CN106767694B - 一种地铁数字化限界动态检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁数字化限界动态检测系统，该系统包括检测车，设置在检测车上的显示器、信息录入端和检测单元，设置在检测车内部的测速单元、报警单元和处理器，以及设置在检测车内部、给整个检测系统供电的电源；所述检测单元、测速单元、报警单元、显示器、信息录入端分别与处理器相连。利用检测单元检测隧道断面，使用测速单元监测小车速度，通过计算机中预先设置的限界信息，可以自动读取里程信息并配置相对应的限界，实现自动的限界切换，并通过软件中的动态补偿算法，即使在运动中也可以测量得到准确的限界。

Description

一种地铁数字化限界动态检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通限界检测领域，具体涉及一种地铁数字化限界动态检测系统及检测方法。

背景技术

在城市轨道交通行业内，地铁限界检测技术发展日渐成熟，经过大量的研究试验，已开发出多种地铁限界检测设备。从工作原理出发，可分为接触式测量和非接触式测量、便携式测量和车载测量。针对地铁长距离隧道的断面检测，普遍采用的是车载测量，而便携式测量仅仅用于某些个别断面的补充测量。

目前，较为先进的国外地铁限界检测车多采用激光和图像处理技术，其检测车运行速度从100km/h～300km/h不等，检测误差不超过20mm。德国GeoRail-Xpress综合检测车搭载4维轨道环境照相机构成线路测量装置；日本East-I型综合检测车应用列车顶部摄像装置，采用图像处理技术测量周边建筑情况；奥地利EM250型高速轨检车运用摄影测量技术或激光辅助图像处理技术完成高速隧道检测；这类检测车造价高昂，适用速度高，并不使用于一般地铁上的使用，而在建设过程中，这类车辆更加无法使用。

在国内，地铁建设中通常采用一种自制设备，根据设备限界尺寸，制作一个框架固定于平板车上，利用内燃机车进行牵引。当框架顺利通过时，认为无超限发生；而当框架受到撞击、擦挂时，有物体侵入限界。此种方式只能适应一种限界要求，当限界发生变化时，需要更换框架。通常一个框架的价格大约在1万元左右。

在上述方案的基础上，有通过设计伸缩机构来适应不同限界要求的可伸缩框架。该机构在部分区域设计旋杆机构调节框架边缘的位置，并通过便携式的测量装置进行定位。但在整个地铁线路上，限界变化较多，每次调整都需要较多的时间，测量效率并不高。而且框架的尺寸通过便携式的测量装置进行确认，误差较大。在行进中，振动也有可能导致框架边缘的移位，造成测量的误差。但此种框架相对于前述方案造价更低，适用性也更强。

上述两种方案都利用框架移动来检测是否有物体侵入限界，但超限的具体方位需要操作人员目测判断。一些轻微侵限的物体，或同时侵入的物体很有可能在人工观察的时候遗漏，需要多次排查才能确认无侵限的物体。

中国专利CN201210395978.3利用8组面阵相机组成了一个带有动态补偿的地铁限界测量系统，安装于地铁车辆上。该系统采用了配套的8个激光光源，利用图像处理的手段提取地铁隧道轮廓，拼接形成完整的隧道断面轮廓。该套设备还使用了速度传感器和电子标签射频仪进行定位，实现信息与里程的对应。但该套设备造价高昂，且没有独立载体，需要安装于车辆上，无法在施工过程中使用。

中国专利CN201310547187.2提供了一种隧道断面的检测方法。该设备有7组高速相机，每台相机配合2台激光器，可以在隧道断面上构成2条完整的隧道断面，利用图像处理的方式提取光带位置，通过系统标定技术计算实际的隧道断面坐标，实现隧道断面检测的功能。然而，该套设备并没有测速装置，需要借助移动载体实现动态的检测。

