CN110615017A - 一种轨道交通自动化检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轨道交通自动化检测系统及方法，所述系统包括：小型电动轨道车、轨道检测设备、电气控制系统、轨道状态参数检测数据系统；所述小型电动轨道车，用于作为所述轨道检测设备的检测平台；所述轨道检测设备，用于采集至少包括钢轨、隧道、接触网的参数以及所述轨道车运行状态的数据信息；所述电气控制系统，用于控制上述轨道车的行走以及为上述检测设备供电；所述轨道状态参数检测数据系统，用于对所述轨道检测设备获得的数据进行存储和数据处理。本发明的技术方案解决了现阶段轨道几何状态及隧道形变检测的工作效率低、检测系统适用性差的问题。

Description

一种轨道交通自动化检测系统及方法

技术领域

本发明属于轨道检测领域，具体涉及一种轨道交通自动化检测系统及方法。

背景技术

随着我国轨道交通行业高速发展，运行线路的里程增长迅速且日益繁忙，对轨道交通安全、舒适、快捷的运营要求越来越高。轨道不平顺和隧道病害严重影响了列车高速、平稳运行，甚至危及行车安全。检查病害、指导维护、保障行车安全的维护检测任务日趋繁重。

线路检测维护工作存在较多困难：(1)线路运营繁忙，巡检作业的“天窗”时间有限；(2)人工检测在工作条件差区段，轨道测量误差大、检测效率低、数据精确度低；(3)小型检测仪的检测效率不高、检测里程短，智能化程度低，功能单一；(4)大型综合轨检车成本和使用费用高，普及难度大。

近年来，非接触光电检测技术、惯性测量技术、激光雷达扫描探测技术发展迅速，已广泛应用在轨道相关检测领域。随着轨道检测密度逐渐提高，检测任务也逐渐增大，综合轨检车大规模检测结合工务段人工检测的模式已经不适合线路自动化检测的迫切需求，也不符合轨道电气自动化检测的结构调整。因此，需要一种集成光电、惯导、激光雷达技术，且具有多功能、综合一体化轨道基础设施的检测系统。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种轨道交通自动化检测系统及方法。本发明的技术方案如下：

一种轨道交通自动化检测系统，其特征在于，包括：小型电动轨道车、轨道检测设备、电气控制系统、轨道状态参数检测数据系统；

所述轨道状态参数指钢轨、隧道和接触网的状态参数；

所述小型电动轨道车，用于作为所述轨道检测设备的检测平台；

所述轨道检测设备，用于采集至少包括钢轨、隧道、接触网的参数以及所述轨道车运行状态的数据信息；

所述电气控制系统，用于控制上述轨道车的行走以及为上述检测设备供电；

所述轨道状态参数检测数据系统，用于对所述轨道检测设备获得的数据进行存储和数据处理；

其中：

所述轨道检测设备，进一步包括：惯性导航系统和非惯性测量单元；

所述惯性导航系统，包括陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪用于测量角速度，所述加速度计用于测量加速度，融合计算建立三维坐标系，并将轨距、隧道、接触网参数信息解算到该坐标系中；

