CN106080658B - 一种基于四传感器的中低速磁浮轨道不平顺检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于四传感器的中低速磁浮轨道不平顺检测方法，包括以下步骤：1)悬浮架沿轨道运动方向上依次设置四个间隙传感器；2)建立参考坐标系；3)根据间隙传感器测量的间隙值和间隙传感器的设置位置得到四个间隙测点相对于悬浮架的坐标；4)根据四个间隙测点相对于悬浮架的坐标，采用最小二乘法拟合获取同一时刻四个间隙测点的第一拟合直线，再根据四个间隙测点与对应第一拟合直线的偏差值获取中低速磁浮轨道在当前时刻所处位置的四点直线度。与现有技术相比，本发明充分利用列车悬浮控制设备，通过悬浮控制传感器，以悬浮磁铁模块为“尺”，高效准确的检测磁浮轨道的直线度、错台、折角等不平顺内容。

Description

一种基于四传感器的中低速磁浮轨道不平顺检测方法

技术领域

本发明涉及中低速磁浮系统轨道检测技术，尤其是涉及一种基于四传感器的中低速磁浮轨道不平顺检测方法。

背景技术

中低速磁浮交通作为一种新型的轨道交通制式，具有选线灵活，转弯半径小、爬坡能力强等优点。目前中低速磁浮在北京、长沙等城市正在进行工程建设。由于中低速磁浮的F型轨道和传统轨道交通的工字型轨道形面相比有所不同，传统的轨道交通轨道检测设备不能满足中低速磁浮轨道检测的要求。此外，用于施工验收阶段的轨道测量方法一般需要较长时间，难以满足运营维护阶段的快速检测或监测要求，因此需要开发适合轨道维护检查的轨道监测方法。

悬浮控制系统是整个中低速磁浮交通系统的核心，主要包括悬浮传感器、悬浮控制器、悬浮斩波器以及电源等辅助设备。悬浮系统由电磁铁、F轨、斩波器及控制单元、间隙检测传感器组成，利用车载电磁铁与导轨之间的吸引力悬浮列车。电磁铁用于产生电磁力，提供悬浮和导向功能；斩波器及控制单元通过控制电磁铁中的电流确保系统稳定运行，其悬浮间隔约为6～10mm。中低速磁浮列车上间隙信号是通过涡流传感器测得的。电感线圈在高频信号的作用下感应出高频电磁场，金属反应板表面在这个高频磁场中产生闭合流动的感应电流，这就是涡流。线圈又在涡流产生的磁场作用下改变了电感，从而检测出传感器探头与轨道之间的间隙。

中低速磁浮的轨道不平顺将对车辆的运行产生影响。一方面，轨道不平顺会影响乘客的舒适性。悬浮控制系统在检测轨道间隙时磁浮轨道不平顺将会导致列车悬浮架的大幅度振动，通过空气弹簧传递到车辆上时也将导致车辆在运行中的振动而降低乘客的舒适性。另一方面，轨道不平顺也会影响车辆运行的安全性。轨道结构的大幅度变形将超过列车的运行限界，导致在列车运行过程中与车辆结构发生擦碰，使车辆结构和轨道结构发生破损，严重时可造成列车的无法运行和安全事故。

中低速磁浮的轨道不平顺，可以分为轨排不平顺和接缝不平顺。轨排不平顺是指在同一F轨轨排上，轨道结构在车辆荷载、外部扰动等因素的的长期作用下发生形变，轨道结构的直线度将发生变化。在轨道接缝处，由于列车荷载作用和基础不均匀沉降等因素造成相邻轨道之间的错台偏差和折角偏差。

