CN107815935A - 高速铁路轨道几何状态实时监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速铁路轨道几何状态实时监测方法及系统，系统包括：多个棱镜，每个棱镜按照一定间隔安装在轨道的轨腰上；数据采集单元，数据采集单元安装在行车区域外，数据采集单元用于以扫描的方式向轨腰上的棱镜发射电磁波，接收棱镜反射回的电磁波，以获取各个棱镜的实时空间坐标；数据处理单元，数据处理单元与数据采集单元的数据输出端连接，数据处理单元用于从数据采集单元中获取实时空间坐标，根据实时空间坐标和棱镜的初始空间坐标通过本文中的特定算法得到当前的轨道几何状态参数。通过在轨道上安装专用棱镜，组建基于自动全站仪的轨道几何状态实时自动监测系统，以保证高速铁路运营安全。

Description

高速铁路轨道几何状态实时监测方法及系统

技术领域

本发明涉及轨道检测技术领域，具体涉及高速铁路轨道几何状态实时监测方法及系统。

背景技术

高速铁路运营中由于受不良自然条件的影响、列车荷载的压力以及地基、路基等区域性的沉降以及涉铁工程施工等引起高速铁路路基变形引起的轨道几何的变化，这样的变形会使轨道存在各种安全隐患，而对轨道几何状态进行检测可以及时发现这种变形，然后进行一系列的轨道养护可以消除这些安全隐患。目前，对既有铁路轨道几何状态监测主要采用人工测量的方法。而对于高速铁路，由于线路存在行车速度快、行车密度大、线路全封闭等特点，人工测量的方法只能在晚上天窗点进行，某些不方便到达的路段人工测量效率十分低下，无法实现实时监测，显得非常被动、存在着诸多问题，已不能满足铁路高速化的需要。因此，研制一套能对高速铁路路基变形路段轨道几何状态进行实时监测的系统对于保障高速铁路运营安全显得十分必要和有意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供的高速铁路轨道几何状态实时监测方法及系统，通过在轨道上安装专用棱镜，组建基于自动全站仪的轨道几何状态实时自动监测系统，实现数据自动采集、计算、传输和报警，对高速铁路因路基病害或涉铁工程施工影响引起的轨道几何状态变化实现实时自动监测，以保证高速铁路运营安全。

第一方面，本发明提供了一种高速铁路轨道几何状态实时监测系统，包括：

多个棱镜，每个所述棱镜按照一定间隔安装在轨道的轨腰上；

数据采集单元，所述数据采集单元安装在行车区域外，所述数据采集单元用于以扫描的方式向所述棱镜发射电磁波，接收所述棱镜反射回的电磁波，以获取各个所述棱镜的实时空间坐标；

数据处理单元，所述数据处理单元与所述数据采集单元的数据输出端连接，所述数据处理单元用于从所述数据采集单元中获取所述实时空间坐标，根据所述实时空间坐标和所述棱镜的初始空间坐标得到当前的轨道几何状态参数。

优选地，还包括数据存储单元、数据统计单元和主控终端；

所述数据存储单元与所述数据处理单元连接，所述数据存储单元用于存储历史的轨道几何状态参数，所述主控终端与所述数据统计单元连接；

所述数据统计单元与所述数据存储单元连接，所述数据统计单元用于从所述数据存储单元中调取需要的数据，对调取的数据进行统计分析；

所述主控终端包括供用户操作的交互界面，通过所述交互界面显示所述数据统计单元输出的统计分析结果。

优选地，还包括预警单元，所述预警单元与所述数据处理单元连接，所述预警单元用于将实时监测的所述轨道几何状态参数与预警值比较，根据比较结果进行预警处理。

优选地，所述数据采集单元为自动全站仪。

第二方面，基于第一方面提供的高速铁路轨道几何状态实时监测系统，本发明提供了一种高速铁路轨道几何状态实时监测方法，包括：

以周期性扫描的方式向轨腰发射电磁波，接收监测点反射回的电磁波，以获取各个监测点的实时空间坐标，其中，所述监测点为按照一定间隔安装在轨道的轨腰上的棱镜；

根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到当前的轨道几何状态参数，其中，所述原始空间数据预先测得；