所述惯性导航系统设置有两组，形成双惯性导航系统，该述两组惯性导航系统分别安装在紧靠车轮内侧的前轴基座，轴线平行于地面且垂直于钢轨；

所述非惯性测量单元，包括增量式编码器、2D轨距传感器、RFID标签定位系统、激光雷达；

所述增量式编码器，设于所述轨道车前车轮的轮毂处，用于配合所述惯性导航系统实现定位并作为同步触发装置实现数据的同步采集；

所述2D轨距传感器，设于所述轨道车底盘检测梁上，用于获取钢轨的轨距点的坐标数据信息；

所述RFID标签定位系统，设于所述轨道车上，用于对轨道检测里程数据进行修正；

所述激光雷达，设于所述轨道车后梁顶上，用于采集隧道收敛变形数据和接触网拉出值和高度数据；

其中：

所述电气控制系统，进一步包括：检测设备供电系统、车体电气控制系统；

所述检测设备供电系统，设于所述轨道车上，用于为轨道检测设备及轨道状态参数检测数据系统提供电源；

所述车体电气控制系统，设于所述轨道车上，用于小型电动轨道车的行走控制及提供必要的动力电源；

其中：

所述轨道状态参数检测数据系统，进一步包括：PC机、多通道数据采集系统；

所述PC机，设于所述轨道车上，用于数据的存储、显示处理；

所述多通道数据采集系统，设于所述轨道车上，用于对轨道检测设备进行数据的采集及信号的调理。

可选地，所述轨道车的车体采用镁铝合金材料。

可选地，所述2D轨距传感器可采集得到钢轨断面轮廓在水平和垂直平面上的坐标，提取轨距特征点并计算显示当前断面轨距值，实现非接触测量。

可选地，所述激光雷达扫描隧道壁获取点云信息，将扫描得到的大致三维螺旋线截取1个扫描周期的数据，提取断面数据点的二维坐标，计算隧道收敛数据，实现对隧道形变的检测。

可选地，里程数据由所述增量式编码器计算得到，通过RFID标签定位系统校正里程累积误差。

可选地，所述多通道数据采集系统对RFID标签定位系统、惯性导航系统、2D轨距传感器、激光雷达进行数据同步采集和数据归整。

可选地，设置于所述轨道车上的PC机获取多通道数据采集系统上的数据采集板卡，由基于Labview的PC机完成检测数据的采集、存储。

可选地，所述多通道数据采集系统包括PXI控制器，所述PXI控制器内置有PXI触发总线。

可选地，所述RFID标签定位系统包括阅读器芯片。

一种轨道交通自动化检测方法，应用于上述系统，包括以下步骤：

S1：惯性坐标系的建立：

以双惯性导航系统中心点为坐标原点确定三维坐标系方向，X轴方向为与地面水平且与钢轨垂直的方向，Y轴与地面水平且与钢轨平行的方向，Z轴方向为与地面垂直的方向；

S2：获取检测数据：

所述小型电动轨道车上电行进后，前轮轴内嵌的增量式编码器随着车轮转动发送计数脉冲；

所述多通道数据采集系统接收上述编码器的计数脉冲指令，并控制轨道检测设备同步采集钢轨、隧道、接触网的参数信息；

S3：检测数据处理：

所述多通道数据采集系统将采集数据上传到PC机，进行数据存储、分析显示；

其中，2D轨距传感器获取左右钢轨断面轮廓，根据钢轨弧形区特征提取算法，获取轨距特征点；激光雷达扫描隧道壁和接触网轮廓，分别获取隧道断面数据和接触网断面数据；

其中，所述PC机对惯性导航系统数据采用于连续均方误差EMD去噪法进行处理，并进行二次积分运算，得出惯性坐标系坐标数值；对隧道检测数据和接触网检测数据采用双边滤波算法进行去噪及平滑处理；

其中，PC机对轨距检测数据、隧道断面检测数据和接触网断面数据经过坐标变换，依次变换至上述惯性坐标系中；对于坐标系中的轨距点坐标值经过数学运算，得出测量轨距值；

采用最小二乘法对隧道壁检测点数据进行隧道断面数据拟合，对比原始隧道断面曲线，判断隧道收敛变形情况。利用最小二乘法拟合后求拟合直线交点来计算定位点拉出值、接触网的高度；上述检测轨距值、隧道曲线数据和接触网的拉出值和高度数据即为轨道状态检测数据。

