CN102692185B - 高铁无砟轨道板快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高铁无砟轨道板快速检测方法，采用安装有双目测距望远镜的检测车进行待调轨道板上各棱镜三维位置的测量，并以所测量出的各棱镜的三维位置为依据，获取该待调轨道板的相关调整量；因此，本发明所述的高铁无砟轨道板快速检测方法，能够克服当前高铁轨道板空间三维位置参数测量时，通常每检测完一定数量的轨道板后，即需要对全站仪重新设站，从而影响精调效率的困难，提供一种以检测车为基准实现高铁无砟轨道板不间断测量的检测方法，基于该方法的仪器不仅可应用于高铁无砟轨道板的铺设。

Description

高铁无砟轨道板快速检测方法

技术领域

本发明涉及一种高铁无砟轨道板快速检测方法，尤其是能够以检测车为基准实现轨道板空间三维位置参数检测的方法。

背景技术

我国是铁路大国，也是高铁大国。在铁路的发展历程中，有砟轨道曾经占居着铁路建设的主导地位，随着社会经济的发展，对铁路运行速度的要求越来越高，由于有砟轨道对速度的限制，我国铁路建设迎来了采用无砟轨道的高铁时代。

世界上第一条高速铁路无砟轨道于上世纪60年代在日本诞生，紧接着德国有了第二条无砟轨道，从此，高速铁路无砟轨道便在世界上悄然发展。目前，我国是世界上高速铁路无砟轨道里程最长、运用最广的国家之一。特别是2008年金融危机之后，我国更是加快了建设步伐，此外，为化解金融危机，一些发达国家也纷纷论证兴建高速铁路的可能性。俄罗斯准备修建海参崴无砟轨道高速铁路，沙特也计划建设250公里长的无砟轨道。

总体来看，我国在高速铁路建设方面不仅速度很快，而且质量也很高，但是相比之下，与高铁建设和安全相关的检测技术和科学仪器却相对不足，特别是2011年发生723事故更是再次敲响了警钟，提醒我们在高速铁路建设的同时，应该更多地关注高铁安全问题，更多地发展高铁相关的科学仪器。

在高铁无砟轨道板的检测方面，我国现有的检测仪器主要为全站仪。如广州南方高速铁路测量技术有限公司所开发的轨道板精调系统，该系统首先采用全站仪对轨道板的空间位置进行检测，进而通过软件计算分析得到相应的轨道板调整量。该轨道板精调系统能够较好地满足应用需求，不足之处在于每检测六块轨道板左右即需要对全站仪重新设站，而全站仪设站又往往耽误较多时间，从而影响了轨道板精调的效率。

发明内容

本发明的目的针对采用全站仪对现有高铁轨道板空间三维位置参数测量时，通常每检测完一定数量的轨道板后，即需要对全站仪重新设站，从而影响精调效率这一难题，提出了以检测车为基准实现高铁无砟轨道板测量的检测方法，该方法不需要设站即可以测量轨道板的三维空间位置参数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高铁无砟轨道板快速检测方法，采用安装有双目测距望远镜的检测车进行待调轨道板上各棱镜三维位置的测量，并以所测量出的各棱镜的三维位置为依据，获取该待调轨道板的相关调整量；所述待调轨道板上各棱镜三维位置的测量具体包括以下步骤：（1）建立三维坐标系XYZ：在待调轨道板端部设置基准点O，并以此基准点O作为三维坐标系XYZ的原点，所述基准点O与双目测距望远镜连线的中点对中，而双目测距望远镜连线与双目测距望远镜的水准面平行设置，且双目测距望远镜连线在双目测距望远镜水准面上的投影与待调轨道板的中心线相垂直，该三维坐标系XYZ的X轴为待调轨道板的中心线、Z轴为待调轨道板端部的基准点O与双目测距望远镜连线中点O’的连线，Y轴则分别与Z轴、X轴相垂直；（2）采用双目测距望远镜的两个镜头分别对待调轨道板上各棱镜进行测距和测角；（3）根据步骤（2）中所测定的各棱镜测距、测角参数，即可获取相应的待调轨道板上各棱镜在三维坐标系XYZ中的空间位置参数。

当后续的各待调轨道板均在双目测距望远镜的视域内时，对后续的各待调轨道板依次地重复进行步骤（2）、步骤（3）操作，即可获得各待调轨道板上所安装棱镜在三维坐标系XYZ中的空间位置参数；当后续的某一待调轨道板超出双目测距望远镜的视域时，先选取任一块已经过测量的待调轨道板作为新基准，接着将检测车前行至所选取的待调轨道板附近，接着以该所选取的待调轨道板上各棱镜在三维坐标系XYZ中的空间位置参数为依据，对检测车上的双目测距望远镜进行定位，获取此时双目测距望远镜在三维坐标系XYZ中的空间位置参数，然后依次进行步骤（2）、（3）的操作，即可获得后续的位于新基准处双目测距望远镜视域内的各待调轨道板上所安装棱镜在三维坐标系XYZ中的空间位置参数。

