CN115214728A - 一种检测捣固稳定作业后有砟轨道质量状态的智能稳定车 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种检测捣固稳定作业后有砟轨道质量状态的智能稳定车。包括：稳定车本体、前稳定装置本体、后稳定装置本体和智能感知系统，智能感知系统包括轨枕位移测量系统、垂横向力记录仪、夜间照明系统、数据处理及轨道结构状态显示系统；在稳定车本体上设置摄像机、悬挂装置及防抖动装置；在稳定装置上设置垂直下压力和水平激振力记录仪；在稳定车车厢底板上设置平行光源、测量数据存储器和数据处理及轨道结构状态显示系统。该感知系统利用数字图像识别功能获取轨枕垂向和横向位移，通过垂横向力记录仪获得稳定装置施加给轨排的垂向力和水平力，实现了稳定车养护维修加智能化自检测的一体化工作模式，为有砟轨道高质量维修作业提供技术支撑。

Description

一种检测捣固稳定作业后有砟轨道质量状态的智能稳定车
技术领域
本发明涉及有砟轨道状态检测技术领域，尤其涉及一种检测捣固稳定作业后有砟轨道质量状态的智能稳定车。
背景技术
在复杂外界环境及长期列车冲击荷载作用下散体道床易发生道砟磨耗、破碎，改变道床级配和道砟的力学特性，使道床产生大变形、不均匀沉降，改变线路几何形位，降低线路平顺性，影响列车运营品质。为保持线路良好的运营状态，需不断地进行养护维修作业。此外，新建线路开通运营前，需进行大机捣固与稳定作业来提高道床质量状态，保证线路的高质量、高效率开通运营。
目前，采用大型捣固稳定车对线路进行定期或不定期的维修作业已成为消除有砟轨道不平顺病害、恢复道床工作性能、保障新线高效率开通运营的有效手段。但大型捣固稳定作业车参数、作业工序较多，难以控制捣固稳定作业后的道床质量，且更无法快速地获取作业后的散体道床状态。此外，现有测试捣固稳定作业后道床纵横向阻力、道床刚度等状态指标均需拆除扣件，人工施加荷载和读取数据，测试耗时较长，且不能大范围地进行检测，检测精度和效率较低，不能满足捣固稳定作业后线路及时开通的需求。
因此，急需一种智能稳定车可以来快速获取捣固稳定作业后道床的刚度、阻力、不均匀系数等质量状态指标，评价捣固稳定作业效果，实时反馈线路的状态变化，为捣固稳定作业后线路的快速开通运营提供科学依据，保障线路的高平顺、高安全运营。
发明内容
本发明的实施例提供了一种检测捣固稳定作业后有砟轨道质量状态的智能稳定车，以实现及时、准确地检测和评价作业后有砟轨道的质量状态。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种检测捣固稳定作业后有砟轨道质量状态的智能稳定车，包括：稳定车本体、前稳定装置本体、后稳定装置本体和智能感知系统，所述智能测试系统包括轨枕位移测量系统、垂横向力记录仪、夜间照明系统、数据处理及轨道结构状态显示系统；
在稳定车本体上设置高频摄像机、悬挂装置及防抖动装置；在稳定车车厢底板稳定装置轴线外侧设置平行光源，并在两侧平行光源之间设置可伸缩的相机标定板；在稳定装置上设置垂直下压力和水平激振力记录仪，且在稳定车本体车厢位置设置测量数据存储器、设置数据处理及实时显示系统，所述智能感知系统利用数字图像识别功能获取轨枕垂向和横向位移，通过垂横向力记录仪获得稳定装置施加给轨排的垂向力和水平力，借助数理统计算法得到单个轨排范围内各轨枕下有砟道床的质量状态及轨排整体状态。
优选地，所述轨枕位移测量系统分为左右两个部分，左侧轨枕位移测量系统由第一号位摄像机、第三号位摄像机、第一号位悬挂装置、第三号位悬挂装置、第一防抖动装置、第三防抖动装置、第一伸缩杆、第一固定装置、第一标定板及测量数据存储器组成；
右侧轨枕位移测量系统由第二号位摄像机、第四号位摄像机、第二号位悬挂装置、第四号位悬挂装置、第二防抖动装置、第四防抖动装置、第二伸缩杆、第二固定装置、第二标定板及测量数据存储器组成；
所述第一号位悬挂装置、第二号位悬挂装置、第三号位悬挂装置、第四号位悬挂装置分别固定第一号位高频摄像机、第二号位高频摄像机、第三号位高频摄像机、第四号位高频摄像机；所述第一伸缩杆和第一固定装置用于固定第一标定板，所述第二伸缩杆和第二固定装置用于固定第二标定板。
优选地，在道床垂横向位移测量过程中，左侧轨枕位移测量系统和右侧轨枕位移测量系统同时工作，以左侧测量系统为例，轨枕垂横向位移测量过程如下：
(1)选定检测区域，设置轨枕编号，确定轨排测试范围，将稳定车静止在轨排测试区域，使稳定车后稳定装置夹钳轮中心点位于轨枕的枕盒中心位置；
(2)调整相机拍摄角度，将第一号位、第二号位相机最优拍摄角度设置为α1，第三号位、第四号位相机最优拍摄角度设置α2，使相机最大拍摄范围β1、β2大于最优拍摄角度；
(3)相机标定，将第一标定板和第二标定板通过伸缩杆缓缓放下，使每个标定板的6个标记点处于相机最优拍摄角度范围内，左右轨枕位移系统分开标定；
(4)测点标记，选取轨枕离枕端50mm的位置作为测量系统原点，并用黑色制样笔标记，采用同样的方式，用黑色制样笔标记其他轨枕枕端；
(5)三维测量坐标系重建，在原有标定坐标系的基础上，采用相对坐标法，以轨枕的测点位置为坐标原点，根据公式(2)进行重建；
Figure BDA0003748419530000031
