CN111045004B - 一种铁路道砟厚度无损快速测量方法 - Google Patents

一种铁路道砟厚度无损快速测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁路道砟厚度无损快速测量系统及测量方法，属于无损检测技术领域。本发明设计加工了用于搭载探地雷达、GPS定位设备、测距轮的轻便式轨道小车，研发了特征层自动追踪人机交互技术，形成了集探测、定位于一体的铁路道砟厚度快速测量系统，具有轻便、定位准确、分辨率高、测量成果连续等优点，解决了既有铁路道砟厚度难以测量的问题，以无损测量的方法替代了传统人工挖掘道砟测量的方式，同时能够提供线路下方连续的道砟厚度值，便于精细化设计工作的开展，并且效率非常高，每小时可测量几十公里以上的道砟厚度值，本发明可为铁路运营、维护及改造提供有力的技术支撑，具备很好的应用前景。

Description

一种铁路道砟厚度无损快速测量方法
技术领域
本发明属于铁路工程无损检测技术领域，具体涉及一种铁路道砟厚度无损快速测量方法。
背景技术
铁路道砟层的厚度值是铁路运营、维护、改造的关键数据，目前主要是依靠人工挖掘测量、露头量测及资料收集的方式获取该数值。
但是，人工挖掘及测量越来越难以实施。由于线路基础结构的安全问题，铁路产权单位一般不允许对道砟进行挖掘，以免造成破坏，并且道砟挖掘非常困难，通过该方式进行道砟厚度测量的情况目前较少。
而收集道砟相关资料的方式会越来越不准确。该方式获得的多是工后测量或者线路设计的道砟厚度值，随着地面沉降、雨水冲刷等情况的发生，道砟会不断的填入，此时，根据前期资料查询得到的数值与实际情况往往差别较大。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的一个目的是提供一种铁路道砟厚度无损快速测量系统，能够提供沿铁路线道砟层的厚度值，满足既有铁路线的改造和维护等需要。
本发明的另一目的是提供一种利用上述系统进行铁路道砟厚度无损快速测量的方法。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种铁路道砟厚度无损快速测量系统，包括搭载小车(1)以及设置或安装在所述搭载小车(1)上的GPS接收天线(5)、光学摄像机(6)、操控台(8)、探地雷达主机(4)、笔记本电脑(13)、悬挂杆(3)和测距轮(7)；所述搭载小车(1)放置在铁轨(10)上；所述GPS接收天线(5)用于获取GPS卫星信号，得到位置信息；所述光学摄像机(6)用于记录前方道砟的表面情况；所述操控台(8)用于控制搭载小车(1)的移动及速度调节；所述测距轮(7)安装于搭载小车车轮的轴承上，用于测量搭载小车的移动距离，与通过GPS接收天线获取的位置信息配合使用；在所述搭载小车(1)左右两侧中部各水平安装一个所述悬挂杆(3)，在每个悬挂杆(3)上各安装一探地雷达天线(2)，分别用于向地下发射电磁波和接收来自地下反射的电磁波；所述探地雷达主机(4)与两根探地雷达天线(2)以及GPS接收天线(5)各通过一通讯电缆(11)连接，用于电磁波扫描信号的发射和接收以及GPS信号的接收；所述笔记本电脑(13)与所述探地雷达主机(4)、光学摄像机(6)、测距轮(7)之间各通过一通讯电缆(12)连接，用于采集光学摄像机采集的图像信息、测距轮采集的距离信息、小车移动速度并对探地雷达主机采集的数据进行处理。
所述探地雷达天线(2)安装在所述悬挂杆(3)远离搭载小车(1)一端的下方且其发射面垂直向下，优选的是，探地雷达天线(2)距离道砟面10-30厘米，发射频率为200-600MHz。
所述光学摄像机(6)安装在位于搭载小车(1)前部中间的支架上，优选的是，其镜头向前下方倾斜20°-40°。
为便于操作，在所述操控台(8)前面还设置有一座椅(9)。
一种通过上述铁路道砟厚度无损快速测量系统进行铁路道砟厚度无损快速测量的方法，包括以下步骤：
S1、铁路道砟厚度快速无损测量系统布置：