所选取的待调轨道板与前述超出双目测距望远镜视域的待调轨道板相邻近。

根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点：

本发明所述的高铁无砟轨道板快速检测方法，能够克服当前高铁轨道板空间三维位置参数测量时，通常每检测完一定数量的轨道板后，即需要对全站仪重新设站，从而影响精调效率的困难，提供一种以检测车为基准实现高铁无砟轨道板不间断测量的检测方法，基于该方法的仪器不仅可应用于高铁无砟轨道板的铺设。

附图说明

图1是本发明一种高铁无砟轨道板快速检测方法的示意图。

其中有：检测车1、左目望远镜2、右目望远镜3、底座板4、轨道板5、棱镜6及精调标架7。

图2是本发明的数学模型示意图。

其中有：水准面8、基准点9。

图3是本发明左目望远镜的测量示意图。

图4是本发明右目望远镜的测量示意图。

图5是本发明双目测距望远镜测量邻近轨道板的示意图。

图6是本发明双目测距望远镜重新定位的示意图。

图7是本发明重新定位后的检测车的测量示意图。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

图1是本发明一种高铁无砟轨道板快速检测方法的示意图。其中有检测车1、左目望远镜2、右目望远镜3、底座板4、轨道板5、棱镜6及精调标架7。其中，检测车1置于底座板4的上方，左目望远镜2和右目望远镜3位于检测车1的上前方，轨道板5位于检测车1的正前方，并置于底座板4的上方，棱镜6通过精调标架7置于轨道板5的承轨台上。

在第一次检测时，将左目望远镜2和右目望远镜3构成的双目测距望远镜的中心点与待调轨道板端的基准点强制对中，并调整双目测距望远镜，使其连线与水准面平行，且在水平面上的投影垂直于轨道中心线。经此调整后，将可实现以基准点为原点，以检测车1为基准对轨道板5进行检测。

检测车1调整完毕后，检测车1上双目测距望远镜的两个镜头的空间位置即为已知，据此可分别对设置于轨道板5上的棱镜6进行测距和测角。

根据上述双目测距望远镜检测得到的参数可计算分析得到轨道板5上各个棱镜6的空间位置参数，从而可将其与轨道板5的设计参数进行比较，以进一步得到轨道板5的相关调整量。

检测车1检测完第一块轨道板5后，可依次对邻近的轨道板进行检测，并逐一给出相应轨道板的三维空间位置参数。

当待检测的轨道板距离较远时，检测车1可前行至接近刚检测完毕的最远的轨道板，并以该轨道板上精调标架7的六个棱镜6的位置参数为依据对检测车1的双目测距望远镜进行精确定位，进而得到双目测距望远镜的三维空间位置参数。当双目测距望远镜被精确定位后，检测车1即可继续对后续的轨道板进行检测，从而得到相应轨道板的三维空间位置参数，直至全部轨道板被检测完毕。

图2是本发明的数学模型示意图。其中有水准面8、基准点9。

图中，B表示左目望远镜2，A表示右目望远镜3，AB之间的距离为l_AB，O为强制对中的基准点，O′为AB的中点，O－O′之间的高度为h，C、D、E、F、G、H分别代表轨道板5上的六个棱镜6，单侧棱镜C－D－E和F－G－H之间的间距为a，相对棱镜C－F、D－G和E－H之间的距离为l。α为AB与铅垂线的角度，β₁，γ₁，δ₁，β₂，γ₂，δ₂分别为棱镜C、D、E、F、G、H与铅垂线的夹角。

进一步地，建立以基准点O为原点，O－O′为Z轴，水准面上轨道中心线方向为X轴，水准面上与X、Z垂直的方向为Y轴的三维坐标系，并假定任意两点之间的距离以l表示，并用两点的字母符号作为下标，假定棱镜C、D、E、F、G、H的坐标分别为（Xc，Yc，Zc），（Xd，Yd，Zd），（Xe，Ye，Ze），（Xf，Yf，Zf），（Xg，Yg，Zg），（Xh，Yh，Zh）。则经过上述假定后，在图示坐标系中，双目测距望远镜A（0，－lab/2，ha）、B（0，lab/2，hb）与各棱镜的空间坐标关系为：

A－B在水准面上的投影长度为l_AB*sinα，假定第一次检测时，基准点O处于中心位置，则AB的坐标分别为A（0，-l_ABsinα/2，ha），B（0，l_ABsinα/2，hb）。

进一步地有，

（Xc－0）²+（Yc－l_ABsinα/2）²=(l_BCsinβ₂)²

（Xc－0）²+（Yc+l_ABsinα/2）²=(l_ACsinβ₁)²

Z_C=ha－lACcosβ₁=hb－lBCcosβ₂

上述方程中，共有三个方程，三个未知量，所以可以求得（Xc，Yc，Zc）的唯一解。

棱镜D、E、F、G、H的空间坐标与A、B之间的关系方程可同理推导求解。

所以，在A、B坐标确定的情况下，通过双目测距望远镜可唯一确定各棱镜的空间坐标位置参数。

由于棱镜C－D－E，及F－G－H之间的距离均为定长a，C－F、D－G及E－H之间的尺寸均为定长l，这二个尺寸可以作为坐标校验与修正。

图3、图4分别是本发明左目望远镜2和右目望远镜3测量棱镜时的示意图。

图5是本发明双目测距望远镜测量邻近轨道板的示意图。当紧邻检测车的轨道板检测完毕后，可继续对邻近的轨道板上棱镜的空间位置参数进行检测。

图6是本发明双目测距望远镜重新定位的示意图。当近处的轨道板检测完毕后，检测车可行进至已检测完毕的最远的轨道板附近，以便对远处的待调轨道板继续检测，本申请中，检测车位置的调整，以待调轨道板是否位于双目测距望远镜的视域内为标准。由于检测车在行进过程中，其空间位置参数已经发生变化，这时在新的位置处，需要对检测车上的双目测距望远镜进行重新定位。