将实时监测的所述轨道几何状态参数与预警值比较，根据比较结果进行预警处理。

优选地，所述根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到当前的轨道几何状态参数，包括：

将本次测量的实时空间坐标与前一次测量的实时空间坐标相减，得到每个监测点的本次变化量，

用本次测量的实时空间坐标与初始空间坐标相减，得到累计变化量，

通过几何关系换算得到轨道几何状态参数的本次变化量及累计变化量，

将各个轨道几何状态参数的累计变化量与各个轨道几何状态参数的初始值相加，得到当前的轨道几何状态参数。

优选地，所述轨道几何状态参数包括：高程、平面位置、轨距、高低、超高、轨向、轨距变化率、扭曲。

优选地，所述根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的高程，包括：

获取监测点的初始坐标A(x_A,y_A,h_A)，当前时刻的实测空间坐标A’(x_A’,y_A’,h_A’)，则当前时刻监测点的高程的计算公式为：

H＝H₀+(h_A′-h_A)其中，H₀为预先测量出的监测点位置的初始高程，h_A为监测点的初始高程，h_A′为监测点当前时刻的高程。

优选地，所述根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的平面位置，包括：

获取当前时刻测量的间隔一定距离的三个监测点，记为A、B、C，获取这三个点的实时平面坐标，记为A(x_A,y_A)、B(x_B,y_B)、C(x_C,y_C)，其中，点C位于点A和点B之间，计算点C到AB直线的距离s'；

通过以下公式计算点C的平面位置：

S＝S₀+ΔS＝S₀+(s'-s₀')

其中，S₀为预先测量出的点C的平面位置初始值，s'₀为点C相对AB直线的距离初始值。

优选地，所述根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的轨距，包括：

获取测量位置在左侧轨腰上的监测点的初始空间坐标A(x_A,y_A,h_A)和实时空间坐标A’(x_A’,y_A’,h_A’)，获取测量位置在右侧轨腰上的监测点的初始空间坐标B(x_B,y_B,h_B)和实时空间坐标B’(x_B’,y_B’,h_B’)，则AB断面当前的轨距SR计算公式为：

SR＝SR₀+(SR′-SR′₀)

其中，SR₀为预先测量出的测量位置的初始轨距，SR'₀为AB两点初始距离

SR'为当前AB两点距离测量值

优选地，所述根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的高低，包括：

获取监测点的初始坐标A(x_A,y_A,h_A)，当前时刻的实测空间坐标A’(x_A’,y_A’,h_A’)，监测点的高低的计算公式为：

HL＝HL₀+(h′_A-h_A)

其中，HL₀由10m弦长测量出的点A初始高低，h_A为监测点的初始高程，h'_A为监测点当前的测量高程。

优选地，所述根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的水平检测值，包括：

获取位于左侧轨腰上的第一监测点的实时空间坐标，记为A’(x_A’,y_A’,h_A’)，获取为与右侧轨腰上的第二监测点的实时空间坐标，记为B’(x_B’,y_B’,h_B’)，所述第一监测点与所述第二监测点关于铁轨延伸方向轴对称，所述第一监测点的初始空间坐标记为A(x_A,y_A,h_A)，所述第二监测点的初始空间坐标记为B(x_B,y_B,h_B)；

通过以下公式计算所述监测点的当前的水平检测值：

SE＝SE₀+(SE′-SE′₀)

其中，SE₀为由轨检小车测量出的AB断面初始水平，SE'₀为AB两点初始水平，SE'₀＝h_A-h_B，SE'为当前时刻AB两点水平监测值，SE'＝h'_A-h'_B；

