CN113320447A - 轨道-接触网设备健康状态一体化综合检测机器人 - Google Patents

Abstract

一种轨道‑接触网设备健康状态一体化综合检测机器人，包括：搭载小车、轨道检测模块、接触网检测模块、数据分析模块和屏显模块；搭载小车用于搭载安装各个模块。在检测机器人运行过程中，对轨道和接触网健康状态信息进行即时采集，并将数据传输至数据分析模块及云端服务器；数据分析模块将信号采集得到轨道‑接触网检测数据进行分析后，将分析结果传送至屏显模块进行展示，并将结果传输至云端服务器进行存储。本检测机器人可实现钢轨内外部伤损，轨道动静态几何形位，车体加速度，道岔、轨枕、道床及扣件缺损、接触网几何参数、接触网部件外观状态、接触网限界等设施健康状态参数可定制化一体检测。

Description

轨道-接触网设备健康状态一体化综合检测机器人

技术领域

本发明涉及轨道交通关键设施设备智能监测领域，具体涉及一种可用于轨道交通的轨道-接触网健康状态综合检测机器人。

背景技术

轨道线路和接触网是高速铁路和地铁基础设施的重要组成部分，其良好的运行状态是列车正常运行及运输组织的前提条件之一。然而轨道线路和接触网施工质量高、工艺水平复杂，设备检测检修难度随之增大，如何对轨道线路和接触网进行高效率、高精度的检测目前亟待解决的问题。与此同时，高铁基础设施段、“检养修”分开管理体制及综合养护和专业化维修的检测监测维修体系要求推进工电供检测监测装备统型、功能融合、数据共享等，实现自动化检测和智能化判断。

目前，国内外轨道交通管理者对轨道线路的检测一般采用大型专业检测车或者小型专业检测仪进行周期性检测。其中，大型专业检测车主要包括采用激光摄像测量和惯性测量技术的轨检车，检测项目主要包括轨距、高低、轨向、水平、三角坑等轨道动态几何形位参数以及水平加速度、垂直加速度等车体加速度参数；采用激光摄像和图像处理技术的钢轨廓形检测车，其检测项目主要包括钢轨侧面磨耗、垂直磨耗等钢轨磨耗伤损；采用视觉测量和模式识别技术的轨道巡检车，其检测项目主要包括钢轨踏面伤损、轨枕及扣件缺损等。小型专业检测仪主要包括检测轨道静态几何形位的轨检仪、探测钢轨内部伤损的探伤仪等。接触网检测主要有高速铁路供电安全检测监测系统(6C)系统，分别针对接触网不同检测对象进行实时或定期监测。

现有的轨道-接触网健康状态检测技术缺点主要体现在以下几个方面：

(1)大部分既有检测设备检测项目缺少集成，工务、电务、供电各自为政，融合度低，难以一体化综合检测；

(2)既有的综合检测车价格昂贵，检测成本高；检测计划统一安排，路局难以随时调用；

(3)智能化程度较低，难以实现病害类型、位置与等级的智能辨识，无法根据历史检测数据分析健康状态劣化规律，无法对比分析不同检测数据之间的变化情况。

因此，有必要研制轨道-接触网综合检测机器人，实时感知轨道线路和接触网的健康状态，智能诊断病害，以确保运营安全和服务质量、降低检修成本，促进高速铁路综合维修生产一体化站段改革。

发明内容

本发明的目的是提供一种轨道-接触网设备健康状态一体化综合检测机器人，该机器人通过模块化方式将惯导系统组件、1D激光位移传感器、2D激光廓形传感器、线阵相机、面阵相机等装置进行一体化集成，并搭载于电力小车上，高频率动态采集包括轨道动态几何形位、车体加速度、钢轨伤损、轨枕及扣件缺损、接触网几何尺寸及零部件状态等多种轨道-接触网健康状态参数，实时监测、分析、评估健康状态，诊断病害，精确化、精细化地指导轨道-接触网养护维修，降低检修成本，保障运营安全和服务质量，促进一体化改革。

所述机器人包括搭载小车、轨道检测梁、接触网检测梁、数据分析处理模块、屏显模块和云端服务器。

搭载小车用于固定所述轨道检测梁、接触网检测梁、数据分析处理模块和屏显模块；

轨道检测梁包含轨道信号采集模块，用于获取轨道几何形位、钢轨、轨枕、扣件、道岔、道床的状态信号数据；

接触网检测梁包含接触网信号采集模块，用于获取接触网几何尺寸和接触网部件外观状态及接触网限界内信号数据；

数据分析处理模块与信号采集和里程同步模块相连，计算分析获取的各类数据，评定轨道和接触网的健康状态，诊断轨道和接触网病害；

屏显模块与数据分析处理模块和云端服务器相连，用于展示数据分析结果；

云端服务器用于计算、存储检测原始信号及分析结果数据，可存储所有的采集数据及所述数据分析模块产生的数据，具备并行计算能力，可完成具有分析和推理能力的自学习智慧数据挖掘。

