激光長弦軌道檢查儀在城市軌道交通中的應(yīng)用

何孔太,劉 力

(1.北京鐵路局邯鄲工務(wù)段，河北邯鄲 056001； 2.鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，北京 100081)

軌道工程是城市軌道交通眾多子系統(tǒng)工程中與行車安全和行車舒適性關(guān)聯(lián)最為密切的子工程,而靜態(tài)幾何尺寸是衡量軌道工程質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。在城市軌道交通軌道工程的建設(shè)過程中,以往都是以人工測量的方式對軌道靜態(tài)幾何尺寸進(jìn)行驗(yàn)收,由于受測量時間的限制,往往不能對全線軌道進(jìn)行測量,而是以抽檢的方式進(jìn)行。如此一來,就只能了解局部的軌道狀態(tài),不能反應(yīng)全線的情況。激光長弦軌道檢查儀是代替人工測量的一種較好的方法,它具有高精度、高效率、易操作等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

激光長弦軌道檢查儀主要由激光發(fā)射小車、激光接收小車、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電源等四部分組成。

1.1 激光發(fā)射小車

激光發(fā)射小車主要由車體、電氣系統(tǒng)、發(fā)射器、轉(zhuǎn)臺控制器、電源等幾部分構(gòu)成,如圖1所示。其中車體是車上設(shè)備的支撐裝置,其下方安裝有走行輪和鎖緊裝置,用于發(fā)射小車的走行與固定；發(fā)射器是長弦激光的發(fā)射裝置；電氣系統(tǒng)用來接收激光接收小車發(fā)出的信號,并指令對1.車體2.發(fā)射裝置3.電氣箱4.鎖緊機(jī)構(gòu)5.電池盒，發(fā)射器發(fā)射激光方向進(jìn)行微調(diào)；轉(zhuǎn)臺控制器是對發(fā)射激光方向進(jìn)行調(diào)整的裝置。

注：1—車體；2—發(fā)射裝置；3—電氣箱；4—鎖緊裝置；5—電池盒

1.2 激光接收小車

激光接收小車主要由電氣系統(tǒng)、接收器、電源等構(gòu)成,如圖2所示。電氣裝置用來發(fā)射信號,對激光發(fā)射小車發(fā)出的激光束方向進(jìn)行微調(diào)；接收器用來接收激光光斑,并記錄其坐標(biāo)；激光接收小車還通過位于車底的傳感器對軌道的軌距和水平進(jìn)行測量。

注：1—車體；2—張緊機(jī)構(gòu)；3—走行輪；4—電移臺；5—接收裝置；6—計(jì)算機(jī)控制單元；7—電氣箱

1.3 電源系統(tǒng)

發(fā)射小車與接收小車各配有一塊電池,接收小車的電池在充滿電的情況下能連續(xù)工作7～8 h,發(fā)射小車由于耗電少,能連續(xù)工作10 h左右。所以每次長時間作業(yè)后都需要對電池進(jìn)行充電,充電時間一般為6 h左右。

1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)位于接收小車的托盤上,主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和處理工作。

2 測量原理

2.1 軌距、水平、扭曲的測量

對于軌道的軌距和水平,通過激光接收小車上的位移傳感器直接測量；扭曲通過測得的水平值以固定基長換算得到。

2.2 方向、高低的測量

測量時,選定一根鋼軌為基準(zhǔn)軌,由激光發(fā)射小車和接收小車之間的激光束建立“理論弦線”,接收小車推進(jìn)過程中,由安裝在接受小車上的激光接收器實(shí)時檢測當(dāng)前點(diǎn)相對于光束基準(zhǔn)在橫向和縱向上的偏差,從而計(jì)算當(dāng)前測點(diǎn)理論矢距與實(shí)測矢距差。

(1)線路模型

為計(jì)算當(dāng)前測點(diǎn)的理論矢距,需建立線路的理論模型。軌道工程常見的線型主要有：直線、圓曲線和緩和曲線3種,其中緩和曲線分為第1緩和曲線和第2緩和曲線。

①圓曲線

以起始點(diǎn)切線方向?yàn)閤軸,垂直于切點(diǎn)并指向內(nèi)部為y軸建立局部坐標(biāo)系,如圖3所示,圓曲線在局部坐標(biāo)系中以里程l為變量的方程為

x=R×sin(l/R)y=R×[1-cos(l/R)]

圖3 圓曲線局部坐標(biāo)模型

②第1緩和曲線

以起始點(diǎn)切線方向?yàn)閤軸,垂直于切點(diǎn)并指向內(nèi)部為y軸建立局部坐標(biāo)系,見圖4。第1緩和曲線(直線到圓曲線的過渡曲線)在局部坐標(biāo)系中以里程l為變量的方程

