CN111560939A - 轨道与路基偏移监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道与路基偏移的监测装置及方法。监测装置包括：上伸缩杆、下伸缩杆、测量上伸缩杆与下伸缩杆滑动位移的线位移传感器、位于上升缩杆或下升缩杆上的多向角度传感器、为线位移传感器和多向角度传感器供电的电源装置。本发明相对于现有技术的优点在于，设备同时具有监测三个维度的位移偏移量，大大减少了在轨道上布置传感器的工作量以及成本的节约。

Description

轨道与路基偏移监测装置及方法

技术领域：

本发明涉及轨道交通在线监测技术，具体涉及轨道与路基偏移的监测装置及方法。

背景技术：

高铁路基大量采用了无砟轨道技术。无砟轨道从上到下由三部分组成：无缝钢轨、轨道板、刚性基础(俗称路基)。当钢轨由于刹车制动会产生沿钢轨方向的偏移，当周边环境，如侧部山体的泥石流运动等等会对钢轨的横向和水平方向产生偏移。高速铁路由于速度快，轨道的细微偏移会对列车的运行安全产生很大的影响，因此，对轨道与路基的三坐标偏移量监测显得尤为重要。

国内高速铁路轨道状态的检测以人工巡检为主，费事费力，效率较低，误差较大。尽管也出现了一些以位移监测为目标的自动检测方法，但仍然停留在对一个维度的检测。为了表述方便，将水平面内沿轨道铺设方向定义为X轴方向，将水平面内垂直于X轴方向定义为Y轴方向，将垂直方向定义为Z轴方向。例如：现有技术CN103115562A是对轨道X轴方向的位移监测装置，现有技术CN110779458A是对轨道Z轴方向位移的监测装置，现有技术CN2630799Y是对轨道Y轴方向位移的监测装置。因此，要同时监测三个维度的位移偏移量成为了亟待解决的问题。

发明内容：

本发明目的是提出一种可以同时在线监测三个维度的装置及方法。具体技术方案如下：

轨道与路基偏移监测装置，包括：一端与轨道通过万向铰接头1连接的上伸缩杆2，上伸缩杆的另一端为自由端；一端与路基通过万向铰接头1连接的下伸缩杆3，下伸缩杆的另一端为自由端；上伸缩杆的自由端与下伸缩杆的自由端套接在一起，上伸缩杆与下伸缩杆可沿轴线相互滑动；测量上伸缩杆与下伸缩杆滑动位移的线位移传感器8；位于上升缩杆或下升缩杆上的多向角度传感器4；电源装置7，为线位移传感器和多向角度传感器供电。

在上述监测装置上实现的轨道与路基偏移监测方法，水平面内沿轨道铺设方向定义为X轴方向，水平面内垂直于X轴方向定义为Y轴方向，垂直方向定义为Z轴方向；t时刻，下伸缩杆与X轴方向的夹角定义为α_t，下伸缩杆与Y轴方向的夹角定义为β_t，下伸缩杆与Z轴方向的夹角定义为γ_t；监测方法包括如下过程：

步骤1：初始时刻t＝0，建立以路基万向铰接头为坐标原点的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的三坐标体系，此时，路基上万向铰接头与轨道上万向铰接头的直线距离为L₀，多向角度传感器读数α₀、β₀、γ₀，线位移传感器读数设定为0，轨道上万向铰接头的坐标为：

X₀＝L₀*Cosα₀，

Y₀＝L₀*Cosβ₀，

Z₀＝L₀*Cosβ₀；

步骤2：t时刻，测得线位移传感器读数L_t，多向角度传感器读数α_t、β_t、γ_t；

步骤3：通过换算，得到此时路基上万向铰接头与轨道上万向铰接头的实时直线距离为L₀+L_t；此时轨道上万向铰接头的坐标为：

X_t＝(L₀+L_t)*Cosα_t，

Y_t＝(L₀+L_t)*Cosβ_t，

Z_t＝(L₀+L_t)*Cosβ_t；

步骤4：X_t-X₀、Y_t-Y₀、Z_t-Z₀，即可得到轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量，X_t-X_t-1、Y_t-Y_t-1、Z_t-Z_t-1，即可得到从t-1时刻到t时刻轨道在三个坐标方向的偏移量。

优选方案一，还包括：控制主板6，无线通讯模块9；所述线位移传感器、多向角度传感器、无线通讯模块均连接在控制主板上，电源装置为所述控制主板、线位移传感器、多向角度传感器、无线通讯模块供电。进一步，所述无线通讯模块为GPRS通讯模块。更进一步，还包括：加速度监测模块10；所述加速度监测模块连接控制主板，由电源装置供电。所述加速度监测模块的作用是确保所采集的数据的时刻避开轨道通车时间，确保监测数据环境噪声较小。

