CN105953744A - 一种铁路隧道限界动态检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铁路隧道限界动态检测系统及方法，该系统包括：激光系统：实时发射激光信号至铁路隧道各径向断面及两钢轨；测量系统：实时摄录激光器照射在隧道洞壁上所产生的光带和钢轨上所产生的光带；计算机：处理光带图像，以铁路隧道径向断面对应的两钢轨连线中点为原点，计算被测量的铁路隧道各径向断面轮廓尺寸并记录，计算各径向断面轮廓对应钢轨所在平面的尺寸，从而求得铁路隧道径向断面积和限界；本发明实现了非接触式高速动态测量铁路隧道限界，大大提升了检测效率与检测精度，简化了检测流程，通过合理可靠的分析计算。

Description

一种铁路隧道限界动态检测系统及方法

技术领域

本发明涉及铁路隧道限界检测技术领域，具体涉及一种铁路隧道限界动态检测系统及方法。

背景技术

为了确保机车车辆在铁路线路上运行的安全，防止机车车辆撞击邻近线路的建筑物和设备，而对机车车辆和接近线路的建筑物、设备所规定的不允许超越的轮廓尺寸线，称为限界。在铁路《技规》中更是做出了明确规定：一切建筑物、设备，在任何情况下均不得侵入铁路的建筑限界。铁路建筑限界测量的精确性十分重要，直接关系到铁路扩大货物运输的安全性和运输收入的增长。以往某些区段限界尺寸测量不准确，导致一些扩大货物运输必须绕行或拒运，造成铁路运能的浪费和运输收入的损失。

铁路建筑限界大多使用如“吊绳”、“触杆”、“皮尺”等手工方法进行测量，费时费力，测量精度低。随着铁路电气化线路迅速发展，传统的测量手段已经无法适应快速、准确、安全的铁路隧道限界检测要求。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种铁路隧道限界动态检测系统及方法。

本发明的技术方案是：

一种铁路隧道限界动态检测系统，包括：

激光系统：实时发射激光信号至铁路隧道各径向断面及两钢轨；

测量系统：实时摄录激光器照射在隧道洞壁上所产生的光带和钢轨上所产生的光带；

计算机：处理光带图像，以铁路隧道径向断面对应的两钢轨连线中点为原点，计算被测量的铁路隧道各径向断面轮廓尺寸并记录，计算各径向断面轮廓对应钢轨所在平面的尺寸，从而求得铁路隧道径向断面积和限界；

激光系统和测量系统通过同一测量架构安装在铁路隧道限界检测车车体内，测量系统的输出端连接计算机的输入端。

激光系统包括多台激光器，分别安装在铁路隧道限界检测车车体内部同一铁路隧道断面的不同位置及铁路隧道限界检测车车体梁下端，各激光器发射出的激光光束覆盖铁路隧道轮廓360°的限界测量范围。

