CN112012062A - 轨道与路基偏移三坐标监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道与路基偏移三坐标监测装置及方法。监测装置包括：分置于轨道和路基的平面图像标志物1、摄像头2，为摄像头供电的电源装置7；初始安装位置，摄像头的光轴垂直于平面图像标志物。本发明具有同时在线监测三个维度的位移偏移量，减少了在轨道上布置传感器的工作量；摄像头与路基固定连接，路基具有相对的稳定性，可以确保摄像头尽可能少地受到振动影响，确保成像质量和摄像头实用寿命；轨道上只需粘接一个平面图像标志物，不会破坏轨道的受力结构也不需要复杂的工艺技术，便于轨道工程的现场施工。

Description

轨道与路基偏移三坐标监测装置及方法

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轨道与路基偏移三坐标监测装置及方法。

背景技术：

铁路技术的出现是近代最伟大的创新之一，随着铁路运载能力的提升和列车速度的提升，由于温差等因素引起的轨道应力变化成为了影响铁路安全的重要因素。特别是近年来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，当周边环境的温差或其它外部因素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。由于铁路自身的特点，轨道的细微偏移会对列车的运行安全产生很大的影响，甚至是车毁人亡的重大事故。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M轴方向，将水平面内垂直于M轴方向定义为N轴方向，将垂直方向定义为H轴方向。例如：现有技术CN103115562A是对轨道M轴方向的位移监测装置，现有技术CN110779458A是对轨道H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：

轨道与路基偏移三坐标监测装置，包括：分置于轨道和路基的平面图像标志物1、摄像头2，为摄像头供电的电源装置7，初始安装位置，摄像头的光轴垂直于平面图像标志物。

优选方案一，以摄像头安装位置为坐标原点O₀，建立XYZ直角三坐标体系，将平面图像标志物的平面内垂直交叉的二个方向分别定义为X轴、Y轴，将光轴方向定义为Z轴；所述平面图像标志物内沿X轴方向、Y轴方向标有位移刻度。进一步，平面图像标志物中包含一个标志原点。

在上述监测装置上实现的轨道与路基偏移三坐标监测方法，过程如下：

以摄像头安装位置为坐标原点O₀，建立MNH直角三坐标体系，水平面内沿轨道铺设方向定义为M轴，水平面内垂直于M轴方向定义为N轴，垂直方向定义为H轴；

X轴与M轴之间夹角为α₁，Y轴与M轴之间的夹角为α₂，Z轴与M轴之间的夹角为α₃，X轴与N轴之间的夹角为β₁，Y轴与N轴之间的夹角为β₂，Z轴与N轴之间的夹角为β₃，X轴与H轴之间的夹角为γ₁，Y轴与H轴之间的夹角为γ₂，Z轴与H轴之间的夹角为γ₃；

光轴与平面图像标志物的交点定义为光轴点；

包括如下步骤：

步骤1：初始位置，即：t＝0时刻，标志原点位于摄像头光轴点上，摄像头距离平面图像标志物的距离为Z₀，摄像头拍摄图像，计算图像中平面图像标志物对应的像素点数量S₀；此时，标志原点在XYZ直角坐标体系中的坐标为(0，0，Z₀)；

步骤2：通过坐标体系转换，确定t＝0时刻标志原点在MNH坐标体系中的坐标为：M₀、N₀、H₀，

M₀＝Z₀*Cos α₃；

N₀＝Z₀*Cos β₃；

H₀＝Z₀*Cos γ₃；

步骤3：t时刻，摄像头拍摄图像，从图像中观察，此时由光轴点与标志原点在X轴、Y轴方向上位移刻度的偏移量计算出此时标志原点在XYZ直角坐标体系中X轴上的坐标X_t、Y轴上的坐标Y_t；计算图像中平面图像标志物对应的像素点数量S_t；此时标志原点在XYZ直角坐标体系中Z轴上的坐标为Z_t，

步骤4：通过坐标体系转换，确定t时刻标志原点在MNH坐标体系中的坐标为：M_t、N_t、H_t；

M_t＝X_t*Cos α₁+Y_t*Cos α₂+Z_t*Cos α₃；

N_t＝X_t*Cos β₁+Y_t*Cos β₂+Z_t*Cos β₃；

H_t＝X_t*Cos γ₁+Y_t*Cos γ₂+Z_t*Cos γ₃；

步骤5：M_t-M₀、N_t-N₀、H_t-H₀，即可得到轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量，M_t-M_t-1、N_t-N_t-1、H_t-H_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。

