CN111891177A - 高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统，包括搭载平台和其上设置的测量单元；测量单元包括控制终端、数据采集模块和传感器，还包括棱镜、惯性测量装置、GNSS接收机或全站仪；数据采集模块向传感器发送测量指令，接收传感器数据，并向控制终端实时发送；棱镜接收全站仪发出的光信号并反射；惯性测量装置连续测量搭载平台的空间三维姿态，并发送给数据采集模块；GNSS接收机接收GNSS信号，并将接收到的定位信息传输给数据采集模块；全站仪观测线路两侧布设的CPIII控制点，并将CPIII控制点观测值传输给控制终端。该系统采用模块式设计方式，通过独立测量模块在统一搭载平台上的相互优化组合，实现不同的功能应用。

Description

高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统

技术领域

本发明属于轨道测量技术领域，具体涉及一种高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统。

背景技术

高速运行的轮轨列车舒适性和安全性的根本保证来源于轨道的高平顺性，轨道平顺性的要求随运营速度呈几何指数增长，具有持久稳定的高平顺性轨道是高速铁路区别于普速铁路的主要标志。由于轨道的定位安装、轮轨的长期作用、轨道结构的不均匀变形等因素影响，高速铁路的轨道难免在轨距、水平（超高）、轨向、高低等方面达不到设计要求，使轨道出现异常波动或起伏，影响列车的高速、平稳和舒适运行。因此，在高速铁路的建设和运营过程中，需对高速铁路的轨道平顺性进行高效精准检测，以保证轨道的高平顺性。

目前，轨道几何状态测量仪（以下简称“轨检小车”）是对高速铁路轨道平顺性进行检测的主要设备，可广泛应用于轨枕定位、长轨精调和运营维护等阶段。根据技术原理和测量模式的不同，轨检小车大致可以分为：（1）以全站仪为核心测量设备的静态绝对测量轨检小车；（2）以陀螺仪为核心测量设备的动态相对测量轨检小车；（3）以惯性测量为核心测量设备的动态绝对测量轨检小车。

基于全站仪的静态绝对测量轨检小车是将全站仪架设于轨道中线附近，利用沿线已布设的轨道控制网（CPⅢ）进行自由设站，并采用极坐标测量方法测量轨检小车上的棱镜，以“一步一停”的静态测量模式对轨道平顺性进行检测。这类设备的优点是测量精度较高，能够获取轨道的内外部几何状态，设备购置费用便宜，但缺点是对轨道控制网的依赖性较强，数据采集效率低下。因此，这类设备适用于施工条件恶劣且对测量效率要求不高的轨枕定位。

基于陀螺仪的动态相对测量轨检小车是将陀螺仪安装在轨检小车上，通过连续采集轨检小车在轨道上运行时的姿态变化，实现对轨道平顺性的检测。这类设备的优点是不依赖于轨道控制网，能够进行动态测量，作业效率较高，但缺点是不能获取轨道的外部几何状态，很难满足轨道长波不平顺的测量精度。因此，这类设备适用于轨道的日常巡检，但无法用于轨枕定位和大机捣固作业。

基于惯性测量的动态绝对测量轨检小车是利用惯性测量的相对测量优势和全站仪或GNSS的绝对定位能力，采用相对测量与绝对测量相结合的方式，通过对多源采集数据进行综合解算，实现对轨道平顺性的检测。这类设备的优点是能够动态获取轨道的内外部几何状态，作业效率较高，但缺点是设备初始化时间较长，设备购置费用昂贵。因此，这类设备适用于工作量大且对测量效率有较高要求的长轨精调和运营维护阶段。

综上所述，既有轨道检测设备在数据获取、测量精度、作业效率及应用环境等方面，或多或少都受到制约与限制，通用性较差，需在高速铁路全生命周期内配置多种设备，才能满足当前我国高速铁路对轨道平顺性高效精准检测的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统，该系统采用模块式设计方式，通过独立测量模块在统一搭载平台上的相互优化组合，实现不同的功能应用，解决既有轨道检测设备在诸多方面存在的缺陷或不足，达到对轨道平顺性的高效精准检测目的。