式中，(x0,y0,z0)为测量坐标系原点在标定坐标系中的坐标；(x1,y1,z1)为标定坐标系中任意一点坐标；(x2,y2,z2)是经过坐标变换，标定坐标系中任意一点在测量坐标系中的位置坐标；
(6)在测量系统中选定测点，并设置测量时间t；
(7)测试荷载施加，采用稳定装置本体荷载进行单项控制施加，具体如下：
1)轨枕垂向位移测试时，横向位移测试功能关闭，稳定装置水平激振力设置为0或振动频率设置为0，保证仅有垂直下压力作用，将每套稳定装置的垂直下压力最大值设置为50kN，以时间函数施加到轨枕上，荷载公式如下：
Fc＝k1t1 (4)
Fc＝Fcmax-k2t2 (5)
t1+t2＝t (6)
式中，Fc为单套稳定装置一侧垂直下压力，单位：kN；k1荷载施加速率；单位：kN/s；t1为加载时间，单位：s；Fcmax为垂直下压力最大值，取50kN；k2卸载速率；t2为卸载时间，单位：s；
2)轨枕横向位移测试时，垂直下压力关闭，仅有水平激振力作用，前后稳定装置的激振频率设为20Hz，最大激振力为53kN，荷载公式如下：
Fs＝4meω2sinωt (7)
ω＝2πf (8)
Figure BDA0003748419530000032
式中，Fs为水平激振力，单位：kN；m为偏心块质量，单位：kg；ω为角频率，单位：rad/s；f为激振频率，单位：Hz；t为测量时间，单位：s；t3为线路左侧横向加载时间，t4为线路右侧横向加载时间；
(8)轨枕横向位移取值原则，在测量轨枕横向位移时，取轨枕在各个时段各轨枕相对初始位置位移的最大值，最终评价时选取各个时段最不利条件下，轨排整体横向位移和总横向位移的最大值进行分析；
(9)轨枕垂向位移取值原则，在测量轨枕垂向位移时，取轨枕在各个时段各轨枕相对初始位置位移的最大值。
优选地，所述垂横向力测量装置通过第一、第二垂横向力记录仪来采集在轨枕垂横向位移测量过程中前后稳定装置本体的单侧垂直下压力和水平激振力，单侧垂直下压力是由垂直下压油缸的油压、活塞面积和活塞杆面积进行换算得到的，而水平激振力是通过时间、激振频率、偏心块质量和偏心距进行换算得到的。
优选地，所述夜间照明系统由第一号位平行光源、第二号位平行光源、第三号位平行光源和第四号位平行光源组成。
优选地，所述数据处理及轨道结构状态显示系统用于计算轨枕垂横向位移、垂直下压力和水平激振力数据，显示线路不同里程位置处捣固稳定作业后道床的状态指标，对线路的质量状态进行评价。
优选地，所述数据处理及轨道结构状态显示系统，具体用于在垂横向力记录仪中，将任意时刻单侧垂直下压力用Fc表示，轨排总的垂直下压力用4Fc表示；任意时刻水平激振力用Fs表示，轨排总的水平激振力用2Fs表示，单个走行轮横向作用力用0.5Fs表示，轨排下道床整体支承刚度TPS、轨排侧向道床整体横向阻力TPL、道床平均支承刚度PS、道床平均横向阻力PL评价捣固稳定作业后道床稳定状态，定义如下：
Figure BDA0003748419530000041
Figure BDA0003748419530000042
Figure BDA0003748419530000043
Figure BDA0003748419530000044
Fc和Fs均为测量时段的荷载最大值。
优选地，所述数据处理及轨道结构状态显示系统，具体用于计算道床垂向和横向位移不均匀系数C1和H1；
Figure BDA0003748419530000045
Figure BDA0003748419530000046
式中，A9c第9根轨枕垂向位移；A8c第8根轨枕垂向位移；A7c第7根轨枕垂向位移；A6c第6根轨枕垂向位移；A5c第5根轨枕垂向位移；A4c第4根轨枕垂向位移；A3c第5根轨枕垂向位移；A2c第2根轨枕垂向位移；A1c第1根轨枕垂向位移；A9s第9根轨枕横向位移；A8s第8根轨枕横向位移；A7s第7根轨枕横向位移；A6s第6根轨枕横向位移；A5s第5根轨枕横向位移；A4s第4根轨枕横向位移；A3s第5根轨枕横向位移；A2s第2根轨枕横向位移；A1s第1根轨枕横向位移。
优选地，所述数据处理及轨道结构状态显示系统，具体用于计算单个轨枕垂向位移回弹百分比HT，用来评价捣固稳定作业后道床弹性和几何形位的垂向保持能力，垂向位移回弹百分比HT的计算公式如下：
Figure BDA0003748419530000051
Figure BDA0003748419530000052
Figure BDA0003748419530000053
式中，Aict1为t1时刻末第i根轨枕的垂向位移值；
Figure BDA0003748419530000054
为t1时刻末左侧测量系统第i根轨枕的垂向位移值；
Figure BDA0003748419530000055
为t1时刻末右侧测量系统第i根轨枕的垂向位移值；
Figure BDA0003748419530000056
为t2时刻末第i根轨枕的垂向位移值；
Figure BDA0003748419530000057
为t2时刻末左侧测量系统第i根轨枕的垂向位移值；
Figure BDA0003748419530000058
为t2时刻末右侧测量系统第i根轨枕的垂向位移值；HT为位移回弹百分比。
优选地，所述数据处理及轨道结构状态显示系统，具体用于在测量轨枕横向位移时，取轨枕在t3和t4时段各轨枕相对初始位置位移的最大值；