首先，将搭载小车1放置在铁轨之上，然后将探地雷达天线2安装在悬挂杆3下，利用通讯电缆将探地雷达主机4与两个探地雷达天线2、GPS接收天线5分别连接，同时利用通讯电缆将笔记本电脑13与探地雷达主机4、光学摄像机6、测距轮7分别连接。
S2、多参数数据采集：
将笔记本电脑、探地雷达主机和光学摄像机开机，通过探地雷达主机采集左右两侧探地雷达天线发射和接收的电磁波数据以及GPS接收天线采集的卫星定位数据，通过光学摄像机(6)和测距轮(7)分别采集道砟表面的光学影像和搭载小车(1)的移动距离。
S3、距离校准：以时间信息为基准，将步骤S2中采集的GPS、测距轮和探地雷达数据进行位置标定，然后将探地雷达数据按照定位信息进行距离归一化，得到在小车移动范围内测点平均分布的探地雷达数据。
S4、零时标定及时间深度转换：输入探地雷达天线高度、道砟层介电常数，选择零时刻后进行零时标定，然后根据介电常数进行时间深度转换，得到道砟层的厚度及定位信息。
S5、在步骤S4得到的道砟层厚度及定位信息基础上，进行道砟层厚度人机交互自动化解译，得到道砟层厚度数据序列。
S6、依据步骤S5得到的道砟层厚度数据序列和S2得到的搭载小车(1)的移动距离绘制道砟层厚度随小车移动距离变化的曲线，在该曲线下方添加相应里程的道砟表面情况照片，通过道砟表面照片可以分析判断道砟表面污染程度，同时根据探地雷达道砟层上方图像判断道砟层内部污染情况，并添加工程名称、制图者和审核者信息。
其中，步骤S4中进行时间深度转换的公式为：
Figure GDA0003974445890000031
其中：
C为电磁波在真空中的传播速度，为3×108m/s；
εr为道砟层的相对介电常数。
上述的步骤S5中，进行道砟层厚度人机交互自动化解译的步骤为：
(1)标志层选择
在经过距离校准和零时标定处理后的探地雷达数据基础上，在探地雷达图像找到第一反射层，即道砟层底，该反射层表现为能量最强，同向轴振幅较大，从图像上整体观察，选择处于中间时段的数据序列，并记录该数据序列的第一反射层旅行时t0；
(2)设定搜寻时间区段和积分滑动窗口
围绕旅行时t0设定搜寻区段和积分滑动窗口，搜寻区段为t0±5ns；积分滑动窗口设定为2ns或积分滑动窗口的1/10。
(3)区间内滑动积分找寻最大值
从第1观测道开始，在搜寻区段内，滑动积分窗口不断积分，并保存积分最大值Δ1和相应时间t1。
(4)相邻道选定时间区段内按积分窗口滑动积分
在步骤(2)设定的搜寻时间区段内，对相邻的第2观测道开展滑动窗口积分，并记录积分最大值Δ2和相应时间t2。
(5)判断是否与选定测道积分值接近
判断步骤(4)中积分最大值Δ2与步骤(3)中积分最大值Δ1是否接近：
1)当
Figure GDA0003974445890000032
时，认为两者接近，保存积分最大值位置的时间t2；
2)当
Figure GDA0003974445890000033
时，认为该位置与相邻道积分最大值不是同一层的反射信号，则返回步骤(4)，并扩大时间区段为原来的2倍，重新滑动窗口进行积分，并查找与步骤(3)中的积分最大值接近的位置，并保存该位置的时间t2；如无法找到接近值时，则保存扩大时间区段2倍后积分最大值位置的时间t2。
(6)下一道寻找直至最后一道
以上一道为基础，继续在下一道执行步骤(3)-(5)。
(7)输出层数据
当所有道完成积分最大值查找后，输出所有测道的道砟层位数据。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明以探地雷达双天线车载方式快速扫描铁路两侧路肩，配套GPS、测距轮，解决了道砟厚度测量困难的问题；
2、本发明利用探地雷达以无损检测方式替代传统人工挖掘道砟测量方式，避免了对道砟的破坏，保障了铁路安全；
3、本发明搭载的小车以电力驱动，数据采集效率较高，实际测量可达20km/h，在道砟层追踪中采用了人机交互自动化方式，数据解译效率较高；