式中，c為曲率變化率，c=Rl0，l0為緩和曲線長度。

圖4 第1緩和曲線局部坐標(biāo)模型

③第2緩和曲線

第2緩和曲線是圓曲線到直線的過渡曲線,曲率由1/R線性遞減到0。以起點(diǎn)切線方向?yàn)閄軸,垂直于切線并指向曲線內(nèi)部為y軸,分別以YH和HZ為坐標(biāo)原點(diǎn)建立相應(yīng)坐標(biāo)系,見圖5。假設(shè)第2緩和曲線長度為lS,圓曲線半徑為R；令l′=lS-l；則第2緩和曲線在x—HZ—y坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x、y)為

圖5 第2緩和曲線局部坐標(biāo)模型

設(shè)YH點(diǎn)至JD點(diǎn)的距離為T2,HZ到JD的距離為T1,第2緩和曲線在x—HZ—y坐標(biāo)系中的切線方位角β=ls/2R,故

T1=x0-y0/tanβT2=y0/sinβ

由此可知,第2緩和曲線在以YH點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)公式為

X=(T1-x)×cosβ+T2-ysinβ

Y=(T1-x)×sinβ+ycosβ

④豎曲線模型

如圖6所示,變坡點(diǎn)前后坡度為i1,i2。

圖6 豎曲線模型示意

豎曲線半徑為R,豎曲線轉(zhuǎn)角為：α=π-(i1-i2),豎曲線長為：L=R(i1-i2)。當(dāng)-L/2≤l≤L/2時

x=R·sin(l/R)y=-R·[1-cos(l/R)]

當(dāng)l<-L/2時

x=(l+L/2)cos(L/2R)-R·sin(L/2R)

y=(l+L/2)sin(L/2R)-R·[1-cos(L/2R)]

當(dāng)l>L/2時

x=(l-L/2)cos(L/2R)+R·sin(L/2R)

y=-(l-L/2)sin(L/2R)-R·[1-cos(L/2R)]

(2)模型的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)被測線路設(shè)計(jì)要素,依照上述方式,計(jì)算機(jī)智能化建立計(jì)算模型。以里程l為變量,建立XOY坐標(biāo)系,如圖7所示。MN表示發(fā)射小車與接收小車之間的理論弦線。根據(jù)線性參數(shù)即可計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)之間任意點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖7 模型計(jì)算示意

在XOY坐標(biāo)系中,以里程l為變量,線路的坐標(biāo)方程為

x=f(l)y=g(l)

發(fā)射小車與接收小車的坐標(biāo)M(x1,y1)和N(x2,y2)的坐標(biāo)方程為

其中，l0為發(fā)射小車起始點(diǎn)里程,L為兩車之間的距離。

由此可得激光弦線MN的方程為

設(shè)小車前進(jìn)的里程為l,如圖7所示A0點(diǎn)的坐標(biāo)(x0,y0)可由線路坐標(biāo)方程求出,弦線上A點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y)可由弦線坐標(biāo)方程求出。A、A0點(diǎn)的縱坐標(biāo)之差y-y0折算到曲線法線方向上,即為當(dāng)前點(diǎn)的理論矢距f0,接收小車實(shí)測A′點(diǎn)至理論弦線MN的距離為fm0,由此可得該曲線上此點(diǎn)的軌向或高低的偏差值S0=fm0-f0。

3 測試方法

3.1 檢測儀就位

首先將發(fā)射小車與接收小車分別放置于線路預(yù)測段的始終點(diǎn),雙輪必須與接收器的雙輪置于同一軌上,并用張緊和夾緊裝置張緊,盡量使雙輪與軌面貼實(shí)。

3.2 儀器連線

連接電源線、視頻線和串口線,因?yàn)橐曨l線和串口線需要系統(tǒng)識別各自的驅(qū)動程序,因此其連線必須與相應(yīng)的USB口對應(yīng),不能混插。

3.3 初始化連接

首先打開發(fā)射器與接收器電源,通過觀察筒將發(fā)射器激光透射到接收器屏幕上,然后啟動計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。如圖8所示。若中間那個指示燈變綠,表明串口數(shù)據(jù)線連接正常,若該指示燈沒有變綠,則需要重插串口數(shù)據(jù)線,重新啟動軟件即可。

3.4 參數(shù)設(shè)置

軟件啟動后,需根據(jù)圖8所示界面進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

(1)線路名稱：所測試線路的名稱,文件保存在程序運(yùn)行目錄下的Data文件夾里,用于方便測試數(shù)據(jù)的查找。

(2)檢測起點(diǎn)里程：指每段測量的接收小車起始位置的絕對里程。

(3)對光位置：根據(jù)需要設(shè)置對光位置,將光斑對到接收器上指定位置。

(4)里程方向：指接收小車推進(jìn)方向。

(5)基準(zhǔn)：接收小車推進(jìn)時,雙輪所處的那側(cè)。

(6)跟蹤：是指采用電移臺執(zhí)行跟蹤任務(wù),擴(kuò)大測量行程,以適應(yīng)小曲線半徑的測量需要。主界面上的“位移修改”按鈕功能是讓電移臺向中心位置移動,控制電移臺移動至邊緣附近時的復(fù)位動作。