优选地，所述根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的轨向，包括：

获取当前时刻测量的间隔一定距离的三个监测点，记为A、B、C，获取这三个点的实时平面坐标，记为A(x_A,y_A)、B(x_B,y_B)、C(x_C,y_C)，其中，点C位于点A和点B之间，计算点C到AB直线的距离d'；

通过以下公式计算点C的轨向值：

D＝D₀+(d'-d'₀)

其中，D₀为由10m弦长测量出的点C的轨向初始值，d'₀为点C相对AB基点的轨向初始值。

优选地，所述根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的轨距变化率，包括：

获取两组用于计算轨距的监测点的实时空间坐标，一组监测点的实时空间坐标记为A(x_A,y_A,h_A)和B(x_B,y_B,h_B)，另一组监测点的实时空间坐标记为C(x_C,y_C,h_C)和D(x_D,y_D,h_D)；

计算AB断面的轨距：

计算CD断面的轨距：

则其中，L为AB断面和CD断面的距离。

优选地，所述根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的扭曲，包括：

计算相隔一定距离的两个横截面AB、CD的水平值，记为H_AB、H_CD；

计算H_AB、H_CD差值的绝对值，得到当前的扭曲值。

本发明通过在轨道(轨腰)上安装专用棱镜，组建基于自动全站仪的轨道几何状态实时自动监测系统，连续实时监测高程、平面位置、轨距、水平、高低、轨向等轨道几何状态变化情况，实现数据自动采集、计算、传输和报警，对高速铁路因路基病害或涉铁工程施工影响引起的轨道几何状态变化实现实时自动监测，以保证高速铁路运营安全。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的高速铁路轨道几何状态实时监测系统的电路结构框图；

图2为数据采集单元的测量原理示意图；

图3为高速铁路轨道几何状态实时监测系统的整体架构示意图；

图4为高速铁路轨道几何状态实时监测系统测量轨道几何状态原理示意图；

图5为测点轨距随时间变化的分析结果界面；

图6为本发明实施例所提供的高速铁路轨道几何状态实时监测方法的流程图；

图7为轨面高程测量原理图；

图8为轨道平面位置测量原理图；

图9为轨距测量原理图；

图10为高低测量原理图；

图11为水平测量原理图；

图12为轨向测量原理图；

图13为轨距变化率测量原理图；

图14为扭曲测量原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

首先，介绍一下本实施中涉及的轨道几何状态参数的定义：

轨距是指钢轨顶面下16mm处两股钢轨作用边之间的最小距离。因车轮轮缘与钢轨侧面的接触在钢轨顶面下10～16mm处，且轨距在钢轨顶面下16mm处受钢轨磨耗的影响最小，故轨距测量的部位在钢轨顶面下16mm处。国内高速铁路使用的轨距大都是标准轨距，其值为1.435m，轨距不平顺可以表示为：ΔD＝D-1.435，式中，D为实测轨距，ΔD为轨距偏差。

轨距变化率是指以1m基长轨距测量值的差值与基长的比值。

水平也可以称为超高，在直线线路上是指同一里程处左右两股钢轨顶面之间的相对高差，在曲线线路上是指同一里程处的左右两股钢轨顶面的实测高差与设计超高的差值。

轨向是轨道方向的简称，衡量轨道中心线在平面上的平顺性，分为左轨向和右轨向。《高速铁路工程测量规范》中规定，轨向不平顺采用弦长10m短波、基线长30m中波和基线长300m长波检验标准检测。

高低是指同一股钢轨顶面在竖直方向的前后高低起伏变化量，衡量钢轨顶面在竖向的平顺性。轨道高低不平顺检测的原理与轨道轨向不平顺检测原理相同，也可分为10m弦、30m基线长中波和300m基线长长波检验。10m弦、30m基线长中波和300m基线长长波检验方法为现有技术，在此不再赘述。

