一种轨道形位监测系统及方法与流程

1.本发明涉及一种轨道形位监测系统及方法，属于铁路监测技术领域。


背景技术：

2.铁路作为交通运输体系的重要组成部分，在促进国民经济发展和人民生活中起着极其重要的作用，但是铁路在日常的运营中，由于列车的反复压迫和冲击下，轨道将出现横向、垂向和纵向的动态变形和永久变形，会使轨道存在各种安全隐患，因此，准确地了解轨道形位对铁路安全运营及评估具有重要意义。
3.现有的轨道监测设备在进行工作时，测量的过程较为复杂，工作量较大，容易增加监测设备的成本，影响装置的实用性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种轨道形位监测系统及方法，解决现有的轨道形位监测的过程较为复杂，工作量较大的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.第一方面，本发明提供了一种轨道形位监测系统，包括靶点单元、滑轨单元、测量单元、后处理单元和应用单元；
7.靶点单元：包括标定靶点和多个测量靶点，在定位截面中，轨道的不同轨道面上均设有测量靶点，标定靶点设置包括但不限于所述轨道一侧的挡板上，所述测量靶点用于随着轨道形位的变化而变化，所述标定靶点不随轨道形位的变化而变化；
8.滑轨单元：用于带动测量单元进行滑动定位；
9.测量单元：用于采集靶点单元的初始数据及定位截面中靶点单元的监测数据；
10.后处理单元：用于根据靶点单元的初始数据及定位截面中靶点单元的监测数据，计算定位截面中靶点单元的三维坐标；
11.应用单元：用于根据多个定位截面中靶点单元的三维坐标，将监测长度段的轨道形位进行展示；
12.其中，所述定位截面为测量单元停止时其纵坐标所形成的横截面，监测长度段为滑轨单元的总长。
13.进一步的，所述滑轨单元包括滑轨总成、水平运动机构、供电系统和控制中心，所述滑轨总成设置于所述轨道一侧的纵向桥体结构上，所述滑轨总成不随轨道形位的变化而变化，所述水平运动机构用于带动测量单元沿着滑轨总成的方向进行滑动定位，所述供电系统用于对水平运动机构供电，所述控制中心用于控制水平运动机构的运动位置。
14.进一步的，所述滑轨总成包括多个无缝拼接的滑轨。
15.进一步的，所述测量单元包括视觉测量仪和激光测量仪，所述视觉测量仪与所述激光测量仪在同一竖截面固定连接，所述视觉测量仪用于测量靶点单元的纵向位移与竖向位移，所述激光测量仪用于测量其与靶点单元的相对距离。
16.进一步的，所述标定靶点与所述视觉测量仪垂直夹角小于30
°
。
17.第二方面，本发明提供了一种轨道形位监测方法，基于第一方面的轨道形位监测系统，包括以下步骤：
18.采集靶点单元的初始数据及定位截面中靶点单元的监测数据；
19.基于靶点单元的初始数据及定位截面中靶点单元的监测数据，计算定位截面中视觉测量仪的竖向位移与纵向位移；
20.基于靶点单元的初始数据、定位截面中靶点单元的监测数据及定位截面中视觉测量仪的竖向位移与纵向位移，计算定位截面中测量靶点的纵向位移、竖向位移和横向位移，得到定位截面中测量靶点的三维坐标；
21.基于多个定位截面中测量靶点的三维坐标，将监测长度段的轨道形位进行展示。
22.进一步的，采集靶点单元的初始数据及定位截面中靶点单元的监测数据包括：
23.滑轨单元带动测量单元纵向滑动一次，测量单元获得标定靶点和测量靶点的空间参数作为初始数据；
24.滑轨单元带动测量单元滑动至定位截面上，测量单元获得标定靶点和测量靶点的空间参数作为轨道的监测数据。
25.进一步的，基于靶点单元的初始数据及定位截面中靶点单元的监测数据，计算定位截面中视觉测量仪的竖向位移与纵向位移包括：
26.视觉测量仪的纵向位移s
δx
：
27.s
δx
＝b
δx-b
δx0
28.视觉测量仪的竖向位移s
δx
：
29.s
δz
＝b
δz-b
