《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《高速铁路轨道空间状态测量成套技术与应用》
1. 项目名称: 高速铁路轨道空间状态测量成套技术与应用
2. 完成单位: 中铁第一勘察设计院集团有限公司
3. 主要完成人: 任晓春、 田社权、 邓川、 周东卫、 徐小左、 许双安、 武瑞宏、 张齐勇、 何金学、 袁永信
高速铁路是我国国民经济发展的重要组成部分,对沿线地区的交通运输、经济发展影响深远。高速铁路轨道定位需达到毫米级的精度,且必须保持长期稳定的高平顺性状态,否则无法实现列车的高速、平稳和舒适运行,严重时将造成列车脱轨,危及旅客人身安全。轨道高平顺性状态的建立与保持,关键在于线路测量尺度空间的高效精准建立与维护。为满足我国高速铁路大规模建设与安全运营需求,研究团队历经10余年潜心研究,通过理论创新、系统集成、工程实践等方式开展科研攻关,建立了高速铁路轨道空间状态测量成套技术与应用体系,有效解决了轨道高平顺性状态的建立与长期保持这一重大技术难题,形成了具有自主知识产权的创新成果。
项目成果先后荣获陕西省科学技术进步奖、中国交通运输协会科技进步奖和中国测绘学会测绘科技进步奖二等奖,中铁建和铁一院科学技术奖一等奖,授权发明专利29项、实用新型专利28项、软件著作权6项、参编行业标准2部、出版专著1部、发表论文20余篇。成果产品通过了原铁道部技术认证,授予铁路专用计量器具新产品技术认证证书,并纳入陕西省科技统筹创新工程计划和中国铁建内部设备产品目录。
项目成果已应用于郑州至西安、大同至西安、西安至宝鸡、西安至成都、银川至西安等十余条高速铁路的建设与运营,累计完成数千公里铁路测量任务,创造产值两亿余元。项目成果打破了国外同类技术和装备在我国高速铁路测量领域的垄断地位,有力地推动了我国高速铁路测量技术的创新和发展,对高速铁路的建设与维护具有重要作用,为“一带一路冶和“走出去冶国家倡议的全面实施奠定了坚实的基础。
创新点一:创建了高速铁路线路测量尺度空间的构建和维护技术体系,解决了建立与维护轨道控制基准相对精度优于1mm的技术难题,首次提出了线路测量尺度空间的构建和维护方法,发明了附加阈值的自由尺度CP芋控制网平差方法,构建了适用于高速铁路全生命周期的轨道控制基准,填补了国内空白。
创新点二:创建了CRTS芋型板式无砟轨道布板设计与定位测量技术体系及装备,突破了布板设计、制板调模、安装定位等多项关键技术,提出了CRTS芋型无砟轨道布板与施工一体化的数据处理方法,发明了CRTS芋型轨道板的定位测量装置,打破了国外专利制约。
创新点三:创建了高速铁路轨道平顺性测量关键技术体系及装备,解决了轨道定位毫米级精确测量的技术难题,提出了轨道平顺性精密测量技术与方法,研制了高速铁路轨道平顺性精密测量系统,发明了用于检定高速铁路轨道测量仪的测量装置,打破了国外技术与装备的垄断。
创新点四:创建了高速铁路线位快速获取与智能重构技术体系及装备,解决了高速铁路运营期行车密集条件下的线路高效精准维护难题,提出了基于车载激光扫描的轨道空间状态快速获取方法,建立了基于靶标控制网的高精度点云约束平差处理方法,突破了高密度海量点云数据的线路线形智能重构技术。
(一)高速铁路线路测量尺度空间的构建和维护技术
1.线路测量尺度空间的构建技术
轨道控制基准与轨道结构是具有相对稳定关系的整体,线路测量尺度空间构建的本质是优先保证相对精度。基于相对精度优先的原则,首次提出了附加阈值的自由尺度拟稳平差构建线路测量尺度空间的方法,该方法既保留了轨道控制基准的高相对精度优势,解决了轨道控制基准相对精度不均的难题,又保证了轨道控制基准的绝对精度。
2.线路测量尺度空间的维护技术
提出了线路测量尺度空间的维护方法,该方法是通过检测任意相邻10对轨道控制基准点的相对稳定性来识别稳定的轨道控制基准点,并以所有稳定的轨道控制基准点为拟稳点,采用自由尺度拟稳平差方法更新轨道控制基准点的坐标,提高了轨道控制基准复测成果的相对精度,保证了绝对基准的统一。
(二)CRTS芋型板式无砟轨道布板设计与定位测量技术及装备
1.CRTS芋型板式无砟轨道布板设计