本发明所采用的技术方案为：

高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统，其特征在于：

所述系统包括搭载平台和其上设置的测量单元；

所述搭载平台为轨道车；

所述测量单元包括控制终端、数据采集模块和传感器，还包括棱镜或惯性测量装置，或配置惯性测量装置时同时配置GNSS接收机或全站仪；

数据采集模块向传感器发送测量指令，接收、存储及时间同步传感器数据，并向控制终端实时发送采集数据；棱镜接收全站仪发出的光信号，并将其反射回去；惯性测量装置连续测量搭载平台的空间三维姿态，并发送给数据采集模块；GNSS接收机根据测量指令，接收GNSS信号，并将接收到的定位信息传输给数据采集模块；全站仪根据控制终端的采集指令，观测线路两侧布设的CPIII控制点，并将CPIII控制点观测值传输给控制终端。

轨道车为T型轨道车，包括纵梁和其一侧与其垂直的横梁，纵梁前后两端底部和横梁外端底部均设置有与钢轨顶面接触的走行轮，横梁底部两端设置有与钢轨内侧面接触的测量轮，纵梁的走行轮侧面设置有与钢轨内侧面接触的导向轮。

传感器包括位移传感器、倾角传感器、编码器、轨枕识别器和温度传感器。

位移传感器设置在横梁两端内部，与测量轮并行连接，测量两根钢轨之间的轨距变化量。

倾角传感器设置在横梁中段内部，测量搭载平台当前的位置姿态。

编码器通过一组耦合齿轮与走行轮连接，测量走行轮的转动里程。

轨枕识别器为激光测距传感器，位于横梁一端内部，测量搭载平台与轨道道床之间的距离。

温度传感器设置在横梁内部，测量周边环境温度。

控制终端基于推杆的支撑布置于横梁上方；

数据采集模块布置在横梁内部。

棱镜、全站仪或GNSS接收机基于支撑立柱的支撑布置于横梁上方；

惯性测量装置位于横梁顶部。

本发明具有以下优点：

1、本发明所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统设计了分离式的搭载平台和测量模块，实现了系统“化整为零”，便于现场操作人员的搬运、组装和使用。

2、本发明所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统采用了模块式设计方式，设计了统一的搭载平台和独立的测量模块，通过独立测量模块在统一搭载平台上的相互优化组合，实现了不同的功能应用，摆脱了应用领域的制约与限制，适用于高速铁路的全生命周期。

3、本发明所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统设置有轨枕识别器，通过测量搭载平台与轨道道床之间的距离变化，实现了轨枕位置的精确识别和自动提取。

4、本发明所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统内置有温度传感器，通过实时测量周边环境温度，对多源采集数据进行实时温差改正，提高了测量准确性。

附图说明

图1为本发明所述的搭载平台正视图。

图2为本发明所述的搭载平台俯视图。

图3为本发明所述的搭载平台侧视图。

图4为本发明所述的搭载平台仰视图。

图5为本发明所述的惯性测量装置、全站仪、GNSS接收机和棱镜示意图。

图6为本发明所述的基于全站仪的静态绝对测量轨检小车示意图。

图7为本发明所述的基于惯性测量的动态相对测量轨检小车示意图。

图8为本发明所述的基于全站仪与惯性测量的动态绝对测量轨检小车示意图。

图9为本发明所述的基于GNSS与惯性测量的动态绝对测量轨检小车示意图。

图中，1-横梁，2-纵梁，3-走行轮，4-测量轮，5-导向轮，6-刹车装置，7-推杆，8-支撑立柱，9-控制终端，10-数据采集模块，11-惯性测量装置，12-全站仪，13-位移传感器，14-倾角传感器，15-编码器，16-轨枕识别器，17-温度传感器，18-GNSS接收机，19-棱镜。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统，所述系统包括搭载平台和其上设置的测量单元；所述搭载平台为轨道车；所述测量单元包括控制终端9、数据采集模块10和传感器，还包括棱镜19或惯性测量装置11，或配置惯性测量装置11时同时配置GNSS接收机18或全站仪12。