优选方案二，所述线位移传感器为容栅传感器，容栅传感器的定栅和动栅分别位于上伸缩杆、下伸缩杆上。

本发明相对于现有技术的优点在于，设备具有同时在线监测三个维度的位移偏移量，大大减少了在轨道上布置传感器的工作量以及成本的节约；万向铰接头的设置，克服了轨道上安装附加仪器设备的难度，使得上伸缩杆和下伸缩杆杆的位置选择更加宽泛，便于轨道工程的现场施工。在优选方案中，采用GPRS模块可以将数据实时或间歇传输回后台管理服务器；当间歇传输数据时，加速度模块的设置可以避开轨道通车时刻传输数据，有效降低了环境噪声。

附图说明：

图1是本发明实施例中本发明装置在轨道和路基上的安装示意图；图中，1代表万向铰接头，2代表上伸缩杆，3代表下伸缩杆，4代表多向角度传感器，5代表装置壳体。

图2是本发明实施例中本发明装置控制主板的连接示意图；6代表控制主板，7代表电源装置，8代表线位移传感器，9代表无线通讯模块，10代表加速度监测模块。

具体实施方式：

实施例：

轨道与路基偏移监测装置，包括：装置壳体5；一端伸出装置壳体外且与轨道通过万向铰接头1连接的上伸缩杆2，上伸缩杆的另一端为自由端且位于装置壳体内；一端伸出装置壳体外且与路基通过万向铰接头1连接的下伸缩杆3，下伸缩杆的另一端为自由端且位于装置壳体内；上伸缩杆的自由端与下伸缩杆的自由端可沿轴线相互滑动；位于装置壳体内用于测量上伸缩杆与下伸缩杆滑动位移的线位移传感器8；位于装置壳体内的多向角度传感器4；位于装置壳体内的电源装置7，为线位移传感器和多向角度传感器供电；分别位于装置壳体内的控制主板6、无线通讯模块9、加速度监测模块10。

所述无线通讯模块为GPRS通讯模块；所述线位移传感器为容栅传感器，容栅传感器的定栅和动栅分别位于上伸缩杆、下伸缩杆上；所述容栅传感器、多向角度传感器、GPRS通讯模块、加速度监测模块均连接在控制主板上，电源装置为所述控制主板、容栅传感器、多向角度传感器、GPRS通讯模块、加速度监测模块供电。所述加速度监测模块的作用是确保所采集的数据的时刻避开轨道通车时间，确保监测数据环境噪声较小。

在上述监测装置上实现的监测方法，建立以路基万向铰接头为坐标原点的X、Y、Z方向三坐标体系，水平面内沿轨道铺设方向定义为X轴方向，水平面内垂直于X轴方向定义为Y轴方向，垂直方向定义为Z轴方向；t时刻，下伸缩杆与X轴方向的夹角定义为α_t，下伸缩杆与Y轴方向的夹角定义为β_t，下伸缩杆与Z轴方向的夹角定义为γ_t；监测方法包括如下过程：

步骤1：初始时刻t＝0，电源装置通电；此时，路基上万向铰接头与轨道上万向铰接头的直线距离为L₀，多向角度传感器读数α₀、β₀、γ₀，线位移传感器读数设定为0，轨道上万向铰接头的坐标为：

X₀＝L₀*Cosα₀，

Y₀＝L₀*Cosβ₀，

Z₀＝L₀*Cosβ₀；

步骤2：t时刻，测得线位移传感器读数L_t，多向角度传感器读数α_t、β_t、γ_t；

步骤3：控制主板通过换算，得到此时路基上万向铰接头与轨道上万向铰接头的实时直线距离为L₀+L_t；此时轨道上万向铰接头的坐标为：

X_t＝(L₀+L_t)*Cosα_t，

Y_t＝(L₀+L_t)*Cosβ_t，

Z_t＝(L₀+L_t)*Cosβ_t；

步骤4：X_t-X₀、Y_t-Y₀、Z_t-Z₀，即可得到轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量，X_t-X_t-1、Y_t-Y_t-1、Z_t-Z_t-1，即可得到从t-1时刻到t时刻轨道在三个坐标方向的偏移量；

步骤5：GPRS通讯模块将偏移量传输给对应的后台服务器；具体如下：

步骤5.1：设定GPRS监测模块上传数据的间隔时长T；

步骤5.2：在间隔时长T内，GPRS监测模块延时等待启动；

步骤5.3：在间隔T时长后的上传数据时刻，由加速度监测模块判断此时轨道是否在剧烈振动，是则返回步骤5.2开始新的延时等待周期，否则转步骤5.4；

步骤5.4：上传当前时刻轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量X_t-X₀、Y_t-Y₀、Z_t-Z₀；上传从t-1时刻到t时刻轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量。

Claims (9)

1.轨道与路基偏移监测装置，其特征在于，包括：一端与轨道通过万向铰接头(1)连接的上伸缩杆(2)；一端与路基通过万向铰接头(1)连接的下伸缩杆(3)；上伸缩杆与下伸缩杆的自由端套接在一起可沿轴线相互滑动；测量上伸缩杆与下伸缩杆滑动位移的线位移传感器(8)；位于上升缩杆或下升缩杆上的多向角度传感器(4)；电源装置(7)，为线位移传感器和多向角度传感器供电。