优选方案二，还包括：罩在摄像头、光路、平面图像标志物外的罩子，位于摄像头周围的环境光源；所述罩子防止摄像头和平面图像标志物受到雨雪或尘埃的遮挡。进一步，还包括：控制主板6，无线通讯模块4；所述摄像头、环境光源、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、摄像头、环境光源、无线通讯模块供电。更进一步，还包括：加速度监测模块5；所述加速度监测模块连接控制主板，由电源装置供电。

在上述优选方案二监测装置上实现的轨道与路基偏移三坐标监测方法，过程如下：

以摄像头安装位置为坐标原点O₀，建立MNH直角三坐标体系，水平面内沿轨道铺设方向定义为M轴，水平面内垂直于M轴方向定义为N轴，垂直方向定义为H轴；

X轴与M轴之间的夹角α₁，Y轴与M轴之间的夹角为α₂，Z轴与M轴之间的夹角为α₃，X轴与N轴之间的夹角为β₁，Y轴与N轴之间的夹角为β₂，Z轴与N轴之间的夹角为β₃，X轴与H轴之间的夹角为γ₁，Y轴与H轴之间的夹角为γ₂，Z轴与H轴之间的夹角为γ₃；

光轴与平面图像标志物的交点定义为光轴点；

包括如下步骤：

步骤1：初始位置，即：t＝0时刻，标志原点位于摄像头光轴点上，摄像头距离平面图像标志物的距离为Z₀，摄像头拍摄图像，计算图像中平面图像标志物对应的像素点数量S₀；此时，标志原点在XYZ直角坐标体系中的坐标为(0，0，Z₀)；

步骤2：通过坐标体系转换，确定t＝0时刻标志原点在MNH坐标体系中的坐标为：M₀、N₀、H₀，

M₀＝Z₀*Cos α₃；

N₀＝Z₀*Cos β₃；

H₀＝Z₀*Cos γ₃；

步骤3：t时刻，摄像头拍摄图像，从图像中观察，此时由光轴点与标志原点在X轴、Y轴方向上位移刻度的偏移量计算出此时标志原点在XYZ直角坐标体系中X轴上的坐标X_t、Y轴上的坐标Y_t；计算图像中平面图像标志物对应的像素点数量S_t；此时标志原点在XYZ直角坐标体系中Z轴上的坐标为Z_t，

步骤4：通过坐标体系转换，确定t时刻标志原点在MNH坐标体系中的坐标为：M_t、N_t、H_t；

M_t＝X_t*Cos α₁+Y_t*Cos α₂+Z_t*Cos α₃；

N_t＝X_t*Cos β₁+Y_t*Cos β₂+Z_t*Cos β₃；

H_t＝X_t*Cos γ₁+Y_t*Cos γ₂+Z_t*Cos γ₃；

步骤5：M_t-M₀、N_t-N₀、H_t-H₀，即可得到轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量，M_t-M_t-1、N_t-N_t-1、H_t-H_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6：无线通讯模块将偏移量传输给对应的后台服务器；

步骤6.1：设定GPRS通讯模块上传数据的间隔时长T；

步骤6.2：在间隔时长T内，GPRS通讯模块延时等待启动；

步骤6.3：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6.2开始新的延时等待周期，否则转步骤6.4；

步骤6.4：上传当前时刻轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量M_t-M₀、N_t-N₀、H_t-H₀；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。

优选方案三，所述摄像头与轨道固定连接；所述平面图像标志物与路基固定连接。

优选方案四，所述平面图像标志物与轨道固定连接；所述摄像头通过支架与路基固定连接，所述摄像头位于平面图像标志物上方。

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；摄像头与路基固定连接，路基具有相对的稳定性，可以确保摄像头尽可能少地受到振动影响，确保成像质量和摄像头实用寿命；轨道上只需粘接一个平面图像标志物，操作非常简单，既不会破坏轨道的受力结构也不需要复杂的工艺技术，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1中本发明装置在轨道和路基上的安装示意图；图中，1代表平面图像标志物，2代表摄像头，3代表光轴，11代表路基，12代表轨道。