数据采集模块10向传感器发送测量指令，接收、存储及时间同步传感器数据，并向控制终端9实时发送采集数据；棱镜19接收全站仪发出的光信号，并将其反射回去；惯性测量装置11（可选型号为零偏稳定性优于0.01°/h的三轴惯性测量装置）连续测量搭载平台的空间三维姿态，并发给数据采集模块10；GNSS接收机18根据测量指令，接收GNSS信号，并将接收到的定位信息传输给数据采集模块10；全站仪12根据控制终端9的采集指令，观测线路两侧布设的CPIII控制点，并将CPIII控制点观测值传输给控制终端9。

轨道车为T型轨道车，包括纵梁2和其一侧与其垂直的横梁1，纵梁2前后两端底部和横梁1外端底部均设置有与钢轨顶面接触的走行轮3，横梁1底部两端设置有与钢轨内侧面接触的测量轮4，纵梁2的走行轮3侧面设置有与钢轨内侧面接触的导向轮5。

传感器包括位移传感器13、倾角传感器14、编码器15、轨枕识别器16和温度传感器17。

位移传感器13设置在横梁1两端内部，与测量轮4并行连接，测量两根钢轨之间的轨距变化量。位移传感器可选型号为novotechnik TR系列。

倾角传感器14设置在横梁1中段内部（可选型号为测角精度优于0.005°的双轴倾角传感器），测量搭载平台当前的位置姿态。

编码器15通过一组耦合齿轮与走行轮3连接，测量走行轮3的转动里程。编码器可选型号为宜科EC50P-5000。

轨枕识别器16为激光测距传感器，位于横梁1一端内部，测量搭载平台与轨道道床之间的距离。激光测距传感器可选型号为基恩士CMOS 模拟激光传感器IL系列。

温度传感器17设置在横梁1内部（可选型号为探头式热电阻温度传感器），测量周边环境温度。

控制终端9（安装有控制程序的便携式计算机）基于推杆7的支撑布置于横梁1上方；数据采集模块10布置在横梁1内部。

棱镜19、全站仪12或GNSS接收机18基于支撑立柱8的支撑布置于横梁1上方；惯性测量装置11位于横梁1顶部。

参见附图：

本发明所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统由搭载平台和独立测量模块组成，通过推动搭载平台，可使测量模块沿轨道前后移动。

所述搭载平台呈“T”型框架结构，主要由横梁1、纵梁2、走行轮3、测量轮4、导向轮5、刹车装置6、推杆7、支撑立柱8等结构部件组成，内置有数据采集模块10、位移传感器13、倾角传感器14、编码器15、轨枕识别器16、温度传感器17等。

所述独立测量模块包括惯性测量装置11、全站仪12、GNSS接收机18和棱镜19。

所述横梁1的一端与纵梁2垂直连接，而另一端的下方设置有一个与钢轨顶面接触的走行轮3。横梁1的底部两端各垂直设置有一个与钢轨内侧面接触的测量轮4。

所述纵梁2由左、右端盒组成，沿钢轨的延伸方向设置。左、右端盒的底部分别设置有一个与钢轨顶面接触的走行轮3，而走行轮3侧面设置有与其垂直的导向轮5。

所述测量轮4与钢轨内侧面的接触点位于钢轨顶面以下16mm处，为轨距测量提供基准。

所述导向轮5与钢轨内侧面接触，保证搭载平台与轨道正交。

所述刹车装置6分别设置在左、右端盒内部，由失电制动器、制动轴、制动齿轮组成。制动轴与走行轮3的轮轴平行设置。制动齿轮与走行轮3的齿轮互相啮合。

所述推杆7通过两个活动插销安装在横梁1上部的推杆底座上，用于推动搭载平台沿轨道前后移动，推杆7把手处设置有一个托盘，用于控制终端9的安放。

所述控制终端9用于向数据采集模块10和全站仪12发送采集指令，接收、存储采集数据，并通过处理所接收的多源数据，经综合解算得到轨道内外部几何状态信息。

所述支撑立柱8通过底部转接板安装在横梁1上部的基座上，支撑立柱8内置系统电源，用于高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统供电，支撑立柱8上部设置有卡具，用于全站仪12、GNSS接收机18和棱镜19的固定安装。