4、与传统道砟厚度测量结果相比，本发明具有轻便、精度高、定位准确、测量成果连续的优点，测量结果信息更加丰富，不仅包含道砟层厚度值，同时包含准确的定位、道砟厚度变化趋势、道砟表面污染程度等信息，便于铁路精细化设计工作的开展，能为铁路运营、维护及改造提供有力的技术支撑。
附图说明
图1是本发明的铁路道砟厚度无损快速测量系统的结构示意图；
图2是本发明的铁路道砟厚度无损快速测量方法的流程图；
图3是本发明的方法中，道砟层厚度人机交互自动化解译流程图；
图4是本发明的铁路道砟厚度测量探地雷达数据解译软件界面。
其中：
1：搭载小车 2：探地雷达天线 3：悬挂杆 4：探地雷达主机
5：GPS接收天线 6：光学摄像机 7：测距轮 8：操控台
9：座椅 10：铁轨 11：第一通讯电缆 12：第二通讯电缆 13：笔记本电脑
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的铁路道砟厚度无损快速测量系统和测量方法做进一步说明。
图1是本发明的铁路道砟厚度无损快速测量系统的结构示意图。如图所示，该快速测量系统包括：放置在铁轨之上的搭载小车1，安装在搭载小车1上的GPS接收天线5、光学摄像机6、悬挂杆3、测距轮7、操控台8、座椅9，以及设置在搭载小车1上的探地雷达主机4、笔记本电脑13。该系统还包括将探地雷达主机4与两根探地雷达天线2和GPS接收天器5分别连接的三条第1通讯电缆11，将笔记本电脑13与探地雷达主机4、光学摄像机6和测距轮7分别连接的三条第2通讯电缆12。
使用时，将电动轨道车/搭载小车1放置在铁轨上，搭载小车1中部左右两侧各安装一悬挂杆3，每根悬挂杆3下方各安装一探地雷达天线2，并在轨道小车车轮的轴承上安装测距轮7，轨道小车1上放置探地雷达主机4、GPS接收天线5、光学摄像机6和笔记本电脑13，形成一个无损测量系统，用于对道砟层进行快速扫描。在获得探地雷达、GPS、测距和光学影像数据后，进行距离校正、时深转换、道砟层人工交互自动识别数据处理工作，以获得道砟层厚度值。在获得道砟层厚度值后，进行道砟层厚度曲线绘制，并与道砟表面光学影像形成综合成果，为既有铁路改造、维护提供技术资料。
图2是本发明的铁路道砟厚度无损快速测量方法的流程图。如图2所示，本发明的铁路道砟厚度无损快速测量方法，包括6个步骤：铁路道砟厚度快速无损测量系统布置、多参数数据采集、探地雷达和测距数据处理、道砟厚度人机交互自动化解译以及输出道砟厚度及表面情况综合信息。具体如下：
S1、铁路道砟厚度快速无损测量系统布置：
首先，将搭载小车1放置在铁轨之上，然后将探地雷达天线2安装在悬挂杆3下，利用通讯电缆将探地雷达主机4与两个探地雷达天线2、GPS接收天线5分别连接，同时利用通讯电缆将笔记本电脑13与探地雷达主机4、光学摄像机6、测距轮7分别连接。
S2、多参数数据采集：
将笔记本电脑13、探地雷达主机4、光学摄像机6开机，供电均为内部电池供电，通过探地雷达主机采集左右两侧探地雷达天线发射和接收的电磁波数据以及GPS接收天线采集的卫星定位数据，通过光学摄像机(6)和测距轮(7)分别采集道砟表面的光学影像和搭载小车(1)的移动距离。
S3、距离校准：以时间信息为基准，将步骤S2中采集的GPS、测距轮和探地雷达数据进行位置标定，然后将探地雷达数据按照定位信息进行距离归一化，得到在小车移动范围内测点平均分布的探地雷达数据；
S4、零时标定及时间深度转换：输入探地雷达天线高度、道砟层介电常数，选择零时刻后进行零时标定，然后根据介电常数进行时间深度转换，得到道砟层的厚度及定位信息。
其中，时间深度转换采用以下公式：
Figure GDA0003974445890000051
其中：
C为电磁波在真空中的传播速度，为3×108m/s；
εr为道砟层的相对介电常数，铁路道砟一般为级配碎石，花岗岩材质，相对介电常数约为5～7，其他材质道砟则需要按材质相应介电常数计算相应电磁波速度。