(7)動態(tài)測量：選擇該選項(xiàng)即可進(jìn)行動態(tài)測量,否則系統(tǒng)只有在接收小車停止時才進(jìn)行數(shù)據(jù)保存工作。

(8)保存數(shù)據(jù)：對光完畢,推行前將該項(xiàng)勾上即可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

(9)里程清零：點(diǎn)擊該按鈕即可將相對里程記錄從0開始,當(dāng)前里程將被計(jì)入下一次測量起始點(diǎn)的絕對里程。每段測量前都要進(jìn)行里程清零工作,保證相對里程都從零開始。

(10)設(shè)置：上述輸入?yún)?shù)項(xiàng)僅在點(diǎn)擊“設(shè)置”后才能生效。

圖8 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主界面示意

3.5 對光操作

參數(shù)設(shè)置完畢后,即可進(jìn)行對光操作。首先,根據(jù)被測區(qū)段線況,判斷測量行程是否能滿足測量需求。直線段和大半徑曲線測量時對光位置為X=0,Y=0,電移位移=0；小半徑曲線段測量時,為了擴(kuò)大測量范圍,對光位置可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。如果需要電移臺進(jìn)行跟蹤測量,則需要設(shè)置電移臺位移值。點(diǎn)擊“對光”按鈕,則電移臺根據(jù)需要移動到指定位置,系統(tǒng)默認(rèn)在設(shè)定值-5～5 mm,點(diǎn)擊“停止對光”即可停止電移臺移動。

電移臺設(shè)置工作后,即可根據(jù)測試需要進(jìn)行激光放射裝置的對光操作(注意：對光前要保證光斑打在接收器上)。軟件界面上有相關(guān)參數(shù)X和Y,可以根據(jù)需要設(shè)置對光位置。X即水平方向范圍：-80～80；Y即豎直方向范圍：-70～70。

為了提高測量效率,通常對光時水平和豎直位移的允許偏差控制在±2 mm內(nèi)即可,即右上角的水平位移和豎直位移值。后續(xù)數(shù)據(jù)處理軟件已經(jīng)對這些偏差進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理,所以只需保證在該段測量全過程中光斑始終在接收器上,不應(yīng)因?yàn)閷庥绊懥藴y量效率。

對光完畢后,點(diǎn)擊“停止對光”即可。

3.6 開始測量并記錄數(shù)據(jù)

根據(jù)測量需要,將窗口參數(shù)設(shè)置完畢后,即可勾上“保存數(shù)據(jù)”進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。當(dāng)為了保證足夠的測量精度,建議不采用“動態(tài)測量”模式,控制接收小車間隔推進(jìn),每1～2根枕停一次,或者根據(jù)現(xiàn)場需要,大概停頓3 s,如圖9所示待指示燈亮表示記錄數(shù)據(jù)完畢,繼續(xù)推進(jìn)。

圖9 記錄指示燈

如果系統(tǒng)測量時采用了“跟蹤模式”,則在主界面右上角“水平位移”示值在-90和90之外時,電移臺將執(zhí)行跟蹤任務(wù)。此時停止推行小車,待跟蹤任務(wù)完成后再繼續(xù)推行,以免造成測量誤差。

3.7 注意事項(xiàng)

(1)測量間距計(jì)算

對于直線段和大半徑曲線段測量來說,在保證精度的前提下,可以將測量間距控制在200～300 m；對于小半徑曲線來說,可以通過控制系統(tǒng)軟件中的“參數(shù)計(jì)算”模塊簡單計(jì)算當(dāng)前曲線下能測量的最大間距,如圖10所示。

圖10 參數(shù)計(jì)算器

由上述“計(jì)算器”計(jì)算出最大測量里程后,即確定了該段測量的間距值,此時需要將對光位置設(shè)為80或者-80；如需要電移臺執(zhí)行跟蹤,則需要將電移位移值設(shè)置為-240或者240。

(2)系統(tǒng)標(biāo)定

激光長弦軌道檢查儀在長期使用和搬運(yùn)后,肯定需要不定期的對軌距、水平、激光測量等單元進(jìn)行標(biāo)定,其界面如圖11所示。正常工作情況下,其標(biāo)定周期大概為1～2個月。

對于軌距測量而言,需要將軌距測量值與標(biāo)準(zhǔn)檢測完的道尺現(xiàn)場進(jìn)行核對,將偏差值在數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)中進(jìn)行參數(shù)修正即可。