本发明的技术方案具体如下：

在检测机器人运行过程中，信号采集模块对轨道和接触网健康状态信息进行即时采集，并将数据传输至数据分析模块及云端服务器；数据分析模块将所述信号采集模块得到轨道-接触网检测数据进行分析后，将分析结果传送至屏显模块进行展示，并将结果传输至云端服务器进行存储。

所述轨道-接触网综合检测机器人，包含的搭载小车、轨道检测梁、接触网检测梁、数据分析模块、屏显模块均可拆卸，可沿轨道实现无人驾驶，具备自学习能力，可实现全自动化轨道-接触网检测智慧采集、智慧融合、智慧挖掘和智慧决策。

所述搭载小车为电驱动自行式可拆卸车体，运行时速15-40km/h，包含：

驱动装置：包括行走轮、车轴、直流电机、操作控制单元和电池等部件，主要实现在被检区段钢轨上行走，并为电气控制系统和所述轨道检测梁的伺服装置提供驱动力。

车架：包括前车架、后车架和中间连接架，三者设有尺寸相同的嵌台和嵌槽，并由螺栓连接；前车架固定安装所述轨道检测梁，中间连接架顶部固定安装所述接触网检测梁、固定安装座椅，后车架固定安装所述数据分析模块、所述屏显模块、所述驱动装置的电池，直流电机以及配重。

所述轨道检测梁包括：轨道信号采集模块、里程同步模块、伺服对中模块；

所述轨道信号采集模块包括惯导系统组件、激光位移传感器、激光廓形传感器和线阵相机；惯导系统组件固定连接于轨道检测梁中部；成对的激光廓形传感器和线阵相机分布在检测梁梁体的左右两端，且激光廓形传感器的传感头和线阵相机的镜头位置与两轨道的位置对应；轨道检测梁的左右两端各安装三个呈直线型沿轨道方向等距分布的激光位移传感器，垂向对中于钢轨踏面中心；补光光源与所述三个激光位移传感器平行轨道方向安装；所述轨道信号采集模块与数据分析模块电连接，用于采集轨道健康状态的原始监测信号数据，并将原始监测信号数据传输至数据分析模块和云端服务器；

所述里程同步模块安装于所述轨道检测梁，包括光电编码器和北斗定位系统，光电编码器采用脉冲计数的方式计算获取列车运行速度和里程信息。里程同步模块与所述数据分析模块电连接，并将这些信息传输至数据分析模块。

所述伺服对中模块可移动地安装于轨道检测梁；成对的激光位移传感器固定连接于伺服对中模块的左右两端，激光位移传感器随伺服对中模块相对于轨道检测梁体左右移动；伺服对中模块的移动受控于数据分析模块；伺服对中模块用于激光位移传感器的实时对中，实现激光位移传感器发出的激光射向钢轨踏面中心；

所述惯导系统组件获取所述列车运行姿态数据，惯导系统组件包括光纤陀螺仪和加速度计；光纤陀螺仪获取列车的航向角、俯仰角、滚动角和角速度；加速度计获取列车的加速度；

所述激光位移传感器发射点激光照射至钢轨踏面中心，并接收反射光，获取钢轨踏面至激光位移传感器距离数据；

所述激光廓形传感器发射线激光照射至钢轨廓形(断面)，并接收反射光，获取钢轨廓形(断面)坐标数据；

所述线阵相机在列车行进过程中拍摄轨道图像，获取所述轨道图像数据。

所述伺服对中模块包括伺服电机和传动杆；伺服电机的控制输入端与数据分析模块电连接；伺服电机的输出轴通过丝杆与传动杆相连，激光位移传感器连接于传动杆；伺服电机根据数据分析模块传输的纠偏指令来驱动传动杆进行位置调节，进而带动激光位移传感器位移，实现所述超声探伤组件和激光位移传感器的实时自动对中。

所述轨道健康状态原始监测信号数据包括列车运行姿态数据、钢轨踏面至激光位移传感器距离数据、钢轨断面廓形坐标数据以及轨道图像数据；

所述列车运行姿态数据包括列车的航向角、俯仰角、滚动角、角速度及加速度；

所述轨道健康状态参数包括轨道动态几何形位参数、车体加速度参数、钢轨伤损参数、轨枕及扣件缺损参数、道岔伤损参数及线路异物侵限；其中：轨道动态几何形位参数包括轨距、轨向、高低、水平和三角坑；车体加速度参数包括水平加速度和垂直加速度；钢轨伤损参数包括垂直磨耗、侧面磨耗、波浪磨耗等钢轨磨耗伤损参数，以及轨面擦伤和剥离掉块等钢轨踏面伤损参数；轨枕及扣件缺损参数包括轨枕缺失、轨枕掉块、扣件缺失、扣件断裂和扣件安装状态；道岔伤损参数包括道岔几何尺寸(轨距、导曲线支距、查照间隔、护背距离和护轨轮缘槽宽度等)、密贴程度(尖轨与基本轨、心轨与翼轨等)、道岔结构与联结零件有无缺损、轮轨接触面(光带)宽度、垂向位移(尖轨各控制断面相对于基本轨高差、心轨各控制断面相对于翼轨高差)、纵向位移(尖轨相对于基本轨、心轨相对于翼轨的伸缩位移，两尖轨相对伸缩位移)。