图2是本发明实施例中圆形平面图像标志物的示意图；图中，沿X轴和Y轴十字交叉若干等距离平行线，形成刻度网格，G₀代表标志原点，G_t代表t时刻光轴点位置。

图3是本发明实施例中控制主板的连接示意图；2代表摄像头，4代表无线通讯模块，5代表加速度监测模块，6代表控制主板，7代表电源装置。

图4是本发明实施例2中本发明装置在轨道和路基上的安装示意图；图中，1代表平面图像标志物，2代表摄像头，3代表光轴，11代表路基，12代表轨道，13代表支架。

具体实施方式：

实施例1：

如图1、2、3所示。

轨道与路基偏移三坐标监测装置，包括：与路基11固定连接的平面图像标志物1；与轨道12固定连接的摄像头2；为摄像头供电的电源装置7；罩在摄像头、光路、平面图像标志物外的罩子，防止摄像头和平面图像标志物受到雨雪或尘埃的遮挡；位于摄像头周围的环境光源；控制主板6；无线通讯模块4；加速度监测模块5；所述摄像头、环境光源、无线通讯模块、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、摄像头、环境光源、无线通讯模块、加速度监测模块供电；

初始安装位置，摄像头的光轴垂直于平面图像标志物；所述平面图像标志物的边界为圆形，以摄像头安装位置为坐标原点O₀，建立XYZ直角三坐标体系，将平面图像标志物的平面内垂直交叉的二个方向分别定义为X轴、Y轴，将光轴方向定义为Z轴；所述平面图像标志物内沿X轴方向、Y轴方向标有位移刻度，内部沿X轴方向、Y轴方向均匀地画出网格线。

在上述监测装置上实现的轨道与路基偏移三坐标监测方法，包括如下过程：

以摄像头安装位置为坐标原点O₀，建立MNH直角三坐标体系，水平面内沿轨道铺设方向定义为M轴，水平面内垂直于M轴方向定义为N轴，垂直方向定义为H轴；

X轴与M轴之间的夹角α₁，Y轴与M轴之间的夹角为α₂，Z轴与M轴之间的夹角为α₃，X轴与N轴之间的夹角为β₁，Y轴与N轴之间的夹角为β₂，Z轴与N轴之间的夹角为β₃，X轴与H轴之间的夹角为γ₁，Y轴与H轴之间的夹角为γ₂，Z轴与H轴之间的夹角为γ₃；

光轴与平面图像标志物的交点定义为光轴点；

包括如下步骤：

步骤1：初始位置，即：t＝0时刻，标志原点位于摄像头光轴点上，摄像头距离平面图像标志物的距离为Z₀，摄像头拍摄图像，计算图像中平面图像标志物对应的像素点数量S₀；此时，标志原点在XYZ直角坐标体系中的坐标为(0，0，Z₀)；

步骤2：通过坐标体系转换，确定t＝0时刻标志原点在MNH坐标体系中的坐标为：M₀、N₀、H₀，

M₀＝Z₀*Cos α₃；

N₀＝Z₀*Cos β₃；

H₀＝Z₀*Cos γ₃；

步骤3：t时刻，摄像头拍摄图像，从图像中观察，此时由光轴点与标志原点在X轴、Y轴方向上位移刻度的偏移量计算出此时标志原点在XYZ直角坐标体系中X轴上的坐标X_t、Y轴上的坐标Y_t；计算图像中平面图像标志物对应的像素点数量S_t；此时标志原点在XYZ直角坐标体系中Z轴上的坐标为Z_t，

步骤4：通过坐标体系转换，确定t时刻标志原点在MNH坐标体系中的坐标为：M_t、N_t、H_t；

M_t＝X_t*Cos α₁+Y_t*Cos α₂+Z_t*Cos α₃；

N_t＝X_t*Cos β₁+Y_t*Cos β₂+Z_t*Cos β₃；

H_t＝X_t*Cos γ₁+Y_t*Cos γ₂+Z_t*Cos γ₃；

步骤5：M_t-M₀、N_t-N₀、H_t-H₀，即可得到轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量，M_t-M_t-1、N_t-N_t-1、H_t-H_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6：无线通讯模块将偏移量传输给对应的后台服务器；