圖11 參數(shù)修正界面

對于水平測量單元來說,具體操作就是進(jìn)行“掉頭測量”,看兩次測量數(shù)值大小是否一樣,方向是否相反。例如,當(dāng)前點(diǎn)測得橫向傾角為a,調(diào)頭測量當(dāng)前位置橫向傾角為b。如果a=-b,則表示水平測量單元很理想,不用修正；如果a與-b相差很大,則需要進(jìn)行修正,修正值即為(a+b)/2。

對于激光測量單元來說,主要就是檢查在理想的直線線路上,接收小車靠近發(fā)射小車后,光斑的水平位移和豎直位移是否歸零。通常在無砟線路的直線段即可進(jìn)行標(biāo)定工作。在正常的測量模式下,選一段比較理想的直線區(qū)段,測量間距控制在100 m左右。通過對光操作,將光斑盡量控制在零點(diǎn)附近。將接收小車向發(fā)射小車推進(jìn),直到接收小車貼上發(fā)射小車為止,查看此時光斑的水平位移和豎直位移值。

如果此時光斑的水平和豎直位移不在0(相差0.3 mm內(nèi)),則需要進(jìn)行修正。通過修改左水平零點(diǎn)像素值和左豎直零點(diǎn)像素值進(jìn)行左基準(zhǔn)的零點(diǎn)標(biāo)定工作；通過修改右水平零點(diǎn)像素值和右豎直零點(diǎn)像素值進(jìn)行右基準(zhǔn)的零點(diǎn)標(biāo)定工作。每個像素對應(yīng)0.3 mm位移值。

4 數(shù)據(jù)處理

每次測量完畢后,打開數(shù)據(jù)處理軟件對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,界面如圖12所示。

(1)首先,將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件,然后對輸出報(bào)表的里程間隔、計(jì)算的弦長、基長等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,點(diǎn)擊“應(yīng)用”按鈕即將這些參數(shù)記入本次計(jì)算。

(2)對于沒有平面曲線和豎面曲線的直線段來說,直接通過“直線輸出”,即可得到報(bào)表。

(3)對于平曲線和豎曲線段,需要對平曲線和豎曲線線形進(jìn)行設(shè)置,平縱曲線線形設(shè)置界面如圖13所示。

①平面曲線設(shè)置

圖13 曲線設(shè)置界面

對于平面曲線,需要對特征點(diǎn)里程、曲線元長度、曲線半徑等參數(shù)進(jìn)行輸入。

特征點(diǎn)絕對里程是指位于接收小車開始推進(jìn)的后方的曲線要素點(diǎn),如圖14所示。虛線表示每次測量的激光弦,其平面參數(shù)對于激光弦1來說,此時處理軟件中的特征點(diǎn)指圖中特征點(diǎn)A, 曲線元則依次為曲線元1、曲線元2、曲線元3；對于激光弦2來說,此時特征點(diǎn)指圖中特征點(diǎn)B,曲線元則依次為曲線元2和曲線元3；對于激光弦3來說,特征點(diǎn)指圖中的特征點(diǎn)A,曲線元指曲線元1和曲線元2。

圖14 平面參數(shù)示意

②豎曲線設(shè)置

豎面參數(shù)則相對來說比較簡單,變坡點(diǎn)即是當(dāng)前測量區(qū)段附近的變坡點(diǎn),而相應(yīng)的坡度值為變坡點(diǎn)前后的坡度值。只有當(dāng)測量段在豎曲線范圍內(nèi)時才需要輸入變坡點(diǎn)絕對里程和坡度值,否則不需要輸豎面參數(shù)值,系統(tǒng)默認(rèn)為直線。

(4)數(shù)據(jù)輸出

用激光長弦軌道檢查儀對線路進(jìn)行靜態(tài)檢測時,選中“靜態(tài)檢測”按鈕,報(bào)表則以“靜態(tài)檢測”模式輸出。報(bào)表格式如表1所示。其輸出變量為：里程、基準(zhǔn)軌長弦軌向和基準(zhǔn)軌長弦高低(或者中線長弦軌向、中線長弦高低)、左軌正矢、右軌正矢、左軌高低、右軌高低、軌距偏差、超高、扭曲、設(shè)計(jì)超高等軌道幾何狀態(tài)參數(shù)。

表1 靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)報(bào)表格式

5 結(jié)論

在北京市軌道交通大興線軌道工程的驗(yàn)收過程中,運(yùn)用長弦軌道檢查儀代替人工測量,在短短1周的時間內(nèi)對全線軌道進(jìn)行了測試,極大地提高了測量效率,保障了軌道工程的質(zhì)量和冷熱滑的順利進(jìn)行,望在以后軌道工程的建設(shè)過程中能廣泛應(yīng)用。

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