CN102141375B - 线路全断面自动检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线路全断面自动检测系统，包括自带基准的手推式机械车以及设置于手推式机械车上的旋转激光扫描测距装置、定位装置、数据采集装置、数据分析处理装置和供电装置。旋转激光扫描测距装置和定位装置分别与数据采集装置的输入端相连接；数据采集装置的输出端与数据分析处理装置相连接；旋转激光扫描测距装置设置于手推式机械车的位于线路中心线的车体梁上；数据采集装置具有同步信号生成单元，用于在数据采集同时为数据打上时间标签。基于本发明，能够实现轨道交通线路的全断面自动检测；不依赖于运营车辆和检测车，无需标定和动态补偿，使工务部门能够对线路全断面进行快速、便捷、反复和精确的测量。

Description

线路全断面自动检测系统

技术领域

本发明涉及轨道交通中线路全断面的测量，尤其涉及一种线路全断面自动检测系统。

背景技术

地质变形、自然灾害(如大雨、山洪等)造成的滑坡、运行车辆的动力冲击、落物以及设施的非正常突出和缺失等，将使轨道、隧道、桥梁等基础设施经常发生变形、侵限现象，这些现象的出现严重威胁到轨道交通的畅通和安全。另外，随着我国轨道交通行业的高速发展，大量新建线路与改造线路的施工和验收过程都需要对全部的线路全断面尺寸进行准确的测量，以指导整改作业。同时，运营线路在长期使用过程中也需要复测。

鉴于上述原因，轨道交通中的全断面检测技术变得尤其重要，是轨道交通安全高速运行的基础。

全断面检测技术主要涉及：接触网高度、道床断面、桥隧涵轮廓、邻线间距及限界尺寸等内容的检测。线路全断面的测量方法一般可分为两种：接触式和非接触式。国内外早期普遍采用接触式的测量方法。机械触手式检测法是在平车上装一个框架，伸出若干触手。当平车行走时，各触手与隧道洞壁接触，装在触手部位的传感器将移动信号变为电信号，然后放大记录，可绘制出不同位置的纵、横断面图，还可配上计算机进行处理。这种方法设备简单，造价低廉，但测量精度低、自动化程度差，只适用在隧道洞体变形的检测。国内对于隧道轮廓和道床断面的测量，多采用地面仪器仪表或装置进行测量，或通过检测车进行部分参数的测量，如轨道检测车、隧道限界检测车等，一般采用激光辅助的三角形测量原理，此方法易受振动和阳光干扰，而且测量的断面参数不全，仅能覆盖标准限界附近的范围，不适合检测邻线间距、线路边坡等远离标准限界的断面参数，因而无法满足线路安全状态检测以及超大货物运输等实际应用的要求。由于这些传统方式无法同时保证检测的及时性与全面性，因而无法从根本上满足大量繁忙线路的安全状态监测需求。近年来也有研究在检测车或运营车上加装全断面检测设备进行全断面尺寸的测量，但由于车体振动，需要安装陀螺仪、位移计进行振动姿态的补偿，算法复杂，造价高。

发明内容

为方便工务部门对线路全断面进行检测，本发明提供了一种线路全断面自动检测系统。基于本发明，工务部门能够对线路全断面进行快速、便捷、反复和精确的测量。

本发明一种线路全断面自动检测系统，包括：自带基准的手推式机械车；以及设置于所述手推式机械车上的旋转激光扫描测距装置、定位装置、数据采集装置、数据分析处理装置和供电装置；其中，所述旋转激光扫描测距装置和所述定位装置分别与所述数据采集装置的输入端相连接；所述数据采集装置的输出端与所述数据分析处理装置相连接；所述供电装置分别与所述旋转激光扫描测距装置、所述定位装置和所述数据采集装置相连；并且，所述旋转激光扫描测距装置设置于所述手推式机械车的位于线路中心线的车体梁上；所述数据采集装置具有同步信号生成单元，用于在数据采集同时为数据打上时间标签；所述旋转激光扫描测距装置包括两个旋转激光扫描传感器，每一所述旋转激光扫描传感器包括激光器、光电传感器和控制处理单元；所述激光器发射激光脉冲，激光脉冲碰到障碍物发生漫反射，反射脉冲被光电传感器接收，输出一个电脉冲信号。控制处理单元将出射脉冲与反射脉冲的时间差的一半乘以光速，即可获得传感器与障碍物之间的距离。