S4：检测数据输出：

RFID标签定位系统的阅读器芯片感应到轨道中放置的电子标签，对信号进行解调和解码得到电子标签信息，并通过RS-232传送到PC机；

PC机将电子标签信息与里程数据表中的预存信息进行比对，识别标签号对应的里程信息和线路特征点信息，并对累加的里程信息进行修正，进而获取精确的里程信息；

PC机显示步骤S3获得的轨道状态检测数据及检测到轨道形变量超过阈值范围的对应里程，发出病害预警，输出检测结果报表，方便轨道交通作业人员提前做出应对措施。

可选地，步骤S2中，所述多通道数据采集系统控制2D轨距传感器、激光雷达分别对钢轨的轨距值、隧道断面数据和接触网拉出及高度值进行动态检测，获取实时检测数据。

可选地，步骤S2中，前车轮内嵌的增量式编码器随着车轮转动发送计数脉冲到PXI控制器，作为时间信号实现多传感器数据的同步采集。

可选地，步骤S2中，所述多通道数据采集系统中的PXI控制器接收编码器的计数脉冲指令，由内置的PXI触发总线控制轨道检测设备同步采集轨道、隧道、接触网的参数信息。

可选地，步骤S3进一步包括：由所述PXI控制器通过RS-232串口将采集数据上传PC机，进行数据存储、分析显示；

可选地，步骤S4中，所述RFID标签定位系统的阅读器芯片感应到轨道中放置的电子标签，对信号进行解调和解码得到电子标签信息，通过RS-232传送到PC机，将标签信息与里程数据表中的预存信息进行比对、修正。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的技术方案实现了轨距、隧道变形、接触网拉出值和高度数据的自动化检测。

本发明的技术方案集成了基于惯性平台的隧道收敛变形检测方法、高速激光及双目成像非接触检测方法、激光雷达隧道扫描检测技术，由多通道数据采集系统实现了对轨道、隧道和接触网检测数据的采集。

本发明技术方案中的小型电动轨道车搭载检测系统的传感器及检测设备，自带动力，其底盘、前后桥、车架等均采用模块化结构设计，便捷装配，且便于进出轨道线路。

本发明的技术方案主要采用：增量式编码器输出的计数脉冲信号作为同步采集信号，数据采集装置将各传感器测量数据导入基于惯性导航系统建立坐标系中，RFID标签定位系统通过读取电子标签信息对里程进行误差修正，通过对上述数据分析，可实现对轨道、隧道和接触网病害精准检测及病害的精确定位。

本发明的技术方案解决了现阶段轨距、隧道形变、接触网拉出值和高度数据检测的工作效率低、检测系统适用性差的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明具体实施例一种轨道交通自动化检测系统的结构示意图；

图2是本发明具体实施例一种轨道交通自动化检测系统的安装结构示意图；

图3是是本发明具体实施例的小型电动轨道车的前车轮及编码器安装示意图；

图4是本发明具体实施例的RFID标签定位系统示意框图。

图5是本发明具体实施例的多通道数据采集系统与相关部件的连接示意框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1，一种轨道交通自动化检测系统，包括：小型电动轨道车、轨道检测设备、电气控制系统、轨道状态参数检测数据系统；

所述轨道状态参数指钢轨、隧道和接触网的状态参数；

所述小型电动轨道车，用于作为所述轨道检测设备的检测平台；

所述轨道检测设备，用于采集至少包括钢轨、隧道、接触网的参数以及所述轨道车运行状态的数据信息；

所述电气控制系统，用于控制上述轨道车的行走以及为上述检测设备供电；

所述轨道状态参数检测数据系统，用于对所述轨道检测设备获得的数据进行存储、数据处理；

其中：

所述轨道检测设备，进一步包括：惯性导航系统和非惯性测量单元；

所述惯性导航系统，用于建立惯性坐标系并解算轨道状态信息；所述惯性导航系统，包括陀螺仪和加速度计；所述陀螺仪用于测量角速度，所述加速度计用于测量加速度，融合计算建立三维坐标系，并将轨距、隧道、接触网参数信息解算到该坐标系中；

