CN112504129B - 基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测方法及监测系统 - Google Patents

基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测方法及监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统的监测方法和监测系统，所述监测方法包括：控制一字型激光发射器进行从水平方向向垂直向下方向的旋转，使得所述一字型激光发射器所发射的激光光束扫描覆盖智能感光标签，所述智能感光标签上设有光敏元件点阵，光敏元件点阵中，每相邻两行的光敏元件行均交错排列；采用数据存储处理装置实时存储智能感光标签上各光敏元件行所收集到的感光亮度数据，并对每行所述光敏元件行所收集的感光亮度数据进行对比，得到最终测量数据。本发明能够覆盖距离不同的多根钢轨，达到同一截面多轨同时测量的效果；测量精度能够达到0.5mm以内。

Description

基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测方法及监测系统
技术领域
本发明属于轨道测量领域，特别涉及一种基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测方法及监测系统。
背景技术
钢轨“爬行位移”是指在钢轨受温度变化、重物碾压等温度及力的变化所造成的纵向延展或移动。由于受力不均匀会导致钢轨发生断裂或凸起。因此对钢轨爬行距离的监测能够有效判断钢轨受力较大位置，及时采取相应措施保证钢轨不发生较大形变，从而保证列车行驶安全。
传统钢轨“爬行位移”监测通常采用将激光发射器固定于钢轨旁的接触网杆处，通过照射钢轨上标记的标尺进行人工读数。随着自动化技术的不断发展，对标尺的人工读数逐渐由摄像头的视觉测量取代，达到自动测量钢轨纵向“爬行位移”数值的目的。
传统的轨道纵向位移测量系统，通常利用固定式激光束图像测量方法测量激光发射器光点与初始标记点的像素距离，从而确定钢轨轨道的纵向爬行距离。但是，受初始标记点位置限制，激光发射器需固定在一定角度从而保证投射光点与初始标记点的水平度，以提高测量精度。但是，由于轨道中的钢轨成对出现，且往往具有多条钢轨。因此需要装备多个固定激光发射器，从而实现对不同轨道钢轨爬行距离的测量。同时，受人为标记误差以及环境影响，初始化标记点往往存在较大的标记误差，且随着复杂环境的变化，标记会被磨损殆尽，从而导致测量精度逐步降低。此外，针对现有图像测量方式进行非接触钢轨爬行位移检测的检测系统，由于受图像采集区域以及焦距对准方式限制，无法实现多钢轨位移测量。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测方法及监测系统，以实现多股轨道纵向位移的高精度实时测量。
本发明的基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统的监测方法，包括步骤：
控制激光发射器进行从水平方向向垂直向下方向的旋转，使得所述激光发射器所发射的激光光束扫描覆盖感光标签，其中，所述感光标签贴附于钢轨，所述激光发射器所在位置高于所述钢轨，所述感光标签上设有多个中心位置已知的光敏元件；
处理感测到所述激光光束的各所述光敏元件的位置，得到各所述光敏元件的位置的平均位置作为最终测量数据。
进一步，
所述感光标签上设有所述光敏元件所构成的光敏元件点阵和数据存储处理装置，所述光敏元件点阵由k行相同的光敏元件行构成，所述光敏元件行由所述光敏元件沿所述钢轨的排列方向呈直线排列而成，k为整数且k≥2，所述光敏元件行中包括的所述光敏元件不少于2个；
采用所述数据存储处理装置实时存储各所述光敏元件行所收集到的感光亮度数据，并对每行所述光敏元件行所收集的感光亮度数据进行对比，判断每行所述光敏元件行中各有几个所述光敏元件被所述激光光束覆盖并得到所述最终测量数据。
进一步，
所述光敏元件点阵中，
每相邻两行的所述光敏元件行均交错排列；