扭曲是指3m基长范围的两个横断面水平之差，一般是通过两个轨道横断面上的四个轨道点的实测高程和设计高程计算得到。扭曲超限容易引起车辆摇晃和两股钢轨的受力不均，造成行驶车辆脱轨。

其次，对于实施例中用到的关键设备作出解释：

全站仪，即全站型电子测距仪(Electronic Total Station)，是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统，广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。

本实施例中，通过轨道检测小车可以预先获取铁轨上各个监测点的初始空间坐标，并根据这些初始空间坐标确定轨道几何状态参数的初始值，结合设计参数作出预警判断。轨道检测小车是一种检测静态轨道不平顺的便捷工具，它采用电测传感器、专用便携式计算机等先进检测和数据处理设备，可检测高低、水平、扭曲、轨向等轨道不平顺参数。本实施例采用的轨道检测小车为安伯格GRP 1000型，GRP 1000测量系统主要由手推式轨检小车和分析软件包两大部分组成，既可单独测量轨道水平、轨距等参数，也可配合徕卡全站仪来实现平面位置与高程的绝对定位测量。例如，在进行轨面高程和中线坐标检测时，使用高精度的全站仪实测出轨检小车上棱镜中心的三维坐标，然后结合事先严格标定的轨检小车的几何参数、小车的定向参数、水平传感器所测横向倾角及实测轨距，即可换算出对应里程处的中线位置和低轨的轨面高程，进而与该里程处的设计中线坐标和设计轨面高程进行比较，得到实测的线路绝对位置与理论设计之间的差值，根据技术指标对轨道的绝对位置精度进行评价。具体的利用轨道检测小车获取各监测点的空间位置以及各个轨道几何状态参数的方法为现有技术，在此不再赘述。

如图1所示，本实施例提供了提供了一种高速铁路轨道几何状态实时监测系统，包括：

多个棱镜，每个所述棱镜按照一定间隔安装在轨道的轨腰上；

数据采集单元，所述数据采集单元安装在行车区域外，所述数据采集单元用于以扫描的方式向所述棱镜发射电磁波，接收所述棱镜反射回的电磁波，以获取各个所述棱镜的实时空间坐标；

数据处理单元，所述数据处理单元与所述数据采集单元的数据输出端连接，所述数据处理单元用于从所述数据采集单元中获取所述实时空间坐标，根据所述实时空间坐标和所述棱镜的初始空间坐标得到当前的轨道几何状态参数。其中，数据处理单元的具体运算方法在高速铁路轨道几何状态实时监测方法中具体阐述。

其中，轨道几何状态监测点以专用的棱镜作为观测标志，考虑到不能对安全运营造成影响，所以在保证监测精度的情况下对棱镜的尺寸和材质都有一定的要求，棱镜具体尺寸为2cm×2cm×1cm，外壳材料为工程塑料，棱镜用环氧树脂系胶结剂粘结在轨道(轨腰)上，间隔1m布置，并面向观测基站(即数据采集单元)。

其中，如图2所示，数据采集单元的测量原理如下：若欲测定AB两点间的距离D，把测距仪安置在A点，反射镜安置在B点，由一起发出的光束经距离D到达反射镜，经反射镜回到仪器，由于光在大气中的传播速度c已知，如能测量出光在待测距离两端点往返传播的时间t，则可按下式计算出距离D，即：

式中，c＝c₀/n，c₀为真空中的光速值，1975年国际大地测量学与地球物理学联合会根据各国试验，建议采用c₀＝(2977792456±1.2)m/s，相对误差为1/2.5×108。n为大气折射率，它与测距仪所采用的光源波长λ、待测距离上大气平均温度t、气压P和湿度e等有关。