测量系统包括多台CCD图像传感器，分别摄取铁路隧道断面的不同部分，各CCD图像传感器摄取的光带图像拼接得到完整铁路隧道断面。

计算机设置有图像采集单元、标定生成单元和数据处理单元；

其中，图像采集单元用于采集铁路隧道限界检测车启动后CCD图像传感器实时摄录的激光器照射在铁路隧道洞壁上及两钢轨表面所产生的光带；

标定生成单元用于标定图像、基准点真值对应、生成标定文档；

数据处理单元用于轮廓检测真值对应、图像拼接，生成限界。

利用所述铁路隧道限界动态检测系统进行铁路隧道限界动态检测的方法，包括以下步骤：

步骤1、铁路隧道限界检测车运行至铁路隧道入口后，激光系统发射激光投射到铁路隧道内壁以及钢轨表面；

步骤2、测量系统实时摄录激光器照射在隧道洞壁上和两轨道所产生的光带；

步骤3、计算机分析处理光带图像，计算出被测量的铁路隧道各径向断面轮廓尺寸并记录，计算各径向断面轮廓对应钢轨中心的尺寸，从而求得铁路隧道径向断面积和限界。

步骤1所述的激光系统通过多台激光器实时发射激光信号至铁路隧道径向断面。

步骤2所述的测量系统通过多台CCD图像传感器实时摄录激光器照射在隧道洞壁上所产生的光带。

步骤3具体步骤如下：

步骤3-1、铁路隧道限界检测车启动后，实时摄录激光器照射在铁路隧道洞壁上所产生的光带，并做视频解码与数据记录；

步骤3-2、记录被测量的铁路隧道各径向断面轮廓尺寸并求得铁路隧道断面轮廓对应钢轨中心的尺寸；

步骤3-3、根据铁路隧道各断面轮廓对应钢轨中心的尺寸，求得铁路隧道各径向断面积和限界。

本发明的有益效果为：

实现了非接触式高速动态测量铁路隧道限界，大大提升了检测效率与检测精度，简化了检测流程，通过合理可靠的分析计算，为铁路隧道检测提供了理论依据，是一种现代化、自动化、智能化的系统及方法。

附图说明

图1是本发明具体实施方式铁路隧道限界动态检测系统结构框图；

图2是本发明具体实施方式图像采集单元、标定生成单元和数据处理单元框图；

图3是本发明具体实施方式激光发射点、铁路隧道洞壁投射点、测量点所构成的三角形光路原理图，其中，1-隧道洞壁，2-激光器，3-CCD图像传感器；

图4是本发明具体实施方式CCD图像传感器成像光路原理图；

图5是本发明具体实施方式隧道限界检测车激光器光路图，5-铁路隧道断面轮廓；

图6是本发明具体实施方式CCD图像传感器安装位置示意图；

图7是本发明具体实施方式各CCD图像传感器测量范围示意图；

图8是本发明具体实施方式铁路隧道限界动态检测方法流程图；

图9是本发明具体实施方式步骤3流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本实施方式中，铁路隧道限界动态检测系统，如图1所示，包括：

激光系统：实时发射激光信号至铁路隧道各径向断面及两钢轨；

测量系统：实时摄录激光器照射在隧道洞壁上所产生的光带和钢轨上所产生的光带；

计算机：处理光带图像，以铁路隧道径向断面对应的两钢轨连线中点为原点，计算被测量的铁路隧道各径向断面轮廓尺寸并记录，计算各径向断面轮廓对应钢轨所在平面的尺寸，从而求得铁路隧道径向断面积和限界；

激光系统和测量系统通过同一测量架构安装在铁路隧道限界检测车车体内，测量系统的输出端连接计算机的输入端。

本发明的铁路隧道限界动态检测系统及方法，基于电视摄像法以激光为测量基准光源，利用CCD图像传感器作为测量元件，采用三角形测量原理测量隧道断面轮廓尺寸。

所谓“电视摄像法”就是像电视录像一样对铁路隧道断面轮廓进行摄像，用面阵CCD图像传感器摄录激光器照射在隧道洞壁上所产生的光带，通过图像采集单元将光带输入计算机，用计算机进行分析处理光带图像，计算出隧道径向断面轮廓尺寸。同时，标定生成单元记录被测量断面的相应位置，并通过数据处理单元求得隧道断面轮廓对应钢轨中心的尺寸，从而求得隧道限界数据。

铁路隧道限界检测车由铁路标准用车改造而成。铁路隧道限界检测车车体分为工作区域和生活区域。铁路隧道限界检测车车体中央部分为测量设备安装间，激光系统和测量系统通过一个测量构架安装在车体内中央。激光器控制设备布置在测量构架两端。测量架构的前端安装数台激光器，后端安装数台CCD图像传感器。激光器还设有微调机构，通过微调机构使激光器前后、左右移动，用于调整激光照射平面和焦距。CCD图像传感器镜头露出车外，在同步信号发生器的控制下，连续摄录激光器照射在隧道洞壁上以及钢轨表面的激光光带。