每相邻两行的所述光敏元件行的错位间隔的距离LG满足L/3<LG<L，L为所述光敏元件的器件宽度。
进一步，
同一所述光敏元件行中，相邻的所述光敏元件之间的间隔H，即相邻的所述光敏元件的中心点间的间隔在所述光敏元件不重叠的基础上，满足L<H<2L且满足H<L+LL，LL为所述激光发射器所发射激光光束宽度。
进一步，
所述光敏元件点阵在所述钢轨的排列方向上的长度大于进行所需位移检测的距离范围。
进一步，
所述激光发射器所发射激光光束宽度LL满足LL<L。
进一步，
所述数据存储处理装置对每行所述光敏元件行依次进行如下数据处理：若当前光敏元件行仅有唯一光敏元件被所述激光光束覆盖，则记录所述唯一光敏元件的沿所述钢轨的排列方向的位置值后对下一行所述光敏元件行进行数据处理，若当前光敏元件行中有两个光敏元件被所述激光光束覆盖则不记录位置而对下一行所述光敏元件行进行数据处理，直至所有所述光敏元件行均处理完毕，
然后，所述数据存储处理装置将经过所述数据处理记录所得的所有所述位置值取平均值，并将所述平均值作为最终测量数据进行最终输出。
本发明还提供基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统，所述系统包括：角度扫描激光发射探头和感光标签，
其中，
所述角度扫描激光发射探头设于钢轨旁，所述角度扫描激光发射探头上设有激光发射器，所述激光发射器所在位置高于所述钢轨；
所述感光标签贴附于所述钢轨。
进一步，
所述感光标签上设有光敏元件所构成的光敏元件点阵和数据存储处理装置，所述光敏元件点阵由k行相同的光敏元件行构成，所述光敏元件行由所述光敏元件沿所述钢轨的排列方向呈直线排列而成，k为整数且k≥2，所述光敏元件行中包括的所述光敏元件不少于2个；
所述数据存储处理装置用于在进行非接触多轨爬行位移监测时存储各所述光敏元件行所收集到的感光亮度数据，并对每行所述光敏元件行所收集的感光亮度数据进行对比，判断每行所述光敏元件行中各有几个所述光敏元件被所述激光光束覆盖并得到最终测量数据。
进一步，
所述光敏元件点阵中，
每相邻两行的所述光敏元件行均交错排列；
每相邻两行的所述光敏元件行的错位间隔的距离LG满足L/3<LG<L，L为所述光敏元件的器件宽度。
进一步，
同一所述光敏元件行中，相邻的所述光敏元件之间的间隔H，即相邻的所述光敏元件的中心点间的间隔在所述光敏元件不重叠的基础上，满足L<H<2L且满足H<L+LL，LL为所述激光发射器所发射激光光束宽度。
进一步，
所述光敏元件点阵在所述钢轨的排列方向上的长度大于进行所需位移检测的距离范围。
进一步，
所述激光发射器所发射激光光束宽度LL满足LL<L。
进一步，
所述数据存储处理装置用于对每行所述光敏元件行依次进行如下数据处理：
若当前光敏元件行仅有唯一光敏元件被所述激光光束覆盖，则记录所述唯一光敏元件的沿所述钢轨的排列方向的位置值后对下一行所述光敏元件行进行数据处理，若当前光敏元件行中有两个光敏元件被所述激光光束覆盖则不记录位置而对下一行所述光敏元件行进行数据处理，直至所有所述光敏元件行均处理完毕，
然后，所述数据存储处理装置将经过所述数据处理记录所得的所有所述位置值取平均值，并将所述平均值作为最终测量数据进行最终输出。
本发明的基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统及监测方法采用具有角度扫描功能的激光发射器能够覆盖距离不同的多根钢轨，达到同一截面多轨同时测量的效果。通过固定于钢轨侧向的智能感光标签能够精准定位钢轨纵向“爬行位移”，其测量精度能够达到0.5mm以内。由于器件功耗极低，其待机时间能够达到5年以上，并通过网络唤醒功能实现节点测量，实时上传数据。同时可根据实际需求进行休眠，从而进一步延长工作时间。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统构成图；
图2示出了根据本发明实施例的智能感光标签工作状态图；
图3示出了根据本发明实施例的基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测方法流程图；