所述接触网检测梁包括：1个2D激光传感器、4个线阵相机和6个面阵相机。

所述2D激光传感器安装于接触网检测梁中部，所述2D激光传感器的光束发射面对准所需测量的接触网，照射至接触导线断面，并接收反射光，获取接触导线断面坐标数据和激光位移传感器距离数据。

所述线阵相机分别安装于所述2D激光传感器的两侧，左右各两个，对准需测量的接触导线区域。

所述面阵相机，左右各一个安装于接触网检测梁两端，对准轨道侧面限界；其他四个面阵相机分布安装于接触网检测梁中部，对准待检测接触网支持装置区域、接触悬挂区域、附加悬挂区域。

所述接触网健康状态原始监测信号数据包括接触导线至2D激光传感器距离数据、接触导线断面廓形坐标数据以及接触网支持装置区域、接触悬挂区域、附加悬挂区域、侧面限界区域各部件及接触网限界环境的图像数据；

所述接触网健康状态参数包括接触网几何尺寸参数和接触网部件外观状态参数及接触网限界参数。

接触网几何参数包括拉出值、接触导线高度、双支接触线高度差(线岔、锚段关节)、双支接触线横向距离、接触导线磨耗、定位器坡度；接触网部件外观状态(有无烧伤、缺失、断裂、松动、脱落及其他异常情况)包括：支持装置区域(水平腕臂、斜腕臂、定位管、定位器、拉杆、绝缘子等)，接触悬挂区域(承力索、接触线、吊弦、线夹等)，附加悬挂区域(供电线、回流线、架空地线等)和吊柱座区域(安装支柱、吊柱)；接触网限界参数包括在接触网限界内有无异物。

所述数据分析模块包括计算机设备和计算机设备中安装的轨道-接触网健康状态智慧分析软件；

所述数据分析模块先读取、计算和存储信号采集模块传送的轨道和接触网健康状态的原始监测信号数据与里程同步模块传送的列车速度、里程信息；再根据传送的原始监测信号数据和列车速度、里程信息对轨道和接触网健康状态参数进行计算和里程校准，对轨道和接触网健康状态进行评定，诊断轨道和接触网的病害。

根据所述列车运行姿态数据和钢轨廓形(断面)坐标数据计算分析轨道动态几何形位参数以及所述车体加速度参数，并根据预先设定的超限标准数据评定轨道动态几何形位状态以及车体加速度状态，诊断轨道动态几何形位超限病害以及车体加速度超限病害；

根据钢轨踏面至激光位移传感器距离数据计算提取分析钢轨波浪磨耗参数，并根据预先设定的伤损等级标准数据评定钢轨波浪磨耗状态，诊断钢轨波浪磨耗病害；

根据钢轨廓形(断面)坐标数据计算分析所述钢轨侧面磨耗参数和垂直磨耗参数，并根据预先设定的伤损等级标准数据评定钢轨侧面磨耗状态和垂直磨耗状态，诊断钢轨侧面磨耗病害和垂直磨耗病害；

根据轨道图像数据计算分析所述钢轨踏面伤损参数和轨枕及扣件缺损参数，并根据预先设定的伤损等级标准数据评定钢轨踏面伤损状态和轨枕及扣件缺损状态，诊断钢轨踏面伤损病害和轨枕及扣件缺损病害；

根据列车运行速度和里程信息，对所述轨道健康状态参数进行里程校准，实现轨道健康状态参数在里程上的统一；

根据所述轨道动态几何形位参数中的轨距结果，计算激光位移传感器与钢轨中心线的偏差，并处理得到伺服电机的动作控制参数(即纠偏指令)，把动作控制参数传输至伺服电机。

根据接触导线至2D激光传感器距离数据和断面计算提取分析接触导线断面廓形坐标数据，计算接触导线高度值、双支接触线高度差(线岔、锚段关节)、双支接触线横向距离，并根据预先设定的伤损等级标准数据评定接触导线磨耗状态，诊断接触导线磨耗病害；

根据接触网图像数据计算分析接触网零部件有无烧伤、缺失、断裂、松动、脱落及其他异常情况，包括：水平腕臂、斜腕臂、定位管、定位器、拉杆、绝缘子、承力索、接触线、吊弦、线夹、供电线、回流线、架空地线、安装支柱、吊柱等；判断接触网限界内有无异物。