铁路隧道限界检测车前端转向架的两个车轮轴箱上安装有两套测速传感器探头，轮轴端部安装有铝盘，铝盘圆周上镶有磁条，铝盘固定在车轴上，随车轮转动，用于检测车速和图像定位。

本实施方式中，激光系统包括多台激光器，分别安装在铁路隧道限界检测车车体内部的测量构架上。根据激光器的个数的不同，其布局方法也有差异。激光系统光路如图5所示，以放置10台激光器为例，这10台激光器放置于铁路隧道限界检测车车体内部同一铁路隧道断面4的不同位置，其中铁路隧道限界检测车两侧窗口各放置3台，车顶部放置4台。另外，在车体梁下端焊接测量钢轨轨面的钢架，钢架上设置两台用于测量钢轨的位置的激光器，照射两根钢轨的激光照射平面与图5 所示的主激光平面调整在同一平面内，这样激光器发射出的激光光束就可以覆盖隧道轮廓360°的限界测量范围，保证了摄取隧道断面的完整性。两钢轨的测量非常重要，测量系统是以两钢轨中心为坐标原点，以两钢轨平面为横坐标轴的，所以钢轨测量是整个测量系统的基准。激光器的电源由发电装置提供，激光器的控制箱安装在测量架构的后端。控制箱将交流电转换为激光管的工作电压供给激光管。控制箱内提供的激光电源的电路数一般可以多于实际使用路数，设置备用电路，一旦出现故障时，可方便的转换到备用电源上供电。

本实施方式中，测量系统包括多台CCD图像传感器，分别安装在铁路隧道限界检测车车体内部的测量构架上。由于被测隧道净空较大，为了提高测量精度，采用多台CCD图像传感器，每台CCD图像传感器摄取隧道断面的一部分。然后再拼接成完整断面。以设置11台CCD图像传感器为例，安装位置如图6所示，1#、9#CCD图像传感器摄取隧道下部断面图像；2#、8#CCD图像传感器摄取1.6～3.2米高度断面图像；3#、7#CCD图像传感器摄取3.2～5.2米高度断面图像；4#、6#CCD图像传感器摄取隧道顶部两侧断面图像；5#CCD图像传感器摄取隧道顶部中间位置断面图像；10#、11#CCD图像传感器摄取钢轨顶面及内面图像。各CCD图像传感器测量范围如图7所示。