上述线路全断面自动检测系统，优选所述定位装置包括基于轮轴测速的第一定位单元，所述第一定位单元中设置有转速传感器。

上述线路全断面自动检测系统，优选所述定位装置还包括基于特征点识别的第二定位单元，所述第二定位单元中设置有点式激光传感器和/或电涡流传感器。

上述线路全断面自动检测系统，优选所述自带基准的手推式机械车包括：设置于所述手推式机械车底部的两个基准轮和弹簧装置，在使用时，通过弹簧装置使所述两个基准轮紧靠于一侧的钢轨上。

上述线路全断面自动检测系统，优选所述供电装置为蓄电池组。

上述线路全断面自动检测系统，优选所述数据采集装置包括多个数据采集卡。

上述线路全断面自动检测系统，优选所述数据采集通过USB、以太网和/或串口的方式与所述数据分析处理装置的相连接。

上述线路全断面自动检测系统，优选所述数据分析处理装置为便携式计算机。

相对于现有技术而言，本发明能够实现轨道交通线路的全断面自动检测，精度能达到±5mm；并且，本发明采用手推式运行，不依赖于运营车辆和检测车，无需标定和动态补偿；系统能自动采集、记录、处理和数据分析、存储，非常适合于工务部门对线路的检修和新线在建设阶段和验收阶段对线路全断面尺寸的评判。

附图说明

图1为本发明线路全断面自动检测系统实施例的硬件连接示意图；

图2为本发明线路全断面自动检测系统实施例中，旋转激光扫描测距装置的结构示意图；

图3为本发明线路全断面自动检测系统另一实施例的硬件连接示意图；

图4为本发明线路全断面自动检测系统实施例中，数据分析处理软件系统的示意图；

图5为本发明线路全断面自动检测系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

参照图1，图1为本发明线路全断面自动检测系统实施例的硬件连接示意图。该实施例包括：自带基准的手推式机械车(未示出)、设置于手推式机械车上的旋转激光扫描测距装置1、定位装置2、数据采集装置3、数据分析处理装置4和供电装置5；并且，旋转激光扫描测距装置1设置于手推式机械车的位于线路中心线的车体梁上；其中，旋转激光扫描测距装置1和定位装置2分别与数据采集装置3的输入端相连接；数据采集装置3的输出端与数据分析处理装置4相连接；供电装置5分别与旋转激光扫描测距装置1、定位装置2和数据采集装置3相连，实现为旋转激光扫描测距装置1、定位装置2和数据采集装置3供电。数据采集装置3具有同步信号生成单元，用于在数据采集同时为数据打上时间标签。

自带基准的手推式机械车是指，车底部装有两个基准轮，通过弹簧装置可以在使用时让这两个基准轮紧靠在一侧线路(例如，钢轨)上，两个基准轮和旋转激光传感器安装的测量梁为刚性连接，这样就为检测系统提供了一个测量基准(钢轨中心线)。

参照图2，旋转激光扫描测距装置1包括两个旋转激光扫描传感器11，旋转激光扫描传感器11包括激光器111、光电传感器112、控制处理单元113和旋转马达114。

在工作时，两个旋转激光扫描传感器基于脉冲式激光测距原理，可以完成一定范围内的距离检测。激光器111发射一个激光脉冲，脉冲的出射角度由旋转马达114控制。激光脉冲碰到障碍物发生漫反射，反射脉冲被光电传感器112接收，输出一个电脉冲信号。控制处理单元113将出射脉冲与反射脉冲的时间差的一半乘以光速，即可获得传感器与障碍物之间的距离。当旋转马达114以一定角速度旋转时，激光脉冲可以扫描不同角度上的障碍物，进而获得全断面尺寸。两个旋转激光扫描传感器11组合可完成270度范围内的检测。