步骤6.1：设定GPRS通讯模块上传数据的间隔时长T；

步骤6.2：在间隔时长T内，GPRS通讯模块延时等待启动；

步骤6.3：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6.2开始新的延时等待周期，否则转步骤6.4；

步骤6.4：上传当前时刻轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量M_t-M₀、N_t-N₀、H_t-H₀；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。

实施例2：

如图2、3、4所示。

轨道与路基偏移三坐标监测装置，包括：与轨道12固定连接的平面图像标志物1；通过支架13与路基11固定连接的摄像头2；与实施例1的区别在于：摄像头与路基连接，而图像标志物与轨道连接，通过支架将摄像头举起，高于图像标志物的高度，这样设计有利于防水的实施。其它内容与实施例1完全相同。

Claims (10)

1.轨道与路基偏移三坐标监测装置，其特征在于，包括：分置于轨道和路基的平面图像标志物(1)、摄像头(2)，为摄像头供电的电源装置(7)，初始安装位置，摄像头的光轴垂直于平面图像标志物。

2.根据权利要求1所述轨道与路基偏移三坐标监测装置，其特征在于，以摄像头安装位置为坐标原点O₀，建立XYZ直角三坐标体系，将平面图像标志物的平面内垂直交叉的二个方向分别定义为X轴、Y轴，将光轴方向定义为Z轴；所述平面图像标志物内沿X轴方向、Y轴方向标有位移刻度。

3.根据权利要求2所述轨道与路基偏移三坐标监测装置，其特征在于，所述平面图像标志物的边界为圆形或矩形，内部沿X轴方向、Y轴方向均匀地画出网格线；平面图像标志物中包含一个标志原点。

4.根据权利要求1-3任何一项所述轨道与路基偏移三坐标监测装置，其特征在于，还包括：罩在摄像头、光路、平面图像标志物外的罩子，位于摄像头周围的环境光源；所述罩子防止摄像头和平面图像标志物受到雨雪或尘埃的遮挡。

5.根据权利要求1-3任何一项所述轨道与路基偏移三坐标监测装置，其特征在于，所述摄像头与轨道固定连接；所述平面图像标志物与路基固定连接。

6.根据权利要求1-3任何一项所述轨道与路基偏移三坐标监测装置，其特征在于，所述平面图像标志物与轨道固定连接；所述摄像头通过支架与路基固定连接，所述摄像头位于平面图像标志物上方。

7.根据权利要求4所述轨道与路基偏移三坐标监测装置，其特征在于，还包括：控制主板(6)，无线通讯模块(4)；所述摄像头、环境光源、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、摄像头、环境光源、无线通讯模块供电。

8.根据权利要求5所述轨道与路基偏移三坐标监测装置，其特征在于，还包括：加速度监测模块(5)；所述加速度监测模块连接控制主板，由电源装置供电。

9.在权利要求3所述监测装置上实现的轨道与路基偏移三坐标监测方法，其特征在于，

以摄像头安装位置为坐标原点O₀，建立MNH直角三坐标体系，水平面内沿轨道铺设方向定义为M轴，水平面内垂直于M轴方向定义为N轴，垂直方向定义为H轴；

X轴与M轴之间夹角为α₁，Y轴与M轴之间的夹角为α₂，Z轴与M轴之间的夹角为α₃，X轴与N轴之间的夹角为β₁，Y轴与N轴之间的夹角为β₂，Z轴与N轴之间的夹角为β₃，X轴与H轴之间的夹角为γ₁，Y轴与H轴之间的夹角为γ₂，Z轴与H轴之间的夹角为γ₃；

光轴与平面图像标志物的交点定义为光轴点；

包括如下步骤：

步骤1：初始位置，即：t＝0时刻，标志原点位于摄像头光轴点上，摄像头距离平面图像标志物的距离为Z₀，摄像头拍摄图像，计算图像中平面图像标志物对应的像素点数量S₀；此时，标志原点在XYZ直角坐标体系中的坐标为(0，0，Z₀)；