所述数据采集模块10安放在横梁1的内部，用于向惯性测量装置11、GNSS接收机18、位移传感器13、倾角传感器14、编码器15、轨枕识别器16和温度传感器17发送测量指令，接收、存储及时间同步各类采集数据，并向控制终端9实时发送采集数据。

所述惯性测量装置11通过底部转接板安装在横梁1上部的基座上，用于根据测量指令，连续测量搭载平台的空间三维姿态，并将测量得到的空间三维姿态数据传输给数据采集模块10。

所述全站仪12为具有目标自动照准、马达驱动的智能测量机器人，安装于支撑立柱8顶部的卡具上，用于根据采集指令，观测线路两侧布设的CPIII控制点，并将CPIII控制点观测值传输给控制终端9。

所述GNSS接收机18安装于支撑立柱8顶部的卡具上，用于根据测量指令，接收GNSS信号。

所述棱镜19安装于支撑立柱8顶部的卡具上，用于接收全站仪发出的光信号，并将其反射回去。

所述位移传感器13分别设置在横梁1两端内部，与测量轮4并行连接，用于根据测量指令，测量两根钢轨之间的轨距变化量，并将轨距变化量传输给数据采集模块10。

所述倾角传感器14设置在横梁1中段内部，用于根据测量指令，测量搭载平台当前的位置姿态，并将测量得到的位置姿态数据传输给数据采集模块10。

所述编码器15分别设置在左、右端盒内部，编码器15通过一组耦合齿轮与走行轮3连接，实现1:1同步转动，用于根据测量指令，测量走行轮3的转动里程，并将里程测量值传输给数据采集模块10。

所述轨枕识别器16为激光测距传感器，垂直安装于横梁1靠近纵梁2一端的内部，用于根据测量指令，测量搭载平台与轨道道床之间的距离，并将距离测量值传输给数据采集模块10。

所述温度传感器17设置在横梁1内部，用于根据测量指令，测量周边环境温度，并将温度测量值传输给数据采集模块10。

图6为本发明所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统中的一种基于全站仪的静态绝对测量轨检小车，由搭载平台、全站仪12和棱镜19组成。当进行轨道平顺性检测时，将全站仪12架设于轨道中线附近，利用沿线已布设的CPⅢ控制网进行自由设站，获取设站点的三维坐标，待设站精度合格后，全站仪12再通过测量安装于轨检小车上的棱镜19，获取棱镜19坐标，以“一步一停”的静态测量模式获取轨道的几何状态，实现轨道平顺性的精准检测。

图7为本发明所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统中的一种基于惯性测量的动态相对测量轨检小车，由搭载平台和惯性测量装置11组成。当进行轨道平顺性检测时，只需将基于惯性测量的动态相对测量轨检小车推行至测段的起点处静止，待惯性测量装置11初始化后，再连续推行前进，直至测段终点结束。惯性测量装置11动态采集轨道的空间三维姿态，而位移传感器13、倾角传感器14、编码器15等高速传感器则实时采集轨道的轨距、超高、里程等信息。控制终端9可对数据采集模块10获取的多源采集数据进行综合解算，得到轨道的内部几何状态信息，实现轨道平顺性的高效精准检测。

图8为本发明所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统中的一种基于全站仪与惯性测量的动态绝对测量轨检小车，由搭载平台、全站仪12和惯性测量装置11组成。当进行轨道平顺性检测时，只需将基于全站仪与惯性测量的动态绝对测量轨检小车推行至测站点附近静止，利用全站仪12观测线路两侧布设的CPⅢ控制点进行不整平自由设站，在测站之间连续行进，使用惯性测量装置11动态采集轨道的空间三维姿态，而位移传感器13、倾角传感器14、编码器15等高速传感器则实时采集轨道的轨距、超高、里程等信息。控制终端9可对数据采集模块10获取的多源采集数据进行综合解算，得到轨道的内外部几何状态信息，实现轨道平顺性的高效精准检测。