中国专利CN201610532113.5利用数台激光测距仪与上位机搭建了一套隧道限界动态检测装置。该装置通过检测隧道面每一点到轨道中心的距离而实现铁路隧道断面的成像。其通过建立虚拟的坐标系来绘制隧道断面。此外，该套设备没有动态补偿，在动态测量时会有较大误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种地铁数字化限界动态检测系统及检测方法，利用检测单元检测隧道断面，使用测速单元监测小车速度，通过计算机中预先设置的限界信息，可以自动读取里程信息并配置相对应的限界，实现自动的限界切换，并通过软件中的动态补偿算法，即使在运动中也可以测量得到准确的限界。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种地铁数字化限界动态检测系统，包括检测车，设置在检测车上的显示器、信息录入端和检测单元，设置在检测车内部的测速单元、报警单元和处理器，以及设置在检测车内部、给整个检测系统供电的电源；所述检测单元、测速单元、报警单元、显示器、信息录入端分别与处理器相连；

所述检测车底部设有车轮、顶部设有一个凸起部；

所述检测单元包括能够完成360°扫描的多个激光雷达；

所述测速单元用于检测小车的行进里程和速度，包括用于记录车轮转动次数的计数器，以及安装在车轴上、随检测车运动发出脉冲的计轴器；

所述报警单元包括报警灯和设置在报警灯内部的蜂鸣器。

优选的，所述检测单元包括背对背安装、且均可完成190°扫描的两个激光雷达。

优选的，每个激光雷达均安装在凸起部上，以避免车体遮挡激光雷达的扫描路径。

优选的，所述激光雷达的测量范围为1-10m。

优选的，所述报警灯具有常亮功能。

一种地铁数字化限界动态检测系统的检测方法，包括以下步骤：

1)先通过信息录入端依照限界标准的直角坐标系格式将限界信息录入到处理器，得到界限直角坐标系；

2)通过测速单元检测得到检测车移动的距离，用以判断检测车当前所处位置，同时通过检测单元检测检测车地铁隧道当前断面每一点相对铁轨的角度值和距离值；

3)将地铁隧道当前断面的位置、角度值和距离值发送给处理器，处理器将其转化为当前直角坐标系，并对数据进行修正补偿后，绘制当前端面后，通过显示器显示；

4)将地铁隧道当前断面直角坐标系与界限直角坐标系进行比较，判断其是否有侵限；若没有侵限，则存储数据后，循环步骤2～4；若有侵限则通过报警单元发出报警，存储数据后，再循环步骤2～4。

优选的，所述步骤1)中，测速单元通过安装在车轴上的计轴器随车轴转动发出脉冲，通过计数器接受脉冲并计算得到车轮转动次数，以得到检测车行进里程和行进速度；

所述行进里程为：n·2πr＝d；行进速度为：(n_i+1-n_i)·2πr＝v；

其中，n为计数器记录的车轮转动次数，r为车轮半径，d为行进里程，n_i为单位时间周期计轴器发出的脉冲数，v为速度。

优选的，所述步骤2)和步骤3)中，检测单元通过激光雷达检测到检测车地铁隧道当前断面上每一点的信息检测车运行中，激光雷达可以得到相对左右铁轨的角度和距离(θ₁,ξ₁)与(θ₂,ξ₂)，而在静态时，有与而每一点的距离都与测量时刻的雷达位置有关；考虑激光雷达扫描角度、距激光雷达距离，断面边缘每一点的坐标在静态时写为 与通过步骤1)即可得到，当检测车停在轨道上时，用于补偿检测车位置；

而在动态时，断面边缘每一点的坐标为综合考虑可对系统结果进行补偿，得到实际距离；该坐标即可得到断面每一角度的距离值，通过比较每一角度上的距离值，可判断是否在限界区域之内；通过与θ之差可以确认车体摆动，ξ与之差可以确认车体振动，与ξ之差可以确认车体偏转；

其中，为雷达测量的角度，l为雷达测量的距离，为铁轨到雷达的角度，为铁轨到雷达的距离。

优选的，步骤3)中，直角系坐标的转化，即是将测量得到的写为以水平轴x与垂直轴y的表示法，三角变换的得到(x_i,y_i)，而(θ_1i,ξ_1i),(θ_2i,ξ_2i)同样需要换算成对应坐标(x_1i,y_1i),(x_2i,y_2i)，则每一个测量点变为6个变量确定的X(x_i,y_i,x_1i,y_1i,x_2i,y_2i)。