步骤2：通过坐标体系转换，确定t＝0时刻标志原点在MNH坐标体系中的坐标为：M₀、N₀、H₀，

M₀＝Z₀*Cosα₃；

N₀＝Z₀*Cosβ₃；

H₀＝Z₀*Cosγ₃；

步骤3：t时刻，摄像头拍摄图像，从图像中观察，此时由光轴点与标志原点在X轴、Y轴方向上位移刻度的偏移量计算出此时标志原点在XYZ直角坐标体系中X轴上的坐标X_t、Y轴上的坐标Y_t；计算图像中平面图像标志物对应的像素点数量S_t；此时标志原点在XYZ直角坐标体系中Z轴上的坐标为Z_t，

步骤4：通过坐标体系转换，确定t时刻标志原点在MNH坐标体系中的坐标为：M_t、N_t、H_t；

M_t＝X_t*Cosα₁+Y_t*Cosα₂+Z_t*Cosα₃；

N_t＝X_t*Cosβ₁+Y_t*Cosβ₂+Z_t*Cosβ₃；

H_t＝X_t*Cosγ₁+Y_t*Cosγ₂+Z_t*Cosγ₃；

步骤5：M_t-M₀、N_t-N₀、H_t-H₀，即可得到轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量，M_t-M_t-1、N_t-N_t-1、H_t-H_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。

10.在权利要求8所述监测装置上实现的轨道与路基偏移三坐标监测方法，其特征在于，

以摄像头安装位置为坐标原点O₀，建立MNH直角三坐标体系，水平面内沿轨道铺设方向定义为M轴，水平面内垂直于M轴方向定义为N轴，垂直方向定义为H轴；

X轴与M轴之间的夹角α₁，Y轴与M轴之间的夹角为α₂，Z轴与M轴之间的夹角为α₃，X轴与N轴之间的夹角为β₁，Y轴与N轴之间的夹角为β₂，Z轴与N轴之间的夹角为β₃，X轴与H轴之间的夹角为γ₁，Y轴与H轴之间的夹角为γ₂，Z轴与H轴之间的夹角为γ₃；

光轴与平面图像标志物的交点定义为光轴点；

包括如下步骤：

步骤1：初始位置，即：t＝0时刻，标志原点位于摄像头光轴点上，摄像头距离平面图像标志物的距离为Z₀，摄像头拍摄图像，计算图像中平面图像标志物对应的像素点数量S₀；此时，标志原点在XYZ直角坐标体系中的坐标为(0，0，Z₀)；

步骤2：通过坐标体系转换，确定t＝0时刻标志原点在MNH坐标体系中的坐标为：M₀、N₀、H₀，

M₀＝Z₀*Cosα₃；

N₀＝Z₀*Cosβ₃；

H₀＝Z₀*Cosγ₃；

步骤3：t时刻，摄像头拍摄图像，从图像中观察，此时由光轴点与标志原点在X轴、Y轴方向上位移刻度的偏移量计算出此时标志原点在XYZ直角坐标体系中X轴上的坐标X_t、Y轴上的坐标Y_t；计算图像中平面图像标志物对应的像素点数量S_t；此时标志原点在XYZ直角坐标体系中Z轴上的坐标为Z_t，

步骤4：通过坐标体系转换，确定t时刻标志原点在MNH坐标体系中的坐标为：M_t、N_t、H_t；

M_t＝X_t*Cosα₁+Y_t*Cosα₂+Z_t*Cosα₃；

N_t＝X_t*Cosβ₁+Y_t*Cosβ₂+Z_t*Cosβ₃；

H_t＝X_t*Cosγ₁+Y_t*Cosγ₂+Z_t*Cosγ₃；

步骤5：M_t-M₀、N_t-N₀、H_t-H₀，即可得到轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量，M_t-M_t-1、N_t-N_t-1、H_t-H_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6：无线通讯模块将偏移量传输给对应的后台服务器；

步骤6.1：设定GPRS通讯模块上传数据的间隔时长T；

步骤6.2：在间隔时长T内，GPRS通讯模块延时等待启动；

步骤6.3：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6.2开始新的延时等待周期，否则转步骤6.4；

步骤6.4：上传当前时刻轨道相对于路基在三个坐标方向的偏移量M_t-M₀、N_t-N₀、H_t-H₀；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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