S5、在步骤S4得到的道砟层厚度及定位信息基础上，进行道砟层厚度人机交互自动化解译，得到道砟层厚度数据序列，实现探地雷达深度图像上道砟层位的划定。
参见图3，上述步骤S5中，进行道砟层厚度人机交互自动化解译的步骤为：
(1)标志层选择：
在经过距离校准和零时标定处理后的探地雷达数据基础上，在探地雷达图像找到第一反射层，即道砟层底，该反射层表现为能量最强，同向轴振幅较大，从图像上整体观察，选择处于中间时段的数据序列，并记录该数据序列的第一反射层旅行时t0；
(2)设定搜寻时间区段和积分滑动窗口：
围绕旅行时t0设定搜寻区段和积分滑动窗口，搜寻区段为t0±5ns；积分滑动窗口设定为2ns或积分滑动窗口的1/10。
(3)区间内滑动积分找寻最大值：
从第1观测道开始，在搜寻区段内，滑动积分窗口不断积分，并保存积分最大值Δ1和相应时间t1。
(4)相邻道选定时间区段内按积分窗口滑动积分：
在步骤(2)设定的搜寻时间区段内，对相邻的第2观测道开展滑动窗口积分，并记录积分最大值Δ2和相应时间t2。
(5)判断是否与选定测道积分值接近：
判断步骤(4)中积分最大值Δ2与步骤(3)中积分最大值Δ1是否接近：
1)当
Figure GDA0003974445890000061
时，认为两者接近，保存积分最大值位置的时间t2；
2)当
Figure GDA0003974445890000062
时，认为该位置与相邻道积分最大值不是同一层的反射信号，则返回步骤(4)，并扩大时间区段为原来的2倍，重新滑动窗口进行积分，并查找与步骤(3)中的积分最大值接近的位置，并保存该位置的时间t2；如无法找到接近值时，则保存扩大时间区段2倍后积分最大值位置的时间t2。
(6)下一道寻找直至最后一道：
以上一道为基础，继续在下一道执行步骤(3)-(5)。
(7)输出层数据：
当所有道完成积分最大值查找后，输出所有测道的道砟层位数据。
S6、依据步骤S5得到的道砟层厚度数据序列和S2得到的搭载小车(1)的移动距离绘制道砟层厚小车移动距离变化的曲线，在该曲线下方添加相应里程的道砟表面情况照片。
图4是本发明的铁路道砟厚度测量探地雷达数据解译软件界面，可以建立项目文件、以波形+变面积、波形、变面积三种模式显示探地雷达数据，并可以开展人机交互自动化解译道砟层位。如图4中所示，上层图像为探地雷达图像，纵坐标为时间(单位：纳秒)、横坐标为距离(单位：米)，图中每一条曲线为探地雷达数据的一道，下层为解译的道砟层底深度图像，纵坐标为深度(单位：厘米)，横坐标与上层图像一致。上层图像中每一道上的横线标识(图中箭头所指位置)为道砟层底时间位置，在上层图像点击横线标识后，下层图像自动显示道砟层底深度，即道砟层厚度。

Claims (5)

1.一种铁路道砟厚度无损快速测量方法，其通过铁路道砟厚度无损快速测量系统按以下步骤进行：
S1、将搭载小车放置在铁轨上，所述搭载小车(1)上设置或安装有GPS接收天线(5)、光学摄像机(6)、操控台(8)、探地雷达主机(4)、笔记本电脑(13)、悬挂杆(3)和测距轮(7)；其中：
所述搭载小车(1)放置在铁轨(10)上；
所述GPS接收天线(5)用于获取GPS卫星信号，得到位置信息；
所述光学摄像机(6)用于记录前方道砟的表面情况；
所述操控台(8)用于控制搭载小车(1)的移动及速度调节；
所述测距轮(7)安装于搭载小车车轮的轴承上，用于测量搭载小车的移动距离，与通过GPS接收天线获取的位置信息配合使用；
在所述搭载小车(1)左右两侧中部各水平安装一个所述悬挂杆(3)，在每个悬挂杆(3)上各安装一探地雷达天线(2)，分别用于向地下发射电磁波和接收来自地下反射的电磁波；所述探地雷达主机(4)与两根探地雷达天线(2)以及GPS接收天线(5)各通过一通讯电缆(11)连接，用于电磁波扫描信号的发射和接收以及GPS信号的接收；所述笔记本电脑(13)与所述探地雷达主机(4)、光学摄像机(6)、测距轮(7)之间各通过一通讯电缆(12)连接，用于采集光学摄像机采集的图像信息、测距轮采集的距离信息、小车移动速度并对探地雷达主机采集的数据进行处理；