所述非惯性测量单元，包括增量式编码器、2D轨距传感器、RFID标签定位系统、激光雷达；

所述增量式编码器，设于所述轨道车前车轮的轮毂处，用于发送计数脉冲作为激光雷达、2D轨距传感器的同步触发脉冲实现轨道状态数据同步采集；用于记录轨道检测里程信息。

所述2D轨距传感器，设于所述轨道车底盘检测梁上，用于获取钢轨的轨距点的坐标数据信息；所述2D轨距传感器可采集得到钢轨断面轮廓在水平和垂直平面上的坐标，提取轨距特征点并计算显示当前断面轨距值，实现非接触测量。

所述RFID标签定位系统，设于所述轨道车上，通过RFID阅读器读取、识别电子标签中对应的里程信息和线路特征点信息，并对编码器累加的里程信息进行修正，得到较为精确的里程信息。里程数据由所述增量式编码器计算得到，通过RFID标签定位系统校正里程累积误差。

所述激光雷达，设于所述轨道车后梁顶上，用于采集隧道收敛变形数据和接触网拉出值和高度数据；所述激光雷达扫描隧道壁获取点云信息，将扫描得到的大致三维螺旋线截取1个扫描周期的数据，提取断面数据点的二维坐标，计算隧道收敛数据，实现对隧道形变的检测。

其中：

所述电气控制系统，进一步包括：检测设备供电系统、车体电气控制系统；

所述检测设备供电系统，设于所述轨道车上，用于为轨道检测设备及轨道状态参数检测数据系统提供电源；

所述车体电气控制系统，设于所述轨道车上，用于小型电动轨道车的行走控制及提供必要的动力电源；

其中：

所述轨道状态参数检测数据系统，进一步包括：PC机、多通道数据采集系统；

所述PC机，设于所述轨道车上，用于数据的存储、显示处理；

所述多通道数据采集系统，设于所述轨道车上，用于对轨道检测设备行数据的采集及信号的调理。

所述多通道数据采集系统对RFID标签定位系统、惯性导航系统、2D轨距传感器、激光雷达进行数据同步采集和数据归整。

设置于所述轨道车上的PC机获取多通道数据采集系统上的数据采集板卡，由基于Labview的PC机完成检测数据的采集、存储。

参见图2和图3，其展示了如下组件：小型电动轨道车1(以下简称“轨道车”)；绝缘轴套2，设于轨道车车轮与轮轴间，用于车体与钢轨间绝缘要求；减震套3，设于轨道车前后桥，用于减震、增加舒适性；电气控制系统4，设于轨道车上，用于控制轨道车走行及提供必要的动力电源；2D轨距传感器5，设于轨道车底盘检测梁上，用于获取钢轨的轨距点的坐标数据信息；激光雷达6，设于轨道车后梁顶上，用于采集隧道收敛变形数据；增量式编码器7，设于轨道车前车轮的轮毂处，用于配合惯性导航系统实现定位并作为同步触发装置实现数据的同步采集；惯性导航系统8，设于轨道车前轮轴两侧惯导平台上，用于建立惯性坐标系并解算轨道状态信息；检测设备供电系统，设于轨道车上，为激光雷达6、2D轨距传感器5、惯性导航系统8、PC机和轨道状态参数检测数据系统供电。

其中，小型电动轨道车1的车体采用镁铝合金材料，车体结构采用模块化(底盘、前后桥、车架、电池仓)设计，各模块通过夹具连接，快捷组装、转运便捷、顺反方向行驶。检测速度为20km/h，6组12V锂电池(动力系统4组、检测设备2组)，车轮轨距为1435mm，车轮直径400mm，车体轴距1500mm。后桥驱动，差速比为10∶1，转弯半径为150～250m；爬坡度为3‰～3％(具备爬坡驻车功能)。

本实施例以小型电动轨道车1为检测载体，车轮与轮轴间采用尼龙材质的绝缘轴套，满足车体与钢轨间绝缘要求。车体后桥配备差速器，防止后轮驱动不平顺造成“蛇形运动”。底盘与前、后桥采用聚氨酯材质的减震套，实现减震、增加舒适性。底盘、前后桥、电池仓等通过夹具连接，实现车体的快捷拆卸或组装。

