CN106794851B - 用于测量和显示轨道设备的轨道几何形状的方法 - Google Patents

用于测量和显示轨道设备的轨道几何形状的方法 Download PDF

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Abstract

一种通过在轨道上可走行的线路上部机械测量和显示轨道设备的轨道几何形状的方法，所述线路上部机械具有控制测量设备，用于在抬升矫正装置之前测量待修正的轨道位置，所述线路上部机械还具有验收测量设备，用于在抬升矫正装置之后测量被修正的轨道位置，并且所述线路上部机械还具有配属的用于显示测量值的输出单元。所述抬升矫正装置根据控制测量设备和验收测量设备的测量值被控制，以便实现预设的轨道额定几何形状。为了实现有利的矫正关系，在此建议，首先根据轨道额定几何形状的曲率图(k(s)、2)、纵截面高度图(h(s)、4)和超高图(u(s)、3)计算得出三维的位置图(图6、7)，三维的位置图以立体图显示并且通过输出单元示出，并且为立体的位置图补充关于轨道方向(39)、超高(23)、扭曲(49)和纵截面高度(20)这些轨道参数的测量到的误差变化曲线。

Description

用于测量和显示轨道设备的轨道几何形状的方法
技术领域
本发明涉及一种通过在轨道上可走行的线路上部机械(Oberbaumaschine)测量和显示轨道设备的轨道几何形状的方法，所述线路上部机械具有控制测量设备，用于在抬升矫正装置之前测量待修正的轨道位置，所述线路上部机械还具有验收测量设备，用于在抬升矫正装置之后测量被修正的轨道位置，并且所述线路上部机械还具有配属的用于显示测量值的输出单元，其中，所述抬升矫正装置根据控制测量设备和验收测量设备的测量值被控制，以便实现预设的轨道额定几何形状，所述轨道额定几何形状尤其以曲率图(Krümmungsbild)、纵截面高度图和超高图的形式预设。
背景技术
大多数铁路设计为碎石道碴的上部建筑。在此轨枕位于碎石道碴中。碎石道碴的作用是将车轮力导入路基内，吸收作用在钢轨和轨枕上的横向力，并且导出表面的水。通过在之上行驶的车辆作用的车轮力被无规律地作用到碎石道碴中并且导致轨道的侧面位置形状的变形。通过设置道床，在纵截面高度、超高(在弯道中)、扭曲和方向位置方面出现误差。
如果超过了这些几何尺寸的一些由列车方向确定的舒适度极值或安全性极值，则计划进行维护作业并且按时实施。如果超过了固定的危险极值，则根据故障的程度降低速度或者锁定轨道并且快速消除各个故障。几何形状的轨道误差的消除和修正通常由线路上部工程机械实施。为了控制过程，具有测量系统用于测取当前的轨道位置，关于直线、抬升、扭曲和横向倾斜的参数。
为了使轨道在这种轨道形状改进作业之后可以被再次投入运行，线路上部机械装配有所谓的验收测量设备和验收记录设备。为了通过线路上部机械或其它方法改进轨道位置的质量，列车管理者确定所谓的验收公差。这表示对进行的形状改进的质量的最低要求。这通过验收测量设备和验收记录设备检测。记录的结果是与安全相关的官方文件。因此，这种验收测量设备和验收记录设备要经过定期的校准和通过授权点的验收。在此需要列举的、修正的和记录的量值是轨道的扭曲度、轨道的纵截面高度、轨道的定向或侧面位置、轨道的轨距和横向倾斜度或者超高。
铁路轨道的额定形状作为轨道规划使用并且可以在输入控制计算机之后用于在已知测量系统状态的情况下计算系统误差。在线路上部机械上具有前车厢操作员，其负责在额定形状和通过数据记录器的接收方面控制机械。在验收记录器显示出现误差时，必须通过机械例如往回运行并且修正误差，由此保持验收公差。
根据当前通常的方法，以轨道在弯道长度上的曲率曲线的形式为线路上部机械的前车厢操作员显示轨道形状。图像可视性地以图表的形式显示在电脑屏幕上。在分离的附加的屏幕上向机械操作者显示图表，该图标显示了各个参数相对于额定位置的偏差。根据当前通常的方法，机械操作者可以根据这些偏差输入附加的修正值。例如，他可以在轨道回弹时通过机械对轨道进行再压入。但是，因为验收记录器在轨道位置加工点的大约10m之后才记录轨道位置，所以修正值的效果只能延后地显现。