全断面的检测是由两个旋转激光扫描传感器11采集的数据拼接得到，断面拼接对系统有时间和位置的要求，在两个传感器精确安装的前提下，必须是同一时刻同一位置采集的数据才能拼接出正确的断面，这样就需要一个包含时间和位置的同步信号。本实施例通过如下方式完成上述功能：数据采集装置3具有同步信号生成单元，能够在采集信号的同时，为数据打上时间标签；同时，基于定位装置2，能够为采集得到的数据进行定位，并将定位数据发送至数据采集单元3。由此可见，定位装置2和数据采集装置3在采集数据的同时，还为采集的数据确定了对应的位置和时间的标签。

为了进行趋势分析和数据回放分析，必须将断面数据与位置或时间进行匹配。本实施例基于数据分析处理装置4，采用如下三种分析方式：一种是以时间为横轴，对检测结果进行数据分析和回放；另一种是以距离为横轴，对一次某个区段的数据进行分析，第三种以距离为横轴，对不同的时间检测的多条曲线进行对比分析。

在该实施例中，旋转激光扫描测距装置1设置在手推式机械车位于线路中心线的车体梁上，具体地，可以采用刚性连接安装在机械小车的中间梁上；并且，旋转激光扫描测距装置1中传感器的装角度通过工装事先确定，这样的好处是，各个设备无需进行现场标定。因为，在现有技术来说，装在运营车辆或检测车上的设备在使用前都要进行静态标定。而铁路现场工况恶劣，标定过程繁杂而且不容易达到很高的精度。另外，机械小车中间梁与轮对为刚性连接、轮对与钢轨之间为刚性接触，因此不存在弹性振动带来的姿态误差，因此不需要进行振动姿态补偿。

实施例二

参照图3，图3为本发明线路全断面自动检测系统另一实施例的硬件连接示意图。

该实施例包括：自带基准的手推式机械车(未示出)、设置于手推式机械车上的旋转激光扫描测距装置1、基于轮轴测速的第一定位单元21、基于特征点识别的第二定位单元22、包括数据采集卡31和数据采集卡32的数据采集装置3、便携式计算机41和蓄电池组51。

并且，旋转激光扫描测距装置1设置于手推式机械车的位于线路中心线的车体梁上；其中，旋转激光扫描测距装置1、基于轮轴测速的第一定位单元21、基于特征点识别的第二定位单元22分别与数据采集装置3的输入端相连接；数据采集装置3的输出端通过USB口、以太网和串口与便携式计算机41相连接；蓄电池组51分别与旋转激光扫描测距装置1、基于轮轴测速的第一定位单元21、基于特征点识别的第二定位单元22和数据采集装置3相连，实现为上述设备供电。数据采集卡31和数据采集卡32具有同步信号生成单元，用于在数据采集同时为数据打上时间标签。

同实施例一，旋转激光扫描测距装置1如图2所示，包括两个旋转激光扫描传感器11，旋转激光扫描传感器11包括激光器111、光电传感器112、控制处理单元113和旋转马达114。

同实施例一，在工作时，两个旋转激光扫描传感器基于脉冲式激光测距原理，可以完成一定范围内的距离检测。激光器111发射一个激光脉冲，脉冲的出射角度由旋转马达114控制。激光脉冲碰到障碍物发生漫反射，反射脉冲被光电传感器112接收，输出一个电脉冲信号。控制处理单元113将出射脉冲与反射脉冲的时间差的一半乘以光速，即可获得传感器与障碍物之间的距离。当旋转马达114以一定角速度旋转时，激光脉冲可以扫描不同角度上的障碍物，进而获得全断面尺寸。两个旋转激光扫描传感器11组合可完成270度范围内的检测。

全断面的检测是由两个旋转激光扫描传感器11采集的数据拼接得到，断面拼接对系统有时间和位置的要求，在两个传感器精确安装的前提下，必须是同一时刻同一位置采集的数据才能拼接出正确的断面，这样就需要一个包含时间和位置的同步信号。