δz0
30.其中，b
δx
为定位截面中视觉测量仪测量到标定靶点的纵向位移；b
δz
为定位截面中视觉测量仪测量到标定靶点的竖向位移；b
δx0
为测量单元纵向滑动一次时，视觉测量仪测量到标定靶点的纵向位移；b
δz0
为测量单元纵向滑动一次时，视觉测量仪测量到标定靶点的竖向位移。
31.进一步的，基于靶点单元的初始数据、定位截面中靶点单元的监测数据及定位截面中视觉测量仪的竖向位移与纵向位移，计算定位截面中测量靶点的纵向位移、竖向位移和横向位移包括：
32.测量靶点的纵向位移gnδx：
33.gnδx＝cnδx-cnδx
0-s
δx
34.测量靶点的竖向位移gnδz：
35.gnδz＝cnδz-cnδz
0-s
δz
36.测量靶点的横向位移gnδy：
[0037][0038]
其中，cnδx为定位截面中视觉测量仪测量到测量靶点的纵向位移；cnδz为定位截面中视觉测量仪测量到测量靶点的竖向位移；n为测量靶点的标号；cnδx0为测量单元纵向滑动一次时，视觉测量仪测量到测量靶点的纵向位移；cnδz0为测量单元纵向滑动一次时，视觉测量仪测量到测量靶点的竖向位移；l
0n
为测量单元纵向滑动一次时，激光测距仪与其
中一个测量靶点的距离；ln为定位截面中激光测距仪与该测量靶点的距离；dn为测量单元纵向滑动一次时，该测量靶点与激光测距仪的水平距离。
[0039]
进一步的，得到定位截面中靶点单元的三维坐标包括；
[0040]
基于定位截面中测量靶点的纵向位移、竖向位移和横向位移，得到定位截面中测量靶点的三维坐标(gnδx+xn、gnδy+yn、gnδz+zn)；
[0041]
其中，xn、yn、zn为测量单元纵向滑动一次时，测量靶点在轨道上的位置坐标。
[0042]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0043]
1、本发明通过测量单元与靶点单元配合，可同时对于轨道的三维几何形位进行监测，结合后处理单元，计算轨道的三维几何形位变化，从而完成轨道形位的监测工作，简化了轨道监测时的测量过程，同时提高了测量精度，滑轨单元提高了装置的监测范围，保证了装置的实用性；
[0044]
2、本发明为非接触式轨道形位监测系统，在待监测轨道上粘贴测量靶点即可，系统安装之后，可长期用于对轨道形位进行非接触式监测，并且可以全天候进行监测工作，当需要对于轨道进行监测时，滑轨单元带动测量单元从其的一端运动到另一端，即可获得位于滑轨单元一侧的轨道实时的三维几何形位；
[0045]
3、本发明布设灵活，满足测量靶点纵向间距可调、多条待测钢轨同时监测、滑轨单元主动定位控制，可应用于有砟轨道桥梁、无砟轨道桥梁、荷载试验、铁路桥梁健康监测系统。
附图说明
[0046]
图1是根据本发明实施例提供的一种轨道形位监测系统的系统框架示意图；
[0047]
图2是根据本发明实施例提供的测量单元的结构示意图；
[0048]
图3是根据本发明实施例提供的靶点单元的布设示意图；
[0049]
图4是根据本发明实施例提供的测量单元的监测工作示意图；
[0050]
图5是根据本发明实施例提供的测量靶点横向位移计算示意图。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0052]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0053]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0054]
实施例一：
[0055]