曲率图、纵向倾斜图和超高图的显示是抽象的并且对于机械操作者不是普遍可理解的。由机械的显示真正轨道位置的前挡风玻璃的视线没有与在屏幕上示出的数学抽象的电脑图相重叠。这种通常的方法因此对机械操作者是复杂的要求，给出的信息不直观、难于理解并且由此容易出现操作失误。不仅由于两个无关的电脑对于根据轨道额定位置和数字验收记录器的运行造成困难，而且在机械运行电脑和验收记录器之间的测量记录的显示轴线通常恰好是颠倒显示的，也对作业造成困难。
几何形状的轨道位置的记录当前标准地大多数情况下通过非对称的弦测量系统实现(弦段a、b)。在此，在前面和后面单侧地压在轨道上的测量车辆之间居中地张紧弦。在张紧车辆之间安置测量车辆并且在一侧压紧。测量车辆支承有探测装置，其从中间位置测量钢弦的定位。这个数值称为矢高。为了矫正，车辆压在弯道外侧。为了高度，弯道内轨用作参考值。额定的曲率图借助以下挠度公式在额定的挠度图(曲率图按比例)换算：
在测量时，由此计算的额定挠度与被测量的实际挠度相比较，并且标记出差别。针对这个差别由铁路管路者预设验收极值。该方法步骤也类似地使用纵向倾斜曲率图。通过将重力轴线作为参考直接提供超高值，并且通过摆锤或其它倾斜测量器测量，并且通过与额定超高的比较提供偏差值。针对超高偏差也适用验收极值。挠度测量由所谓的传递功能实现，也就是说，测量到的误差的增强和阶段位置是根据波长的并且仅质量上相当于实际的轨道形状误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种前述类型的方法，通过其将额定轨道形状、实际轨道形状和通过作业精度产生的与轨道额定几何形状的偏差如此直观地显示，从而降低机械的错误操作的可能性并且可以直观地控制机械。
所述技术问题按照本发明通过一种方法解决，其中，首先根据轨道额定几何形状的曲率图、纵截面高度图和超高图计算得出三维的位置图，所述三维的位置图以立体图显示并且通过输出单元示出，并且为立体的位置图补充关于轨道方向、超高、扭曲和纵截面高度这些轨道参数的测量到的误差变化曲线。
额定轨道形状、实际轨道形状和通过作业精度产生的与轨道额定几何形状的偏差与校正措施相同地通过机械操作者立体地在图像中示出，所述图像基本上与从其窗口沿作业方向的视线重叠。此外，在该立体图中标记确定的轨道标记(同步点)、如岔道位置、桥梁位置或弯道主点(方向曲率图、纵向倾斜图或超高图中改变的轨道位置)。为此，所述轨道额定几何形状配有同步点，这些同步点在轨道延伸走向的立体图的相应位置上显示，其中，在通过线路上部机械到达同步点时，轨道设备上的真实的同步点与立体图的虚拟的同步点进行同步。
通过机械的前行连续地显示所述线路上部机械在输出单元的视图中的位置和当前误差值的视图。由此，机械操作者从其窗口沿作业方向的视线始终基本上与立体的图像重叠。剩余误差的变化曲线根据测量到的误差变化曲线和所实施的调整操作被预先计算并且可见地显示出。
此外，在线路上部机械前面的轨道位置通过图像采集装置记录，钢轨的位置可以通过图像分析计算，并且计算出的钢轨的位置和轨道额定几何形状可以在位置图中立体地显示。由此，机械操作者可以在之前考虑到其得到的所需修正介入。为此建议，计算待修正的轨道位置相对于额定位置的偏差的走向，计算出变化趋势并且在用于显示的输出单元上显示，以便能够通过按时地对抬升矫正装置实施操作确保维持公差。对待修正的轨道位置相对于抬升矫正装置前的额定位置计算出的偏差的修正由抬升矫正装置的控制设备自动地实施。
因为线路上部机械大多数情况下通过计程仪测量弯道长度并且由于滑行、车轮的污物等具有较低的非精确性，所以机械在同步点上与额定弯道长度同步。为此，在线路上部机械前面的同步点可以通过图像采集装置标出，并且从可预选的近似点逐渐显示在立体图中以同步化。通过同步化避免弯道长度测量误差的累积。可以手动地或自动地实现同步化。