1)以t3测量时段为例，将左侧测量系统每根轨枕横向位移的最大值与右侧测量系统相应轨枕横向位移的最大值进行平均，得到每根轨枕的轨枕横向位移，第i根轨枕在t3测量时段线路左侧轨枕横向位移计算公式如下：
Figure BDA0003748419530000059
Figure BDA00037484195300000510
Figure BDA00037484195300000511
式中，Ais第i根轨枕横向位移，ZAismax为左侧测量系统轨枕横向位移的最大值，YAismax为右侧测量系统轨枕横向位移的最大值，j为轨排包含轨枕个数，PHAs为轨排中各轨枕位移的平均值，记为轨排整体横向位移；PHTAs为轨排所包含轨枕的总横向位移；
2)t4为线路右侧横向加载时间段，获取单个轨枕横向位移、轨排整体横向位移及轨排总横向位移的计算过程与左侧轨枕横向位移一致，最终评价时选取t3和t4时段最不利条件下，轨排整体横向位移和总横向位移的最大值进行分析；
3)在测量轨枕垂向位移时，取轨枕在t1时段各轨枕相对初始位置位移的最大值；
以t1测量时段为例，将左侧测量系统每根轨枕垂向位移的最大值与右侧测量系统相应轨枕垂向位移的最大值进行平均，得到每根轨枕的垂向位移评价值，简称轨枕垂向位移。第i根轨枕在t1测量时段轨枕垂向位移计算公式如下：
Figure BDA0003748419530000061
Figure BDA0003748419530000062
Figure BDA0003748419530000063
式中，Aic第i根轨枕垂向位移，ZAicmax为左侧测量系统轨枕位移的最大值，YAicmax为右侧测量系统轨枕垂向位移的最大值，j为轨排包含轨枕个数，PHAc为轨排中各轨枕位移的平均值，记为轨排整体垂向位移；PHTAc为轨排所包含轨枕的总垂向位移。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实现了稳定车养护维修加智能化自检测的一体化工作模式，摆脱了以往在捣固稳定作业后拆除扣件测试道床纵、横向阻力、支承刚度的费时、费力的局限性，具有测量范围大、精度高、速度快等优点，能够为铁路有砟轨道高质量捣固稳定作业提供关键技术支撑，有利于解决捣固稳定作业后有砟轨道状态无法及时获取和评价反馈的难题。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的一种智能稳定车平面图；
图2为本发明实施例提供的一种智能稳定车侧面图A；
图3为本发明实施例提供的一种智能稳定车侧面图B；
图4为本发明实施例提供的一种高频相机安装细部；
图5为本发明实施例提供的一种标定板俯视图；
图6为本发明实施例提供的一种高频相机最优拍摄角度和最大拍摄角度关系示意图；
图7为本发明实施例提供的一种相机标定及坐标原点确定示意图；
图8为本发明实施例提供的一种测量坐标系重建及测点位置示意图；
图9为本发明实施例提供的一种单个轨枕横向位移更新原理图(实际图像)；
图10为本发明实施例提供的一种单个轨枕横向位移更新原理图(像素)；
图11为本发明实施例提供的一种单个稳定装置单侧垂直下压力荷载曲线示意图；
图12为本发明实施例提供的一种单套稳定装置一个周期内激振力变化曲线示意图；
图13为本发明实施例提供的一种稳定装置本体垂直下压力位置及各轨枕垂向位移示意图；
图14为本发明实施例提供的一种稳定装置本体横向加载位置及各轨枕横向位移示意图；
图15为本发明实施例提供的一种捣固稳定作业后有砟轨道质量状态评价机制示意图。
图中，1.稳定车本体；2.前稳定装置本体；3.后稳定装置本体；4.车厢本体；5.第一号位高频摄像机；6.第二号位高频摄像机；7.第三号位高频摄像机；8.第四号位高频摄像机；9.第一号位悬挂装置；10.第二号位悬挂装置；11.第三号位悬挂装置；12.第四号位悬挂装置；13.第一防抖动装置；14.第二防抖动装置；15.第三防抖动装置；16.第四防抖动装置；17.第一号位平行光源；18.第二号位平行光源；19.第三号位平行光源；20.第四号位平行光源；21.第一垂横向力记录仪；22.第二垂横向力记录仪；23.测量数据存储器；24.数据处理及轨道结构状态显示系统；25.数据传输及导线；26.第一伸缩杆；27.第二伸缩杆；28.第一固定装置；29.第二固定装置；30.第一标定板；31.第二标定板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
鉴于我国铁路网规模大，行车密度高，维修天窗短，且新建铁路开通要求高，现有的大型捣固车或稳定车虽能进行养护维修作业，但均无法及时检测和评价作业后有砟轨道的质量状态。基于此，本发明提出了一种检测捣固稳定作业后有砟轨道质量状态的智能稳定车，该智能稳定车的平面图如图1所示，侧面图A如图2所示，车侧面图B如图3所示。包括稳定车本体1、前稳定装置本体2、后稳定装置本体3、车厢本体4、第一号位高频摄像机5、第二号位高频摄像机6、第三号位高频摄像机7、第四号位高频摄像机8、第一号位悬挂装置9、第二号位悬挂装置10、第三号位悬挂装置11、第四号位悬挂装置12、第一防抖动装置13、第二防抖动装置14、第三防抖动装置15、第四防抖动装置16、第一号位平行光源17、第二号位平行光源18、第三号位平行光源19、第四号位平行光源20、第一垂横向力记录仪21、第二垂横向力记录仪22、测量数据存储器23、数据处理及轨道结构状态显示系统24、数据传输及导线25、第一伸缩杆26、第二伸缩杆27、第一固定装置28、第二固定装置29、第一标定板30和第二标定板31。