如图2所示，计算机设置有图像采集单元、标定生成单元和数据处理单元；

其中，图像采集单元用于采集铁路隧道限界检测车启动后CCD图像传感器实时摄录的激光器照射在铁路隧道洞壁上及两钢轨表面所产生的光带；

标定生成单元用于标定图像、基准点真值对应、生成标定文档；

数据处理单元用于轮廓检测真值对应、图像拼接，生成限界。

利用所述铁路隧道限界动态检测系统进行铁路隧道限界动态检测的方法，如图8所示，包括以下步骤：

步骤1、铁路隧道限界检测车运行至铁路隧道入口后，激光系统发射激光投射到铁路隧道内壁以及钢轨表面；

步骤2、测量系统实时摄录激光器照射在隧道洞壁上和两轨道所产生的光带；

步骤3、计算机分析处理光带图像，计算出被测量的铁路隧道各径向断面轮廓尺寸并记录，计算各径向断面轮廓对应钢轨中心的尺寸，从而求得铁路隧道径向断面积和限界。

步骤1所述的激光系统通过多台激光器实时发射激光信号至铁路隧道径向断面。

步骤2所述的测量系统通过多台CCD图像传感器实时摄录激光器照射在隧道洞壁上所产生的光带。

如图9所示，步骤3具体步骤如下：

步骤3-1、铁路隧道限界检测车启动后，实时摄录激光器照射在铁路隧道洞壁上所产生的光带，并做视频解码与数据记录；

步骤3-2、记录被测量的铁路隧道各径向断面轮廓尺寸并求得铁路隧道断面轮廓对应钢轨中心的尺寸；

步骤3-3、根据铁路隧道各断面轮廓对应钢轨中心的尺寸，求得铁路隧道各径向断面积和限界。

激光器到激光点的几何尺寸计算方法如下：

激光投射平面、激光投射平面与隧道洞壁相交点、CCD图像传感器构成三角形关系，如图3所示，1为隧道洞壁，2为激光器，3为CCD图像传感器。

CCD图像传感器的成像原理如图4所示，设激光投射平面与测量系统中的CCD图像传感器3镜头轴线之间的垂直距离为物距L，激光投射平面与隧道洞壁相交点A，CCD图像传感器镜头轴线与激光投射平面交点B， F’为透镜焦点（与C之间的距离为定值），A’为A点在CCD图像传感器光敏面上所成的像。三角形ΔABC与三角形ΔA’B’C相似，则X/L=ΔX/ΔL。由于L、ΔL为定值，ΔX通过A’点在CCD图像传感器光敏面上的位置坐标求得，则X的值由下述公式求出，即求得光带的几何尺寸：

X=L/ΔL×ΔX

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铁路隧道限界动态检测系统，其特征在于，包括：

激光系统：实时发射激光信号至铁路隧道各径向断面及两钢轨；

测量系统：实时摄录激光器照射在隧道洞壁上所产生的光带和钢轨上所产生的光带；

计算机：处理光带图像，以铁路隧道径向断面对应的两钢轨连线中点为原点，计算被测量的铁路隧道各径向断面轮廓尺寸并记录，计算各径向断面轮廓对应钢轨所在平面的尺寸，从而求得铁路隧道径向断面积和限界；

激光系统和测量系统通过同一测量架构安装在铁路隧道限界检测车车体内，测量系统的输出端连接计算机的输入端。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光系统包括多台激光器，分别安装在铁路隧道限界检测车车体内部同一铁路隧道断面的不同位置及铁路隧道限界检测车车体梁下端，各激光器发射出的激光光束覆盖铁路隧道轮廓360°的限界测量范围。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量系统包括多台CCD图像传感器，分别摄取铁路隧道断面的不同部分，各CCD图像传感器摄取的光带图像拼接得到完整铁路隧道断面。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算机设置有图像采集单元、标定生成单元和数据处理单元；

其中，图像采集单元用于采集铁路隧道限界检测车启动后CCD图像传感器实时摄录的激光器照射在铁路隧道洞壁上及两钢轨表面所产生的光带；

标定生成单元用于标定图像、基准点真值对应、生成标定文档；

数据处理单元用于轮廓检测真值对应、图像拼接，生成限界。

5.利用权利要求1所述的系统进行铁路隧道限界动态检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、铁路隧道限界检测车运行至铁路隧道入口后，激光系统发射激光投射到铁路隧道内壁以及钢轨表面；

步骤2、测量系统实时摄录激光器照射在隧道洞壁上和两轨道所产生的光带；

步骤3、计算机分析处理光带图像，计算出被测量的铁路隧道各径向断面轮廓尺寸并记录，计算各径向断面轮廓对应钢轨中心的尺寸，从而求得铁路隧道径向断面积和限界。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1所述的激光系统通过多台激光器实时发射激光信号至铁路隧道径向断面。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2所述的测量系统通过多台CCD图像传感器实时摄录激光器照射在隧道洞壁上所产生的光带。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体步骤如下：

步骤3-1、铁路隧道限界检测车启动后，实时摄录激光器照射在铁路隧道洞壁上所产生的光带，并做视频解码与数据记录；

步骤3-2、记录被测量的铁路隧道各径向断面轮廓尺寸并求得铁路隧道断面轮廓对应钢轨中心的尺寸；

步骤3-3、根据铁路隧道各断面轮廓对应钢轨中心的尺寸，求得铁路隧道各径向断面积和限界。