其中，惯性导航系统采用美泰科技的MSI620型号的微惯性导航系统，最高工作频率为200Hz，采用基于四元数的算法求解姿态矩阵，实时更新惯性导航姿态矩阵的坐标系，并通过数字积分器实现加速度信号的积分运算，解算得到轨道状态的空间不平顺信息。RFID标签定位系统校核轨道不平顺位置信息，实现病害的准确定位。

本实施例所采用的惯性导航系统采样频率为200Hz，内置0.3°/hr陀螺、100μg加速度计、24VDC电压，数据传输接口为RS422。

所述惯性导航系统设置有两组，形成双惯性导航系统，该述两组惯性导航系统分别安装在紧靠车轮内侧的前轴基座，轴线平行于地面且垂直于钢轨。

其中，前轮及编码器安装示意图如附图3所示。增量式编码器为POSITAL(博思特)公司的IXARC系列可编程增量编码器，分辨率可以在1到16384PPR的范围内调节，输出信号为5VTTL信号。编码器通过发送计数脉冲信号的方式得到轨道检测车的位移信息，配合惯性导航系统实现定位功能，并且通过发送计数脉冲到PXIe机箱实现数据的同步采集。

本实施例所采用的编码器是增量式编码器，每周最多输出500个脉冲，数据传输为I/O接口方式。2组编码器分别安装在前轮毂，其发送计数脉冲到同步控制模块作为同步采集的信号，也可通过计数脉冲计算轨道检测车的行驶里程信息。

其中，2D轨距传感器选用瑞士ELAG电子有限公司生产的OPTIMESS型号的2D激光位移传感器，采样频率可达2KHz，基于三角测量原理的高速激光成像非接触测量实现对左右两侧钢轨的内侧轮廓测量，获取两钢轨的轨距点坐标数值，经过数学计算得出轨距值，由编码器及惯性导航系统实现对轨距病害位置的准确定位。

2D轨距传感器工作频率最高为2KHz，每个测量断面有多达1000个测量点，采用CAN总线传输数据。2组轨距传感器安装于车体检测梁的左右支架上，获取钢轨内侧断面数据，实现对轨距的检测。

其中，激光雷达选用德国SICK公司生产的SICKLMS111型号的激光雷达，检测系统采样频率为50Hz，扫描角度为270°，工作响应时间为40ms，结合惯性测量技术实现对地铁隧道收敛形变情况的检测，并得出隧道健康状况，惯性导航系统和编码器实现对隧道病害准确定位。

激光雷达传感器工作频率为50Hz，角度分辨率为0.25°，扫描角度最大为270°，数据传输接口为Ethernet。激光雷达传感器固定安装于车体后侧支架横梁的中间位置，实现对隧道形变的检测。

其中，RFID标签定位系统示意框图如附图4所示，其工作频率为125KHz，定位系统的阅读器芯片采用EM4095。阅读器芯片的定向天线和无源标签之间工作距离为20cm。RFID阅读器对接收到的电子标签信号进行解调和解码，得到里程表和延时信息，通过RS-232传送到PC机。安装于轮毂处的编码器所发送的脉冲信号通过I/O口传输至PC机，并根据脉冲数与车轮直径计算得到走行里程。车载PC机计算识别延时数据与走行里程进行累加，得出修正里程，并与里程表预存里程数据对比，将里程差值在该标签的里程数据中修正，进而得到较为精确的里程数据。

本发明所采用的同步采集系统为美国NI公司生产的PXI系列的PXIe-1082机箱，交流供电方式，内含8个插槽，装载100MHZ的外部时钟，可实现多传感器数据的同步采集。PC机上安装NI公司的Labview软件，通过后台程序的编写，在PC机上完成数据的采集及存储。