在本发明提供的实施例中，智能稳定车是在原有稳定车的基础上加装了智能感知系统，该智能感知系统包括轨枕位移测量系统(包括左、右两侧测量系统)、垂横向力记录装置、夜间照明系统、数据处理及轨道状态实时显示系统。
在本发明提供的实施例中，轨枕位移测量系统是由第一号位高频摄像机5、第二号位高频摄像机6、第三号位高频摄像机7、第四号位高频摄像机8、第一号位悬挂装置9、第二号位悬挂装置10、第三号位悬挂装置11、第四号位悬挂装置12、第一防抖动装置13、第二防抖动装置14、第三防抖动装置15、第四防抖动装置16、第一伸缩杆26、第二伸缩杆27、第一固定装置28、第二固定装置29、第一标定板30、第二标定板31、测量数据存储器23及处理模块组成。具体为：轨枕位移测量系统分为左右两个部分，左侧测量系统由第一号位摄像机5、第三号位摄像机7、第一号位悬挂装置9、第三号位悬挂装置11、第一防抖动装置13、第三防抖动装置15、第一伸缩杆26、第一固定装置28、第一标定板30及测量数据存储器23组成；右侧测量系统由第二号位摄像机6、第四号位摄像机8、第二号位悬挂装置10、第四号位悬挂装置12、第二防抖动装置14、第四防抖动装置16、第二伸缩杆27、第二固定装置29、第二标定板31及测量数据存储器23组成。
在本发明提供的实施例中，高频相机的安装细部如图4所示，第一号位悬挂装置9、第二号位悬挂装置10、第三号位悬挂装置11、第四号位悬挂装置12分别固定第一号位高频摄像机5、第二号位高频摄像机6、第三号位高频摄像机7、第四号位高频摄像机8，并与车厢本体4连接。
在本发明提供的实施例中，本发明实施例提供的一种标定板俯视图图图5所示，高频相机最优拍摄角度和最大拍摄角度关系如图6所示，相机标定及坐标原点确定如图7所示。如图5、6、7所示，第一伸缩杆26、第二伸缩杆27、第一固定装置28和第二固定装置29用于固定第一标定板30和第二标定板31，确保相机标定时，第一标定板30和第二标定板31可以达到指定位置；相机标定完成时，第一标定板30和第二标定板31可以归位，不影响正式测量。
在本发明提供的实施例中，如图1和2所示，垂横向力测量装置是通过第一垂横向力记录仪21、第二垂横向力记录仪22采集在轨枕垂横向位移测量过程中前后稳定装置本体的单侧垂直下压力和水平激振力。其中单侧垂直下压力是由垂直下压油缸的油压、活塞面积、活塞杆面积进行换算得到的，而水平激振力是通过时间、激振频率、偏心块质量、偏心距进行换算得到的。在垂横向力记录仪21-22中，将任意时刻单侧垂直下压力用Fc表示，轨排总的垂直下压力用4Fc表示；任意时刻水平激振力用Fs表示，轨排总的水平激振力用2Fs表示，单个走行轮横向作用力用0.5Fs表示。
在本发明提供的实施例中，如图1所示，夜间照明系统是由第一号位平行光源17、第二号位平行光源18、第三号位平行光源19、第四号位平行光源20组成，并与车厢本体4连接，主要作用是为夜间条件、阴雨天气、光线不好条件下提供照明条件，保证高频相机的采样品质。
在本发明提供的实施例中，道床垂横向位移测量过程中，左右系统同时工作。将智能稳定车驶入捣固稳定作业后的测量区域，按照每100m选取一个测试区域，进行抽样检测，轨枕垂横向位移测量方案如下：
(1)选定检测区域，设置轨枕编号，确定轨排测试范围。将稳定车静止在轨排测试区域，使稳定车后稳定装置夹钳轮中心点位于轨枕3和4枕盒中心位置，如图6所示。
(2)调整相机拍摄角度。将第一号位5、第二号位相机6最优拍摄角度设置为α1，第三号位7、第四号位相机8最优拍摄角度设置α2，使相机最大拍摄范围β1、β2大于最优拍摄角度，如图6所示。
(3)相机标定，如图7所示。将第一标定板30和第二标定板31通过伸缩杆缓缓放下，使每个标定板的6个标记点处于相机最优拍摄角度范围内。左右轨枕位移系统分开标定，以左侧测量系统为例，具体标定过程如下：
1)输入第一号位高频摄像机5夹角γ1，第三号位高频摄像机8夹角γ2，相机间距离L。
2)以第一号相机5位置为原点，输入三维坐标o1(0,0,0)；第三号相机8位置采用相对坐标进行确定，输入位置o2(L,0,0)。
3)调整第一号位相机5清晰度，利用高频相机附近的激光发射器，测量第一号位相机5到第一标定板30的6个标记点(a1、a2、a3、a4、a5、a6)的距离，并将其自动输入到测量系统内。
4)调整第三号位相机7清晰度，利用高频相机附近的激光发射器，测量第三号位相机7到第一标定板30的6个标记点(a1、a2、a3、a4、a5、a6)的距离，并将其自动输入到测量系统内。
5)输入像素与实际图像之间的转换关系，如公式(1)所示。
Figure BDA0003748419530000111
式中，m为被测对象实际尺寸，单位是mm；n为图像中的像素数，单位是pixel，K为标定系数，单位是mm/pixel。
6)建立以第一号位高频相机5为原点，以线路纵向为X轴，横向为Z轴，轨枕垂直位移为Y轴的空间初始坐标系，完成相机标定，并将标定板缓缓收起至车厢底板附近。