图4示出了根据本发明实施例的采用本发明的监测系统的无线自组织网络结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为本发明的基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统构成图。由图1可知，本发明提出的非接触多轨爬行位移监测系统分别由角度扫描激光发射探头和智能感光标签共同组成。
所述角度扫描激光发射探头上设有发射端激光器，所述发射端激光器为一字型激光发射器。发射端激光器固定于钢轨旁的接触网杆或其他可固定的位置且高于钢轨，该位置不受钢轨位移变化而发生改变。一字型激光发射器配有由角度扫描控制器控制的减速步进电机，使得所述一字型激光发射器所发射的激光光束实现从水平方向至垂直向下方向的90°转动扫描。从而能够使用一台一字型激光发射器所发射的一字型激光光束覆盖扫描监测区域内与所述激光光束相交的所有钢轨。发射端激光器自带大容量锂电池，并可通过风、光、电磁波等可自收集能源进行电能补充。
智能感光标签贴附于钢轨。图2为所述智能感光标签的工作状态图。如图2所示，所述智能感光标签上设有由光敏元件所构成的光敏元件点阵、数据存储处理装置、电池。所述光敏元件点阵由k行相同的光敏元件行构成，k为整数且k≥2，所述光敏元件行由所述光敏元件沿所述钢轨的排列方向呈直线排列而成，所述光敏元件的宽度方向为所述钢轨的排列方向。光敏元件点阵中，所述光敏元件包括但不限于光敏电阻、光敏二极管等器件，所述光敏元件的器件宽度L不大于1mm，根据进行所需位移检测的距离范围定制所述光敏元件点阵的长度，使得所述光敏元件点阵的长度大于进行所需位移检测的距离范围，所述光敏元件点阵的长度为沿钢轨的排列方向，光敏元件点阵的第一个光敏元件上某一点(如光敏元件几何中心点，光敏元件为中心对称结构)至最后一个光敏元件上对应点在所述钢轨的排列方向上的距离。所述一字型激光发射器所发射激光光束宽度LL不超过所述光敏元件的器件宽度L。
根据所需的位移测量精度，每相邻两行的光敏元件行均交错排列。设每一行光敏元件行包括m(m为整数且m≥2)个光敏元件，则第i(i为整数且1≤i≤k)行光敏元件行中沿钢轨的排列方向的第j(j为整数且1≤j≤m)个光敏元件上某一点(如光敏元件几何中心点)与相邻行的光敏元件行中沿钢轨的排列方向的第j个光敏元件的对应点在沿钢轨的排列方向上的间隔定义为这两行光敏元件行的错位间隔。每相邻两行的光敏元件行的错位间隔可根据监测所需精度不同进行改变。其中，错位间隔的距离LG满足L/3<LG<L；同一光敏元件行中，相邻的光敏元件之间的间隔H(即相邻的光敏元件的中心点间的间隔)在光敏元件不重叠的基础上，小于2倍的光敏元件宽度L，即L<H<2L，所述间隔H还满足H<L+LL。当使用一台一字型激光发射器所发射的一字型激光光束覆盖扫描监测区域内与所述激光光束相交的所有钢轨，且所述所有钢轨都贴附有所述智能感光标签时，就实现了对多条钢轨的非接触多轨爬行位移监测。在实际工作中，激光光束宽度将随着所述发射端激光器与钢轨距离不同有所不同，因此可根据激光光束宽度适当调整光敏元件的间隔。
参见图3，本发明提供的基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测方法包括步骤：
1、控制一字型激光发射器进行从水平方向到垂直向下方向的旋转，当一字型激光发射器旋转90°后，激光光束扫描覆盖智能感光标签。激光光束扫描过智能感光标签时，激光光束与智能感光标签相互垂直。
2、在一字型激光发射器进行垂直方向的旋转扫描的过程中，采用所述数据存储处理装置实时存储各所述光敏元件行中各光敏元件所感测得到的感光亮度数据，并对每行所述光敏元件行所收集的感光亮度数据进行对比，以判断每行光敏元件行中各有几个光敏元件被激光光束覆盖并得到最终测量数据。
3、基于所述最终测量数据，利用数据存储处理装置对各行光敏元件行依次进行如下数据处理：若当前光敏元件行仅有唯一光敏元件被激光光束覆盖则记录该光敏元件的沿钢轨的排列方向的位置值，然后对下一行光敏元件行进行数据处理，若当前行光敏元件行中有两个光敏元件被激光光束覆盖则不记录位置而对下一行光敏元件行进行数据处理，直至各行光敏元件行均处理完毕。