图9为本发明所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统中的一种基于GNSS与惯性测量的动态绝对测量轨检小车，由搭载平台、GNSS接收机18和惯性测量装置11组成。当进行轨道平顺性检测时，只需将基于GNSS与惯性测量的动态绝对测量轨检小车推行至测段的起点处静止，待GNSS接收机18锁星和惯性测量装置11初始化后，再连续推行前进，直至测段终点结束。GNSS为惯性测量装置11提供长距离、大范围相对精确的辅助修正信息，惯性测量装置11动态采集轨道的空间三维姿态，而位移传感器13、倾角传感器14、编码器15等高速传感器则实时采集轨道的轨距、超高、里程等信息。控制终端9可对数据采集模块10获取的多源采集数据进行综合解算，得到轨道的内外部几何状态信息，实现轨道平顺性的高效精准检测。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统，其特征在于：

所述系统包括搭载平台和其上设置的测量单元；

所述搭载平台为轨道车；

所述测量单元包括控制终端（9）、数据采集模块（10）和传感器，还包括棱镜（19）或惯性测量装置（11），或配置惯性测量装置（11）时同时配置GNSS接收机（18）或全站仪（12）；

数据采集模块（10）向传感器发送测量指令，接收、存储及时间同步传感器数据，并向控制终端（9）实时发送采集数据；棱镜（19）接收全站仪发出的光信号，并将其反射回去；惯性测量装置（11）连续测量搭载平台的空间三维姿态，并发送给数据采集模块（10）；GNSS接收机（18）根据测量指令，接收GNSS信号，并将接收到的定位信息传输给数据采集模块（10）；全站仪（12）根据控制终端（9）的采集指令，观测线路两侧布设的CPIII控制点，并将CPIII控制点观测值传输给控制终端（9）。

2.根据权利要求1所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统，其特征在于：

轨道车为T型轨道车，包括纵梁（2）和其一侧与其垂直的横梁（1），纵梁（2）前后两端底部和横梁（1）外端底部均设置有与钢轨顶面接触的走行轮（3），横梁（1）底部两端设置有与钢轨内侧面接触的测量轮（4），纵梁（2）的走行轮（3）侧面设置有与钢轨内侧面接触的导向轮（5）。

3.根据权利要求2所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统，其特征在于：

传感器包括位移传感器（13）、倾角传感器（14）、编码器（15）、轨枕识别器（16）和温度传感器（17）。

4.根据权利要求3所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统，其特征在于：

位移传感器（13）设置在横梁（1）两端内部，与测量轮（4）并行连接，测量两根钢轨之间的轨距变化量。

5.根据权利要求4所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统，其特征在于：

倾角传感器（14）设置在横梁（1）中段内部，测量搭载平台当前的位置姿态。

6.根据权利要求5所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统，其特征在于：

编码器（15）通过一组耦合齿轮与走行轮（3）连接，测量走行轮（3）的转动里程。

7.根据权利要求6所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统，其特征在于：

轨枕识别器（16）为激光测距传感器，位于横梁（1）一端内部，测量搭载平台与轨道道床之间的距离。

8.根据权利要求7所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统，其特征在于：

温度传感器（17）设置在横梁（1）内部，测量周边环境温度。

9.根据权利要求8所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统，其特征在于：

控制终端（9）基于推杆（7）的支撑布置于横梁（1）上方；

数据采集模块（10）布置在横梁（1）内部。

10.根据权利要求9所述的高速铁路轨道平顺性动静结合快速检测系统，其特征在于：

棱镜（19）、全站仪（12）或GNSS接收机（18）基于支撑立柱（8）的支撑布置于横梁（1）上方；

惯性测量装置（11）位于横梁（1）顶部。

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