根据CRTS芋型板式无砟轨道为单元式结构的特点,提出了基于简支梁梁跨长度确定主型板长度及标准板缝的布板设计原则,研发了CRTS芋型板式无砟轨道布板、承轨台调整、轨道板定位等系列算法,首创了顾及CRTS芋型轨道板端头及扣件间距长度可变、适应任意补偿长度的异形板生成方法,实现了特殊地段的自动布板设计。
2.CRTS芋型板式无砟轨道定位测量技术
通过研究CRTS芋型板式无砟轨道结构,率先提出了以承轨台左右外钳口挡肩面为基准的轨道板定位测量方法,发明了一种以承轨台左右外钳口为精确定位、承轨台螺栓孔辅助定位的轨道板定位测量装置,研制了基于手持终端的轨道板精调系统,实现了CRTS芋型板式无砟轨道定位测量的自动化和施工工艺标准化,定位可靠快速,定位精度达到0.5mm。
(三)高速铁路轨道平顺性测量关键技术及装备
1.高速铁路轨道平顺性精密测量系统
提出了高速铁路轨道平顺性精密测量技术与方法,研制了高精度三维测量模式的轨道测量仪,发明了一种直尺悬挂结构,首次实现了轨道测量仪可根据钢轨形态进行自适应调整,率先采用了一种双位移传感器轨距直接精确测量方法,解决了轨道测量仪的轨距测量值需根据线路线形进行补偿处理的难题,已被国内外同类设备借鉴采用。
2.高速铁路轨道测量仪检定技术
针对复杂恶劣应用环境下,轨道测量仪的计量性能和工作状态难以保持长时间稳定,需定期进行检定的难题,提出了高速铁路轨道测量仪标准化检测方法,发明了一种用于检定高速铁路轨道测量仪的光机一体化测量装置,在国内同类设备中,率先采用了双步进电机驱动和光栅测量技术,实现了轨距和超高的自动化精确模拟调节,综合检定精度达到0.01mm。
(四)高速铁路线位快速获取与智能重构技术及装备
1.高速铁路线位快速获取技术
提出了基于车载激光扫描的轨道空间状态快速获取方法,发明了新型高精度靶标装置,建立了基于靶标控制网的高精度点云约束平差处理方法,攻克了高效获取线路集合形位数据的技术难题,实现了“一次获取,多次使用冶的目的,取代了传统上道作业模式,线路几何形位获取精度较国外同类方法提高1倍以上。
2.高速铁路线形智能重构技术
提出了高速铁路既有线路平纵参数的自动解算方法,根据获取的三维激光点云数据,通过构造线路曲线要素的基本单元集解算出相应的线形参数,首次用数学方法唯一地计算出既有线路的平纵参数,解决了参数解算长期由人工试算难以唯一确定的难题,突破了高密度海量点云数据的线路线形智能重构技术,实现了从人工分段局部优化向全线整体优化重构的飞跃。
表 1 本项目与国内外同类技术比较
本项目通过系列新技术、新方法和新装备的研发,构建了满足我国高速铁路大规模建设和长期运营需求的轨道空间状态测量成套技术与应用体系。项目成果于2014年12月5日通过了原铁道部技术认证,授予铁路专用计量器具新产品技术认证证书(证书编号:TJR020820-01-0183),并纳入陕西省科技统筹创新工程计划———战略性新兴产业重大产品(群)项目和中国铁建股份有限公司内部设备产品目录。
目前,项目成果已应用于郑州至西安、大同至西安、西安至宝鸡、西安至成都、银川至西安等十余条高速铁路的建设与运营,且在中国铁路西安局集团有限公司、京石铁路客运专线有限责任公司、中国铁路南宁局集团有限公司、沪昆铁路客运专线江西有限责任公司、京福闽赣铁路客运专线有限公司、宁杭铁路有限责任公司、中铁二十局集团有限公司等多家单位得到了广泛的应用,实现了轨道空间状态毫米级甚至亚毫米级的高效精准测量,有效地建立与保持了轨道的高平顺性,为我国高速铁路高效建成、安全服役奠定了坚实基础。
项目成果已应用于我国十余条高速铁路的建设与运营,累计完成数千公里铁路测量任务,创造产值两亿余元。项目构建了满足我国高速铁路大规模建设和长期运营需求的轨道空间状态测量成套技术与应用体系,有效解决了轨道高平顺建立与长期保持这一重大技术难题,形成了自主知识产权的成套技术与装备,打破了国外同类技术和装备在我国高速铁路测量领域的垄断地位,填补了国内空白,有力地推动了我国高速铁路测量技术的创新和发展,对高速铁路的建设与维护具有重要作用,为“一带一路冶倡议和“走出去冶国家战略的全面实施奠定了坚实的基础。