优选的，步骤3)中，所述修正补偿方法为在动态检测时，在另一坐标系中建立新的断面边缘点坐标，并将该坐标与其界限坐标的偏差用o-o’这个向量来表示，然后将动态检测中的所有坐标均通过o-o’这个向量归算到界限直角坐标系中，达到补偿作用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明实现了限界信息数字化，采集的限界数据与里程结合，便于管理与查看。

(2)本发明实现了360°无死角的断面检测，确保无盲区，保证了限界检测的准确性。

(3)本发明体积小巧，移动方便，操作简单，能满足长时间的持续工作。

(4)本发明软件以触摸操作为基础进行设计，配合触摸屏幕，更适合于地铁使用。

(5)本发明利用限界检测设备进行动态补偿，无需安装附加设备，大大节约了成本。

(6)本装置具有自校准功能，避免长期放置，而产生的误差。

附图说明

图1为本发明系统框图。

图2为本发明结构示意图。

图3为本发明报警单元电路图。

图4为本发明雷达扫描图。

图5为本发明检测方法框图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-检测车，2-车轮，3-凸起部，4-激光雷达，5-显示器，6-蜂鸣器，7-报警灯。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1所示，本实施例提供了一种地铁数字化限界动态检测系统。包括检测车1，设置在检测车1上的显示器5、信息录入端和检测单元，设置在检测车1内部的测速单元、报警单元和处理器，以及设置在检测车1内部、给整个检测系统供电的电源；所述检测单元、测速单元、报警单元、显示器5、信息录入端分别与处理器相连。

如图2所示，本实施例的测速单元中，计数轴选取SICK DFS60B-S4CL01000，检测车1的车轮2半径为15cm。检测单元的实施方案为SICK LMS511-20100PRO，可以完成190°扫描，两台激光雷达4即可实现360°的扫描，测量范围1-10m。报警单元采用带蜂鸣器6的报警灯7，通过如图3所示的两路继电电路控制，电路中可以更换继电器k1、k2完成对应弱电控制，考虑检测车1在铁路隧道中使用，报警灯7应具有常亮功能；同时，两路继电器分别控制常量(黄灯)与报警(红灯带蜂鸣)两个状态。处理器、显示器5和信息录入端三者可用一般台式机或笔记本代替，带需考虑足够数量的通信接口，或利用交换机满足更多数量的设备接入，本实施例选取Intel 1037u平台主机，4G DDR3内存，配500G SSD硬盘。主机安装Windows 7操作系统，并安装有MS Excel 2003表格处理软件方便于查看，以及数据库软件SQLite，方便数据的管理，信息录入端设置为键盘录入；或者直接将显示器5设置为触摸屏显示器，本实施例中，即将显示器5设置为触摸屏显示器。

由于Intel 1037u平台主机通常并不带有I/O接口，因此无法直接读取计轴器并控制报警灯7继电电路。在本实施例中，采用ADAM-6051，该卡有2个触发口可以接收来自计轴器所发出的脉冲信号，并且还有两个I/O口，可以控制继电器电路的两口。