本实施例中多通道数据采集系统结构示意框图如附图5所示，包括同步控制模块、PXIe机箱。

本实施例所采用的多通道数据采集系统为美国NI公司生产的PXI系列的PXIe-1082机箱，交流供电方式，内含8个插槽，装载100MHZ的外部时钟，可实现多传感器数据的同步采集。PC机上安装NI公司的Labview软件，通过后台程序的编写，在PC机上完成数据的采集及存储。

PXIe-1082机箱内含NI 8234、NI PXI-8531、NI PXIe-8431、NI PXIe-6361四个数据采集板卡以及PXI控制器，各采集板卡对传感器进行数据的采集及信号的调理，PXI控制器接收来自编码器的计数脉冲指令，通过装载的100MHz外部时钟进行定时同步，并由内置的PXI触发总线控制实现同步采集的功能，再将数据通过串口上传给PC机。而PC机在接收同步数据信息之后，记录数据同步采集的精确时间、位置等信息。

本发明实施例是一种轨道交通自动化检测方法，应用于上述系统，包括以下步骤：

S1：惯性坐标系的建立：

以双惯性导航系统中心点为坐标原点确定三维坐标系方向，X轴方向为与地面水平且与钢轨垂直的方向，Y轴与地面水平且与钢轨平行的方向，Z轴方向为与地面垂直的方向。

S2：获取检测数据：

所述小型电动轨道车上电行进后，前轮轴内嵌的增量式编码器随着车轮转动发送计数脉冲；

所述多通道数据采集系统接收上述编码器的计数脉冲指令，并控制轨道检测设备同步采集轨道、隧道、接触网的参数信息。

其中：所述多通道数据采集系统中的PXI控制器接收编码器的计数脉冲指令，由内置的PXI触发总线控制轨道检测设备同步采集轨道、隧道、接触网的参数信息。

其中：前车轮内嵌的增量式编码器随着车轮转动发送计数脉冲到PXIe-1082型号机箱，作为时间信号实现多传感器数据的同步采集。

其中：所述多通道数据采集系统控制2D轨距传感器、激光雷达分别对钢轨、隧道、接触网进行动态检测，获取实时检测数据。

S3：检测数据处理：

所述多通道数据采集系统将采集数据上传到PC机，进行数据存储、分析显示；

其中，2D轨距传感器获取左右钢轨断面轮廓，根据钢轨弧形区特征提取算法，获取轨距特征点；激光雷达扫描隧道壁和接触网轮廓，分别获取隧道断面数据和接触网断面数据；

其中，所述PC机对惯性导航系统数据采用于连续均方误差EMD去噪法进行处理，并进行二次积分运算，得出惯性坐标系坐标数值；对隧道检测数据和接触网检测数据采用双边滤波算法进行去噪及平滑处理；

其中，PC机对轨距检测数据、隧道断面检测数据和接触网断面数据经过坐标变换，依次变换至上述惯性坐标系中；对于坐标系中的轨距点坐标值经过数学运算，得出测量轨距值；此处的数学运算指的是坐标系之间的变换，为现有技术，本实施例这里不再赘述。

采用最小二乘法对隧道壁检测点数据进行隧道断面数据拟合，对比原始隧道断面曲线，判断隧道收敛变形情况。利用最小二乘法拟合后求拟合直线交点来计算定位点拉出值、接触网的高度；上述检测轨距值、隧道曲线数据和接触网的拉出值和高度数据即为轨道状态检测数据。

S4：检测数据输出：

RFID标签定位系统的阅读器芯片感应到轨道中放置的电子标签，对信号进行解调和解码得到电子标签信息，并通过RS-232传送到PC机。此处为获取精确里程信息，实现检测数据和病害位置的精准确定。