所述屏显模块包含显示器和声音播放装置。

所述云端服务器可存储所有的采集数据及所述数据分析模块产生的数据。所述云端服务器具备并行计算能力，可完成具有分析和推理能力的自学习智慧数据挖掘。

本综合检测机器人可实现钢轨内外部伤损、轨道动静态几何形位、车体加速度，道岔、轨枕、道床及扣件缺损、接触网几何参数、接触网部件外观状态、接触网限界等设施健康状态参数可定制化一体检测。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本检测机器人，通过模块化方式将惯导系统组件、1D激光位移传感器、2D激光廓形传感器、线阵相机和面阵相机等装置进行一体化集成，可同时完成轨道线路动态几何形位状态、钢轨状态、轨枕状态、扣件状态、道岔状态、接触网几何尺寸、接触网零部件状态等多类健康状态参数的监测、分析、评定与病害诊断；

(2)本检测机器人，可实现轨道-接触网全覆盖检测，检测数据一体化管理，自动预报警和智能趋势分析，可定制化运用于普通铁路/高速铁路/地铁、直线/曲线、咽喉区/大坡段等多场景；

(3)本检测机器人，相对于大型专业检测车购置成本更低，人力需求少，维护费用低，并且监测效率远高于需以人工手推或手持等方式进行作业的小型专业检测仪。

附图说明

图1为本发明实施例的检测机器人的结构原理示意图，其中：

搭载小车-1、轨道检测模块-2、接触网检测模块-3、数据分析处理模块-4、屏显模块-5、1D激光位移传感及光源组件-21、2D激光廓形传感组件-22、线阵相机-23、伺服对中模块-24、伺服电机-241、里程同步模块-25、光电编码器-251、北斗定位模块-252、惯导系统组件-26、2D激光传感器-31、线阵相机-32、(面阵)相机组件-33；

图2为本实施例的检测机器人的数据流程图；

图3为本实施例的检测机器人的监测与分析流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

如图1所示，本实施例的轨道-接触网设备健康状态一体化综合检测机器人，包括：搭载小车-1、轨道检测梁、接触网检测梁、数据分析模块-4和屏显模块-5。所述搭载小车-1用于搭载安装(可拆卸连接)所述轨道检测梁、接触网检测梁、数据分析处理模块-4和屏显模块-5。

轨道检测模块：

轨道检测模块是由1D激光位移传感及光源组件-21、2D激光廓形传感组件-22、线阵相机-23、伺服对中模块-24(包括伺服电机-241)、里程同步模块-25(包括光电编码器-251和北斗定位模块-252)和惯导系统组件-26构成；

在机械结构上，轨道检测梁通过螺栓方式安装于搭载小车-1，且位于搭载小车的底面以下；轨道检测梁用于集成安装所述伺服对中模块24和里程同步模块25，以及用于安装所述1D激光位移传感器-21、1D激光位移传感及光源组件-21、2D激光廓形传感组件-22、线阵相机-23和惯导系统组件-26。里程同步模块-25(包括光电编码器-251和北斗定位模块-252)安装于搭载小车-1。

轨道检测模块通过数据线与数据分析处理模块连接，用于采集轨道健康状态原始监测信号数据，并将所述原始监测信号数据传输至数据分析模块4。

所述轨道检测模块采集的轨道健康状态原始监测信号数据包括：列车运行姿态数据、钢轨踏面至1D激光位移传感器距离数据、钢轨断面廓形坐标数据以及轨道图像数据，如图2所示。

列车运行姿态数据包括：航向角、俯仰角、滚动角、角速度及加速度，由所述惯导系统组件-26中的光纤陀螺仪和加速度计获取；钢轨踏面至1D激光位移传感器距离数据由1D激光位移传感器-21通过发射点激光照射至钢轨踏面中心，并接收反射光来获取；钢轨断面廓形坐标数据由2D激光廓形传感器-22通过发射线激光照射至钢轨断面，并接收反射光来获取；轨道图像数据由线阵相机-23通过拍摄列车行进过程中的轨道照片来获取；

所述伺服对中模块-24与1D激光位移传感器-21连接(进行数据通信)，用于1D激光位移传感器-21的实时对中，实现所述1D激光位移传感器-21发出的激光射向钢轨踏面中心；

所述里程同步模块25与数据分析模块-4连接(进行数据通信)，里程同步模块25的光电编码器251和北斗定位模块-252采用脉冲计数的方式计算获取列车运行速度和里程信息，并将信息传输至数据分析处理模块4；