按照本发明，通过用于侧面位置的曲率图、用于高度位置的纵截面倾斜图和用于轨道超高的超高图预先设定的轨道额定几何形状在三维空间曲线中换算，并且将轨道额定几何形状随后立体可见地在屏幕或类似的装置上显示。测取到的所产生的轨道位置相对于额定位置的偏差记录在立体图中，并且为了校正通过控制或者在自动模式下或者在手动模式下使用。轨道的同步点用于将线路建造机械的测量到的弯道长度与实际的弯道长度同步，轨道的同步点同样在其位置方面立体地显示，同样如其它重要的轨道点、如岔道、桥梁、铁路交叉口等那样地显示。
剩余轨道形状误差的自动修正例如可以通过计算纵截面高度、定向和超高(例如在之前过去的10m上)记录的误差的平均值进行，方法是，相应误差的平均值追溯到用于修正的线路上部机械的控制(反馈循环)。如果例如超高误差的中值处于-2mm，则通过线路上部机械将超高侧抬升2mm，以便补偿这个误差。类似地也适用于其它的测量参数。
立体图可以通过平视投影仪投影在线路上部机械的前挡风玻璃上和/或通过数据眼镜显示。此外，立体图可以通过无线电数据线路传输到在空间上远离线路上部机械的使用位置的调度中心，用于监测作业进度，其中，必要时通过调度中心远程控制作业。
附图说明
在附图中示例地示出本发明的技术方案。在附图中：
图1示出根据现有技术的额定曲率图、超高图和纵截面倾斜图以及同步点的显示器图像，
图2示出根据现有技术在实施维护工作之后的测量制图的显示器图像，
图3示出轨道几何形状、剩余的轨道误差和同步点的按照本发明的立体图，
图4示出通过非对称的弓弦法测量在平面图中的轨道位置的地点图，
图5示出在平面图中的轨道位置，具有对曲率半径、轨道弧度角和贴靠的切线的说明，
图6示出由平面图、高度位置和超高组成的三维坐标视图的组成视图，
图7示出由平面图、高度位置和超高组成的三维坐标视图的组成的细节视图。
具体实施方式
图1示例性地示出根据现有技术的轨道几何形状计算机的显示器图像A的示意图。在第一栏1中标记了弯道长度的公里数。下一栏2示出所谓的曲率图k(s)的曲线。曲率5等于轨道半径1/Rj的倒数。为了使在从直线轨道开始行驶进入轨道弯道时不会产生较大的晃动，设计有所谓的过渡弯道。所述过渡弯道的最简单的形状是线性的过渡弯道，其中，曲率始终随着弯道长度增大直至达到相当于轨道半径的曲率。线性过渡弯道的曲率的变化曲线为：
其中，k＝0至
在平面图中，线性过渡弯道是回旋曲线。除了这种过渡弯道也存在其它的实施方式，如所谓的具有根据以下等式的曲率走向的单纯的过渡弯道：
正弦形状或余弦形状、以及四乘幂形状(Helmert)的过渡弯道和其它形状也是已知的。尤其是，用于获得平面图的笛卡尔坐标系的分析方法是无法使用的，而是必须使用近似值方法或数字方法。关于弯道长度k(s)的曲率的显示允许在双重积分的笛卡尔坐标系中表示。
下一栏3示出超高6u(s)的变化曲线。通常，以mm标示超高。这是弯道外侧钢轨相对于作为参考的弯道内侧钢轨升高的量度或者说尺寸。
最后一栏4示出纵截面倾斜图h(s)7，该纵向倾斜图同样显示为曲率图。因为在铁道中倾斜相对较小，所以关于纵截面高度不需要过渡弯道。大多数情况下，从一个倾斜度到另一个倾斜度的过渡仅需要较小的或不需要倒圆。在栏1中，也标志性地示出在弯道主要点15上的同步点或者用于特别的位置、如用于桥梁34或道岔34的同步点。当在作业时，机械22的位置在几何形状中通过水平的线示出。
图2示出在轨道位置校正作业之后按照现有技术的几何轨道位置的数字标记记录的显示器屏B的示意图。最下面的一行1示出公里数(弯道长度)。在最上面的一行8中示出测量的矢高(方向)的变化曲线，并且围绕该测量值示出允许的公差14。如果超出了公差，则通过信号警告机械操作者。从上数第二行9示出测量的超高的变化曲线和公差线。在位置16上存在向下的超出。在这种情况下机械必须退回并且再一次校正该区域直至与公差相匹配。从上数第三行10示出具有公差线的纵截面高度的变化曲线。在此，在位置12上也存在超出。最后，在从上数的第四行11示出由超高导出的参量(扭曲)。扭曲是一个参量，其由于它对于脱轨安全性的意义是特别安全重要的。在位置13所示的超出需要通过捣固机械进行再处理。垂直线28的位置示出当前的测量标记的位置。
