CN113465510B - 用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置及方法，包括：支架，固定于铁路道床附近独立基础上，或固定于独立于有砟轨道模型试验装置的基础上；摄像机，安装在所述支架上，用于在列车运行荷载加载过程中，采集不同阶段的视频，所述视频中包含设置在道砟表面的标记点；数码相机，安装在所述支架上，用于在列车运行荷载加载过程中，采集不同阶段的照片，所述照片中包含设置在道砟表面的标记点；其中所述摄像机和所述数码相机的拍摄方向垂直于水平面；处理单元，分别与摄像机和数码相机相连，用于获取摄像机和数码相机拍摄的视频和照片，通过追踪视频和照片中道砟上标记点的位置，得到不同时刻道砟颗粒的瞬态运移和长历时运移信息。

Description

用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置及方法

技术领域

本申请涉及铁路有砟轨道技术领域，尤其涉及一种用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置及方法。

背景技术

我国铁路的轨道形式主要分为有砟轨道和无砟轨道。无砟轨道常用于高速铁路，有砟轨道多用于低速客运或货运铁路。有砟轨道由上至下主要的轨道结构为钢轨、扣件、轨枕、道砟层、底砟层、路堤和地基；道砟层是由道砟散粒体材料夯实堆积而成，厚度约为35cm。既有研究表明在长期列车运行荷载作用下道砟层的沉降占轨道沉降的70％以上。轨道发生较大沉降后目前主要采用大型机械捣固和人工捣固的方法进行维护，恢复轨道的平整。经统计，有砟轨道建成后较高的维护成本主要是用于道砟层的频繁维护。

道砟层的散粒体道砟在列车运行荷载作用下会发生破碎、运移等病害，在较高的运行速度和重载列车荷载下该现象尤为突出，若不及时进行维护，破碎后产生的细小颗粒将会引起道砟层脏污，加剧道砟颗粒的运移，进而引起更加明显的轨道沉降，威胁列车运行安全。

但目前在学术界和工业界，仍难以定量观测到道砟颗粒的运移和破碎情况，对道砟层沉降机理的认识不足将会减低道砟层维护效率，甚至过度和不合理的维护反而增加了维护成本。

因此，精准捕捉道砟颗粒在列车运行荷载作用下的运移规律是亟待解决的难题。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置及方法，以解决现有技术不能精准捕捉道砟颗粒在列车运行荷载作用下的运移的问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置，包括：

支架，固定于铁路道床附近独立基础上，或固定于独立于有砟轨道模型试验装置的基础上；

摄像机，安装在所述支架上，用于在列车运行荷载加载过程中，采集不同阶段的视频，所述视频中包含设置在道砟表面的标记点；

数码相机，安装在所述支架上，用于在列车运行荷载加载过程中，采集不同阶段的照片，所述照片中包含设置在道砟表面的标记点；

其中所述摄像机和所述数码相机的拍摄方向垂直于水平面；

处理单元，分别与所述摄像机和数码相机相连，用于获取摄像机和数码相机拍摄的视频和照片，通过追踪视频和照片中道砟上标记点的位置，得到不同时刻道砟颗粒的瞬态运移和长历时运移信息。