接触网检测模块：

接触网检测模块是由2D激光传感组件-31、线阵相机-32和(面阵)相机组件-33构成；

在机械结构上，接触网检测梁通过螺栓方式安装于所述搭载小车-1顶部，2D激光传感组件-31、线阵相机-32和面阵相机-33安装于接触网检测梁。

接触网检测模块通过数据线与所述数据分析处理模块4连接，用于采集接触网健康状态原始监测信号数据，并将所述原始监测信号数据传输至数据分析模块4。

接触网检测模块采集的接触网健康状态原始监测信号数据包括：接触网几何尺寸数据、以及接触网支持装置区域、接触悬挂区域、附加悬挂区域、侧面限界区域各部件和接触网限界环境的图像数据，如图2所示。

接触网几何尺寸数据包括：拉出值、接触导线高度、双支接触线高度差(线岔、锚段关节)、双支接触线横向距离、接触导线磨耗和定位器坡度，这些数据由所述2D激光传感器-31通过发射线激光照射至接触导线，并接收反射光来获取；

接触网支持装置区域、接触悬挂区域、附加悬挂区域、侧面限界区域各部件及接触网限界环境的图像数据是由线阵相机-32和面阵相机-33拍摄搭载小车行进过程中的接触网零部件及环境限界照片来获取。

数据分析模块：

数据分析模块-4与轨道检测模块和接触网检测模块进行数据连接，用于读取、计算和存储轨道检测模块和接触网检测模块传送的所述原始监测信号数据，以及里程同步模块25传送的列车速度和里程信息；并根据传送的原始监测信号数据和列车速度、里程信息对轨道和接触网的健康状态参数进行计算和里程校准，对轨道和接触网健康状态进行评定，诊断病害。

其中：轨道健康状态参数包括：轨道动态几何形位参数、车体加速度参数、钢轨伤损参数、轨枕及扣件缺损参数。接触网健康状态参数包括：接触网几何尺寸参数、接触网部件外观状态参数和接触网限界参数，如图2所示。

所述轨道动态几何形位参数包括：轨距、轨向、高低、水平、三角坑；

所述车体加速度参数包括：水平加速度和垂直加速度；

所述钢轨伤损参数包括：垂直磨耗、侧面磨耗、波浪磨耗等钢轨磨耗伤损参数，以及轨面擦伤、剥离掉块等钢轨踏面伤损参数；

所述轨枕及扣件缺损参数包括：轨枕缺失、轨枕掉块、扣件缺失、扣件断裂。

所述道岔伤损参数包括：道岔几何尺寸(轨距、导曲线支距、查照间隔、护背距离和护轨轮缘槽宽度等)、密贴程度(尖轨与基本轨、心轨与翼轨等)、道岔结构与联结零件有无缺损、轮轨接触面(光带)宽度、垂向位移(尖轨各控制断面相对于基本轨高差、心轨各控制断面相对于翼轨高差)、纵向位移(尖轨相对于基本轨、心轨相对于翼轨的伸缩位移，两尖轨相对伸缩位移)；

所述接触网几何参数包括：拉出值、接触导线高度、双支接触线高度差(线岔、锚段关节)、双支接触线横向距离、接触导线磨耗、定位器坡度；

所述接触网部件外观状态(有无烧伤、缺失、断裂、松动、脱落及其他异常情况)包括：支持装置区域(水平腕臂、斜腕臂、定位管、定位器、拉杆、绝缘子等)，接触悬挂区域(承力索、接触线、吊弦、线夹等)，附加悬挂区域(供电线、回流线、架空地线等)和吊柱座区域(安装支柱、吊柱)；

所述接触网限界参数包括在接触网限界内有无异物。

所述轨道病害包括轨道动态几何形位超限病害、车体加速度超限病害、钢轨波浪磨耗病害、钢轨侧面磨耗病害和垂直磨耗病害、钢轨踏面伤损、轨枕及扣件缺损，所述接触网病害包括支柱倾斜、支柱锈蚀超标、定位线夹断裂、腕臂弯曲过大、定位索抽脱、接触线磨耗超标、接触线断线、载流吊弦断脱、定位器电气连接跳线脱落、承力索断股或断裂、吊弦或吊索脱落和断线、正馈线对向下锚出绝缘间隙不足、回流线烧伤、绝缘子闪络或击穿、高压电缆故障、非接触网设备侵限等，如图2所示。

所述轨道动态几何形位超限病害、道岔几何尺寸超限病害和车体加速度超限病害包括Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级超限病害；

所述钢轨波浪磨耗病害、钢轨侧面磨耗病害和垂直磨耗病害、钢轨踏面伤损包括轻伤和重伤；

所述轨枕及扣件缺损包括轨枕缺失、轨枕掉块、扣件缺失、扣件断裂；

所述接触网拉出值、导高、同一跨距接触导线高差、线岔和锚段关节接触线相互位置超限病害包括Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级超限病害；