如图1-5所示，本发明提供了一种轨道形位监测系统，包括靶点单元、滑轨单元、测量单元、后处理单元和应用单元；靶点单元：包括标定靶点和多个测量靶点，在定位截面中，轨道的不同轨道面上均设有测量靶点，标定靶点设置包括但不限于所述轨道一侧的挡板上，所述测量靶点用于随着轨道形位的变化而变化，所述标定靶点不随轨道形位的变化而变化；滑轨单元：用于带动测量单元进行滑动定位；测量单元：用于采集靶点单元的初始数据及定位截面中靶点单元的监测数据；后处理单元：用于根据靶点单元的初始数据及定位截面中靶点单元的监测数据，计算定位截面中靶点单元的三维坐标；应用单元：用于根据多个定位截面中靶点单元的三维坐标，将监测长度段的轨道形位进行展示；
[0056]
其中，所述定位截面为测量单元停止时其纵坐标所形成的横截面，监测长度段为滑轨单元的总长，标定靶点粘贴位置包括但不限于有砟轨道的道砟挡墙、无砟轨道的轨道板上。
[0057]
具体的，测量单元安装于滑轨单元上，可在滑轨单元上按预设的位置滑动，可选的，所述滑轨单元可搭载有线或者无线的传感器，以便于实现监控平台在线定位控制功能，可选的，滑轨单元控制测量单元滑动定位的定位截面之间的间距d
xi
设定为1m，本发明为非接触式轨道形位监测系统，在待监测轨道上粘贴测量靶点即可，系统安装之后，可长期用于对轨道形位进行非接触式监测，并且可以全天候进行监测工作，当需要对于轨道进行监测时，滑轨单元带动测量单元从其的一端运动到另一端，即可获得位于滑轨单元一侧的轨道实时的三维几何形位。
[0058]
一种实施例，所述滑轨单元包括滑轨总成、水平运动机构、供电系统和控制中心，所述滑轨总成设置于所述轨道一侧的纵向桥体结构上，所述滑轨总成不随轨道形位的变化而变化，所述水平运动机构用于带动测量单元沿着滑轨总成的方向进行滑动定位，所述供电系统用于对水平运动机构供电，所述控制中心用于控制水平运动机构的运动位置。
[0059]
具体地，所述滑轨总成设置于所述轨道一侧的纵向桥体结构上，其安装位置包括但不限于桥梁一侧的桁架，可选的，所述供电系统采用轨道供电的方式，采用交流220v作为电流输入，从而有效保证滑轨单元长期可靠运行。
[0060]
在本实施例中，所述滑轨总成包括多个无缝拼接的滑轨，根据实际的工作需要，可通过多个滑轨进行拼接，从而延长滑轨总成的长度，使得测量单元可以进行长距离的移动，从而保证了装置的监测范围。
[0061]
一种实施例，所述测量单元包括视觉测量仪和激光测量仪，所述视觉测量仪与所述激光测量仪在同一竖截面固定连接，两者安装于水平运动机构上，可随着水平运动机构在轨道总成上滑动定位，所述视觉测量仪用于测量靶点单元的纵向位移与竖向位移，所述激光测量仪用于测量其与靶点单元的相对距离，其中，本发明通过视觉测量仪、激光测距仪和靶点单元配合工作，可同时对于轨道的三维几何形位进行监测，简化了测量过程，减少了工作量，保证了装置的实用性。
[0062]
可选的，视觉测量仪采用同禾机器视觉智能测量仪，最高频率60hz，可监测靶点纵
向和竖向位移，精度为
±
1/50000fov；激光测距仪采样频率60hz，精度0.1mm；激光测距仪采用mse-ts803系列激光位移传感器，精度0.1mm，测量范围260mm～1510mm，最大频率9400hz。
[0063]
一种实施例，所述标定靶点与所述视觉测量仪垂直夹角小于30
°
，避免两者之间的夹角过大，影响视觉测量仪对于测量靶点的测量工作。
[0064]
本发明通过测量单元与靶点单元配合，可同时对于轨道的三维几何形位进行监测，结合后处理单元，计算轨道的三维几何形位变化，从而完成轨道形位的监测工作，简化了轨道监测时的测量过程，同时提高了测量精度，滑轨单元提高了装置的监测范围，保证了装置的实用性。
[0065]
本发明布设灵活，满足测量靶点纵向间距可调、多条待测钢轨同时监测、滑轨单元主动定位控制，可应用于有砟轨道桥梁、无砟轨道桥梁、荷载试验、铁路桥梁健康监测系统。
[0066]
实施例二：
[0067]
本发明提供了一种轨道形位监测方法，基于实施例一，包括以下步骤：采集靶点单元的初始数据及定位截面中靶点单元的监测数据；