(4)测点标记，图8为本发明实施例提供的一种测量坐标系重建及测点位置示意图，如图8所示。选取轨枕5离枕端50mm的位置作为测量系统原点，并用黑色制样笔标记，编号为ZA5(0,0,0)和YA5(0,0,0)。采用同样的方式，用黑色制样笔标记其他轨枕枕端。左侧测量系统轨枕位移测点编号为ZA1、ZA2、ZA3、ZA4、ZA5、ZA6、ZA7、ZA8、ZA9；右侧测量系统轨枕位移测点编号YA1、YA2、YA3、YA4、YA5、YA6、YA7、YA8、YA9。
(5)三维测量坐标系重建，如图8所示。以左侧测量系统为例，在原有标定坐标系的基础上，采用相对坐标法，以轨枕5的测点位置为坐标原点，根据公式(2)进行重建。
Figure BDA0003748419530000112
式中，(x0,y0,z0)为测量坐标系原点在标定坐标系中的坐标；(x1,y1,z1)为标定坐标系中任意一点坐标；(x2,y2,z2)是经过坐标变换，标定坐标系中任意一点在测量坐标系中的位置坐标。
(6)测点在测量系统中选定，并设置测量时间t。以单个轨枕左端的横向位移更新过程为例，本发明实施例提供的一种单个轨枕横向位移更新原理图(实际图像)如图9所示，一种单个轨枕横向位移更新原理图(像素)如图10所示。
1)选择t0时刻轨枕包含横向位移测点信息的正方形区域作为图像子区，记为参考子区。子区中心点坐标记为P0，坐标为(xs0,ys0,zs0)。
2)在测量过程中的任意时刻tx，通过追踪图像子区在移动后图像中的位置获得目标子区中心点位移矢量，目标子区中心点Ps的坐标(xs,ys,zs)可通过以下公式换算得到。
Figure BDA0003748419530000113
式中，μ为点Ps在X轴方向的位移分量；ν为点Ps在Z轴方向的位移分量。
3)通过时时更新，获得完整的轨枕横向位移与荷载曲线，记录t3时段轨枕横向位移的最大值。
4)同理，可通过设定参考子区，追踪目标子区的方式，获得O-XY平面内轨枕枕端测点的垂向位移。
(7)本发明实施例提供的一种单个稳定装置单侧垂直下压力荷载曲线示意图如图11所示，一种单套稳定装置一个周期内激振力变化曲线示意图如图12所示。采用稳定车本体荷载进行单项控制施加。测试荷载施加过程如下：
1)轨枕垂向位移测试时，横向位移测试功能关闭，稳定装置水平激振力设置为0或振动频率设置为0，保证仅有垂直下压力作用，将每套稳定装置的垂直下压力最大值设置为50kN，以时间函数施加到轨枕上，荷载公式如下：
Fc＝k1t1 (4)
Fc＝Fcmax-k2t2 (5)
t1+t2＝t (6)
式中，Fc为单套稳定装置一侧垂直下压力，单位：kN；k1荷载施加速率；单位：kN/s；t1为加载时间，单位：s；Fcmax为垂直下压力最大值，取50kN；k2卸载速率；t2为卸载时间，单位：s。
2)轨枕横向位移测试时，垂直下压力关闭，仅有水平激振力作用，前后稳定装置的激振频率设为20Hz，最大激振力为53kN，荷载公式如下：
Fs＝4meω2sinωt (7)
ω＝2πf(8)
Figure BDA0003748419530000121
式中，Fs为水平激振力，单位：kN；m为偏心块质量，单位：kg；ω为角频率，单位：rad/s；f为激振频率，单位：Hz；t为测量时间，单位：s；t3为线路左侧横向加载时间，t4为线路右侧横向加载时间。
(8)轨枕横向位移取值原则。在测量轨枕横向位移时，取轨枕在t3和t4时段各轨枕相对初始位置位移的最大值。
1)以t3测量时段为例，将左侧测量系统每根轨枕横向位移的最大值与右侧测量系统相应轨枕横向位移的最大值进行平均，得到每根轨枕的横向位移评价值，简称轨枕横向位移。第i根轨枕在t3测量时段(线路左侧)轨枕横向位移计算公式如下：
Figure BDA0003748419530000131
Figure BDA0003748419530000132
Figure BDA0003748419530000133
式中，Ais第i根轨枕横向位移，单位：mm；ZAismax为左侧测量系统轨枕横向位移的最大值，单位：mm；YAismax为右侧测量系统轨枕横向位移的最大值，单位：mm。在计算轨排横向位移时，利用公式(11)进行计算，式中j为轨排包含轨枕个数，取9；PHAs为轨排中各轨枕位移的平均值，记为轨排整体横向位移；PHTAs为轨排所包含轨枕的总横向位移。
2)t4为线路右侧横向加载时间段，获取单个轨枕横向位移、轨排整体横向位移及轨排总横向位移的计算过程与步骤1一致。最终评价时，选取t3和t4时段最不利条件下，轨排整体横向位移和总横向位移的最大值进行分析。
(9)轨枕垂向位移取值原则。在测量轨枕垂向位移时，取轨枕在t1时段各轨枕相对初始位置位移的最大值。
1)以t1测量时段为例，将左侧测量系统每根轨枕垂向位移的最大值与右侧测量系统相应轨枕垂向位移的最大值进行平均，得到每根轨枕的垂向位移评价值，简称轨枕垂向位移。第i根轨枕在t1测量时段轨枕垂向位移计算公式如下：
Figure BDA0003748419530000134
Figure BDA0003748419530000135
Figure BDA0003748419530000136
式中，Aic第i根轨枕垂向位移，单位：mm；ZAicmax为左侧测量系统轨枕位移的最大值，单位：mm；YAicmax为右侧测量系统轨枕垂向位移的最大值，单位：mm。在计算轨排垂向位移时，利用公式(12)进行计算，式中j为轨排包含轨枕个数，取9；PHAc为轨排中各轨枕位移的平均值，记为轨排整体垂向位移；PHTAc为轨排所包含轨枕的总垂向位移。