进一步的，为了使本领域的技术人员更好的了解本发明，下面对本发明提供的轨道-接触网健康状态综合检测机器人具体的监测与分析流程方法进行说明，如图3所示，包括：

(1)所述里程同步模块25中的光电编码器251和北斗定位模块252获取列车运行速度和里程信息，并将所述信息传输至数据分析处理模块4；

(2)所述数据分析处理模块4，根据所述里程同步模块25传输的列车运行速度和里程信息，以及预先设定的采样频率，计算采样脉冲数，并将其传输至轨道检测梁2和接触网检测梁；

(3)所述轨道检测模块2中的惯导系统组件26、2D激光传感器22、线阵相机23以及接触网检测模块3中的2D激光传感器31、线阵相机32和面阵相机33根据接收到采样脉冲信号，分别采集轨道和接触网健康状态原始监测信号数据中的列车运行姿态数据、钢轨断面廓形坐标数据、轨道图像数据、接触网断面廓形坐标数据、接触网高度数据和接触网零部件外观及限界环境数据，并传输至数据分析处理模块4；

(4)所述数据分析处理模块4接收到所述列车运行姿态数据、钢轨断面廓形坐标数据、轨道图像数据、接触网断面廓形坐标数据、接触网高度数据和接触网零部件外观及限界环境数据后，计算分析轨道健康状态参数中的轨道动态几何形位参数、车体加速度参数、钢轨侧面磨耗参数、钢轨垂直磨耗参数、钢轨踏面伤损参数、轨枕和扣件缺损参数、接触网几何参数、接触网零部件外观参数和接触网限界环境参数；

(5)所述数据分析处理模块4根据计算得到的所述轨道动态几何形位参数中的轨距参数，以及轨道检测模块2中1D激光位移传感器21的位置，计算所述1D激光位移传感器21与钢轨中心线的偏差，并传输至伺服对中模块24；

(6)所述伺服对中模块24根据得到的所述1D激光位移传感器21与钢轨中心线的偏差，由伺服电机通过丝杆驱动传动杆自动调节所述1D激光位移传感器21的位置，使得发出的激光射向钢轨踏面中心，实现所述1D激光位移传感器21的实时对中；

(7)完成对中后，所述轨道检测模块2中的1D激光位移传感器21根据步骤(2)中数据分析处理模块4发出的采样脉冲信号，分别采集轨道健康状态原始监测信号数据中的钢轨踏面至1D激光位移传感器距离数据，并传输至数据分析处理模块4；

(8)所述数据分析处理模块4接收到所述钢轨踏面至1D激光位移传感器距离数据后，计算分析轨道健康状态参数中的钢轨内部伤损参数和波浪磨耗参数；

(9)所述数据分析处理模块4根据计算分析得到的所有轨道健康状态参数结果与所述里程同步模块25传输过来的列车运行速度和里程信息，对所述轨道和接触网健康状态参数进行里程校准，实现轨道和接触网健康状态参数在里程上的统一；

(10)所述数据分析处理模块4根据里程校准后的轨道和接触网健康状态参数，以及预先设定的病害判定标准数据，自动评定轨道健康状态和诊断轨道病害。

Claims (5)

1.一种轨道-接触网设备健康状态一体化综合检测机器人，包括：搭载小车、轨道检测模块、接触网检测模块、数据分析模块和屏显模块；所述搭载小车用于搭载安装各个模块，其特征是

一、轨道检测模块：

轨道检测模块是由1D激光位移传感及光源组件、2D激光廓形传感组件、线阵相机、伺服对中模块、里程同步模块和惯导系统组件构成；

在机械结构上，轨道检测梁安装于搭载小车，且位于搭载小车的底面以下；轨道检测梁用于集成安装所述伺服对中模块、里程同步模块、1D激光位移传感器、1D激光位移传感及光源组件、2D激光廓形传感组件、线阵相机和惯导系统组件；里程同步模块直接安装于搭载小车；

轨道检测模块与数据分析处理模块进行数据连接，用于采集轨道健康状态原始监测信号数据，并将这些原始监测信号数据传输至数据分析模块；

轨道健康状态原始监测信号数据包括：列车运行姿态数据、钢轨踏面至1D激光位移传感器距离数据、钢轨断面廓形坐标数据以及轨道图像数据；

列车运行姿态数据包括：航向角、俯仰角、滚动角、角速度及加速度，由惯导系统组件中的光纤陀螺仪和加速度计获取；钢轨踏面至1D激光位移传感器距离数据由1D激光位移传感器通过发射点激光照射至钢轨踏面中心，并接收反射光来获取；钢轨断面廓形坐标数据由2D激光廓形传感器通过发射线激光照射至钢轨断面，并接收反射光来获取；轨道图像数据由线阵相机通过拍摄列车行进过程中的轨道照片来获取；

所述伺服对中模块与1D激光位移传感器进行数据连接，用于1D激光位移传感器的实时对中，实现1D激光位移传感器发出的激光射向钢轨踏面中心；

所述里程同步模块与数据分析模块进行数据了连接，里程同步模块中的光电编码器和北斗定位模块采用脉冲计数的方式计算获取列车运行速度和里程信息，并将信息传输至数据分析处理模块；