国内外工程化应用的磁浮领域的轨道检测设备主要采用基于惯性基准法的轨道检测方法、基于弦测法的轨道检测方法或与静态测量相结合的轨道检测方法。其中，惯性基准法的轨道检测系统包括上海磁浮示范线上采用的轨道梁功能面长波检测系统(GMS系统)、国防科技大学的中低速磁浮F轨几何参数测量系统(FMS01系统)、西南交通大学的基于双传感器的低速磁浮轨道不平顺检测方法等，采用惯性基准法，在速度较低时测量误差较大，此外，加速度信号的质量和滤波导致的相位错误也对整个轨道检测系统产生一定误差；基于弦测法的轨道检测系统包括中南大学的中低速磁浮便携式轨检系统等，该系统主要存在问题为，采用弦测法但是没有通过传递函数的修正，测量误差随测量里程的增大而增大，并且没有和静态测量数据进行对比，缺乏校验；与静态测量相结合的轨道检测方法包括上海磁浮示范线上的线路轨道自动化检测设备(AIE系统)，韩国中低速磁浮的轨道几何测量系统等，与静态测量相结合的轨道检测方法相当于是一种大地测量的简化，提高了大地测量的效率。但检测速度依然较慢，难以满足线路运营后对于轨道快速监测评价的需要。

在中低速磁浮领域，现有的轨道检测方法都是基于专用的轨道检测设备，在列车运营的过程中难以同时运行。此外，一方面，现有的轨道检测方法部分基于惯性基准法，经验证在列车运行速度较低时存在较大误差。另一方面，对于基于弦测法的轨道检测设备，主要采用手推式的准静态的测量，检测效率较低。因此，目前中低速磁浮领域需要开发适合轨道维护检查的轨道动态监测方法，以满足中低速磁浮快速轨道监测的需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于四传感器的中低速磁浮轨道不平顺检测方法，充分利用列车悬浮控制设备，通过悬浮控制传感器，以悬浮磁铁模块为“尺”，高效准确的检测磁浮轨道的直线度、错台、折角等不平顺内容。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于四传感器的中低速磁浮轨道不平顺检测方法包括以下步骤：

1)悬浮架沿轨道运动方向上依次设置四个间隙传感器，并顺序编号，四个间隙传感器实时测量获取对应间隙测点的间隙值；

2)建立参考坐标系，其中，悬浮架的运动方向为x轴方向，z轴垂直于悬浮架；

3)根据间隙传感器测量的间隙值和间隙传感器的设置位置得到四个间隙测点相对于悬浮架的坐标；

4)根据四个间隙测点相对于悬浮架的坐标，采用最小二乘法拟合获取同一时刻四个间隙测点的第一拟合直线，再根据四个间隙测点与对应第一拟合直线的偏差值获取中低速磁浮轨道在当前时刻所处位置的四点直线度f，满足以下公式：

f＝|E_max-E_min|

式中，E_max表示四个间隙测点中与第一拟合直线的最大偏差值，E_min表示四个间隙测点中与第一拟合直线的最小偏差值，四点直线度用于评价轨道不平顺的程度。

该方法还包括获取中低速磁浮轨道在轨缝处的错台偏差的步骤，具体为：

若当前时刻为第四个间隙传感器通过轨缝且第三个间隙传感器未通过轨缝的时刻，则获取当前时刻四个间隙测点相对于悬浮架的坐标，采用最小二乘法拟合获取当前时刻的前三个间隙测点的第二拟合直线，以当前时刻的第四个间隙测点与对应第二拟合直线的偏差作为中低速磁浮轨道在轨缝处的错台偏差，错台偏差用于评价相邻轨道之间不平顺的程度。

该方法还包括获取中低速磁浮轨道在轨缝处折角偏差的步骤，具体为：

若当前时刻为第四个间隙传感器通过轨缝且第三个间隙传感器未通过轨缝的时刻，则获取当前时刻四个间隙测点相对于悬浮架的坐标，以及上一时刻第四个间隙测点相对于悬浮架的坐标，采用最小二乘法拟合获取当前时刻的前三个间隙测点的第二拟合直线，同时采用最小二乘法拟合获取前后两个时刻的第四个间隙测点的第三拟合直线，以第二拟合直线与第三拟合直线相交的角度作为中低速磁浮轨道在轨缝处的折角偏差，折角偏差用于评价相邻轨道之间不平顺的程度。