进一步地，还包括：

光源，所述光源为所述摄像机和所述数码相机提供照明。

进一步地，还包括：

驱动控制器，通过控制线与数码相机、摄像机连接，可控制拍摄和记录拍摄信息。

进一步地，所述支架包括：

一对平行布置的稳定架，固定于铁路道床附近独立基础上；

第一连杆，下端可滑动调节地安装在一所述稳定架上；

第二连杆，下端可滑动调节地安装在另一所述稳定架上；

第三连杆，两端分别可滑动调节地安装在所述第一连杆和所述第二连杆上；

相机云台，安装在所述第三连杆上，所述数码相机和所述摄像机均固定于所述相机云台上。

进一步地，所述稳定架上开有第一条型凹槽，所述第一连杆和第二连杆的下端具有第一凸起，所述第一凸起和第一条型凹槽相配合。

进一步地，所述稳定架的第一条型凹槽内开有按预定距离排布的多个第一定位孔，通过销轴螺母分别将所述第一连杆和第二连杆固定在各自的稳定架1上。

进一步地，所述第一连杆和第二连杆上开均有第二条型凹槽，所述第三连杆的两端均具有第二凸起，所述第二凸起和第二条型凹槽相配合。

进一步地，所述第一连杆和第二连杆的第二条型凹槽内开有按预定距离排布的多个第二定位孔，通过销轴螺母分别将所述第三连杆的两端固定在所述第一连杆和第二连杆上。

进一步地，所述第三连杆上开有按预定距离排布的多个第三定位孔，通过销轴螺母将所述相机云台固定在所述第三连杆上。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的方法，其特征在于，该方法在第一方面所述的装置中实现，具体包括如下步骤：

(1)将第一方面所述的用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置固定于铁路道床附近独立的基础上，或固定于独立于有砟轨道模型试验装置的基础上；

(2)用不同颜色涂料将道砟表面做2个以上标记点；

(3)通过驱动控制器控制数码相机拍摄照片、摄像机拍摄视频，照片及视频影像中涵盖所有标记的道砟；

(4)在列车运行荷载加载过程中，通过设定时间间隔拍摄照片和拍摄视频；

(5)将列车行进方向设为x轴，沿列车轨枕长度方向设为y轴，通过粒子测速追踪技术，提取2个不同时刻m和w照片中相同道砟颗粒的坐标信息，每个道砟颗粒在每张照片具有两个以上坐标信息，分别为

和

其中m和w为照片的拍摄顺序，t为每个道砟表面标记点的总数量；通过计算获得道砟发生的运移，所述运移包括位移l和旋转角θ；

其中位移l为:

旋转角θ为:

(6)将所述视频按照帧率F拆分为系列照片，当计算道砟颗粒在T时刻的瞬态运移时，选择T时刻以及T+1/F时刻两张照片，利用粒子测速追踪技术提取所述两个时刻照片中相同标记道砟颗粒的坐标信息，分别为

通过计算获得道砟颗粒瞬态运移，所述道砟颗粒瞬态运移包括瞬态位移L和瞬态旋转角β:

瞬态位移L为：

瞬态旋转角β为:

振动速度v＝L×F，

旋转速度ω＝β×F，

其中t为道砟表面捕获到的标记点总数量，F为视频帧率。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请因结合数码相机和摄像机设备，克服了相机捕获动态响应难和摄像机长历时拍摄瓶颈，互补两种设备优势，可利用数码相机通过不同时间跨度拍摄的照片，实现长历时列车运行条件下道砟层道砟颗粒的运移测量；可利用摄像机通过设定高帧率，实现列车运行荷载下道砟层道砟颗粒的毫秒级瞬态运移精准测量。因采用独立的基础，大大降低了列车运行荷载对测量的干扰，进而达到了不影响室内试验中列车运行荷载施加和监测设备布置的非接触式测量。因该方法是一种非接触式测量方式，所以克服了传统测量方法在实际铁路现场可能干扰列车安全运行的难题，排除了对列车安全运行的威胁。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1是根据一示例性实施例示出的一种用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置的俯视图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置沿A-A方向的剖面示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置在室内模型试验中应用的侧视图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置在开展试验时道砟表层测点标记示意图。

图中的附图标记有：钢轨1、扣件2、轨枕3、道砟层4、底砟层5、路堤6、地基7、列车运行荷载加载系统8、荷载分配器9、独立基础10、稳定架11、相机云台12、第二定位孔13、电脑14、摄像机15、数码相机16、驱动控制器17、控制线和电源线18、光源19、道砟20、标记点一21、标记点二22、销轴23、第一连杆24、第二连杆25、第三连杆26、第一条型凹槽27、第一凸起28、第二条型凹槽29、第二凸起30。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