二、接触网检测模块：

接触网检测模块是由2D激光传感组件、线阵相机和面阵相机构成；

在机械结构上，接触网检测梁安装于所述搭载小车的顶部，2D激光传感组件、线阵相机和面阵相机安装于接触网检测梁；

接触网检测模块与所述数据分析处理模块数据连接，用于采集接触网健康状态原始监测信号数据，并将这些原始监测信号数据传输至数据分析模块；

接触网健康状态原始监测信号数据包括：接触网几何尺寸数据、以及接触网支持装置区域、接触悬挂区域、附加悬挂区域、侧面限界区域各部件和接触网限界环境的图像数据；

接触网几何尺寸数据包括：拉出值、接触导线高度、双支接触线高度差、双支接触线横向距离、接触导线磨耗和定位器坡度，这些数据由所述2D激光传感器通过发射线激光照射至接触导线，并接收反射光来获取；

接触网支持装置区域、接触悬挂区域、附加悬挂区域、侧面限界区域各部件及接触网限界环境的图像数据是由线阵相机和面阵相机拍摄搭载小车行进过程中的接触网零部件及环境限界照片来获取；

三、数据分析模块：

数据分析模块与轨道检测模块和接触网检测模块进行数据连接，读取、计算和存储轨道检测模块和接触网检测模块传送的所述原始监测信号数据，以及里程同步模块传送的列车速度和里程信息；并根据传送的原始监测信号数据和列车速度、里程信息对轨道和接触网的健康状态参数进行计算和里程校准，对轨道和接触网健康状态进行评定，诊断病害；

轨道健康状态参数包括：轨道动态几何形位参数、车体加速度参数、钢轨伤损参数、轨枕及扣件缺损参数；接触网健康状态参数包括：接触网几何尺寸参数、接触网部件外观状态参数和接触网限界参数；

所述轨道动态几何形位参数包括：轨距、轨向、高低、水平、三角坑；

所述车体加速度参数包括：水平加速度和垂直加速度；

所述钢轨伤损参数包括：垂直磨耗、侧面磨耗、波浪磨耗等钢轨磨耗伤损参数，以及轨面擦伤、剥离掉块等钢轨踏面伤损参数；

所述轨枕及扣件缺损参数包括：轨枕缺失、轨枕掉块、扣件缺失、扣件断裂。

所述道岔伤损参数包括：道岔几何尺寸、密贴程度、道岔结构与联结零件有无缺损、轮轨接触面宽度、垂向位移、纵向位移；

所述接触网几何参数包括：拉出值、接触导线高度、双支接触线高度差、双支接触线横向距离、接触导线磨耗、定位器坡度；

所述接触网部件外观状态包括：支持装置区域、接触悬挂区域、附加悬挂区域和吊柱座区域；

所述接触网限界参数包括在接触网限界内有无异物；

所述轨道病害包括轨道动态几何形位超限病害、车体加速度超限病害、钢轨波浪磨耗病害、钢轨侧面磨耗病害和垂直磨耗病害、钢轨踏面伤损、轨枕及扣件缺损；

所述接触网病害包括支柱倾斜、支柱锈蚀超标、定位线夹断裂、腕臂弯曲过大、定位索抽脱、接触线磨耗超标、接触线断线、载流吊弦断脱、定位器电气连接跳线脱落、承力索断股或断裂、吊弦或吊索脱落和断线、正馈线对向下锚出绝缘间隙不足、回流线烧伤、绝缘子闪络或击穿、高压电缆故障、非接触网设备侵限；

所述轨道动态几何形位超限病害、道岔几何尺寸超限病害和车体加速度超限病害；

所述钢轨波浪磨耗病害、钢轨侧面磨耗病害和垂直磨耗病害、钢轨踏面伤损；

所述轨枕及扣件缺损包括轨枕缺失、轨枕掉块、扣件缺失、扣件断裂；

所述接触网拉出值、导高、同一跨距接触导线高差、线岔和锚段关节接触线相互位置超限病害；

四、所述检测机器人具体的监测与分析步骤包括：

1)里程同步模块中的光电编码器和北斗定位模块获取列车运行速度和里程信息，并将所述信息传输至数据分析处理模块；

2)数据分析处理模块，根据所述里程同步模块传输的列车运行速度和里程信息，以及预设的采样频率，计算采样脉冲数，并将其传输至轨道检测梁和接触网检测梁；

3)轨道检测模块中的惯导系统组件、2D激光传感器、线阵相机以及接触网检测模块中的2D激光传感器、线阵相机和面阵相机根据接收到采样脉冲信号，分别采集轨道和接触网健康状态原始监测信号数据中的列车运行姿态数据、钢轨断面廓形坐标数据、轨道图像数据、接触网断面廓形坐标数据、接触网高度数据和接触网零部件外观及限界环境数据，并传输至数据分析处理模块4；