以间隙值的突变状况来判断当前时刻是否为第四个间隙传感器通过轨缝且第三个间隙传感器未通过轨缝的时刻。

所述间隙传感器采用悬浮架上设置的悬浮控制器。

所述四个间隙传感器均分为两组，两组间隙传感器分别沿轨道运动方向设置在悬浮架的两端。

获取间隙测点的间隙值的同时，还获取GPS定位信号，通过间隙值突变状况以及GPS定位信号将间隙值与轨道的里程相匹配，进而将检测结果与轨道的里程相匹配。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提出了“以车为尺”检测轨道的方法，避免了惯性基准法的低速检测误差较大的问题和列车运行的动力学问题，更大限度地化简了监测方法，以车辆为主体，基于悬浮架对于线路的相对测量数据，检测出中低速磁浮线路的错台偏差和折角偏差，为线路的平顺性提供重要评价标准，通过车载轨道检测系统的反馈，及时调整线路几何参数，以保证列车运行的安全性并提升列车运行的舒适性。

2、本发明提出了四点直线度的轨道检测方法，在监测过程中以悬浮磁铁模块为“尺”，用四个悬浮间隙传感器的测量值通过最小二乘法拟合直线，并计算各点距拟合直线的偏差，四点中偏差最大值(正数)和偏差最小值(负数)之差即为四点直线度，该四点直线度可直接、准确地反映在一个悬浮架范围内轨道的不平顺程度，无需考虑速度、加速度等其他可带来误差的数据，可大大提高轨道不平顺检测结果的精准度。

3、本发明还分别提出了错台偏差的监测方法和折角偏差的监测方法，方法简单，计算快速，可直接、准确地反应轨道之间的垂向突变偏差和角度突变偏差，保证轨道不平顺检测结果准确可靠。

4、本发明基于车载的悬浮控制传感器作为监测探头，在原有悬浮控制系统的基础上增添了轨道检测的功能，并可在列车运行时同步采集，使得整个监测过程更加高效、准确，适用于中低速磁浮的轨道动态监测。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明中四点直线度监测方法示意图；

图3为本发明中轨道间错台偏差监测方法示意图；

图4为本发明中轨道间折角偏差监测方法示意图。

图中：1、间隙传感器，2、悬浮架，3、轨道不平顺示意曲线，4、F型轨道，5、第二拟合直线，6、第三拟合直线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种基于四传感器的中低速磁浮轨道不平顺检测方法包括以下步骤：

1)单个悬浮架2沿轨道运动方向上依次设置四个间隙传感器1，并顺序编号，四个间隙传感器1实时测量获取对应间隙测点的间隙值；

2)建立以悬浮磁铁模块为“尺”的参考坐标系，其中，悬浮架2的运动方向为x轴方向，z轴垂直于悬浮架2；

3)根据间隙传感器1测量的间隙值和间隙传感器1的设置位置得到四个间隙测点相对于悬浮架2的坐标；

4)四点直线度的监测：

根据四个间隙测点相对于悬浮架2的坐标，采用最小二乘法拟合获取同一时刻四个间隙测点的第一拟合直线，再根据四个间隙测点与对应第一拟合直线的偏差值获取中低速磁浮轨道在当前时刻所处位置的四点直线度f，满足以下公式：

f＝|E_max-E_min|

式中，E_max表示四个间隙测点中与第一拟合直线的最大偏差值，E_min表示四个间隙测点中与第一拟合直线的最小偏差值，四点直线度用于评价轨道不平顺的程度，四点直线度越大，表示轨道的平整度越低，轨道的不平顺程度越高；