参考图1-图4，本发明实施例提供一种用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置，该装置可包括：支架，固定于铁路道床附近独立基础10上，或固定于独立于有砟轨道模型试验装置的基础上，该基础与地基7不相接，不受列车荷载的影响，；摄像机15，安装在所述支架上，用于在列车运行荷载加载过程中，采集不同阶段的视频，所述视频中包含设置在道砟表面的标记点；数码相机16，安装在所述支架上，用于在列车运行荷载加载过程中，采集不同阶段的照片，所述照片中包含设置在道砟表面的标记点；其中所述摄像机15和所述数码相机16的拍摄方向垂直于水平面；处理单元，分别与所述摄像机15和数码相机16相连，用于获取摄像机15和数码相机16拍摄的视频和照片，通过追踪视频和照片中道砟上标记点的位置，得到不同时刻道砟颗粒的瞬态运移和长历时运移信息。

由上述实施例可知，本申请因结合数码相机和摄像机设备，克服了相机捕获动态响应难和摄像机长历时拍摄瓶颈，互补两种设备优势，可利用数码相机通过不同时间跨度拍摄的照片，实现长历时列车运行条件下道砟层道砟颗粒的运移测量；可利用摄像机通过设定高帧率，实现列车运行荷载下道砟层道砟颗粒的毫秒级瞬态运移精准测量。因采用独立的基础，大大降低了列车运行荷载对测量的干扰，进而达到了不影响室内试验中列车运行荷载施加和监测设备布置的非接触式测量。

本发明实施例中，该装置还可包括：光源19，所述光源19为所述摄像机15和所述数码相机16提供照明。

本发明实施例中，该装置还可包括：驱动控制器17通过控制线与数码相机16、摄像机15连接，可控制拍摄和记录拍摄信息。

本发明实施例中，所述支架包括：一对平行布置的稳定架11，固定于铁路道床附近独立基础上；第一连杆24，下端可滑动调节地安装在一所述稳定架11上；第二连杆25，下端可滑动调节地安装在另一所述稳定架11上；第三连杆26，两端分别可滑动调节地安装在所述第一连杆24和所述第二连杆25上；相机云台，安装在所述第三连杆26上，所述数码相机16和所述摄像机15均固定于所述相机云台上。

进一步地，所述稳定架11上开有第一条型凹槽27，所述第一连杆24和第二连杆25的下端具有第一凸起28，所述第一凸起28和第一条型凹槽27相配合。

进一步地，所述稳定架11的第一条型凹槽27内开有按预定距离排布的多个第一定位孔，通过销轴螺母分别将所述第一连杆24和第二连杆25固定在各自的稳定架11上。

进一步地，所述第一连杆24和第二连杆25上开均有第二条型凹槽29，所述第三连杆26的两端均具有第二凸起30，所述第二凸起30和第二条型凹槽29相配合。

进一步地于，所述第一连杆24和第二连杆25的第二条型凹槽29内开有按预定距离排布的多个第二定位孔13，通过销轴螺母分别将所述第三连杆26的两端固定在所述第一连杆24和第二连杆25上。

进一步地，所述第三连杆26上开有按预定距离排布的多个第三定位孔，通过销轴螺母将所述相机云台固定在所述第三连杆26上。

通过对支架的上述结构设计，使得所述拍摄设备的位置和拍摄方向可调，所述装置成本低廉、结构简单、易于操作和实现。

上述的处理单元可以为电脑、移动终端等，本实例优选电脑。

本发明实施例还提供一种用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的方法，该方法在上述的装置中实现，具体包括如下步骤：

(1)将上述的用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置固定于铁路道床附近独立的基础上，或固定于独立于有砟轨道模型试验装置的基础上；

具体地，本实例中，如图3所示，在室内模型试验装置中按照工程现场施工要求制备有砟轨道模型，该模型自上而下包括荷载分配器9、钢轨1、扣件2、轨枕3、道砟层4、底砟层5、路堤6和地基7。模型制备完成后，将稳定架11固定于独立基础10上，第一连杆24、第二连杆25端部的第一凸起28嵌入至稳定架11的第一条型凹槽27内，沿第一条型凹槽27滑动至指定位置后利用销轴23固定连接；将第三连杆26两端的第二凸起30分别嵌入第一连杆24和第二连杆25的第二条型凹槽29内，提升至指定高度后通过销轴23固定连接；将列车运行荷载通过加载系统8连接于轨枕3上，在施加列车运行荷载前，调整光源19、相机云台12的位置；之后安装数码相机16和摄像机15，通过控制线和电源线18连接电脑14和驱动控制器17，使得能够在设定的时间间隔同步驱动数码相机16和摄像机15拍摄，实现数码相机16按照设定时间间隔拍摄照片，摄像机15开始或者停止录像。拍摄测试完成后，利用销轴23固定数码相机16和摄像机15。