图3示出机械操作的按照本发明的立体图。在弯道长度上的曲率图中的用于轨道位置计算机A和验收记录器B的两个不同的显示器图像，以轨道位置的立体成像的形式集成在图像中。根据轨道额定几何形状预设、还根据轨道额定几何形状的曲率图k(s)2、纵截面高度图h(s)4和超高图u(s)3，计算出三维位置图。所述三维位置图置入立体图中并且通过输出单元示出。此外，立体位置图关于轨道方向39、超高23、扭曲49和纵截面高度20补充了测量的轨道参数的误差曲线。在笛卡尔坐标系中计算空间上的额定曲线，并且换算和显示为立体图。19示出计算的轨道的额定位置的轨迹。通过29符号地示出机械的作业位置。28示出线路上部机械的当前位置。22示出记录器标记的位置。20示出纵截面高度与轨道额定高度的偏差。21示出当前最后的偏差。该偏差的值在区域40中示出。31示出应通过修正调节形成的预测值。线44示出在机械操作者通过补偿电位计手动施加影响时的之前计算的变化曲线。在自动模式下，计算机自动计算出并且进行需要的修正。48示出关于测量的验收参数的允许的极限值。R表示mm为单位的矫正位置的偏差，H表示mm为单位的高度位置的偏差，u表示以mm为单位的超高的偏差，并且‰表示千分比的扭曲的允许极限值。线39提供了相对于轨道的额定曲线的水平的轨道位置偏差。在38中，在当前测量位置上存在的偏差数值形式地输出。43又是在手动或自动修正时的预先计算出的曲线走向。在37中给出偏差的预先计算出的值。23示出超高的偏差。阴影线的角度表示，超高误差是向上的或是向下的。此外，50数字性地示出当前的偏差。24示出超高的标志。因为涉及左转弯道，所以右侧钢轨超高。矫正位置的偏差在此始终在弯道外侧的钢轨上显示，并且在弯道内侧的钢轨上显示纵截面高度，因为其是用于高度的参考钢轨。42在相应的手动或自动修正时也是超高误差的发展的预测曲线。35表示在再次测量时预测的值。27是在测量位置上的超高的当前的偏差。49表示扭曲的偏差曲线。25是扭曲的标记。26是在测量位置上的当前的偏差。45也是手动或自动地施加修正的预先计算的曲线。33是在作业位置上的当前修正值的情况下形成的值。在超过验收曲线的极限值时或者在验收曲线理想地延伸时，显示标记17。在此，右侧的标记表示无瑕疵的变化曲线，在中间的标记显示对公差的不允许的超出，而在最左边表示，偏差的趋势意味着即将超过极限值。通过36标记弯道主要点的同步点。其它的可能的同步点、如桥梁34或道岔41以“描述的”方式表示。32显示水平线。如果机械接近至同步点的预设的极限值(例如5m)，则发出光学的和/或声学的警报，并且在30中逐渐显示同步点视频摄像头的图像。通过机械操作者借助视频图像或者通过从窗户观察手动地通过按键实现同步化。通常，在钢轨上标出同步点。如果前面的夹紧车厢准确地处在同步点上，则被同步化。图像C从略微鸟瞰的视角立体地示出，两个钢轨共同地在无限远处具有消失点。钢轨的延伸走向在此只计算和显示至有限的长度(如50m)。
图4在平面图中示出弯道46。通常，用于测量轨道位置的线路上部机械采用矢高测量方法。在此，长度l＝a+b的弦(a、b)通过测量车辆沿着弯道(弯道长度s)在钢轨上导引。47显示轨道误差。计算出的额定矢高fab通过机械与测量的矢高f’ab进行比较。由此形成偏差F，所述偏差F通过机械通过适合的矫正补偿。通常，使用具有区段长度a和b的非对称的弦。矢高由此得出：
图5在平面图(x、y坐标)中示出弯道46的示意图和在弯道角与弯道尺寸s之间的关联。为了坐标显示的计算，适用以下数学关系：
因为通常积分不是分析可解的，其是数字计算的。k(s)在此是平面图中的曲率走向。对于高度位置类似地进行，高度变化曲线投影在y、z平面内。超高可以直接地计算(因为作为u(s)给定)，并且相对于参考钢轨的z轴(始终是弯道外侧的钢轨)与其相加。钢轨具有间距d(d＝轨距，标准轨距＝1435mm)。
图6示出如何由平面图(在x、y平面)、高度图(y、z平面)、超高u和轨距d计算钢轨的三维延伸走向。