本实施例通过如下方式完成上述功能：数据采集卡31和数据采集卡32具有同步信号生成单元，能够在采集信号的同时，为数据打上时间标签；同时，基于轮轴测速的第一定位单元21设置转速传感器，通过转速传感器确定数据的里程，进而确定采集的数据所对应的位置；但是，如果仅仅依靠轮轴测速的方法，容易带来测量误差，为实现精确定位，本实施例还包括基于特征点识别的第二定位单元22，如该单元用于进行扣件的检测与识别、道岔的检测与识别等。并将定位数据发送至数据采集装置3。

基于轮轴测速的第一定位单元21的工作原理如下：采用光电转速传感器对自带基准的手推式机械车的走行轮进行转速测量，通过软联轴器与走行轮的轴进行连接，光电转速传感器每转一圈输出一定数量的脉冲(如每转1圈输出200个脉冲)，走行距离等于走行轮的周长，周长除以一周的脉冲数就等于每输出一个脉冲走行的距离，通过检测光电转速传感器输出的脉冲数就可以计算出小车的走行距离，如果初始位置已知，根据走行距离就可以进行检测位置的定位。

基于特征点识别的第二定位单元22中包括是点式激光传感器和电涡流传感器。其中，点式激光传感器对线路的特征进行测量(如轨枕)，其根本原理也是基于测距原理，因为线路轨枕和道床不是处于相同高度，而轨枕又是均匀分布的，因此能从检测的距离数据中识别出轨枕，轨枕间距是固定的，因此也可以用识别的轨枕个数乘以轨枕间距来实现定位。另一种方式是利用电涡流传感器来检测钢轨扣件，电涡流传感器对金属有电涡流效应，对混凝土道床、枕木、道砟没有，因此只有在经过扣件时才会有信号输出，扣件在线路上也是均匀分布的，通过识别扣件即可计算出小车的走行距离，实现定位。基于特征点识别的定位方式对于多次测量趋势分析(如洞体变形分析)在寻找同一参考点具有重要意义。

数据采集装置3将数据发送至便携式计算机后，为进行趋势分析和数据回放分析，必须将断面数据与位置或时间进行匹配。本实施例有三种数据分析方式，一种是以时间为横轴，对检测结果进行数据分析和回放；另一种是以距离为横轴，对一次某个区段的数据进行分析，第三种以距离为横轴，对不同的时间检测的多条曲线进行对比分析。

将采集的断面数据与位置/时间进行匹配后，需借助安装于便携式计算机41内的数据分析处理软件实现如下功能：第一、实时以图形化的方式显示检测的全断面数据，计算出邻线间距、接触网高度并判断是否有侵入限界点，并将检测数据、时间信息、位置信息、报警信息等记录到Oracle数据中；第二、读取数据库中的数据完成数据回放、趋势分析、打印报表等功能。参照图4，图4为本发明线路全断面自动检测系统实施例中，数据分析处理软件系统的示意图。

参照图5，图5为上述实施例的结构示意图。如图所示，包含自带基准的手推式机械车、旋转激光扫描测距系统1、基于轮轴测速的第一定位单元21和基于特征点识别的第二定位单元、数据采集卡31和数据采集卡32、用于进行数据分析、处理、存储的便携式计算机41以及蓄电池组51。

自带基准的手推式车在进行全断面检测时由操作者推行在线路上行走，所有设备均安装在车上，旋转激光扫描测距系统1的旋转激光扫描传感器安装在位于轨道中心线的车体梁上，刚性连接，增大材料刚度保证没有振动，小车在运行前调整基准，使基准轮仅靠左轨。

蓄电池组51给旋转激光扫描测距系统1、第一定位单元21中的轮轴测速传感器、第二定位单元22中的特征点检测传感器、数据采集卡供电，在系统电源开启后，计算机内的软件运行，系统初始化所有传感器，给相应的传感器发送命令字，设置参数(如每100脉冲的毫米数，以此来计算行走里程)后，系统即可开始进行全断面检测。带有时间和里程标签的断面检测数据经数据采集卡、计算机通用接口(如USB或以太网口或串口)进入计算机的数据采集系统。