(2)用不同颜色涂料将道砟表面做2以上个标记点；

具体地，用两种颜色以上涂料分别将相片和视频视野范围内的表层道砟20进行标记，每个道砟20的上表面至少有2个标记点，如图4中标记点一21和标记点二22所示。

(3)通过驱动控制器控制数码相机拍摄照片、摄像机拍摄视频，照片及视频影像中涵盖所有标记的道砟；

(4)在列车运行荷载加载过程中，通过设定时间间隔拍摄照片和拍摄视频，开始拍摄；

具体地，所有表层道砟20标记完成后，在开始施加列车运行荷载前，利用数码相机16拍摄一张初始照片和开始利用摄像机15录像。准备就绪后施加列车运行荷载，按照设定时间间隔电脑14自动控制数码相机16拍摄，直至设计的加载工况完成，电脑14控制摄像15停止，至此完成一次加载试验。

通常列车运行荷载是间歇性的，室内模型试验的列车运行荷载加载也是间歇性的。在完成设备调整，准备施加下一次荷载前，通过电脑14启动数码相机16和摄像机15，使其能够按照试验要求完成下一阶段的拍摄任务。在此过程中电脑14自动记录拍摄的时间，以便于与加载工况对应。

(5)试验完成后，将数码相机16拍摄的相片导入电脑，通过但不限于粒子测试追踪技术对所有在道砟上标记的点进行追踪；数据处理时可将列车行进方向设为x轴，轨枕3的长度方位设定为y轴，通过像素点和真实尺度间的转化关系，完成所有照片中标记点坐标的信息获取；计算某一阶段道砟颗粒的运移时，先提取该阶段初、末时刻m和w照片中相同道砟颗粒的坐标信息，每个道砟颗粒在每张照片具有两个以上坐标信息，分别为

和

其中m和w为照片的拍摄顺序，t为每个道砟表面标记点的总数量；通过计算获得道砟发生的运移，所述运移包括位移l和旋转角θ；

其中位移l为:

旋转角θ为:

因此，每个照片中所有道砟的运移信息亦可以采用相同的处理办法高效获取。

(6)通过但不限于视频编辑软件将视频按照帧率F拆分，获得系列照片，当计算道砟颗粒在T时刻的瞬态运移时，选择T时刻以及T+1/F时刻两张照片，利用粒子测速追踪技术提取两个时刻照片中相同标记道砟颗粒的坐标信息，分别为

通过计算获得道砟颗粒瞬态运移，所述道砟颗粒瞬态运移包括瞬态位移L和瞬态旋转角β:

瞬态位移L为：

瞬态旋转角β为:

振动速度v＝L×F，

旋转速度ω＝β×F，

其中t为道砟表面捕获到的标记点总数量，F为视频帧率。

本发明实施例利用将录像拆分为相片的方法不仅可以获得列车高频荷载作用下道砟的瞬态运移，亦可以获得长期列车运行荷载作用下道砟的运移信息，可与数码相机16拍摄的照片分析得到的结果相互验证形成对比。

因该方法是一种非接触式测量方式，所以克服了传统测量方法在实际铁路现场可能干扰列车安全运行的难题，排除了对列车安全运行的威胁。

综上，该装置利用粒子测试追踪方法实现非接触精准测量，可以通过调整装置中拍摄系统，高效捕获列车荷载下道砟颗粒的运移情况。该方法和装置适用于研究我国铁路有砟线路道砟颗粒在列车运行荷载下的运移规律，也适用于各种室内模型试验条件下道砟颗粒振动和运移高精度测量，为铁路基础设施的施工和运维提供相关技术支撑。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置，其特征在于，包括：

