激光扫描在轨道限界检测中的应用
摘 要:介绍了检测系统的设计、数据处理、检测结果。该系统对保障不断 发展ด 的轨道 交通 运输安全有重要意义。
关键词:城市轨道交通;激光扫描;限界
1 引言
随着我国客运专线的建设,对限界的要求也更为严格。在城市轨道交通中,也存在大量限界检测的要求。 目前 我国仅有的2辆隧道检测车,只能用于隧道检测,不能检测其他限界,远远不能满足实际需要。国内市场上 应用 的静态限界检测设备,一般多为三角架方式的定点检测,检测一个断面需要几分钟甚至更长的时间。如果能够实时、连续对限界状况进行检测,并将检测数据存入数据库中,就能够实时掌握限界变化,及时消除 影响 运输安全的隐患。因此,迫切需要研发一套能够快速、连续测量列车、接触网、线路、桥梁、隧道、站台、道床断面等限界数据的检测设备,以满足不断发展的轨道交通安全运输的需要。
2 检测系统设计及验证
2.1 系统设计
采用传统的激光测距技术测量限界,精度很高,但效率低,适用于施工验收等对精度✍要求较高等情况。对于日常检查,则精度要求相对较低,但要求检测效率高、速度快。通过对相关ฒ检测技术的调查 研究 和试验,发现采用激光扫描技术,可以大大提高检测速度,实现快速连续检测的要求,而且可以应用在线路的任何位置。
激光扫描检测的基本原理是采用时间 计算 法测量距离。测量启动时,发射激光,计时开始,激光经镜子反射打在目标物上,漫反射后的接受光束经镜子发射到成像二极管时,计时结束,用光束发射到接收所花费的时间转换为距离值,这样就完成一次测量,这种测试简称为TOF。镜子按某一固定的速度360°旋转,完成各个角度的测量。数据以极坐标的形式存储在传感器的存储器中,由接口电路发送给上位计算机。
检测系统设计为便携式连续测量方式。要实现连续测量,需要有里程定位装置,实现里程的自动累加(减),并可按照固定的采样间隔进行测量。由于测量系统结构简单,检测设备能够安装在可折叠的移动小车上,采用人工推行的方式检测(图1),也可固定在移动车辆上实现检测。检测系统构成框图见图2。计算机可采用小型工控机或笔记本进行处理,由于测量的主要处理能够在传感器的处理芯片中进行,系统可采用掌上电脑记录和处理。
2.2 系统验证 在铁路与地铁隧道断面检测中,坐标原点为轨道中心线,因此,必须扫描到 2 根钢轨才能确定扫描断面。如果采用2个传感器势必重量和体积都变得很大,不符合便携检测单元的设计原则。因此,要实现隧道和线路断面的限界检测,必须采用扫描角度>270°,安装后能够直接扫描到钢轨位置的♪传感器。
3 数据处理
检测系统经室内试验和公路隧道中进行的试验♒后,在对检测数据进行 分析 时发现,要使测试设备能够满足实际使用,必须要解决坐标系的建立 问题 。
3.1 坐标系的建立
计算机从传感器接收到的数据,是以传感器为原点,垂直于传感器平面的极坐标值,因此,必须转换为实际的应用坐标。在轨道交通界限检测中,坐标原点为轨道中心线。扫描断面必须首先确定 2 根钢轨顶面位置,并修正检测断面与轨道中心线的夹角,才能得到检测断面的实际数据。安装在行进车辆上进行动态测量时,需由惯性平台提供的车辆运行姿态对测试数据进行补偿,才能得到准确的限界数据。
3.2 辅助测量系统
我们在人工推行的测量小车这一辅助测量系统中,采用机械装置使测量小车的接触轮与钢轨保持方向一致,使传感器的扫描断面垂直于小车的前进方向,传感器的安装平面垂直于由2个接触轮形成的轨道平面。这样,一旦传感器完成安装,就可确定得到一侧轨道与传感器的位置关系,另一侧位置则由轨距测量值修正后得到。因此,实际的测量小车具有距离定位和轨距测量功能。
4 检测系统的功能
我们研制完成后的检测系统具有限界检测、里程定位,并提供轨距和接触网位置参数等功能。数据可以按距离采样储存,提供侵入限界的具体位置和坐标。由于数字化存储,数据可以按任意给定的坐标提供数据。可以导入数据库中管理,按用户要求提供某一区段的最小限界,为运输安全提供限界数据。
图4为在一铁路线路上进行的测试情况。图中能够清晰地看到所检测到的接触网杆、导线位置、道床断面、围墙等轨道周围的物体形状。
图5为检测系统实测的隧道断面图,图中的红色线为内燃机车牵引线路的建筑接近限界和隧道限界,蓝色线为实测隧道断面。图中可以看到有明显限界超限存在。
5 结束语
通过检测系统的实测验证,说明采用激光扫描技术可以实现限界的快速连续检测,满足实际需要。实测的数据也表明,经过多年的轨道维修和隧道维修,实际断面与原设计断面发生了较大的变化。 应用 激光扫描检测技术,能够及时准确地检测限界状况,了解线路、站台、桥梁和隧道的实际状态,保障轨道 交通 运输安全。