数据存储处理装置将记录所得的所有位置值取平均值，并将所述平均值作为最终测量数据进行最终输出。
其中，所述位置值为该光敏元件在智能感光标签上的位置值。可通过在智能感光标签设定刻度表以标定光敏元件在沿钢轨的排列方向的位置值，此时位置值即为刻度表刻度值。
进行上述数据处理时，参见图3，数据存储处理装置依序执行如下流程步骤：
1、初始化系统参数：当前光敏元件行的行数i＝1、当前光敏元件行中亮度极值个数Ni、光敏元件阵列中光敏元件行的总行数k。
2、判断是否i≠k+1。
3、若i≠k+1，则对当前第i行光敏元件行进行判断处理：
当前第i行光敏元件行是否仅有唯一光敏元件被激光光束覆盖，即是否Ni＝1？
若此时Ni＝1，则记录所述唯一光敏元件处的沿钢轨的排列方向的位置值，然后令i＝i+1；
若Ni≠1，此时当前第i行光敏元件行中有两个光敏元件被覆盖，则不记录两个光敏元件处的位置而直接令i＝i+1。
重复执行步骤2-3。
4、若i＝k+1时，将已记录的所有位置值求取平均值，并将所述平均值作为最终测量数据。
本发明提出的非接触多轨爬行位移监测系统的通信方式采用无线自组织网络形式进行连接，具有无线传输、高度的动态拓扑、无中心、自动组网的特点，能够利用轨旁监测节点的路由转发功能，在无基础设施的情况下进行通信，不再依赖于运营商提供的基站。一字型激光发射器和其所对应测量区域的多个智能感光标签共同建立自组织网络，在保证节点低功耗工作的前提下，通过指令使智能感光标签及一字型激光发射器均处于休眠状态，仅保留网络唤醒心跳包。当需要对节点进行位移测量时，通过唤醒命令便可激活节点对应智能感光标签及一字型激光发射器对钢轨位移进行测量。该网络结构如图4示，多个智能感光标签构成无线自组网并将测量数据发送给一字型激光发射器，一字型激光发射器作为网关/汇聚点收集智能感光标签测量到的位移数据并通过移动通信网络如网络云网上传至监测平台。
本发明采用的具有角度扫描功能的一字型激光发射器能够覆盖距离不同的多根钢轨，从而达到同一截面多轨同时测量的效果。通过固定于钢轨侧向的智能感光标签能够精准定位钢轨纵向“爬行位移”，其测量精度能够达到0.5mm以内。由于器件功耗极低，其待机时间能够达到5年以上，并通过网络唤醒功能实现节点测量，实时上传数据。同时可根据实际需求进行休眠，从而进一步延长工作时间。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统的监测方法，其特征在于，包括步骤：
控制激光发射器进行从水平方向向垂直向下方向的旋转，使得所述激光发射器所发射的激光光束扫描覆盖感光标签，其中，所述感光标签贴附于钢轨，所述激光发射器所在位置高于所述钢轨，所述感光标签上设有多个中心位置已知的光敏元件，所述感光标签上设有所述光敏元件所构成的光敏元件点阵和数据存储处理装置，所述光敏元件点阵由k行相同的光敏元件行构成，所述光敏元件行由所述光敏元件沿所述钢轨的排列方向呈直线排列而成，k为整数且k≥2，所述光敏元件行中包括的所述光敏元件不少于2个；
采用所述数据存储处理装置实时存储各所述光敏元件行所收集到的感光亮度数据，并对每行所述光敏元件行所收集的感光亮度数据进行对比，判断每行所述光敏元件行中各有几个所述光敏元件被所述激光光束覆盖并得到最终测量数据；
处理感测到所述激光光束的各所述光敏元件的位置，得到各所述光敏元件的位置的平均位置作为最终测量数据；
所述数据存储处理装置对每行所述光敏元件行依次进行如下数据处理：若当前光敏元件行仅有唯一光敏元件被所述激光光束覆盖，则记录所述唯一光敏元件的沿所述钢轨的排列方向的位置值后对下一行所述光敏元件行进行数据处理，若当前光敏元件行中有两个光敏元件被所述激光光束覆盖则不记录位置而对下一行所述光敏元件行进行数据处理，直至所有所述光敏元件行均处理完毕；
然后，所述数据存储处理装置将经过所述数据处理记录所得的所有所述位置值取平均值，并将所述平均值作为最终测量数据进行最终输出。
