铁路轨道外轨超高测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了一种新型的铁路轨道外轨超高检测系统及方法，能够悬挂于普通客运或货运列车车体外对外轨超高进行全天候实时监控测量。所述系统能够方便的挂载于普通车厢外部，实现了低成本、高精度的自动化实时监控测量，并能将测量数据保存和导出为铁路管护工作者在轨道超高管护决策时提供可靠的数据依据；且系统采用模块化设计，便于设备的升级和维护，应用前景广阔；系统使用安全高效，无需提前封闭待测量的铁路运营线路，可方便的挂载在普通铁路客运或货运车辆进行实时测量和测量数据的存储；一套系统可测量多条铁路线路，提高系统利用率，降低了检测设备购置费。

Ultra high measurement system and method for rail external rail

The invention proposes a new detection system and method for outer rail of railway track. It can hang on the outer rail of the ordinary passenger transport or freight train and carry out all-weather real-time monitoring and measuring. \u6240\u8ff0\u7cfb\u7edf\u80fd\u591f\u65b9\u4fbf\u7684\u6302\u8f7d\u4e8e\u666e\u901a\u8f66\u53a2\u5916\u90e8\uff0c\u5b9e\u73b0\u4e86\u4f4e\u6210\u672c\u3001\u9ad8\u7cbe\u5ea6\u7684\u81ea\u52a8\u5316\u5b9e\u65f6\u76d1\u63a7\u6d4b\u91cf\uff0c\u5e76\u80fd\u5c06\u6d4b\u91cf\u6570\u636e\u4fdd\u5b58\u548c\u5bfc\u51fa\u4e3a\u94c1\u8def\u7ba1\u62a4\u5de5\u4f5c\u8005\u5728\u8f68\u9053\u8d85\u9ad8\u7ba1\u62a4\u51b3\u7b56\u65f6\u63d0\u4f9b\u53ef\u9760\u7684\u6570\u636e\u4f9d\u636e\uff1b\u4e14\u7cfb\u7edf\u91c7\u7528\u6a21\u5757\u5316\u8bbe\u8ba1\uff0c\u4fbf\u4e8e\u8bbe\u5907\u7684\u5347\u7ea7\u548c\u7ef4\u62a4\uff0c\u5e94\u7528\u524d\u666f\u5e7f\u9614\uff1b\u7cfb\u7edf\u4f7f\u7528\u5b89\u5168\u9ad8\u6548\uff0c\u65e0\u9700\u63d0\u524d\u5c01\u95ed\u5f85\u6d4b\u91cf\u7684\u94c1\u8def\u8fd0\u8425\u7ebf\u8def\uff0c\u53ef\u65b9\u4fbf\u7684\u6302\u8f7d\u5728\u666e\u901a\u94c1\u8def\u5ba2\u8fd0\u6216\u8d27\u8fd0\u8f66\u8f86\u8fdb\u884c\u5b9e\u65f6\u6d4b\u91cf\u548c\u6d4b\u91cf\u6570\u636e\u7684\u5b58\u50a8\uff1b\u4e00\u5957\u7cfb\u7edf\u53ef\u6d4b\u91cf\u591a\u6761\u94c1\u8def\u7ebf\u8def\uff0c\u63d0\u9ad8\u7cfb\u7edf\u5229\u7528\u7387\uff0c\u964d\u4f4e\u4e86\u68c0\u6d4b\u8bbe\u5907\u8d2d\u7f6e\u8d39\u3002

【技术实现步骤摘要】
铁路轨道外轨超高测量系统及方法
本专利技术涉及一种铁路轨道外轨超高测量系统及方法。
技术介绍