支架，固定于铁路道床附近独立基础上，或固定于独立于有砟轨道模型试验装置的基础上；

摄像机，安装在所述支架上，用于在列车运行荷载加载过程中，采集不同阶段的视频，所述视频中包含设置在道砟表面的标记点；

数码相机，安装在所述支架上，用于在列车运行荷载加载过程中，采集不同阶段的照片，所述照片中包含设置在道砟表面的标记点；

其中所述摄像机和所述数码相机的拍摄方向垂直于水平面；

处理单元，分别与所述摄像机和数码相机相连，用于获取摄像机和数码相机拍摄的视频和照片，通过追踪视频和照片中道砟上标记点的位置，得到不同时刻道砟颗粒的瞬态运移和长历时运移信息。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

光源，所述光源为所述摄像机和所述数码相机提供照明。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

驱动控制器，通过控制线与数码相机、摄像机连接，可控制拍摄和记录拍摄信息。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支架包括：

一对平行布置的稳定架，固定于铁路道床附近独立基础上；

第一连杆，下端可滑动调节地安装在一所述稳定架上；

第二连杆，下端可滑动调节地安装在另一所述稳定架上；

第三连杆，两端分别可滑动调节地安装在所述第一连杆和所述第二连杆上；

相机云台，安装在所述第三连杆上，所述数码相机和所述摄像机均固定于所述相机云台上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述稳定架上开有第一条型凹槽，所述第一连杆和第二连杆的下端具有第一凸起，所述第一凸起和第一条型凹槽相配合。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述稳定架的第一条型凹槽内开有按预定距离排布的多个第一定位孔，通过销轴螺母分别将所述第一连杆和第二连杆固定在各自的稳定架1上。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一连杆和第二连杆上开均有第二条型凹槽，所述第三连杆的两端均具有第二凸起，所述第二凸起和第二条型凹槽相配合。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一连杆和第二连杆的第二条型凹槽内开有按预定距离排布的多个第二定位孔，通过销轴螺母分别将所述第三连杆的两端固定在所述第一连杆和第二连杆上。

9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第三连杆上开有按预定距离排布的多个第三定位孔，通过销轴螺母将所述相机云台固定在所述第三连杆上。

10.一种用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的方法，其特征在于，该方法在权利要求1所述的装置中实现，具体包括如下步骤：

(1)将权利要求1所述的用于测量铁路有砟轨道道砟颗粒运移的装置固定于铁路道床附近独立的基础上，或固定于独立于有砟轨道模型试验装置的基础上；

(2)用不同颜色涂料将道砟表面做2个以上标记点；

(3)通过驱动控制器控制数码相机拍摄照片、摄像机拍摄视频，照片及视频影像中涵盖所有标记的道砟；

(4)在列车运行荷载加载过程中，通过设定时间间隔拍摄照片和拍摄视频；

(5)将列车行进方向设为x轴，沿列车轨枕长度方向设为y轴，通过粒子测速追踪技术，提取2个不同时刻m和w照片中相同道砟颗粒的坐标信息，每个道砟颗粒在每张照片具有两个以上坐标信息，分别为

和

其中m和w为照片的拍摄顺序，t为每个道砟表面标记点的总数量；通过计算获得道砟发生的运移，所述运移包括位移l和旋转角θ；

其中位移l为:

旋转角θ为:

(6)将所述视频按照帧率F拆分为系列照片，当计算道砟颗粒在T时刻的瞬态运移时，选择T时刻以及T+1/F时刻两张照片，利用粒子测速追踪技术提取所述两个时刻照片中相同标记道砟颗粒的坐标信息，分别为

通过计算获得道砟颗粒瞬态运移，所述道砟颗粒瞬态运移包括瞬态位移L和瞬态旋转角β:

瞬态位移L为：

瞬态旋转角β为:

振动速度v＝L×F，

旋转速度ω＝β×F，

其中t为道砟表面捕获到的标记点总数量，F为视频帧率。

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