图7详细地示出组成。在x、y平面内的具有坐标(xi、yi)的计算出的点(Pi,0)通过高度图的z坐标补充为具有坐标(xi、yi、zi)的三维点Pi,1。因为涉及右转弯道，所以在左侧钢轨上描绘超高u。形成具有坐标(xi、yi、zi+ui)的点Pi,2。在平面图中在切线t(斜率ksi)上的垂线(-1/ksi)被轨距d截取，由此针对平行钢轨形成具有坐标(x’i、y’i)的点P’i,0。为了得到三维点P’i,1，通过z坐标补充为(x’i、y’i、z’i)。在准确的计算中，(弯道外侧的)超高不垂直于x、y平面，而是轻微的倾斜(最大大约6°)。偏差F’对于立体图是不重要的并且由此被忽略。

Claims (10)

1.一种通过能在轨道上走行的线路上部机械测量和显示轨道设备的轨道几何形状的方法，所述线路上部机械具有控制测量设备，用于在抬升矫正装置之前测量待修正的轨道位置，所述线路上部机械还具有验收测量设备，用于在抬升矫正装置之后测量被修正的轨道位置，并且所述线路上部机械还具有配属的用于显示测量值的输出单元，其中，所述抬升矫正装置根据控制测量设备和验收测量设备的测量值被控制，以便实现预设的轨道额定几何形状，所述轨道额定几何形状以曲率图(k(s)、2)、纵截面高度图(h(s)、4)和超高图(u(s)、3)的形式预设，其特征在于，首先由轨道额定几何形状的曲率图(k(s)、2)、纵截面高度图(h(s)、4)和超高图(u(s)、3)计算得出三维的位置图，所述三维的位置图以立体图显示并且通过输出单元示出，并且为立体的位置图补充关于轨道方向(39)、超高(23)、扭曲(49)和纵截面高度(20)这些轨道参数的测量到的误差变化曲线。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轨道额定几何形状配有同步点(36、34、41)，这些同步点在轨道延伸走向的立体图的相应位置上显示，其中，在通过线路上部机械到达同步点时，轨道设备上的真实的同步点与立体图的虚拟的同步点(C)进行同步。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过机械的前行连续地显示所述线路上部机械(28、29)在输出单元的视图中的位置和当前误差值(21、26、27、39)的视图。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，剩余误差(44、45、42、43)的变化曲线根据测量到的误差变化曲线和所实施的调整操作被预先计算并且可见地显示出。
5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在线路上部机械前面的轨道位置通过图像采集装置记录，钢轨的位置通过图像分析计算，并且计算出的钢轨位置和轨道额定几何形状(19)在位置图中立体地显示。
6.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在线路上部机械前面的同步点(36、34、41)通过图像采集装置记录并且从可预选的近似点起逐渐显示在立体图(C)中以进行同步化。
7.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，计算待修正的轨道位置相对于额定位置的偏差的变化曲线，计算出变化趋势并且在用于显示的输出单元上显示，以便能够通过适时地影响抬升矫正装置来确保维持公差。
8.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对待修正的轨道位置相对于抬升矫正装置前的额定位置计算出的偏差的修正由抬升矫正装置的控制设备实施。
9.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，立体图通过平视投影仪投影在线路上部机械的前挡风玻璃上和/或通过数据眼镜显示。
10.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，立体图通过无线电数据线路传输到在空间上远离线路上部机械的使用位置的调度中心，用于监测作业进度，其中，通过调度中心远程控制作业。
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