CN108657223B - 一种城市轨道交通自动巡检系统及隧道形变检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种城市轨道交通自动巡检系统及隧道形变检测方法。所述系统包括：支撑架、温度检测装置、轨道检测装置、位置标记装置、隧道形变检测装置、定位装置、异物清理装置、控制装置。所述隧道形变检测方法包括隧道标准三维模型构建方法和三维模型对比方法，将实时检测处理后的隧道三维模型与标准模型对比，得到相应位置点的隧道形变图。本发明的城市轨道交通自动巡检系统通过对隧道设备设施及线缆温度、隧道形变量、轨道损伤在内的多种参数进行测量，克服了单一检测方式的不足，而且还能对轨道内异物自动识别和清理，大大节省人力成本，有效提高轨道巡检的精确度和效率。

Description

一种城市轨道交通自动巡检系统及隧道形变检测方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通检测领域，特别是涉及一种城市轨道交通自动巡检系统及隧道形变检测方法。

背景技术

随着我国经济的逐年稳步发展，城市化水平的逐年提高，越来越多城市开通城市轨道交通线路，随之而来的则是如此分布密集、体量巨大的城市轨道交通区间轨道内检测、维护、保养等等各类相关难题。目前已有相关巡检设备用于城市轨道交通区间轨道内的检测，但现在通常采取人工巡检与检测设备相结合的方式，这种巡检方式不仅消耗大量的人力物力，且人会受环境状态、人自身状态等一些因素影响，存在检测设备盲点多、信息误报和漏报、人工漏巡等问题和一定的安全隐患。且上述检测只能针对城市轨道交通某一参数进行测量，比如隧道形变量、轨道损伤等。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市轨道交通自动巡检系统及形变检测方法，能够提高轨道巡检的精确度和效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种城市轨道交通自动巡检系统，所述城市轨道交通自动巡检系统安装在城市轨道上，所述城市轨道交通自动巡检系统包括：

支撑架，位于所述城市轨道的上方；

温度检测装置，设置于所述支撑架前端，用于检测隧道内设备设施以及线缆架上线缆的温度；

轨道检测装置，设置于所述支撑架下方的两侧，用于轨道探伤；

位置标记装置，与所述轨道检测装置连接，用于在所述轨道检测装置检测到轨道损伤时对损伤位置进行标记；

隧道形变检测装置，设置于所述支撑架正前方，用于对隧道进行扫描建立三维模型并根据所述三维模型判断隧道形变；

定位装置，设置于所述支撑架上方的两侧；

异物清理装置，设置于所述支撑架的中间位置；

控制装置，与所述温度检测装置连接，用于接收隧道内设备设施以及线缆架上线缆的温度；与所述轨道检测装置连接，用于根据轨道探伤的结果控制位置标记装置对损伤位置进行标记；与所述隧道形变检测装置连接，用于根据三维模型判断隧道形变程度；与所述定位装置连接，用于接收定位信息；与所述异物清理装置连接，用于控制异物的清理。

可选的，所述温度检测装置包括：

双视红外热像仪，与所述控制装置电连接，用于实时获取隧道内各处的红外热图像。

可选的，所述轨道检测装置包括：

超声波传感器，与所述控制装置连接，用于通过发射和接收超声波，利用轨道及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验轨道内部是否存在缺陷。

可选的，所述位置标记装置包括：

储漆罐，位于所述支撑架的一侧的后方，用于储存标记位置时使用的油漆；

喷漆管，位于所述支撑架的两侧的下方，一边各一个，用于在标记位置时喷涂油漆；

储气罐，位于所述支撑架后部，用于在标记位置时为所述喷嘴提供压力。

可选的，所述隧道形变检测装置包括：

三维激光雷达，与所述控制装置连接，位于所述支撑架正前方，用于生成隧道的三维正射影像。

可选的，所述定位装置包括：

定位摄像头，分别位于所述支撑架的两侧，与所述控制装置连接，用于自动识别隧道壁上的百米标，进行定位。

可选的，所述异物清理装置包括：

机械臂，位于所述支撑架上，与所述控制装置连接，具有6个自由度；

抓手，螺装在机械臂的末端关节法兰上，用于夹取落入轨行区内的异物；

双视摄像头，位于机械臂末端，与所述控制装置连接，用于巡检过程中的异物识别和抓取异物时的定位。

可选的，所述城市轨道交通自动巡检系统还包括驱动装置，所述驱动装置位于所述支撑架的后侧，所述驱动装置包括大带轮、同步带、小带轮、直流伺服电机、减速器。

所述直流伺服电机的输出端与所述减速器输入端连接；

所述减速器的输出轴与所述小带轮连接；

所述大带轮与小带轮连接；

同步带安装于大带轮和小带轮之间。

可选的，所述城市轨道交通自动巡检系统还包括照明装置，与所述控制装置连接。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种隧道形变检测方法，所述隧道形变检测方法应用于城市轨道交通自动巡检系统，所述隧道形变检测方法包括：