5)错台偏差的监测：

错台偏差原是在高速磁浮线路上相邻的两个功能件表面间相互的法向错位值。在中低速磁浮的线路上没有功能件，因此在中低速磁浮中，错台偏差表示在F轨接缝处前后两个F型轨道4在垂向的高低差。由于错台处即轨缝处，先要通过间隙值的突变判断轨道之间的缝隙，悬浮架2上的四个间隙传感器探头将依次通过轨缝，若当前时刻为第四个间隙传感器1通过轨缝且第三个间隙传感器1未通过轨缝的时刻，则获取当前时刻四个间隙测点相对于悬浮架2的坐标，采用最小二乘法拟合获取当前时刻的前三个间隙测点的第二拟合直线5，以当前时刻的第四个间隙测点与对应第二拟合直线5的偏差作为中低速磁浮轨道在轨缝处的错台偏差，错台偏差用于评价相邻轨道之间不平顺的程度，错台偏差越大，表示相邻轨道之间的错台高度越大，相邻轨道之间过渡的不平顺程度越高。

6)折角偏差的监测：

轨缝折角原是在高速磁浮上反映线路上相邻两块功能件之间折角变化的指标。由于在中低速磁浮的线路上没有功能件，因此在中低速磁浮中，轨缝折角表示F轨轨缝处前后两个F型轨道4的线性延长线在轨缝中心处相交的角度。与错台监测的原理相似，先要通过间隙值得突变判断轨道之间的缝隙，悬浮架2上的四个间隙传感器探头将依次通过轨缝，若当前时刻为第四个间隙传感器1通过轨缝且第三个间隙传感器1未通过轨缝的时刻，则获取当前时刻四个间隙测点相对于悬浮架2的坐标，以及上一时刻第四个间隙测点相对于悬浮架2的坐标，采用最小二乘法拟合获取当前时刻的前三个间隙测点的第二拟合直线5，同时采用最小二乘法拟合获取前后两个时刻的第四个间隙测点的第三拟合直线6，以第二拟合直线5与第三拟合直线6相交的锐角角度作为中低速磁浮轨道在轨缝处的折角偏差，折角偏差用于评价相邻轨道之间不平顺的程度，折角偏差越大，表示相邻轨道之间端部对准度越差，相邻轨道之间过渡的不平顺程度越高。

其中，步骤5)、6)中，以间隙值的突变数值是否大于预设阈值来判断当前时刻是否为第四个间隙传感器1通过轨缝且第三个间隙传感器1未通过轨缝的时刻。

轨道之间的错台和折角对列车运行的安全性和舒适性有重要影响。轨道之间由于施工误差、列车运行荷载造成的形变以及轨道下支墩的不均匀沉降等因素影响存在错台偏差和折角偏差。错台的危害在于使垂向出现突变的偏差，列车在通过时会产生较大的颠簸，严重时可导致悬浮架2和轨道之间发生擦碰。折角的危害在于使轨道之间角度发生突变，列车经过时悬浮控制系统的调节过程将发生非线性变化，导致列车运行颠簸和晃动。本发明基于四个间隙传感器1还可以获取错台偏差和折角偏差，进一步反应轨道间的不平顺，有利于悬浮列车稳定运行的控制。

间隙传感器1采用悬浮架2上设置的悬浮控制器。悬浮传感器是悬浮控制系统的组成部分，悬浮控制器提供悬浮磁铁与轨道面间的间隙、悬浮磁铁垂向加速度信号。每节车辆由5个走行机构组成，每个走行机构有4个悬浮控制回路，每个悬浮控制回路包括1套悬浮控制单元和1个悬浮传感器，每节车共配置20个悬浮传感器。车辆悬浮架2的悬浮控制传感器在列车行进过程中采集车辆悬浮架2与F轨下面的间隙，这个间隙一般保持在6～10mm，而传感器探头的测量范围是4～24mm(指悬浮间隙)，精度0.1mm。完全能够满足对轨道不平顺的监测。本发明主要使用1个悬浮架2上的4个悬浮控制传感器。这四个间隙传感器1直接检测出F轨下侧中心位置和悬浮模块之间的相对位置，直接反映出了以车为主体，所观察到的轨道不平顺情况。