[0068]
采集靶点单元的初始数据及定位截面中靶点单元的监测数据包括：
[0069]
滑轨单元带动测量单元纵向滑动一次，测量单元获得标定靶点和测量靶点的空间参数作为初始数据；
[0070]
滑轨单元带动测量单元滑动至定位截面上，测量单元获得标定靶点和测量靶点的空间参数作为轨道的监测数据。
[0071]
基于靶点单元的初始数据及定位截面中靶点单元的监测数据，计算定位截面中视觉测量仪的竖向位移与纵向位移；
[0072]
基于靶点单元的初始数据及定位截面中靶点单元的监测数据，计算定位截面中视觉测量仪的竖向位移与纵向位移包括：
[0073]
视觉测量仪的纵向位移s
δx
：
[0074]sδx
＝b
δx-b
δx0
[0075]
视觉测量仪的竖向位移s
δx
：
[0076]sδz
＝b
δz-b
δz0
[0077]
其中，b
δx
为定位截面中视觉测量仪测量到标定靶点的纵向位移；b
δz
为定位截面中视觉测量仪测量到标定靶点的竖向位移；b
δx0
为测量单元纵向滑动一次时，视觉测量仪测量到标定靶点的纵向位移；b
δz0
为测量单元纵向滑动一次时，视觉测量仪测量到标定靶点的竖向位移。
[0078]
其中，当滑轨单元带动视觉测量仪运动时，视觉测量仪容易出现摆动，从而造成误差，本发明通过视觉测量仪与标定靶点配合，得到移动后的视觉测量仪的纵向位移和竖向位移，从而避免视觉测量仪的误差影响测量靶点的监测工作，保证了装置工作的稳定性。
[0079]
基于靶点单元的初始数据、定位截面中靶点单元的监测数据及定位截面中视觉测量仪的竖向位移与纵向位移，计算定位截面中测量靶点的纵向位移、竖向位移和横向位移，得到定位截面中测量靶点的三维坐标；
[0080]
基于靶点单元的初始数据、定位截面中靶点单元的监测数据及定位截面中视觉测量仪的竖向位移与纵向位移，计算定位截面中测量靶点的纵向位移、竖向位移和横向位移包括：
[0081]
测量靶点的纵向位移gnδx：
[0082]gn
δx＝cnδx-cnδx
0-s
δx
[0083]
测量靶点的竖向位移gnδz：
[0084]gn
δz＝cnδz-cnδz
0-s
δz
[0085]
测量靶点的横向位移gnδy：
[0086][0087]
其中，cnδx为定位截面中视觉测量仪测量到测量靶点的纵向位移；cnδz为定位截面中视觉测量仪测量到测量靶点的竖向位移；n为测量靶点的标号，可选的，当轨道的钢轨数量为两条时，n为1、2；cnδx0为测量单元纵向滑动一次时，视觉测量仪测量到测量靶点的纵向位移；cnδz0为测量单元纵向滑动一次时，视觉测量仪测量到测量靶点的竖向位移；l
0n
为测量单元纵向滑动一次时，激光测距仪与其中一个测量靶点的距离；ln为定位截面中激光测距仪与该测量靶点的距离；dn为测量单元纵向滑动一次时，该测量靶点与激光测距仪的水平距离。
[0088]
其中，在定位截面中，认为轨道的多个钢轨的横向位移相同，则多个测量靶点的横向位移gnδy均相等。
[0089]
得到定位截面中靶点单元的三维坐标包括；
[0090]
基于定位截面中测量靶点的纵向位移、竖向位移和横向位移，得到定位截面中测量靶点的三维坐标(gnδx+xn、gnδy+yn、gnδz+zn)；
[0091]
其中，xn、yn、zn为测量单元纵向滑动一次时，测量靶点在轨道上的位置坐标。
[0092]
基于多个定位截面中测量靶点的三维坐标，将监测长度段的轨道形位进行展示。其中，根据采集到的靶点单元的初始数据及多个不同定位截面中靶点单元的监测数据，得到多个不同定位截面中测量靶点的三维坐标，测量靶点随着轨道形位的变化而变化，测量靶点的三维坐标可用于表示轨道形位，从而对于监测长度段的轨道形位进行展示。
[0093]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。