本配置可以满足系统硬件要求，并实现低电压、低功耗、高读写速度的要求。整套系统功耗小于50W，配合1500Ah 24V锂电池，可以持续工作24小时以上。

两台激光雷达4背对背安装于检测车1上的凸起部3上。其余设备安装于检测车1的车厢内部。触摸显示屏位于把手上方，方便操作。

除此之外，检测车1采用铝合金骨架搭建而成，重量轻，拆卸方便，且应当具有足够的刚度，以使其在运行中不变形、扭转，防护等级也应当满足IP65。

如图5所示，本实施例还提供了一种地铁数字化限界动态检测系统的检测方法，包括以下步骤：

1)先通过信息录入端依照限界标准的直角坐标系格式将限界信息录入到处理器，得到界限直角坐标系。

2)通过测速单元检测得到检测车1移动的距离，用以判断检测车1当前所处位置，同时通过检测单元检测检测车1地铁隧道当前断面每一点相对铁轨的角度值和距离值；

该步骤中，测速单元通过安装在车轴上的计轴器随车轴转动发出脉冲，通过计数器接受脉冲并计算得到车轮转动次数，以得到检测车1行进里程和行进速度；

所述行进里程为：n·2πr＝d；行进速度为：(n_i+1-n_i)·2πr＝v；

其中，n为计数器记录的车轮转动次数，r为车轮半径，d为行进里程，n_i为单位时间周期计轴器发出的脉冲数，v为速度。

值得注意的是，计轴器是安装在车轴上，记录车轴转动的。当车轴转动时，计轴器发出脉冲。本实施例选用的是每1/1000周期发出一个脉冲信号的计轴器。也就是说，车轮转动一周，计数器将收到1000个脉冲。计数器会记录脉冲数n，可以计算得到里程信息。与上一单位时间结束时的n_i相减可以得到本单位时间内的行进里程，进而可以计算得到速度信息。

检测单元通过激光雷达4检测到检测车1地铁隧道当前断面上每一点的信息检测车1运行中，激光雷达4可以得到相对左右铁轨的角度和距离(θ₁,ξ₁)与(θ₂,ξ₂)，而在静态时，有与而每一点的距离都与测量时刻的雷达位置有关；考虑激光雷达4扫描角度、距激光雷达4距离，断面边缘每一点的坐标在静态时写为

与通过步骤1)即可得到，当检测车1停在轨道上时，用于补偿检测车1位置；

而在动态时，断面边缘每一点的坐标为综合考虑可对系统结果进行补偿，得到实际距离，其中，所述修正补偿方法是通过在另一坐标系中建立新的断面边缘点坐标，并将该坐标与其界限坐标的偏差用o-o’这个向量来表示，然后将动态检测中的所有坐标均通过o-o’这个向量归算到界限直角坐标系中，以达到补偿作用。

通过补偿后的坐标即可得到断面每一角度的距离值，通过比较每一角度上的距离值，可判断是否在限界区域之内；

通过与θ之差可以确认车体摆动，ξ与之差可以确认车体振动，与ξ之差可以确认车体偏转；

其中，为雷达测量的角度，l为雷达测量的距离，为铁轨到雷达的角度，为铁轨到雷达的距离。

3)将地铁隧道当前断面的坐标信息发送给处理器，处理器将测量得到的写为以水平轴x与垂直轴y的表示法，三角变换的得到(x_i,y_i)，而(θ_1i,ξ_1i),(θ_2i,ξ_2i)同样需要换算成对应坐标(x_1i,y_1i),(x_2i,y_2i)，则每一个测量点变为6个变量确定的X(x_i,y_i,x_1i,y_1i,x_2i,y_2i)，即，处理器将接收到的坐标信息其转化为当前直角坐标系，并对数据进行修正补偿后，绘制当前端面后，通过显示器5显示；其中，该坐标信息发送到处理器后，还可生成如图4所示的雷达扫描图，可通过该图清洗的看到预设的车辆限界，以及车辆限界周围的扫描结果，从图中，可以识别出一些具有特征的参照物。从图中可以看出，铁轨是检测车1运行的轨道，也是始终存在的标志物，并且其形状标准，因此，本实施例中，各坐标亦以此为参照。

4)将地铁隧道当前断面直角坐标系与界限直角坐标系进行比较，判断其是否有侵限；若没有侵限，则存储数据后，循环步骤2～4；若有侵限则通过报警单元发出报警，存储数据后，再循环步骤2～4。

在得到每一点后，比较6个变量，判断车体运动状态，并判断是否出现侵限现象。当发生侵限时，发出报警，报警灯7亮起，蜂鸣器6响起，屏幕上显示红色背景，数据记录此时里程、时间、超限的限界段。

此外可以将所测的数据全部存于数据库之内，便于查看。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地铁数字化限界动态检测系统的检测方法，其特征在于，系统包括检测车，设置在检测车上的显示器、信息录入端和检测单元，设置在检测车内部的测速单元、报警单元和处理器，以及设置在检测车内部、给整个检测系统供电的电源；所述检测单元、测速单元、报警单元、显示器、信息录入端分别与处理器相连；