本实施例中，四个间隙传感器1均分为两组，两组间隙传感器1分别沿轨道运动方向设置在悬浮架2的两端，一组内间隙传感器1间距为d，两组间隙传感器1间距为L，L>d，L+2d<一段轨道长度，使得检测获得的四点直线度可以准确的反应一悬浮架2范围内轨道的不平顺程度，且可以快速检测到间隙值的突变，从而获取准确的错台偏差和折角偏差。运行时，首先，从悬浮控制系统分离出传感器间隙信号。传感器探头检测轨道输出电压信号经过模块处理输出数字信号。采用数字信号分支器，将一股信号分为两股，分别传输到悬浮控制系统和轨道检测系统中。其次，通过采集卡采集间隙信号和GPS里程信号。再次，通过数字信号处理对采集的间隙信号进行滤波，并结合间隙信号经过梁缝的突变和GPS定位信号将间隙信号与里程相匹配。最后，对处理过的数据进行分析和计算，求出轨道在各个位置处的直线度和在轨缝处的折角与错台。

实例：通过中低速磁浮列车悬浮架2四个传感器测量的悬浮间隙值，可以监测同一轨道不平顺中的四点直线度和轨道之间的错台与折角。

首先，在监测过程中以悬浮架2为“尺”，用四个悬浮间隙传感器的测量值通过最小二乘法拟合直线，并计算个点距拟合直线的偏差，四点中偏差最大值(整数)和偏差最小值(负数)之差即为四点直线度。

如图2所示，对四个测点A、B、C、D，其相对于车辆悬浮架2的坐标分别为(x₁,z₁)、(x₂,z₂)、(x₃,z₃)和(x₄,z₄)，图2中四个测点连线为轨道不平顺示意曲线3。设最小二乘法拟合的第一拟合直线为：z＝k₁x+b₁，由i表示间隙传感器的编号，可求出：

求得在测量方向(z坐标方向)上的偏差值E_i和E_max、E_min，从而求得平面直线度误差f值：

f＝|E_max-E_min|

其次，说明轨道之间错台和折角的监测方法。对于轨道之间的错台，由于错台处即轨缝处，先要通过间隙值得突变判断轨道之间的缝隙，悬浮架2上的四个间隙传感器探头将依次通过轨缝，在第四个间隙传感器通过轨缝且第三个间隙传感器未通过轨缝时，状态如图3所示。

对四个测点A、B、C、D，其相对于车辆悬浮架2的坐标分别为(x₁,z₁)、(x₂,z₂)、(x₃,z₃)和(x₄,z₄)。设A、B、C三点最小二乘法拟合的第二拟合直线5为：z＝k₂x+b₂，方法与求四点直线度时拟合直线方法同理。在D点处，计算在z方向与拟合直线的偏差即为轨道之间的错台值。其中，错台值offset＝z₄-(kx₄+b)。

对于轨道之间的折角，与错台监测的原理相似，先要通过间隙值得突变判断轨道之间的缝隙，悬浮架2上的四个间隙传感器探头将依次通过轨缝，在第四个间隙传感器通过轨缝且第三个间隙传感器未通过轨缝时，状态如图4所示。

设此时为t，D′点为D点在t-t₀即，D点刚刚检测到第二个轨道的时刻。由于有折角的存在，在D点移动过程中，不同时刻z方向检测的数值连成直线后必然与A、B、C三点拟合的直线存在着折角，那么我们可以对折角进行计算。

对四个测点A、B、C，其相对于车辆悬浮架2的坐标分别为(x₁,z₁)、(x₂,z₂)、(x₃,z₃)。设A、B、C三点最小二乘法拟合的第二拟合直线5为：z＝k₂x+b₂，方法与求四点直线度时拟合直线方法同理。