RFID标签定位系统的阅读器芯片感应到轨道中放置的电子标签，对信号进行解调和解码得到电子标签信息，并通过RS-232传送到PC机；

PC机将电子标签信息与里程数据表中的预存信息进行比对，识别标签号对应的里程信息和线路特征点信息，并对累加的里程信息进行修正，进而获取精确的里程信息；

PC机显示步骤S3获得的轨道状态检测数据及检测到轨道形变量超过阈值范围的对应里程，发出病害预警，输出检测结果报表，方便轨道交通作业人员提前做出应对措施。

步骤S2中，所述多通道数据采集系统控制2D轨距传感器、激光雷达分别对钢轨的轨距值、隧道断面数据和接触网拉出及高度值进行动态检测，获取实时检测数据。

步骤S2中，前车轮内嵌的增量式编码器随着车轮转动发送计数脉冲到PXI控制器，作为时间信号实现多传感器数据的同步采集。

步骤S2中，所述多通道数据采集系统中的PXI控制器接收编码器的计数脉冲指令，由内置的PXI触发总线控制轨道检测设备同步采集轨道、隧道、接触网的参数信息。

步骤S3进一步包括：由所述PXI控制器通过RS-232串口将采集数据上传PC机，进行数据存储、分析显示；

步骤S4中，所述RFID标签定位系统的阅读器芯片感应到轨道中放置的电子标签，对信号进行解调和解码得到电子标签信息，通过RS-232传送到PC机，将标签信息与里程数据表中的预存信息进行比对、修正。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (15)

1.一种轨道交通自动化检测系统，其特征在于，包括：小型电动轨道车、轨道检测设备、电气控制系统、轨道状态参数检测数据系统；

所述轨道状态参数指钢轨、隧道和接触网的状态参数；

所述小型电动轨道车，用于作为所述轨道检测设备的检测平台；

所述轨道检测设备，用于采集至少包括钢轨、隧道、接触网的参数以及所述轨道车运行状态的数据信息；

所述电气控制系统，用于控制上述轨道车的行走以及为上述检测设备供电；

所述轨道状态参数检测数据系统，用于对所述轨道检测设备获得的数据进行存储和数据处理；

其中：

所述轨道检测设备，进一步包括：惯性导航系统和非惯性测量单元；

所述惯性导航系统，包括陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪用于测量角速度，所述加速度计用于测量加速度，融合计算建立三维坐标系，并将轨距、隧道、接触网参数信息解算到该坐标系中；

所述惯性导航系统设置有两组，形成双惯性导航系统，该述两组惯性导航系统分别安装在紧靠车轮内侧的前轴基座，轴线平行于地面且垂直于钢轨；

所述非惯性测量单元，包括增量式编码器、2D轨距传感器、RFID标签定位系统、激光雷达；

所述增量式编码器，设于所述轨道车前车轮的轮毂处，用于配合所述惯性导航系统实现定位并作为同步触发装置实现数据的同步采集；

所述2D轨距传感器，设于所述轨道车底盘检测梁上，用于获取钢轨的轨距点的坐标数据信息；

所述RFID标签定位系统，设于所述轨道车上，用于对轨道检测里程数据进行修正；

所述激光雷达，设于所述轨道车后梁顶上，用于采集隧道收敛变形数据和接触网拉出值和高度数据；

其中：

所述电气控制系统，进一步包括：检测设备供电系统、车体电气控制系统；

所述检测设备供电系统，设于所述轨道车上，用于为轨道检测设备及轨道状态参数检测数据系统提供电源；

所述车体电气控制系统，设于所述轨道车上，用于小型电动轨道车的行走控制及提供必要的动力电源；

其中：

所述轨道状态参数检测数据系统，进一步包括：PC机、多通道数据采集系统；

所述PC机，设于所述轨道车上，用于数据的存储、显示处理；

所述多通道数据采集系统，设于所述轨道车上，用于对轨道检测设备进行数据的采集及信号的调理。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述轨道车的车体采用镁铝合金材料。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述2D轨距传感器可采集得到钢轨断面轮廓在水平和垂直平面上的坐标，提取轨距特征点并计算显示当前断面轨距值，实现非接触测量。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述激光雷达扫描隧道壁获取点云信息，将扫描得到的大致三维螺旋线截取1个扫描周期的数据，提取断面数据点的二维坐标，计算隧道收敛数据，实现对隧道形变的检测。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：里程数据由所述增量式编码器计算得到，通过RFID标签定位系统校正里程累积误差。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述多通道数据采集系统对RFID标签定位系统、惯性导航系统、2D轨距传感器、激光雷达进行数据同步采集和数据归整。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：设置于所述轨道车上的PC机获取多通道数据采集系统上的数据采集板卡，由基于Labview的PC机完成检测数据的采集、存储。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述多通道数据采集系统包括PXI控制器，所述PXI控制器内置有PXI触发总线。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述RFID标签定位系统包括阅读器芯片。