S2、多参数数据采集：
将笔记本电脑、探地雷达主机和光学摄像机开机，通过探地雷达主机采集左右两侧探地雷达天线发射和接收的电磁波数据以及GPS接收天线采集的卫星定位数据，通过光学摄像机(6)和测距轮(7)分别采集道砟表面的光学影像和搭载小车(1)的移动距离；
S3、距离校准：以时间信息为基准，将步骤S2中采集的GPS、测距轮和探地雷达数据进行位置标定，然后将探地雷达数据按照定位信息进行距离归一化，得到在小车移动范围内测点平均分布的探地雷达数据；
S4、零时标定及时间深度转换：输入探地雷达天线高度、道砟层介电常数，选择零时刻后进行零时标定，然后根据介电常数进行时间深度转换，得到道砟层的厚度及定位信息；其中，进行时间深度转换的公式为：
Figure FDA0004057782470000011
v＝C/(εr)1/2
其中：
C为电磁波在真空中的传播速度，为3×108m/s；
S5、在步骤S4得到的道砟层厚度及定位信息基础上，进行道砟层厚度人机交互自动化解译，得到道砟层厚度数据序列；其中，进行道砟层厚度人机交互自动化解译的步骤为：
(1)标志层选择：
在经过距离校准和零时标定处理后的探地雷达数据基础上，在探地雷达图像找到第一反射层，即道砟层底，该反射层表现为能量最强，同向轴振幅较大，从图像上整体观察，选择处于中间时段的数据序列，并记录该数据序列的第一反射层旅行时t0；
(2)设定搜寻时间区段和积分滑动窗口：
围绕旅行时t0设定搜寻区段和积分滑动窗口，搜寻区段为t0±5ns；积分滑动窗口设定为2ns或积分滑动窗口的1/10；
(3)区间内滑动积分找寻最大值：
从第1观测道开始，在搜寻区段内，滑动积分窗口不断积分，并保存积分最大值Δ1和相应时间t1；
(4)相邻道选定时间区段内按积分窗口滑动积分：
在步骤(2)设定的搜寻时间区段内，对相邻的第2观测道开展滑动窗口积分，并记录积分最大值Δ2和相应时间t2；
(5)判断是否与选定测道积分值接近：
判断步骤(4)中积分最大值Δ2与步骤(3)中积分最大值Δ1是否接近：
1)当
Figure FDA0004057782470000021
时，认为两者接近，保存积分最大值位置的时间t2；
2)当
Figure FDA0004057782470000022
时，认为该位置与相邻道积分最大值不是同一层的反射信号，则返回步骤(4)，并扩大时间区段为原来的2倍，重新滑动窗口进行积分，查找与步骤(3)中的积分最大值接近的位置，并保存该位置的时间t2；如无法找到接近值时，则保存扩大时间区段2倍后积分最大值位置的时间t2；
(6)下一道寻找直至最后一道：
以上一道为基础，继续在下一道执行步骤(3)-(5)；
(7)输出层数据：
当所有道完成积分最大值查找后，输出所有测道的道砟层位数据；
S6、依据步骤S5得到的道砟层厚度数据序列和S2得到的搭载小车(1)的移动距离绘制道砟层厚度随小车移动距离变化的曲线，在该曲线下方添加相应里程的道砟表面情况照片，并添加工程名称、制图者和审核者信息。
2.根据权利要求1所述的铁路道砟厚度无损快速测量方法，其特征在于：所述探地雷达天线(2)安装在所述悬挂杆(3)远离搭载小车(1)一端的下方且其发射面垂直向下，探地雷达天线(2)距离道砟面10-30厘米，发射频率为200-600MHz。
3.根据权利要求1所述的铁路道砟厚度无损快速测量方法，其特征在于：所述光学摄像机(6)安装在位于搭载小车(1)前部中间的支架上，且其镜头向前下方倾斜20°-40°。
4.根据权利要求1所述的铁路道砟厚度无损快速测量方法，其特征在于：在所述操控台(8)前面还设置有一座椅(9)。
5.根据权利要求1所述的铁路道砟厚度无损快速测量方法，其特征在于：步骤S6中，通过道砟表面照片分析判断道砟表面的污染程度，同时根据探地雷达道砟层上方图像判断道砟层内部的污染情况。
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