已知测站坐标P(X，Y，H)，可以用全站仪测量出目标棱镜的水平角β、天顶距Z和斜距D，假设测站位置的站点高度为Hi，则目标棱镜的坐标可以用一下公式算出：

X1＝X+D*sinZ*cosβ

Y1＝Y+D*sinZ*sinβ

H1＝Hi+D*cosZ

而测站位置的测站坐标，可以通过后方交会自由设站得到。

其中，所述数据采集单元为自动全站仪。本实施中，选用徕卡TS30全站仪。徕卡TS30全站仪延续了徕卡产品一贯优异的光电测距技术，具有测程远、精度高、可靠性强等特点，亦吸取了徕卡测量系统多年的设备制造经验，采用现代马达驱动、无线数据通信技术，可以在全站仪上轻松简单的对任意地物、地貌进行扫描区域定义和设置，仪器将会按照定义对所选区域进行快速而准确的扫描测量，节省工作时间，提高工作效率。徕卡TS30全站仪具备基本的电子测角测距功能，并提供交互容易的自由设站功能，可以解决轨道检测中的定位问题。全站仪可以通过蓝牙、3.5G模块、电台等多种方式进行便捷的远程控制，还可以使用GSM、GPRS、UMTS和无线局域网等多种方式进行数据共享。TS30全站仪具有EDM测距功能，其在有棱镜模式下，测距精度为0.6mm+1ppm，测量精度非常高，测角精度也可达到0.5″。

优选地，本实施例的系统还包括数据存储单元、数据统计单元和主控终端；所述数据存储单元与所述数据处理单元连接，所述数据存储单元用于存储历史的轨道几何状态参数，所述主控终端与所述数据统计单元连接；所述数据统计单元与所述数据存储单元连接，所述数据统计单元用于从所述数据存储单元中调取需要的数据，对调取的数据进行统计分析；所述主控终端包括供用户操作的交互界面，通过所述交互界面显示所述数据统计单元输出的统计分析结果。

其中，数据存储单元、数据统计单元和主控终端可通过普通的具有运算、存储功能的设备实现，如PC电脑，通过有线或无线的通讯方式从数据采集单元获取实时监测的数据，并得出并记录实时的分析结果。

优选地，本实施例的系统还包括预警单元，所述预警单元与所述数据处理单元连接，所述预警单元用于将实时监测的所述轨道几何状态参数与预警值比较，根据比较结果进行预警处理。其中，可以根据不同的标准，对各轨道几何状态参数分别进行预警值的设置，包括预警的最大值和最小值，甚至可以根据参数的变化量设置预警级别，作出不同级别的预警。预警通过图形化界面显示，用不同的颜色表示预警级别。

系统可根据用户需要查看的参数，通过图表的方式显示该参数的分析结果，如图5给出了测点轨距随时间变化的分析结果界面的示意图。

本实施例的高速铁路轨道几何状态实时监测系统的整体架构可参见图3。一个自动全站仪负责监测范围内铁道上的所有的监测点，多个自动全站仪通过网络与后端的数据处理单元、数据存储单元、数据统计单元和主控终端连接。图3中，C_i为监测点，即棱镜布设的位置，本实施例采用相对变化量的方法计算轨道几何状态，采用带自动监测系统的极坐标法进行测量，并通过监控网络发送给数据存储单元、数据统计单元和主控终端，进行进一步的数据处理、分析、预警判断等。数据的测量分为两部分：(1)初始值采集：在监测范围的轨道(轨腰)上安装专用棱镜，人工(利用安伯格小车)测出监测范围内轨道几何状态作为初始值；(2)实时数据采集：通过自动全站仪测量出轨道上各个测点的坐标，用每次测值与前次测值相减即得到本次变化量，用每次测值与初始测值相减即得到累计变化量，经几何关系换算得到高程、平面位置以及轨距、水平、高低、轨向、扭曲及轨距变化率的本次及累计变化量，累计变化量与人工测得的初值相加即为当前的轨道几何状态，实时数据采集的原理示意如图4所示，其中，BM1、BM2、BM3是在布设自动全站仪时选取的基准点，通过这三个基准点在测量过程中校准自动全站仪的坐标系，以保证采集到的坐标的精准度。