S1：城市轨道交通自动巡检系统移动到待检测隧道；

S2：获取所述检测隧道的百米标；

S3：根据所述百米标获取百米标设定范围内隧道上各点的位置云数据；

S4：根据所述位置云数据建立检测隧道的三维模型；

S5：控制装置调出所述百米标处的隧道标准三维模型；通过模型对比，给出相应百米标处的隧道形变图；

S6：重复S1-S5，直至得到整段检测隧道形变图。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的城市轨道交通自动巡检系统，通过对隧道内设备设施以及线缆温度、隧道形变量、轨道损伤在内的多种参数进行测量，克服了单一检测方式的不足，而且还能对隧道内异物自动识别和清理，大大节省人力成本，有效提高轨道巡检的精确度和效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例城市轨道交通自动巡检系统正视图；

图2为本发明实施例城市轨道交通自动巡检系统后部示意图；

图3为本发明实施例城市轨道交通自动巡检系统应用示意图；

图4为本发明实施例隧道形变检测方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例城市轨道交通自动巡检系统正视图。图2为本发明实施例城市轨道交通自动巡检系统后部示意图。图3为本发明实施例城市轨道交通自动巡检系统应用示意图。如图1-3所示：

一种城市轨道交通自动巡检系统，所述城市轨道交通自动巡检系统安装在城市轨道上，所述城市轨道交通自动巡检系统包括：

支撑架101，位于所述城市轨道的上方；所述支撑架101用于支撑城市轨道交通自动巡检系统的相关装置，由钢管和钣金焊接成框架结构。

温度检测装置，设置于所述支撑架101前端，用于检测隧道内设备设施以及线缆架上线缆的温度；所述温度检测装置由双视红外成像仪108，双视红外成像仪108设置于所述支撑架1010的前端，并与所述供电装置103电连接，可实时获取隧道设备设施及线缆的红外热图像，通过红外图像及相关温度测量数据来对隧道内设备设施以及线缆架123上的线缆124进行过程控制和事前报警。

轨道检测装置，设置于所述支撑架下方的两侧，用于轨道探伤；所述轨道检测装置由两组超声波传感器116组成，分别设置于所述支撑架101中部下方的左右两侧；超声波传感器116通过发射和接收超声波，利用轨道122及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验轨道122内部是否存在缺陷；当检测到轨道122损伤较大时，所述位置标记装置将快速在轨道122上喷漆标记损伤位置，指引工作人员到标记位置进行隐患排查。

位置标记装置，与所述轨道检测装置连接，用于在所述轨道检测装置检测到轨道损伤时对损伤位置进行标记；所述位置标记装置由喷漆管105、储气罐114储漆罐115组成，储漆罐115位于所述支撑架101的左后方，用于储存标记位置时使用的油漆；喷漆管105位于所述支撑架101的左右两侧的下方，用于在标记位置时喷涂油漆；储气罐114位于所述支撑架101后部，用于在标记位置时为所述喷漆提供压力；当所述轨道检测装置测得轨道某处存在隐患时，可快速对轨道隐患位置进行标记，便于工作人员排除隐患。

隧道形变检测装置，设置于所述支撑架正前方，用于对隧道进行扫描建立三维模型并根据所述三维模型判断隧道形变；所述隧道形变检测装置由三维激光雷达104，位于所述支撑架101正前方，能自动生成隧道的三维正射影像，通过算法建立隧道的三维模型。

定位装置，设置于所述支撑架上方的两侧；所述定位装置由两个定位摄像头107组成，分别位于所述支撑架101左右两侧，自动识别隧道壁上的百米标，向所述自动巡检系统发出位置信号，用于自动巡检系统的定位。

异物清理装置，设置于所述支撑架的中间位置；所述异物清理装置机械臂109、抓手110、双视摄像头111组成，机械臂109安装于所述支撑架101上，且具有6个自由度；抓手螺装在所述机械臂109的末端关节法兰上，用于夹取落入轨行区内的异物；双视摄像头111，位于机械臂末端，用于巡检过程中的异物识别和抓取异物时的定位。在自动巡检过程中，所述双视摄像头111自动识别轨行区内的异物，一旦发现异物，所述抓手110将拾起异物置入所述异物筐126中。所述异物筐126可容易从所述自动巡检系统中取出，便于工作人员在巡检结束后处理收集的杂物。

