量速度约3.0 km/h；人工水准仪测量可全天化作业，每天（8～10 h）约完成3 km线路测量，且受天气及操作人员技能水平影响较大，平均测量速度约0.3km/h。
3.4.2 测量数据更精准
惯导小车测量采用多个传感器采集现场轨道几何状态数据，由电脑采用专业算法对数据进行自动计算，数据不需闭合，不存在读数误差；人工测量受现场拉链测量、人工架设水准仪、跑尺等诸多人为因素的影响，存在较多误差，惯导小车测量较人工水准测量更为精确。
3.4.3 测量成果运用效果好
在我局集团公司试用惯导小车测量的462.4 km线路作业方案应用于线路大机捣固作业后的动静态分析结果看，捣固后TQI值（轨距除外）降幅均在25%左右；人工测量的225.05 km线路作业方案应用于线路大机捣固作业，捣固后TQI值（轨距除外）降幅均在20%以下，惯导小车测量作业效果明显优于人工测量。
4 结语
惯性导航轨道几何状态检测技术为既有普铁线路大机精确捣固提作业供了新的思路，为实现既有普铁线路大机捣固由按照设定固定起道量、修正曲线正矢偏差的普通捣固作业模式向最大化恢复既有普铁线路线型，整治线路长波高低、方向不良的精确捣固作业模式转变。经过为期4个月时间的试用，惯导小车测量数据应用于既有普铁线路大机捣固作业效果明显。
《普速铁路线路修理规则》第十章“平面和高程控制网”规定“定期对线路平面和高程控制网进行复测”及“允许速度120 km/h及以上的线路宜建立、使用平面和高程控制网”，惯性导航轨道几何状态检测技术在不需要建立测量平面和高程控制网基础上，选取固定参照点即可实现既有普铁线路线型的平纵断面测量，为逐步建立既有普铁线路线型观测大数据基础库提供可能，为进一步实现既有普铁线路平纵断面线型整体变化分析提供可能。
基金项目：
本文系国铁集团重点课题《北斗、GPS与惯导组合轨道几何状态快速测量技术研究及应用》课题编号：N2019G026
参考文献：
[1] TG/GW 102－2019 普速铁路线路修理规则[M]．北京：中国铁道出版社，2019.
[2]曾润国.卫星定位与惯导组合高铁轨道平顺性测量系统[A].中国卫星导航定位协会、郑州市人民政府.卫星导航定位与北斗系统应用2019——北斗服务全球 融合创新应用[C].中国卫星导航定位协会、郑州市人民政府：中国卫星导航定位协会，2019：5.
[3]曹振丰.基于标签定位的惯性导航轨道检测方法研究[D].上海工程技术大学，2016.