基于上述高速铁路轨道几何状态实时监测系统，本发明提供了一种高速铁路轨道几何状态实时监测方法，如图6所示，包括：

步骤S1，以周期性扫描的方式向轨腰发射电磁波，接收监测点反射回的电磁波，以获取各个监测点的实时空间坐标，其中，所述监测点为按照一定间隔安装在轨道的轨腰上的棱镜；

步骤S2，根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到当前的轨道几何状态参数，其中，所述原始空间数据预先测得；

步骤S3，将实时监测的所述轨道几何状态参数与预警值比较，根据比较结果进行预警处理。

进一步地，所述步骤S2，包括：

步骤S201，将本次测量的实时空间坐标与前一次测量的实时空间坐标相减，得到每个监测点的本次变化量；

步骤S202，用本次测量的实时空间坐标与初始空间坐标相减，得到累计变化量；

步骤S203，通过几何关系换算得到轨道几何状态参数的本次变化量及累计变化量；

步骤S204，将各个轨道几何状态参数的累计变化量与各个轨道几何状态参数的初始值相加，得到当前的轨道几何状态参数。

其中，所述轨道几何状态参数包括：高程、平面位置、轨距、高低、超高、轨向、轨距变化率、扭曲等。

参考图7，根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的高程，包括：

获取监测点的初始坐标A(x_A,y_A,h_A)，当前时刻的实测空间坐标A’(x_A’,y_A’,h_A’)，则当前时刻监测点的高程的计算公式为：

H＝H₀+(h_A′-h_A)其中，H₀为预先测量出的监测点位置的初始高程，h_A为监测点的初始高程，h_A′为监测点当前时刻的高程。

参考图8，根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的平面位置，包括：

获取当前时刻测量的间隔一定距离的三个监测点，记为A、B、C，获取这三个点的实时平面坐标，记为A(x_A,y_A)、B(x_B,y_B)、C(x_C,y_C)，其中，点C位于点A和点B之间，计算点C到AB直线的距离s'；其中，计算点C到AB直线的距离的方法如下：

AB直线方程：

C点到AB直线的距离：

其中：

通过以下公式计算点C的平面位置：

S＝S₀+ΔS＝S₀+(s'-s₀')

其中，S₀为预先测量出的点C的平面位置初始值，s'₀为点C相对AB直线的距离初始值。

参考图9，根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的轨距，包括：

获取测量位置在左侧轨腰上的监测点的初始空间坐标A(x_A,y_A,h_A)和实时空间坐标A’(x_A’,y_A’,h_A’)，获取测量位置在右侧轨腰上的监测点的初始空间坐标B(x_B,y_B,h_B)和实时空间坐标B’(x_B’,y_B’,h_B’)，则AB断面当前的轨距SR计算公式为：

SR＝SR₀+(SR'-SR'₀)

其中，SR₀为预先测量出的测量位置的初始轨距，SR'₀为AB两点初始距离

SR'为当前AB两点距离测量值

参考图10，根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的高低，包括：

获取监测点的初始坐标A(x_A,y_A,h_A)，当前时刻的实测空间坐标A’(x_A’,y_A’,h_A’)，利用10米弦检测方法，监测点的高低的计算公式为：

HL＝HL₀+(h′_A-h_A)

其中，HL₀由10m弦长测量出的点A初始高低，h_A为监测点的初始高程，h'_A为监测点当前的测量高程。

参考图11，根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的水平检测值，包括：

获取位于左侧轨腰上的第一监测点的实时空间坐标，记为A’(x_A’,y_A’,h_A’)，获取为与右侧轨腰上的第二监测点的实时空间坐标，记为B’(x_B’,y_B’,h_B’)，所述第一监测点与所述第二监测点关于铁轨延伸方向轴对称，所述第一监测点的初始空间坐标记为A(x_A,y_A,h_A)，所述第二监测点的初始空间坐标记为B(x_B,y_B,h_B)；