对双目测距望远镜重新定位的方法是用之前已经检测过的最后一个轨道板作为基准对双目测距望远镜的左目望远镜2和右目望远镜3的空间位置参数进行反算求解。

求解的数学模型如图2所示。图中假设轨道板5已经检测完毕，则棱镜C、D、E、F、G、H的空间位置参数即为已知。这时可以通过左目望远镜2和右目望远镜3测得A、B到各个棱镜的距离以及相应的垂直角β₁，γ₁，δ₁，β₂，γ₂，δ₂。这时A、B在水准面上的投影可能已经与轨道中心线方向不垂直了，但仍然可以据此进一步求得A、B的空间位置坐标参数。

假定A、B的坐标分别为（X_A，Y_A，Z_A），（X_B，Y_B，Z_B），则有，

X_A=X_C-l_ACsinβ₁*sin{arccos{[l^2+(l_ACsinβ₁)^2-(l_AFsinβ₁₂)^2]/2l(l_ACsinβ₁)}}

Y_A=Y_C+l_ACsinβ₁*cos{arccos{[l^2+(l_ACsinβ₁)^2-(l_AFsinβ₁₂)^2]/2l(l_ACsinβ₁)}}

Z_A－Z_C＝l_ACcosβ₁＝l_AFcosβ₁₂

上述方程中，除X_A，Y_A，Z_A的参数未知外，其他参数均已知，故可以求得B点坐标，同理也可由棱镜C、F的坐标求得B的坐标参数。

进一步地，也可以由D、G或E、H的坐标求得AB的坐标。在精度要求较高的情况下，可以将三组结果取均值作为AB的真值，以尽可能减小误差。

图7是本发明重新定位后的检测车的测量示意图。当A、B的空间位置重新定位后，即可以以新定位后的位置为基准继续对后续的轨道板位置参数进行测量，直至所有的轨道板都被检测完毕。

本发明为原创性、具有自主知识产权的创新产品。本发明所提供的高铁无砟轨道板快速检测方法可以很好地克服现有轨道板检测方法中需要反复设站的困难，具有较好的市场前景。

Claims (2)

1.一种高铁无砟轨道板快速检测方法，其特征在于，采用安装有双目测距望远镜的检测车进行待调轨道板上各棱镜三维位置的测量，并以所测量出的各棱镜的三维位置为依据，获取该待调轨道板的相关调整量；所述待调轨道板上各棱镜三维位置的测量具体包括以下步骤：（1）建立三维坐标系XYZ：在待调轨道板端部设置基准点O，并以此基准点O作为三维坐标系XYZ的原点，所述基准点O与双目测距望远镜连线的中点对中，而双目测距望远镜连线与双目测距望远镜的水准面平行设置，且双目测距望远镜连线在双目测距望远镜水准面上的投影与待调轨道板的中心线相垂直，该三维坐标系XYZ的X轴为待调轨道板的中心线、Z轴为待调轨道板端部的基准点O与双目测距望远镜连线中点O’的连线，Y轴则分别与Z轴、X轴相垂直；（2）采用双目测距望远镜的两个镜头分别对待调轨道板上各棱镜进行测距和测角；（3）根据步骤（2）中所测定的各棱镜测距、测角参数，即可获取相应的待调轨道板上各棱镜在三维坐标系XYZ中的空间位置参数;当后续的各待调轨道板均在双目测距望远镜的视域内并满足检测要求时，对后续的各待调轨道板依次地重复进行步骤（2）、步骤（3）操作，即可获得各待调轨道板上所安装棱镜在三维坐标系XYZ中的空间位置参数；当后续的某一待调轨道板超出双目测距望远镜的视域时，先选取任一块已经过测量的待调轨道板作为新基准，并将检测车前行至所选取的待调轨道板附近，接着以所选取的待调轨道板上各棱镜在三维坐标系XYZ中的空间位置参数为依据，对检测车上的双目测距望远镜进行定位，获取此时双目测距望远镜在三维坐标系XYZ中的空间位置参数，然后依次进行步骤（2）、（3）的操作，即可获得后续的位于新基准处双目测距望远镜视域内的各待调轨道板上所安装棱镜在三维坐标系XYZ中的空间位置参数。

2.根据权利要求1所述高铁无砟轨道板快速检测方法，其特征在于，所选取的待调轨道板与前述超出双目测距望远镜视域的待调轨道板相邻近。