2)记录t1时刻末各个轨枕的垂向位移值和t2时刻末各轨枕的位移值，二者的差值与t1时刻末各个轨枕的最大垂向位移值作比，可得到各个轨枕的位移回弹百分比，具体计算公式如下：
Figure BDA0003748419530000141
Figure BDA0003748419530000142
Figure BDA0003748419530000143
式中，Aict1为t1时刻末第i根轨枕的垂向位移值；
Figure BDA0003748419530000144
为t1时刻末左侧测量系统第i根轨枕的垂向位移值；
Figure BDA0003748419530000145
为t1时刻末右侧测量系统第i根轨枕的垂向位移值；
Figure BDA0003748419530000146
为t2时刻末第i根轨枕的垂向位移值；
Figure BDA0003748419530000147
为t2时刻末左侧测量系统第i根轨枕的垂向位移值；
Figure BDA0003748419530000148
为t2时刻末右侧测量系统第i根轨枕的垂向位移值；HT为位移回弹百分比。
在本发明提供的实施例中，本发明实施例提供的一种稳定装置本体垂直下压力位置及各轨枕垂向位移示意图如图13所示，稳定装置本体横向加载位置及各轨枕横向位移示意图如图14所示，捣固稳定作业后有砟轨道质量状态评价机制示意图如图15所示。如图13、14和15所示，数据处理及轨道状态实时显示系统24是轨枕垂横向位移、垂直下压力、水平激振力数据存储、处理的核心模块，可以显示线路不同里程位置处捣固稳定作业后道床的状态指标，对线路的质量状态进行评价。
1)轨排下道床整体支承刚度(TPS)、轨排侧向道床整体横向阻力(TPL)、道床平均支承刚度(PS)、道床平均横向阻力(PL)评价捣固稳定作业后道床稳定状态。定义如下：
Figure BDA0003748419530000149
Figure BDA00037484195300001410
Figure BDA00037484195300001411
Figure BDA0003748419530000151
需要说明的是，Fc和Fs均为测量时段的荷载最大值。
2)道床垂向和横向位移不均匀系数(C1和H1)评价轨排中轨枕的状态。
Figure BDA0003748419530000152
Figure BDA0003748419530000153
式中，A9c第9根轨枕垂向位移；A8c第8根轨枕垂向位移；A7c第7根轨枕垂向位移；A6c第6根轨枕垂向位移；A5c第5根轨枕垂向位移；A4c第4根轨枕垂向位移；A3c第5根轨枕垂向位移；A2c第2根轨枕垂向位移；A1c第1根轨枕垂向位移；A9s第9根轨枕横向位移；A8s第8根轨枕横向位移；A7s第7根轨枕横向位移；A6s第6根轨枕横向位移；A5s第5根轨枕横向位移；A4s第4根轨枕横向位移；A3s第5根轨枕横向位移；A2s第2根轨枕横向位移；A1s第1根轨枕横向位移。轨枕垂向位移不均匀系数越大，轨枕的受力状态差别越大，存在空吊等不良现象越严重。
3)单个轨枕垂向位移回弹百分比(HT)评价捣固稳定作业后道床弹性和几何形位的垂向保持能力。垂向位移回弹百分比(HT)的定义见权利要求2公式(16)。垂向位移回弹百分比(HT)越大，单个轨枕下道床的弹性越好，轨道垂向几何形位保持能力越强。
综上所述，本发明提供的一种检测捣固稳定作业后有砟轨道质量状态的智能稳定车，通过在稳定车本体上设置第一位、第二位、第三位、第四位高频摄像机、号位悬挂装置及防抖动装置；在稳定车车厢底板稳定装置轴线外侧设置第一号位平行光源、第二号位平行光源、第三号位平行光源、第四号位平行光源，并在两侧平行光源之间设置可伸缩的相机标定板；在稳定装置上设置垂直下压力和水平激振力记录仪，且在稳定车本体车厢位置设置测量数据存储器，以及设置数据处理及实时显示系统，实现了有砟轨道质量状态的快速无损检测，提出了适用于夜间天窗时间进行的线路状态检测的新方法。该检测方法利用数字图像识别功能获取轨枕垂向和横向位移，通过垂横向力记录仪获得稳定装置施加给轨排的垂向力和水平力，借助数理统计算法，得到了单个轨排范围内各轨枕的垂向位移量和横向位移量、垂向位移回弹百分比、轨排下道床整体支承刚度、轨排侧向道床整体横向阻力、道床平均支承刚度、道床平均横向阻力、轨枕垂向位移不均匀系数、轨枕横向位移不均匀系数，并以轨排下道床整体支承刚度、轨排侧向道床整体横向阻力、道床平均支承刚度、平均横向阻力评价捣固稳定作业后道床稳定状态，以道床垂向和横向位移不均匀系数评价轨排中轨枕的状态，以单个轨枕垂向位移回弹百分比评价维修作业后道床弹性和几何形位垂向保持能力，有利于及时掌握捣固稳定作业质量，调整捣固稳定作业参数，保证大型捣固车与稳定车的高质量养护维修作业。
本发明实现了稳定车养护维修加智能化自检测的一体化工作模式，摆脱了以往在捣固稳定作业后拆除扣件测试道床纵、横向阻力、支承刚度的费时、费力的局限性，具有测量范围大、精度高、速度快等优点，能够为铁路有砟轨道高质量捣固稳定作业提供关键技术支撑，有利于解决捣固稳定作业后有砟轨道状态无法及时获取和评价反馈的难题。