通过以下公式计算所述监测点的当前的水平检测值：

SE＝SE₀+(SE'-SE'₀)

其中，SE₀为由轨检小车测量出的AB断面初始水平，SE'₀为AB两点初始水平，SE'₀＝h_A-h_B，SE'为当前时刻AB两点水平监测值，SE'＝h'_A-h'_B。

参考图12，根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的轨向，包括：

获取当前时刻测量的间隔一定距离的三个监测点，记为A、B、C，获取这三个点的实时平面坐标，记为A(x_A,y_A)、B(x_B,y_B)、C(x_C,y_C)，其中，点C位于点A和点B之间，计算点C到AB直线的距离d'；

通过以下公式计算点C的轨向值：

D＝D₀+(d'-d'₀)

其中，D₀为由10m弦长测量出的点C的轨向初始值，d'₀为点C相对AB基点的轨向初始值。

参考图13，根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的轨距变化率，包括：

获取两组用于计算轨距的监测点的实时空间坐标，一组监测点的实时空间坐标记为A(x_A,y_A,h_A)和B(x_B,y_B,h_B)，另一组监测点的实时空间坐标记为C(x_C,y_C,h_C)和D(x_D,y_D,h_D)；

计算AB断面的轨距：

计算CD断面的轨距：

则其中，L为AB断面和CD断面的距离。

参考图14，根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的扭曲，包括：

计算相隔一定距离的两个横截面AB、CD的水平值，记为H_AB、H_CD；

计算H_AB、H_CD差值的绝对值，得到当前的扭曲值，计算公式为：

扭曲值＝|H_AB-H_CD|(单位：mm/3m)。

由于本实施例中监测路段的范围相对固定，因此，里程采用人工输入的方式，即首先根据基础资料计算出各个监测点的里程标，然后将里程付给各个监测点。

本施例提供的高速铁路轨道几何状态实时监测方法及系统，通过在轨道(轨腰)上安装专用棱镜，组建基于自动全站仪的轨道几何状态实时自动监测系统，连续实时监测高程、平面位置、轨距、水平、高低、轨向等轨道几何状态变化情况，实现数据自动采集、计算、传输和报警，对高速铁路因路基病害或涉铁工程施工影响引起的轨道几何状态变化实现实时自动监测，以保证高速铁路运营安全。

以前的人工检测，只能进行短距离、低精度的检测，本施例提供的高速铁路轨道几何状态实时监测方法及系统，实现了机械化智能检测则可进行长距离，甚至整条轨道范围的检测，检测精度更高，检测手段也更加智能化，可实现全天24小时不间断的监测。

本实施例组建了轨道几何状态监测预警系统的硬件系统，完成了轨道几何状态监测预警系统的开发，可实现参数的监测和分析。监测部分包括：(1)监测仪器的远程无线控制；(2)监测数据的自动采集和计算；(3)多种限差实时检核和报警。分析部分包括：(1)建立监测数据的分析和处理流程；(2)自动生成监测站点图表；(3)实现数据的在线和离线分析。

本实施例提供的高速铁路轨道几何状态实时监测方法及系统在广州北站进行了现场测试并取得了良好的效果，为施工期间京广高铁的运营安全提供了科学数据保证。在监测过程中发现无砟轨道部分几何状态参数已经达到二级超限的标准，广州南高铁工务段及时对施工路段的无砟轨道结构进行了精调。通过运用轨道几何自动监测系统对施工区域轨道几何状态不间断的监测，保证了京广高铁的安全运营和施工安全，下穿盾构隧道已于2016年12月17日成功穿越京广高铁，取得了良好的社会和经济效益。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种高速铁路轨道几何状态实时监测系统，其特征在于，包括：