D点在t和t-t₀时刻的坐标分别为(x₄,z₄)、(x′₄,z′₄)，将动点t和t-t₀时刻的坐标在连成直线，直线方程为：z＝k₃x+b₃。

其中，折角θ＝arctan(k₂)-arctan(k₃)。

Claims (7)

1.一种基于四传感器的中低速磁浮轨道不平顺检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)悬浮架沿轨道运动方向上依次设置四个间隙传感器，并顺序编号，四个间隙传感器实时测量获取对应间隙测点的间隙值；

2)建立参考坐标系，其中，悬浮架的运动方向为x轴方向，z轴垂直于悬浮架；

3)根据间隙传感器测量的间隙值和间隙传感器的设置位置得到四个间隙测点相对于悬浮架的坐标；

4)根据四个间隙测点相对于悬浮架的坐标，采用最小二乘法拟合获取同一时刻四个间隙测点的第一拟合直线，再根据四个间隙测点与对应第一拟合直线的偏差值获取中低速磁浮轨道在当前时刻所处位置的四点直线度f，满足以下公式：

f＝|E_max-E_min|

式中，E_max表示四个间隙测点中与第一拟合直线的最大偏差值，E_min表示四个间隙测点中与第一拟合直线的最小偏差值，四点直线度用于评价轨道不平顺的程度。

2.根据权利要求1所述的一种基于四传感器的中低速磁浮轨道不平顺检测方法，其特征在于，该方法还包括获取中低速磁浮轨道在轨缝处的错台偏差的步骤，具体为：

若当前时刻为第四个间隙传感器通过轨缝且第三个间隙传感器未通过轨缝的时刻，则获取当前时刻四个间隙测点相对于悬浮架的坐标，采用最小二乘法拟合获取当前时刻的前三个间隙测点的第二拟合直线，以当前时刻的第四个间隙测点与对应第二拟合直线的偏差作为中低速磁浮轨道在轨缝处的错台偏差，错台偏差用于评价相邻轨道之间不平顺的程度。

3.根据权利要求1所述的一种基于四传感器的中低速磁浮轨道不平顺检测方法，其特征在于，该方法还包括获取中低速磁浮轨道在轨缝处折角偏差的步骤，具体为：

若当前时刻为第四个间隙传感器通过轨缝且第三个间隙传感器未通过轨缝的时刻，则获取当前时刻四个间隙测点相对于悬浮架的坐标，以及上一时刻第四个间隙测点相对于悬浮架的坐标，采用最小二乘法拟合获取当前时刻的前三个间隙测点的第二拟合直线，同时采用最小二乘法拟合获取前后两个时刻的第四个间隙测点的第三拟合直线，以第二拟合直线与第三拟合直线相交的角度作为中低速磁浮轨道在轨缝处的折角偏差，折角偏差用于评价相邻轨道之间不平顺的程度。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于四传感器的中低速磁浮轨道不平顺检测方法，其特征在于，以间隙值的突变状况来判断当前时刻是否为第四个间隙传感器通过轨缝且第三个间隙传感器未通过轨缝的时刻。

5.根据权利要求1所述的一种基于四传感器的中低速磁浮轨道不平顺检测方法，其特征在于，所述间隙传感器采用悬浮架上设置的悬浮控制器。

6.根据权利要求1所述的一种基于四传感器的中低速磁浮轨道不平顺检测方法，其特征在于，所述四个间隙传感器均分为两组，两组间隙传感器分别沿轨道运动方向设置在悬浮架的两端。

7.根据权利要求1所述的一种基于四传感器的中低速磁浮轨道不平顺检测方法，其特征在于，获取间隙测点的间隙值的同时，还获取GPS定位信号，通过间隙值突变状况以及GPS定位信号将间隙值与轨道的里程相匹配，进而将检测结果与轨道的里程相匹配。