4)数据分析处理模块接收到所述列车运行姿态数据、钢轨断面廓形坐标数据、轨道图像数据、接触网断面廓形坐标数据、接触网高度数据和接触网零部件外观及限界环境数据后，计算分析轨道健康状态参数中的轨道动态几何形位参数、车体加速度参数、钢轨侧面磨耗参数、钢轨垂直磨耗参数、钢轨踏面伤损参数、轨枕和扣件缺损参数、接触网几何参数、接触网零部件外观参数和接触网限界环境参数；

5)数据分析处理模块根据计算得到的所述轨道动态几何形位参数中的轨距参数，以及轨道检测模块中1D激光位移传感器的位置，计算所述1D激光位移传感器与钢轨中心线的偏差，并传输至伺服对中模块；

6)伺服对中模块根据得到的所述1D激光位移传感器与钢轨中心线的偏差，由伺服电机通过丝杆驱动传动杆自动调节所述1D激光位移传感器的位置，使得发出的激光射向钢轨踏面中心，实现所述1D激光位移传感器的实时对中；

7)完成对中后，轨道检测模块中的1D激光位移传感器根据步骤2)中数据分析处理模块发出的采样脉冲信号，分别采集轨道健康状态原始监测信号数据中的钢轨踏面至1D激光位移传感器距离数据，并传输至数据分析处理模块；

8)数据分析处理模块接收到所述钢轨踏面至1D激光位移传感器距离数据后，计算分析轨道健康状态参数中的钢轨内部伤损参数和波浪磨耗参数；

9)数据分析处理模块根据计算分析得到的所有轨道健康状态参数结果与所述里程同步模块25传输过来的列车运行速度和里程信息，对所述轨道和接触网健康状态参数进行里程校准，实现轨道和接触网健康状态参数在里程上的统一；

10)数据分析处理模块根据里程校准后的轨道和接触网健康状态参数，以及预先设定的病害判定标准数据，自动评定轨道健康状态和诊断轨道病害。

所述云端服务器与数据分析处理模块通信，用于存储轨道检测模块和接触网检测模块采集的数据及所述数据分析模块产生的数据。

2.根据权利要求1所述的轨道-接触网设备健康状态一体化综合检测机器人，其特征是所述搭载小车与轨道检测梁、接触网检测模块、数据分析处理模块和屏显模块是可拆卸连接；

所述搭载小车为沿轨道无人驾驶的搭载小车；

所述搭载小车为电驱动自行式可拆卸车体，运行时速15-40km/h。

3.根据权利要求1所述的轨道-接触网设备健康状态一体化综合检测机器人，其特征是所述轨道检测模块中：

惯导系统组件固定连接于轨道检测梁中部；

成对的激光廓形传感器和线阵相机分布在检测梁梁体的左右两端，且激光廓形传感器的传感头和线阵相机的镜头位置与两轨道的位置对应；

轨道检测梁的左右两端各安装三个呈直线型沿轨道方向等距分布的激光位移传感器，垂向对中于钢轨踏面中心；

补光光源与三个激光位移传感器平行轨道方向安装；

所述伺服对中模块可移动地安装于轨道检测梁；

成对的激光位移传感器固定连接于伺服对中模块的左右两端，激光位移传感器随伺服对中模块相对于轨道检测梁体左右移动；

伺服对中模块的移动受控于数据分析处理模块；

所述惯导系统组件包括：光纤陀螺仪和加速度计；光纤陀螺仪获取列车的航向角、俯仰角、滚动角和角速度；加速度计获取列车的加速度。

所述伺服对中模块包括伺服电机和传动杆；伺服电机的控制输入端与数据分析模块电连接；伺服电机的输出轴通过丝杆与传动杆相连，激光位移传感器连接于传动杆；伺服电机根据数据分析模块传输的纠偏指令来驱动传动杆进行位置调节，进而带动激光位移传感器位移，实现所述超声探伤组件和激光位移传感器的实时自动对中。

4.根据权利要求1所述的轨道-接触网设备健康状态一体化综合检测机器人，其特征是接触网检测模块包括：1个2D激光传感器、4个线阵相机和6个面阵相机；

2D激光传感器安装于接触网检测梁中部；

线阵相机分别安装于2D激光传感器的两侧，左右各两个，镜头对准需测量的接触导线区域；

面阵相机中的2个左右各一个安装于接触网检测梁两端，对准轨道侧面限界；其他4个面阵相机分布安装于接触网检测梁中部，对准待检测接触网支持装置区域、接触悬挂区域、附加悬挂区域。

5.根据权利要求1所述的轨道-接触网设备健康状态一体化综合检测机器人，其特征是所述屏显模块包括显示器和声音播放装置。

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