铁路轨道超高是指曲线上外轨顶面应高于内轨顶面，形成一定超高度，以使车体重力的向心分力得以抵消其曲线运行时的离心力，保障铁路机车安全平稳的运行。多年来，我国高等级铁路系统正在飞速发展与完善，但在铁路轨道外轨超高检测方面依然存在不足，传统的铁路检测存在以下问题：依靠技术业务熟练的工作人员进行人工检测，有效检测时间受限于自然光照和天气状况，不能实现全天候检测且检测工作人员的工作量十分繁重；检测时需要封闭铁路线路，造成了一定程度上的铁路运力浪费，并且容易对检车人员及检测现场造成安全隐患；传统铁道外轨超高测量主要依靠测量尺这一设备，测量效率低且无法实时获得铁路数据；而且现阶段的铁道管护部门仍大量通过人工整理纸质或者电子文档的模式进行测量数据整理和存储，虽然其空间信息获取可以通过记录铁道里程桩号和GPS定位仪辅助获取，但最终仍需以人工的形式整理归档，由于数据测量地点的分布区域广、变化快等特点使得传统的人工测量和记录方式效率低、周期长、错误率高，以至于无法科学、及时的对铁道外轨超高进行测量。虽然国外的一些检测设备的部分功能可以满足外轨超高检测的需要，但设备昂贵，后续服务费用高，技术支持严重滞后，影响工作效率，因此，开发具有自主知识产权且价格合理的国产外轨超高检测设备势在必行。
技术实现思路
本专利技术提出了一种新型的外轨超高测量系统及方法，主要应用于对铁轨超高的测量。本专利技术采用以下技术方案：包括中央控制模块及分别与其相连接的空间定位模块、坡角测量模块、轨距测量模块；所述空间定位模块包括一个增量型光电编码器与一台GPS定位器组成；所述坡角测量模块包括两个加速度计、两台激光测距机及一个捷联式惯性导航系统；所述轨距测量模块包括一台黑白面阵相机及一台红外线性激光器；所述中央控制模块包括一部便携式数据处理器、无线局域网交换机及一台同步控制器组成。在本专利技术一实施例中，还包括一扩展模块；所述扩展模块；所述扩展模块包括用于上传、下载和存储铁路各里程对应的铁路轨道外轨超高测量数据的服务器。在本专利技术一实施例中，两台测距机垂直安装在一根铝合金型材上。在本专利技术一实施例中，黑白面阵相机相对钢轨所在水平面的安装夹角为α，α<90°；红外线性激光器相对钢轨所在水平面的安装夹角为β，β<90°。在本专利技术一实施例中，所述GPS定位器安装在车体顶部无遮挡处；增量型光电编码器与车轮同轴固定连接；增量型光电编码器随车轮每转动一周都会输出固定数目和周期长度的方波脉冲。本专利技术还提供一种铁路轨道外轨超高测量方法，其包括两种检测模式：经典模式和巡检模式；经典模式包括以下步骤：S1：设m为列车质量，v为列车行驶速度，ρ为列车拐弯时的曲率半径，g为重力加速度，G为列车所受重力，h为铁路轨道外轨超高，其向心力表达式如下式所示：由受力平衡，得到Jcosγ＝Gsinγ；γ为坡角值；步骤S3：将代入式Jcosγ＝Gsinγ，得到表达式：化简可得S1为铁路轨距；步骤S4：编码器测量得点Qi与点Qi+1之间的里程为Δd，同时由惯导测得点Qi对应的航向角为Ai，点Qi+1对应的航向角Ai+1，因此得到曲率Ki如表达式：曲率半径ρ：将代入得得到外轨超高的高度值h表达式:进一步的，巡检模式包括以下步骤：步骤S5：由得到：h＝S1×tanγ。在本专利技术一实施例中，经典模式中要求将列车限制在v＝N*Vmax，Vmax是该地段最大设计时速，N为常数。在本专利技术一实施例中，铁路轨距S1的测量包括以下步骤：步骤一：设在两个加速度计的辅助修正下由两台测距机测量铝合金型材到铁轨之间的距离分别为L1、L2，坡角测量模块与铁轨横断面的夹角为θ，则坡角测量模块与铁轨横断面的夹角满足函数关系表达式：δ为由捷联式惯性导航系统获取坡角测量模块与大地水平面的夹角，则γ、θ、δ的三角函数关系为：γ＝δ-θ；步骤二：轨距测量模块收到来自同步控制器的触发信号后通过黑白面阵相机拍摄红外激光线生成的原始灰度图像，此时激光线在图像上呈现为白色亮线，将原始灰度图像通过无线局域网交换机发送到便携式数据处理器，在便携式数据处理器中采用反溯算法滤除图像背景后得到的图像，采用反溯算法滤除白天检测时两条钢轨反射日光形成的两条带状亮线和夜晚检测时两条钢轨反射相机闪光灯形成的两条带状亮线后提取得到只含激光亮线的图像；步骤三：当相机和激光器安装位置和角度确定后，根据三角函数关系易得相机靶面上每个像元的尺寸均对应一定的实际物理距离，将图像中像素坐标映射为实际物理坐标后，由激光亮线在图像中长度所占的像素个数乘上每个像素所代表的实际物理距离，即测得激光亮线的实际长度，亦即铁路轨距。在本专利技术一实施例中，所述反溯算法滤除图像背景并提取激光亮线的基本原理为：对原始灰度图像中的像素进行纵向逐列扫描，设原始灰度图像高度是V，宽度是H，某像素的像素值是Pi、编号是i，图像中像素的像素值和像素编号之间都是一一对应的关系，所以某像素的像素编号i与其对应的像素值Pi的函数关系表达式如下式所示：f(i)＝Pi；{i|0≤i≤V×H-1；i∈Z+}重新上电或复位信号有效时将计数器清零，纵向逐列扫描判断某像素是否满足阈值，若满足阈值，则记录该像素对应的像素编号为起始像素编号且计数器自加一，直到遇到不满足阈值的像素时记录该不满足阈值的像素所对应的像素编号为“截止像素编号”且计数器自减一；若计数器的值大于激光亮线的理论像素宽度w时，根据“起始像素编号”和“截止像素编号”从记录的最后一个满足阈值的像素反溯回此段遍历中找到的第一个满足阈值的像素，一次性将这些像素的灰度值置为纯黑且计数器清零；将像素阈值和纵向遍历时连续且满足阈值的像素个数是否大于激光亮线的理论像素宽度同时作为是否满足反溯的条件，实现了反溯算法中的跨列反溯。