控制装置，与所述温度检测装置连接，用于接收隧道内设备设施以及线缆架上线缆的温度；与所述轨道检测装置连接，用于根据轨道探伤的结果控制位置标记装置对损伤位置进行标记；与所述隧道形变检测装置连接，用于根据三维模型判断隧道形变程度；与所述定位装置连接，用于接收定位信息；与所述异物清理装置连接，用于控制异物的清理。所述控制装置107位于所述支撑架101后部，可接收中远程无线信号，用于工作人员对所述自动巡检系统进行远程控制。

所述城市轨道交通自动巡检系统还包括驱动装置，所述驱动装置由大带轮113、同步带112、小带轮118、直流伺服电机120、减速器119组成，直流伺服电机120的输出端与减速器119输入端通过螺钉连接，减速器119的输出轴通过胀紧套与小带轮118连接，大带轮113通过键连接位于支撑架101后侧的轨道轮102的传动轴；同步带112安装于大带轮113和小带轮118之间；伺服电机120提供动力，通过减速器119、小带轮118、同步带112、大带轮113将动力给位于支撑架101后侧的轨道轮102，带动自动巡检系统前后移动。

所述城市轨道交通自动巡检系统还包括行走机构，所述行走机构由两组轨道轮102组成，两组轨道轮组102分别设置在支撑架101的前后两侧。

所述城市轨道交通自动巡检系统还包括供电装置103，所述供电装置103由蓄电池和逆变器组成，用于为所述自动巡检系统的其他装置提供电力。

所述城市轨道交通自动巡检系统还包括照明装置，所述照明装置由两个单排LED长条灯106组成，分别设置在所述支撑架101前部的左右两侧，并与所述供电装置103进行电连接，通过所述供电装置103对其提供电力，为所述自动巡检系统在巡检过程中提供照明。

所述自动巡检系统外部设置有外壳125，用以防止地铁环境的影响，保证相关检测装置的正常运行及其检测精确度。

本发明可自动对城市轨道交通进行巡检，可对包括隧道内设备设施以及线缆温度、隧道形变量、轨道损伤在内的多种参数进行测量，并能对轨行区内异物进行清理；相较于常规的人工测量，能大大提高巡检的精确度和效率，有效减少人力需求，快速排除隐患。

图4为本发明实施例隧道形变检测方法流程图。如图4所示，一种隧道形变检测方法，所述隧道形变检测方法应用于城市轨道交通自动巡检系统，所述隧道形变检测方法包括：

S1：城市轨道交通自动巡检系统移动到待检测隧道；

S2：获取所述检测隧道的百米标；

S3：根据所述百米标获取百米标设定范围内隧道上各点的位置云数据；

S4：根据所述位置云数据建立检测隧道的三维模型；

S5：控制装置调出所述百米标处的隧道标准三维模型；通过模型对比，给出相应百米标处的隧道形变图；

S6：重复S1-S5，直至得到整段检测隧道形变图。

具体的，本发明的隧道形变检测方法包括隧道标准三维模型构建方法和三维模型对比方法。所述隧道标准三维模型建立如下：

1)人工将自动巡检系统放置于所检测隧道起始点，并利用定位装置的定位摄像头107自动识别隧道壁121上的起始点百米标，并将起始点位置记为位置点1；

2)三维激光雷达104获取位置点1处100米范围内的原始点云数据；

3)自动巡检系统的控制装置107将三维激光雷达104获取的隧道1点位置的点云进行滤波，通过隧道立面点云分割、隧道轮廓特征提取和隧道几何框架构建来建立距离位置点1处100米范围内隧道模型，并将隧道模型记为模型1；

4)自动巡检系统的控制装置107发出行走指令，所述驱动装置带动行走机构向前运动；

5)自动巡检系统的定位摄像头107自动识别隧道壁121上的第2个百米标，若检测到第2个百米标，则停止运动；重复步骤2)、3)，将第2个百米标位置记为位置点2，同时将隧道模型记为模型2；

6)重复步骤4)、5)，直到隧道全部检测完毕；

7)此时，隧道的标准三维模型构建完毕，每个百米标对应的位置点依次为位置点1、位置点2……位置点n，位置点1、位置点2……位置点n的隧道模型依次为模型1、模型2……模型n。

当后续需要检测隧道形变时，所述三维模型对比方法如下：

1)人工将自动巡检系统放置于所要检测隧道任意一个百米标处，三维激光雷达104获取相应范围内的原始点云数据，通过隧道立面点云分割、隧道轮廓特征提取和隧道几何框架构建来建立检测后的隧道模型；