多个特制棱镜，每个所述棱镜按照一定间隔安装在轨道的轨腰上；

数据采集单元，所述数据采集单元安装在行车区域外，所述数据采集单元用于以扫描的方式向所述棱镜发射电磁波，接收所述棱镜反射回的电磁波，以获取各个所述棱镜的实时空间坐标；

数据处理单元，所述数据处理单元与所述数据采集单元的数据输出端连接，所述数据处理单元用于从所述数据采集单元中获取所述实时空间坐标，根据所述实时空间坐标和所述棱镜的初始空间坐标得到当前的轨道几何状态参数。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括数据存储单元、数据统计单元和主控终端；

所述数据存储单元与所述数据处理单元连接，所述数据存储单元用于存储历史的轨道几何状态参数，所述主控终端与所述数据统计单元连接；

所述数据统计单元与所述数据存储单元连接，所述数据统计单元用于从所述数据存储单元中调取需要的数据，对调取的数据进行统计分析；

所述主控终端包括供用户操作的交互界面，通过所述交互界面显示所述数据统计单元输出的统计分析结果。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括预警单元，所述预警单元与所述数据处理单元连接，所述预警单元用于将实时监测的所述轨道几何状态参数与预警值比较，根据比较结果进行预警处理。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集单元为自动全站仪。

5.一种高速铁路轨道几何状态实时监测方法，其特征在于，包括：

以周期性扫描的方式向轨腰发射电磁波，接收监测点反射回的电磁波，以获取各个监测点的实时空间坐标，其中，所述监测点为按照一定间隔安装在轨道的轨腰上的棱镜；

根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到当前的轨道几何状态参数，其中，所述原始空间数据预先测得；

将实时监测的所述轨道几何状态参数与预警值比较，根据比较结果进行预警处理。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到当前的轨道几何状态参数，包括：

将本次测量的实时空间坐标与前一次测量的实时空间坐标相减，得到每个监测点的本次变化量，

用本次测量的实时空间坐标与初始空间坐标相减，得到累计变化量，

通过几何关系换算得到轨道几何状态参数的本次变化量及累计变化量，

将各个轨道几何状态参数的累计变化量与各个轨道几何状态参数的初始值相加，得到当前的轨道几何状态参数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述轨道几何状态参数包括：高程、平面位置、轨距、高低、超高、轨向、轨距变化率、扭曲。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的高程，包括：

获取监测点的初始坐标A(x_A,y_A,h_A)，当前时刻的实测空间坐标A’(x_A’,y_A’,h_A’)，则当前时刻监测点的高程的计算公式为：

H＝H₀+(h_A′-h_A)

其中，H₀为预先测量出的监测点位置的初始高程，h_A为监测点的初始高程，h_A′为监测点当前时刻的高程。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的平面位置，包括：

获取当前时刻测量的间隔一定距离的三个监测点，记为A、B、C，获取这三个点的实时平面坐标，记为A(x_A,y_A)、B(x_B,y_B)、C(x_C,y_C)，其中，点C位于点A和点B之间，计算点C到AB直线的距离s'；

通过以下公式计算点C的平面位置：

S＝S₀+ΔS＝S₀+(s'-s₀')

其中，S₀为预先测量出的点C的平面位置初始值，s'₀为点C相对AB直线的距离初始值。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述监测点的实时空间坐标和所述监测点的初始空间坐标得到所述监测点当前的轨距，包括：

获取测量位置在左侧轨腰上的监测点的初始空间坐标A(x_A,y_A,h_A)和实时空间坐标A’(x_A’,y_A’,h_A’)，获取测量位置在右侧轨腰上的监测点的初始空间坐标B(x_B,y_B,h_B)和实时空间坐标B’(x_B’,y_B’,h_B’)，则AB断面当前的轨距SR计算公式为：

SR＝SR₀+(SR'-SR'₀)

其中，SR₀为预先测量出的测量位置的初始轨距，SR'₀为AB两点初始距离

SR'为当前AB两点距离测量值