本发明给出的检测技术在实际应用中可根据工程条件及需求灵活操作，不受天气等条件影响，相关技术还可用于除捣固稳定作业外其他情况的线路质量状态检测及评价，适用范围广。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种检测捣固稳定作业后有砟轨道质量状态的智能稳定车，其特征在于，包括：稳定车本体、前稳定装置本体、后稳定装置本体和智能感知系统，所述智能测试系统包括轨枕位移测量系统、垂横向力记录仪、夜间照明系统、数据处理及轨道结构状态显示系统；
在稳定车本体上设置高频摄像机、悬挂装置及防抖动装置；在稳定车车厢底板稳定装置轴线外侧设置平行光源，并在两侧平行光源之间设置可伸缩的相机标定板；在稳定装置上设置垂直下压力和水平激振力记录仪，且在稳定车本体车厢位置设置测量数据存储器、设置数据处理及实时显示系统，所述智能感知系统利用数字图像识别功能获取轨枕垂向和横向位移，通过垂横向力记录仪获得稳定装置施加给轨排的垂向力和水平力，借助数理统计算法得到单个轨排范围内各轨枕下有砟道床的质量状态及轨排整体状态。
2.根据权利要求1所述的智能稳定车，其特征在于，所述轨枕位移测量系统分为左右两个部分，左侧轨枕位移测量系统由第一号位摄像机、第三号位摄像机、第一号位悬挂装置、第三号位悬挂装置、第一防抖动装置、第三防抖动装置、第一伸缩杆、第一固定装置、第一标定板及测量数据存储器组成；
右侧轨枕位移测量系统由第二号位摄像机、第四号位摄像机、第二号位悬挂装置、第四号位悬挂装置、第二防抖动装置、第四防抖动装置、第二伸缩杆、第二固定装置、第二标定板及测量数据存储器组成；
所述第一号位悬挂装置、第二号位悬挂装置、第三号位悬挂装置、第四号位悬挂装置分别固定第一号位高频摄像机、第二号位高频摄像机、第三号位高频摄像机、第四号位高频摄像机；所述第一伸缩杆和第一固定装置用于固定第一标定板，所述第二伸缩杆和第二固定装置用于固定第二标定板。
3.根据权利要求2所述的智能稳定车，其特征在于，在道床垂横向位移测量过程中，左侧轨枕位移测量系统和右侧轨枕位移测量系统同时工作，以左侧测量系统为例，轨枕垂横向位移测量过程如下：
(1)选定检测区域，设置轨枕编号，确定轨排测试范围，将稳定车静止在轨排测试区域，使稳定车后稳定装置夹钳轮中心点位于轨枕的枕盒中心位置；
(2)调整相机拍摄角度，将第一号位、第二号位相机最优拍摄角度设置为α1，第三号位、第四号位相机最优拍摄角度设置α2，使相机最大拍摄范围β1、β2大于最优拍摄角度；
(3)相机标定，将第一标定板和第二标定板通过伸缩杆缓缓放下，使每个标定板的6个标记点处于相机最优拍摄角度范围内，左右轨枕位移系统分开标定；
(4)测点标记，选取轨枕离枕端50mm的位置作为测量系统原点，并用黑色制样笔标记，采用同样的方式，用黑色制样笔标记其他轨枕枕端；
(5)三维测量坐标系重建，在原有标定坐标系的基础上，采用相对坐标法，以轨枕的测点位置为坐标原点，根据公式(2)进行重建；
Figure FDA0003748419520000021
式中，(x0,y0,z0)为测量坐标系原点在标定坐标系中的坐标；(x1,y1,z1)为标定坐标系中任意一点坐标；(x2,y2,z2)是经过坐标变换，标定坐标系中任意一点在测量坐标系中的位置坐标；
(6)在测量系统中选定测点，并设置测量时间t；
(7)测试荷载施加，采用稳定装置本体荷载进行单项控制施加，具体如下：
1)轨枕垂向位移测试时，横向位移测试功能关闭，稳定装置水平激振力设置为0或振动频率设置为0，保证仅有垂直下压力作用，将每套稳定装置的垂直下压力最大值设置为50kN，以时间函数施加到轨枕上，荷载公式如下：
Fc＝k1t1(4)
Fc＝Fcmax-k2t2(5)
t1+t2＝t(6)
式中，Fc为单套稳定装置一侧垂直下压力，单位：kN；k1荷载施加速率；单位：kN/s；t1为加载时间，单位：s；Fcmax为垂直下压力最大值，取50kN；k2卸载速率；t2为卸载时间，单位：s；
2)轨枕横向位移测试时，垂直下压力关闭，仅有水平激振力作用，前后稳定装置的激振频率设为20Hz，最大激振力为53kN，荷载公式如下：
Fs＝4meω2sinωt(7)
ω＝2πf(8)
Figure FDA0003748419520000022
式中，Fs为水平激振力，单位：kN；m为偏心块质量，单位：kg；ω为角频率，单位：rad/s；f为激振频率，单位：Hz；t为测量时间，单位：s；t3为线路左侧横向加载时间，t4为线路右侧横向加载时间；
(8)轨枕横向位移取值原则，在测量轨枕横向位移时，取轨枕在各个时段各轨枕相对初始位置位移的最大值，最终评价时选取各个时段最不利条件下，轨排整体横向位移和总横向位移的最大值进行分析；
(9)轨枕垂向位移取值原则，在测量轨枕垂向位移时，取轨枕在各个时段各轨枕相对初始位置位移的最大值。
4.根据权利要求2所述的智能稳定车，其特征在于，所述垂横向力测量装置通过第一、第二垂横向力记录仪来采集在轨枕垂横向位移测量过程中前后稳定装置本体的单侧垂直下压力和水平激振力，单侧垂直下压力是由垂直下压油缸的油压、活塞面积和活塞杆面积进行换算得到的，而水平激振力是通过时间、激振频率、偏心块质量和偏心距进行换算得到的。
5.根据权利要求1所述的智能稳定车，其特征在于，所述夜间照明系统由第一号位平行光源、第二号位平行光源、第三号位平行光源和第四号位平行光源组成。