在数据采集的同时要进行实时数据处理，计算接触网高度、邻线间距、侵限判断等，同时要显示各传感器的工作状态，以及当前检测线路的平纵断面参数。在数据采集停止后，可以对采集过程中存储的文本数据、超限位置图片进行数据库的操作，以完成数据回放、超限打印、限界变化趋势分析等。

并且，在该实施例中，旋转激光扫描测距装置1设置在手推式机械车位于线路中心线的车体梁上，具体地，可以采用刚性连接安装在机械小车的中间梁上；并且，旋转激光扫描测距装置1中传感器的装角度通过工装事先确定，这样的好处是，各个设备无需进行现场标定。因为，在现有技术来说，装在运营车辆或检测车上的设备在使用前都要进行静态标定。而铁路现场工况恶劣，标定过程繁杂而且不容易达到很高的精度。另外，机械小车中间梁与轮对为刚性连接、轮对与钢轨之间为刚性接触，因此不存在弹性振动带来的姿态误差，因此不需要进行振动姿态补偿。

综上，上述实施例基于非接触式的旋转激光扫描测距原理，能够在其测量范围内获取270度内物体的距离，同时旋转激光测距传感器之间采用脉冲信号进行同步，保证扫描点在同一断面内，经数据采集卡和计算机接口(USB或以太网或串口)连接到计算机，计算机内的数据分析处理软件实时采集激光传感器、轮轴测速传感器、特征点识别传感器的数据，进行实时处理、绘出断面图，计算接触网高度、邻线间距，判断是否有侵入限界点，给出报警信息，并将采集及处理数据存储到数据库中，通过多次检测，可定期对线路全断面数据的变化进行趋势分析。本发明实施例将方便工务部门对线路全断面进行快速、便捷、反复的测量；并且，该系统与钢轨之间为刚性接触，推行速度不快，不存在姿态误差，无需进行动态补偿，因此检测速度快，算法相对简单，使用方便，能实现精确测量，大大提高工作效率，非常适合用于日常线路维修和新线建设过程中的质量监督。

以上对本发明所提供的一种线路全断面自动检测系统进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种线路全断面自动检测系统，其特征在于，包括：

自带基准的手推式机械车；以及

设置于所述手推式机械车上的旋转激光扫描测距装置、定位装置、数据采集装置、数据分析处理装置和供电装置；其中：

自带基准的手推式机械车是指，车底部装有两个基准轮，通过弹簧装置在使用时让这两个基准轮紧靠在一侧线路钢轨上，这样就为检测系统提供了一个测量基准钢轨中心线；

所述旋转激光扫描测距装置和所述定位装置分别与所述数据采集装置的输入端相连接；所述数据采集装置的输出端与所述数据分析处理装置相连接；所述供电装置分别与所述旋转激光扫描测距装置、所述定位装置和所述数据采集装置相连；

并且，所述旋转激光扫描测距装置通过刚性连接安装于所述手推式机械车的位于线路中心线的车体中间梁上，并且旋转激光扫描测距装置中传感器的安装角度通过工装事先确定；所述数据采集装置具有同步信号生成单元，用于在数据采集同时为数据打上时间标签；所述旋转激光扫描测距装置包括两个旋转激光扫描传感器，手推式机械车车体中间梁与两个基准轮为刚性连接、两个基准轮与钢轨之间为刚性接触；

所述定位装置包括基于轮轴测速的第一定位单元，所述第一定位单元中设置有转速传感器；

所述定位装置还包括基于特征点识别的第二定位单元，所述第二定位单元中设置有点式激光传感器和/或电涡流传感器。

2.根据权利要求1所述的线路全断面自动检测系统，其特征在于，所述供电装置为蓄电池组。

3.根据权利要求2所述的线路全断面自动检测系统，其特征在于，所述数据采集装置包括多个数据采集卡。

4.根据权利要求3所述的线路全断面自动检测系统，其特征在于，所述数据采集装置通过USB、以太网和/或串口的方式与所述数据分析处理装置相连接。

5.根据权利要求4所述的线路全断面自动检测系统，其特征在于，所述数据分析处理装置为便携式计算机。

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