在本专利技术一实施例中，当系统准备开始工作时，编码器开始以脉冲的形式记录里程信息，并且每隔一定的距离d向同步控制器发送一个信号；当该信号被同步控制器接收之后，同步控制器发送指令，令坡角测量模块与轨距测量模块并行操作，将所得的结果数据传入便携式数据处理器，对所得数据进行分析处理，得到最终结果并显示；然后又开始下一次的测量。本专利技术的优点在于：相比于昂贵的专用动检车头，该系统能够实现低成本的测量；设备安装简单，能够放置在普通车厢的外部；相比于传统的人工测量尺，该套系统能够安全且全天候实时的提供测量数据。本系统能以两种工作方式得出外轨超高的高度值h，在测量效率和可操控性方面有很大提升，极大的方便了铁路管护人员对铁路外轨超高的测量工作。附图说明图1为系统框图。图2为系统布局图。图3为编码器安装方式及位置图。图4为坡角测量模块工作原理图。图5为黑白面阵相机拍摄激光线原始灰度图像。图6为滤除图像背景后得到的图像。图7为激光亮线提取图。图8为纵向逐列扫描路径图。图9为轨距测量模块安装设计侧视图。图10为系统测量数据和逻辑控制信号连接关系图。图11为系统运行流程图。图12为列车转弯时列车受力分析图。图13为系统实现曲率半径测量原理图。图14为巡检模式下轨道超高测量计算原理图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步解释说明。本专利技术提出了一种新型的铁路轨道本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁路轨道外轨超高测量系统，其特征在于：包括中央控制模块及分别与其相连接的空间定位模块、坡角测量模块、轨距测量模块；所述空间定位模块包括一个增量型光电编码器与一台GPS定位器组成；所述坡角测量模块包括两个加速度计、两台激光测距机及一个捷联式惯性导航系统；所述轨距测量模块包括一台黑白面阵相机及一台红外线性激光器；所述中央控制模块包括一部便携式数据处理器、无线局域网交换机及一台同步控制器组成。

【技术特征摘要】
1.一种铁路轨道外轨超高测量系统，其特征在于：包括中央控制模块及分别与其相连接的空间定位模块、坡角测量模块、轨距测量模块；所述空间定位模块包括一个增量型光电编码器与一台GPS定位器组成；所述坡角测量模块包括两个加速度计、两台激光测距机及一个捷联式惯性导航系统；所述轨距测量模块包括一台黑白面阵相机及一台红外线性激光器；所述中央控制模块包括一部便携式数据处理器、无线局域网交换机及一台同步控制器组成。2.根据权利要求1所述的铁路轨道外轨超高测量系统，其特征在于：还包括一扩展模块；所述扩展模块；所述扩展模块包括用于上传、下载和存储铁路各里程对应的铁路轨道外轨超高测量数据的服务器。3.根据权利要求1所述的铁路轨道外轨超高测量系统，其特征在于：两台测距机垂直安装在一根铝合金型材上。4.根据权利要求1所述的铁路轨道外轨超高测量系统，其特征在于：所述黑白面阵相机相对钢轨所在水平面的安装夹角为α，α<90°；红外线性激光器相对钢轨所在水平面的安装夹角为β，β<90°。5.根据权利要求1所述的铁路轨道外轨超高测量系统，其特征在于：所述GPS定位器安装在车体顶部无遮挡处；增量型光电编码器与车轮同轴固定连接；增量型光电编码器随车轮每转动一周都会输出固定数目和周期长度的方波脉冲。6.一种铁路轨道外轨超高测量方法，其特征在于：包括两种检测模式：经典模式和巡检模式；经典模式包括以下步骤：S1：设m为列车质量，v为列车行驶速度，ρ为列车拐弯时的曲率半径，g为重力加速度，G为列车所受重力，h为铁路轨道外轨超高，其向心力表达式如下式所示：由受力平衡，得到Jcosγ＝Gsinγ；γ为坡角值；步骤S3：将代入式Jcosγ＝Gsinγ，得到表达式：化简可得S1为铁路轨距；步骤S4：编码器测量得点Qi与点Qi+1之间的里程为Δd，同时由惯导测得点Qi对应的航向角为Ai，点Qi+1对应的航向角Ai+1，因此得到曲率Ki如表达式：曲率半径ρ：将代入得得到外轨超高的高度值h表达式:进一步的，巡检模式包括以下步骤：步骤S5：由得到：h＝S1×tanγ。7.根据权利要求6所述的铁路轨道外轨超高测量方法，其特征在于：经典模式中要求将列车限制在v＝N*Vmax，Vmax是该地段最大设计时速，N为常数。8.根据权利要求6所述的铁路轨道外轨超高测量方法，其特征在于：铁路轨距S1的测量包括以下步骤：步骤一：设在两个加速度计的辅助修正下由两台测距机测量铝合金型材到铁轨之间的距离分别为L1、L2，坡角测量模块与铁轨横断面的夹角为θ，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏榕山，鲍晓天，张志勇，张小燕，张鑫刚，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35