6.根据权利要求2所述的智能稳定车，其特征在于，所述数据处理及轨道结构状态显示系统用于计算轨枕垂横向位移、垂直下压力和水平激振力数据，显示线路不同里程位置处捣固稳定作业后道床的状态指标，对线路的质量状态进行评价。
7.根据权利要求6所述的智能稳定车，其特征在于，所述数据处理及轨道结构状态显示系统，具体用于在垂横向力记录仪中，将任意时刻单侧垂直下压力用Fc表示，轨排总的垂直下压力用4Fc表示；任意时刻水平激振力用Fs表示，轨排总的水平激振力用2Fs表示，单个走行轮横向作用力用0.5Fs表示，轨排下道床整体支承刚度TPS、轨排侧向道床整体横向阻力TPL、道床平均支承刚度PS、道床平均横向阻力PL评价捣固稳定作业后道床稳定状态，定义如下：
Figure FDA0003748419520000031
Figure FDA0003748419520000032
Figure FDA0003748419520000033
Figure FDA0003748419520000041
Fc和Fs均为测量时段的荷载最大值。
8.根据权利要求6所述的智能稳定车，其特征在于，所述数据处理及轨道结构状态显示系统，具体用于计算道床垂向和横向位移不均匀系数C1和H1；
Figure FDA0003748419520000042
Figure FDA0003748419520000043
式中，A9c第9根轨枕垂向位移；A8c第8根轨枕垂向位移；A7c第7根轨枕垂向位移；A6c第6根轨枕垂向位移；A5c第5根轨枕垂向位移；A4c第4根轨枕垂向位移；A3c第5根轨枕垂向位移；A2c第2根轨枕垂向位移；A1c第1根轨枕垂向位移；A9s第9根轨枕横向位移；A8s第8根轨枕横向位移；A7s第7根轨枕横向位移；A6s第6根轨枕横向位移；A5s第5根轨枕横向位移；A4s第4根轨枕横向位移；A3s第5根轨枕横向位移；A2s第2根轨枕横向位移；A1s第1根轨枕横向位移。
9.根据权利要求6所述的智能稳定车，其特征在于，所述数据处理及轨道结构状态显示系统，具体用于计算单个轨枕垂向位移回弹百分比HT，用来评价捣固稳定作业后道床弹性和几何形位的垂向保持能力，垂向位移回弹百分比HT的计算公式如下：
Figure FDA0003748419520000044
Figure FDA0003748419520000045
Figure FDA0003748419520000046
式中，Aict1为t1时刻末第i根轨枕的垂向位移值；
Figure FDA0003748419520000047
为t1时刻末左侧测量系统第i根轨枕的垂向位移值；
Figure FDA0003748419520000048
为t1时刻末右侧测量系统第i根轨枕的垂向位移值；
Figure FDA0003748419520000049
为t2时刻末第i根轨枕的垂向位移值；
Figure FDA00037484195200000410
为t2时刻末左侧测量系统第i根轨枕的垂向位移值；
Figure FDA00037484195200000411
为t2时刻末右侧测量系统第i根轨枕的垂向位移值；HT为位移回弹百分比。
10.根据权利要求2中所述的智能稳定车，其特征在于，所述数据处理及轨道结构状态显示系统，具体用于在测量轨枕横向位移时，取轨枕在t3和t4时段各轨枕相对初始位置位移的最大值；
1)以t3测量时段为例，将左侧测量系统每根轨枕横向位移的最大值与右侧测量系统相应轨枕横向位移的最大值进行平均，得到每根轨枕的轨枕横向位移，第i根轨枕在t3测量时段线路左侧轨枕横向位移计算公式如下：
Figure FDA0003748419520000051
Figure FDA0003748419520000052
Figure FDA0003748419520000053
式中，Ais第i根轨枕横向位移，ZAismax为左侧测量系统轨枕横向位移的最大值，YAismax为右侧测量系统轨枕横向位移的最大值，j为轨排包含轨枕个数，PHAs为轨排中各轨枕位移的平均值，记为轨排整体横向位移；PHTAs为轨排所包含轨枕的总横向位移；
2)t4为线路右侧横向加载时间段，获取单个轨枕横向位移、轨排整体横向位移及轨排总横向位移的计算过程与左侧轨枕横向位移一致，最终评价时选取t3和t4时段最不利条件下，轨排整体横向位移和总横向位移的最大值进行分析；
3)在测量轨枕垂向位移时，取轨枕在t1时段各轨枕相对初始位置位移的最大值；
以t1测量时段为例，将左侧测量系统每根轨枕垂向位移的最大值与右侧测量系统相应轨枕垂向位移的最大值进行平均，得到每根轨枕的垂向位移评价值，简称轨枕垂向位移。第i根轨枕在t1测量时段轨枕垂向位移计算公式如下：
Figure FDA0003748419520000054
Figure FDA0003748419520000055
Figure FDA0003748419520000056
式中，Aic第i根轨枕垂向位移，ZAicmax为左侧测量系统轨枕位移的最大值，YAicmax为右侧测量系统轨枕垂向位移的最大值，j为轨排包含轨枕个数，PHAc为轨排中各轨枕位移的平均值，记为轨排整体垂向位移；PHTAc为轨排所包含轨枕的总垂向位移。
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