2.根据权利要求1所述的基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统的监测方法，其特征在于，
所述光敏元件点阵中，
每相邻两行的所述光敏元件行均交错排列；
每相邻两行的所述光敏元件行的错位间隔的距离LG满足L/3<LG<L，L为所述光敏元件的器件宽度。
3.根据权利要求2所述的基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统的监测方法，其特征在于，
同一所述光敏元件行中，相邻的所述光敏元件之间的间隔H，即相邻的所述光敏元件的中心点间的间隔在所述光敏元件不重叠的基础上，满足L<H<2L且满足H<L+LL，LL为所述激光发射器所发射激光光束宽度。
4.根据权利要求3所述的基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统的监测方法，其特征在于，
所述光敏元件点阵在所述钢轨的排列方向上的长度大于进行所需位移检测的距离范围。
5.根据权利要求4或3所述的基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统的监测方法，其特征在于，
所述激光发射器所发射激光光束宽度LL满足LL<L。
6.基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统，其特征在于，包括：角度扫描激光发射探头和感光标签，
其中，
所述角度扫描激光发射探头设于钢轨旁，所述角度扫描激光发射探头上设有激光发射器，所述激光发射器所在位置高于所述钢轨；
所述感光标签贴附于所述钢轨；
所述感光标签上设有光敏元件所构成的光敏元件点阵和数据存储处理装置，所述光敏元件点阵由k行相同的光敏元件行构成，所述光敏元件行由所述光敏元件沿所述钢轨的排列方向呈直线排列而成，k为整数且k≥2，所述光敏元件行中包括的所述光敏元件不少于2个；
所述数据存储处理装置用于在进行非接触多轨爬行位移监测时存储各所述光敏元件行所收集到的感光亮度数据，并对每行所述光敏元件行所收集的感光亮度数据进行对比，判断每行所述光敏元件行中各有几个所述光敏元件被所述激光光束覆盖并得到最终测量数据；
所述数据存储处理装置用于对每行所述光敏元件行依次进行如下数据处理：
若当前光敏元件行仅有唯一光敏元件被激光光束覆盖，则记录所述唯一光敏元件的沿所述钢轨的排列方向的位置值后对下一行所述光敏元件行进行数据处理，若当前光敏元件行中有两个光敏元件被所述激光光束覆盖则不记录位置而对下一行所述光敏元件行进行数据处理，直至所有所述光敏元件行均处理完毕，然后，所述数据存储处理装置将经过所述数据处理记录所得的所有所述位置值取平均值，并将所述平均值作为最终测量数据进行最终输出。
7.根据权利要求6所述的基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统，其特征在于，
所述光敏元件点阵中，
每相邻两行的所述光敏元件行均交错排列；
每相邻两行的所述光敏元件行的错位间隔的距离LG满足L/3<LG<L，L为所述光敏元件的器件宽度。
8.根据权利要求7所述的基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统，其特征在于，
同一所述光敏元件行中，相邻的所述光敏元件之间的间隔H，即相邻的所述光敏元件的中心点间的间隔在所述光敏元件不重叠的基础上，满足L<H<2L且满足H<L+LL，LL为所述激光发射器所发射激光光束宽度。
9.根据权利要求8所述的基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统，其特征在于，
所述光敏元件点阵在所述钢轨的排列方向上的长度大于进行所需位移检测的距离范围。
10.根据权利要求9或8任一所述的基于激光探测的非接触多轨爬行位移监测系统，其特征在于，所述激光发射器所发射激光光束宽度LL满足LL<L。
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