2)定位装置的定位摄像头107自动识别隧道壁121上的百米标，并从控制装置107中调出百米标对应的位置点和隧道模型；

3)对比1)和2)中的隧道模型，给出相应位置点的隧道形变图；

4)自动巡检系统的控制装置107发出行走指令，所述驱动装置带动行走机构向前运动到下一个百米标处；

5)重复步骤2)、3)、4)，最后控制装置107绘制出所检测隧道的形变图。

通过隧道标准三维模型构建方法和三维模型对比方法，将实时检测处理后的隧道三维模型与标准模型对比，得到相应位置点的隧道形变图。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种城市轨道交通自动巡检系统，其特征在于，所述城市轨道交通自动巡检系统安装在城市轨道上，所述城市轨道交通自动巡检系统包括：

支撑架，位于所述城市轨道的上方；

温度检测装置，设置于所述支撑架前端，用于检测轨道内设备设施以及线缆架上线缆的温度；

轨道检测装置，设置于所述支撑架下方的两侧，用于轨道探伤；

位置标记装置，与所述轨道检测装置连接，用于在所述轨道检测装置检测到轨道损伤时对损伤位置进行标记；

隧道形变检测装置，设置于所述支撑架正前方，用于对隧道进行扫描建立三维模型并根据所述三维模型判断隧道形变；

定位装置，设置于所述支撑架上方的两侧；

异物清理装置，设置于所述支撑架的中间位置；

控制装置，与所述温度检测装置连接，用于接收温度数据并根据所述温度数据控制隧道内设备设施以及线缆架上线缆的温度；与所述轨道检测装置连接，用于根据轨道探伤的结果控制位置标记装置对损伤位置进行标记；与所述隧道形变检测装置连接，用于根据三维模型判断隧道形变程度；与所述定位装置连接，用于接收定位信息；与所述异物清理装置连接，用于控制异物的清理；

所述位置标记装置，具体包括：

储漆罐，位于所述支撑架的一侧的后方，用于储存标记位置时使用的油漆；

喷漆管，位于所述支撑架的两侧的下方，一边各一个，用于在标记位置时喷涂油漆；

储气罐，位于所述支撑架后部，用于在标记位置时为喷嘴提供压力；

应用于所述城市轨道交通自动巡检系统的隧道形变检测方法，包括：

S1：所述城市轨道交通自动巡检系统移动到待检测隧道；

S2：获取所述检测隧道的百米标；

S3：根据所述百米标获取百米标设定范围内隧道上各点的位置云数据；

S4：根据所述位置云数据建立检测隧道的三维模型；

S5：控制装置调出所述百米标处的隧道标准三维模型；通过模型对比，给出相应百米标处的隧道形变图；

S6：重复S1-S5，直至得到整段检测隧道形变图。

2.根据权利要求1所述的城市轨道交通自动巡检系统，其特征在于，所述温度检测装置包括：

双视红外热像仪，与所述控制装置电连接，用于实时获取隧道设备设施及线缆的红外热图像。

3.根据权利要求1所述的城市轨道交通自动巡检系统，其特征在于，所述轨道检测装置包括：

超声波传感器，与所述控制装置连接，用于通过发射和接收超声波，利用轨道及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验轨道内部是否存在缺陷。

4.根据权利要求1所述的城市轨道交通自动巡检系统，其特征在于，所述隧道形变检测装置包括：

三维激光雷达，与所述控制装置连接，位于所述支撑架正前方，用于生成隧道的三维正射影像。

5.根据权利要求1所述的城市轨道交通自动巡检系统，其特征在于，所述定位装置包括：

定位摄像头，分别位于所述支撑架的两侧，与所述控制装置连接，用于自动识别隧道壁上的百米标，进行定位。

6.根据权利要求1所述的城市轨道交通自动巡检系统，其特征在于，所述异物清理装置包括：

机械臂，位于所述支撑架上，与所述控制装置连接，具有6个自由度；

抓手，螺装在机械臂的末端关节法兰上，用于夹取落入轨行区内的异物；

双视摄像头，位于机械臂末端，与所述控制装置连接，用于巡检过程中的异物识别和抓取异物时的定位。

7.根据权利要求1所述的城市轨道交通自动巡检系统，其特征在于，所述城市轨道交通自动巡检系统还包括驱动装置，所述驱动装置位于所述支撑架的后侧，所述驱动装置包括大带轮、同步带、小带轮、直流伺服电机、减速器；

所述直流伺服电机的输出端与所述减速器输入端连接；

所述减速器的输出轴与所述小带轮连接；

所述大带轮与小带轮连接；

同步带安装于大带轮和小带轮之间。

8.根据权利要求1所述的城市轨道交通自动巡检系统，其特征在于，所述城市轨道交通自动巡检系统还包括照明装置，与所述控制装置连接。

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