2.根据权利要求1所述轨道与路基偏移监测装置，其特征在于，还包括：控制主板(6)，无线通讯模块(9)；所述线位移传感器、多向角度传感器、无线通讯模块均连接在控制主板上，电源装置为所述控制主板、线位移传感器、多向角度传感器、无线通讯模块供电。

3.根据权利要求2所述轨道与路基偏移监测装置，其特征在于，所述无线通讯模块为GPRS通讯模块。

4.根据权利要求3所述轨道与路基偏移监测装置，其特征在于，还包括：加速度监测模块(10)；所述加速度监测模块连接控制主板，由电源装置供电。

5.根据权利要求1-4任何一项所述轨道与路基偏移监测装置，其特征在于，所述线位移传感器为容栅传感器，容栅传感器的定栅和动栅分别位于上伸缩杆、下伸缩杆上。

6.在权利要求1所述监测装置上实现的轨道与路基偏移监测方法，水平面内沿轨道铺设方向定义为X轴方向，水平面内垂直于X轴方向定义为Y轴方向，垂直方向定义为Z轴方向；t时刻，下伸缩杆与X轴方向的夹角定义为α_t，下伸缩杆与Y轴方向的夹角定义为β_t，下伸缩杆与Z轴方向的夹角定义为γ_t，其特征在于，包括如下过程：

步骤1：初始时刻t＝0，建立以路基万向铰接头为坐标原点的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的三坐标体系，此时，路基上万向铰接头与轨道上万向铰接头的直线距离为L₀，多向角度传感器读数α₀、β₀、γ₀，线位移传感器读数设定为0，轨道上万向铰接头的坐标为：

X₀＝L₀*Cosα₀，

Y₀＝L₀*Cosβ₀，

Z₀＝L₀*Cosβ₀；

步骤2：t时刻，测得线位移传感器读数L_t，多向角度传感器读数α_t、β_t、γ_t；

步骤3：通过换算，得到此时路基上万向铰接头与轨道上万向铰接头的实时直线距离为L₀+L_t；此时轨道上万向铰接头的坐标为：

X_t＝(L₀+L_t)*Cosα_t，

Y_t＝(L₀+L_t)*Cosβ_t，

Z_t＝(L₀+L_t)*Cosβ_t；

步骤4：X_t-X₀、Y_t-Y₀、Z_t-Z₀，即可得到轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量，X_t-X_t-1、Y_t-Y_t-1、Z_t-Z_t-1，即可得到从t-1时刻到t时刻轨道在三个坐标方向的偏移量。

7.在权利要求2所述监测装置上实现的轨道与路基偏移监测方法，沿轨道铺设方向定义为X轴方向，水平面内垂直于X轴方向定义为Y轴方向，垂直方向定义为Z轴方向；t时刻，下伸缩杆与X轴方向的夹角定义为α_t，下伸缩杆与Y轴方向的夹角定义为β_t，下伸缩杆与Z轴方向的夹角定义为γ_t，其特征在于，包括如下过程：

步骤1：初始时刻t＝0，建立以路基万向铰接头为坐标原点的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向三坐标体系，此时，路基上万向铰接头与轨道上万向铰接头的直线距离为L₀，多向角度传感器读数α₀、β₀、γ₀，线位移传感器读数设定为0，轨道上万向铰接头的坐标为：

X₀＝L₀*Cosα₀，

Y₀＝L₀*Cosβ₀,

Z₀＝L₀*Cosβ₀；

步骤2：t时刻，测得线位移传感器读数L_t，多向角度传感器读数α_t、β_t、γ_t；

步骤3：控制主板通过换算，得到此时路基上万向铰接头与轨道上万向铰接头的实时直线距离为L₀+L_t；此时轨道上万向铰接头的坐标为：

X_t＝(L₀+L_t)*Cosα_t，

Y_t＝(L₀+L_t)*Cosβ_t，

Z_t＝(L₀+L_t)*Cosβ_t；

步骤4：X_t-X₀、Y_t-Y₀、Z_t-Z₀，即可得到轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量，X_t-X_t-1、Y_t-Y_t-1、Z_t-Z_t-1，即可得到从t-1时刻到t时刻轨道在三个坐标方向的偏移量；

步骤5：无线通讯模块将偏移量传输给对应的后台服务器。

8.根据权利要求7所述轨道与路基偏移监测方法，其特征在于，所述无线通讯模块选择GPRS通讯模块。

9.根据权利要求8所述轨道与路基偏移监测方法，其特征在于，还包括：加速度监测模块(10)；所述加速度监测模块连接控制主板，由电源装置供电；且所述步骤5具体包括如下过程：

步骤5.1：设定GPRS通讯模块上传数据的间隔时长T；

步骤5.2：在间隔时长T内，GPRS通讯模块延时等待启动；

步骤5.3：在间隔T时长后的上传数据时刻，由加速度监测模块判断此时轨道是否在剧烈振动，是则返回步骤5.2开始新的延时等待周期，否则转步骤5.4；

步骤5.4：上传当前时刻轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量X_t-X₀、Y_t-Y₀、Z_t-Z₀；上传从t-1时刻到t时刻轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量。

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