10.一种轨道交通自动化检测方法，其特征在于，应用于如权利要求1至9任意一项所述的系统，包括以下步骤：

S1：惯性坐标系的建立：

以双惯性导航系统中心点为坐标原点确定三维坐标系方向，X轴方向为与地面水平且与钢轨垂直的方向，Y轴与地面水平且与钢轨平行的方向，Z轴方向为与地面垂直的方向；

S2：获取检测数据：

所述小型电动轨道车上电行进后，前轮轴内嵌的增量式编码器随着车轮转动发送计数脉冲；

所述多通道数据采集系统接收上述编码器的计数脉冲指令，并控制轨道检测设备同步采集钢轨、隧道、接触网的参数信息；

S3：检测数据处理：

所述多通道数据采集系统将采集数据上传到PC机，进行数据存储、分析显示；

其中，2D轨距传感器获取左右钢轨断面轮廓，根据钢轨弧形区特征提取算法，获取轨距特征点；激光雷达扫描隧道壁和接触网轮廓，分别获取隧道断面数据和接触网断面数据；

其中，所述PC机对惯性导航系统数据采用于连续均方误差EMD去噪法进行处理，并进行二次积分运算，得出惯性坐标系坐标数值；对隧道检测数据和接触网检测数据采用双边滤波算法进行去噪及平滑处理；

其中，PC机对轨距检测数据、隧道断面检测数据和接触网断面数据经过坐标变换，依次变换至上述惯性坐标系中；对于坐标系中的轨距点坐标值经过数学运算，得出测量轨距值；

采用最小二乘法对隧道壁检测点数据进行隧道断面数据拟合，对比原始隧道断面曲线，判断隧道收敛变形情况。利用最小二乘法拟合后求拟合直线交点来计算定位点拉出值、接触网的高度；上述检测轨距值、隧道曲线数据和接触网的拉出值和高度数据即为轨道状态检测数据。

S4：检测数据输出：

RFID标签定位系统的阅读器芯片感应到轨道中放置的电子标签，对信号进行解调和解码得到电子标签信息，并通过RS-232传送到PC机；

PC机将电子标签信息与里程数据表中的预存信息进行比对，识别标签号对应的里程信息和线路特征点信息，并对累加的里程信息进行修正，进而获取精确的里程信息；

PC机显示步骤S3获得的轨道状态检测数据及检测到轨道形变量超过阈值范围的对应里程，发出病害预警，输出检测结果报表，方便轨道交通作业人员提前做出应对措施。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，

步骤S2中，所述多通道数据采集系统控制2D轨距传感器、激光雷达分别对钢轨的轨距值、隧道断面数据和接触网拉出及高度值进行动态检测，获取实时检测数据。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，

步骤S2中，前车轮内嵌的增量式编码器随着车轮转动发送计数脉冲到PXI控制器，作为时间信号实现多传感器数据的同步采集。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，

步骤S2中，所述多通道数据采集系统中的PXI控制器接收编码器的计数脉冲指令，由内置的PXI触发总线控制轨道检测设备同步采集轨道、隧道、接触网的参数信息。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：由所述PXI控制器通过RS-232串口将采集数据上传PC机，进行数据存储、分析显示；

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述RFID标签定位系统的阅读器芯片感应到轨道中放置的电子标签，对信号进行解调和解码得到电子标签信息，通过RS-232传送到PC机，将标签信息与里程数据表中的预存信息进行比对、修正。