所述检测车底部设有车轮、顶部设有一个凸起部；

所述检测单元包括能够完成360°扫描的多个激光雷达；

所述测速单元用于检测小车的行进里程和速度，包括用于记录车轮转动次数的计数器，以及安装在车轴上、随检测车运动发出脉冲的计轴器；

所述报警单元包括报警灯和设置在报警灯内部的蜂鸣器；

检测方法包括以下步骤：

1)先通过信息录入端依照限界标准的直角坐标系格式将限界信息录入到处理器，得到界限直角坐标系；

2)通过测速单元检测得到检测车移动的距离，用以判断检测车当前所处位置，同时通过检测单元检测检测车在地铁隧道当前断面上每一点相对铁轨的角度值和距离值；

3)将地铁隧道当前断面的位置、角度值和距离值发送给处理器，处理器将其转化为当前断面直角坐标系，并对数据进行修正补偿后，绘制当前端面后，通过显示器显示；

4)将地铁隧道当前断面直角坐标系与界限直角坐标系进行比较，判断其是否有侵限；若没有侵限，则存储数据后，循环步骤2)～4)；若有侵限则通过报警单元发出报警，存储数据后，再循环步骤2)～4)。

2.根据权利要求1所述的一种地铁数字化限界动态检测系统的检测方法，其特征在于，所述检测单元包括背对背安装、且均可完成190°扫描的两个激光雷达。

3.根据权利要求2所述的一种地铁数字化限界动态检测系统的检测方法，其特征在于，每个激光雷达均安装在凸起部上，以避免车体遮挡激光雷达的扫描路径。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种地铁数字化限界动态检测系统的检测方法，其特征在于，所述激光雷达的测量范围为1-10m。

5.根据权利要求4所述的一种地铁数字化限界动态检测系统的检测方法，其特征在于,

所述步骤1)中，测速单元通过安装在车轴上的计轴器随车轴转动发出脉冲，通过计数器接受脉冲并计算得到车轮转动次数，以得到检测车行进里程和行进速度；

所述行进里程为：n·2πr＝d；行进速度为：(n_i+1-n_i)·2πr＝V；

其中，n为计数器记录的车轮转动次数，r为车轮半径，d为行进里程，n_i为单位时间周期计轴器发出的脉冲数，v为速度。

6.根据权利要求5所述的一种地铁数字化限界动态检测系统的检测方法，其特征在于，

所述步骤2)和步骤3)中，检测单元通过激光雷达检测到检测车地铁隧道当前断面上每一点的信息

检测车运行中，激光雷达可以得到相对左右铁轨的角度和距离(θ₁，ξ₁)与(θ₂，ξ₂)，而在静态时，有

与

而每一点的距离

都与测量时刻的雷达位置有关；考虑激光雷达(4)扫描角度、距激光雷达距离，断面边缘每一点的坐标在静态时写为

与

通过步骤1)即可得到，当检测车停在轨道上时，用于补偿检测车位置；

而在动态时，断面边缘每一点的坐标为

综合考虑可对系统结果进行补偿，得到实际距离；

该坐标即可得到断面每一角度的距离值，通过比较每一角度上的距离值，可判断是否在限界区域之内；

通过

与θ之差可以确认车体摆动，ξ与

之差可以确认车体振动，

与ξ之差可以确认车体偏转；

其中，

为雷达测量的角度，l为雷达测量的距离，

为铁轨到雷达的角度，

为铁轨到雷达的距离。

7.根据权利要求6所述的一种地铁数字化限界动态检测系统的检测方法，其特征在于，步骤3)中，直角系坐标的转化，即是将测量得到的

写为以水平轴x与垂直轴y的表示法，

三角变换的得到(x_i，y_i)，而(θ_1i，ξ_1i)，(θ_2i，ξ_2i)同样需要换算成对应坐标(x_1i，y_1i)，(x_2i，y_2i)，则每一个测量点变为6个变量确定的X(x_i，y_i，x_1i，y_1i，x_2i，y_2i)。

8.根据权利要求7所述的一种地铁数字化限界动态检测系统的检测方法，其特征在于，步骤3)中，所述修正补偿方法为在动态检测时，在另一坐标系中建立新的断面边缘点坐标，并将该坐标与其界限坐标的偏差用o-o’这个向量来表示，然后将动态检测中的所有坐标均通过o-o’这个向量归算到界限直角坐标系中，达到补偿作用。

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