激光长弦轨道检查仪在城市轨道交通中的应用

何孔太,刘 力

(1.北京铁路局邯郸工务段，河北邯郸 056001； 2.铁科院(北京)工程咨询有限公司，北京 100081)

轨道工程是城市轨道交通众多子系统工程中与行车安全和行车舒适性关联最为密切的子工程,而静态几何尺寸是衡量轨道工程质量的主要指标之一。在城市轨道交通轨道工程的建设过程中,以往都是以人工测量的方式对轨道静态几何尺寸进行验收,由于受测量时间的限制,往往不能对全线轨道进行测量,而是以抽检的方式进行。如此一来,就只能了解局部的轨道状态,不能反应全线的情况。激光长弦轨道检查仪是代替人工测量的一种较好的方法,它具有高精度、高效率、易操作等特点。

1 系统构成

激光长弦轨道检查仪主要由激光发射小车、激光接收小车、计算机控制系统、电源等四部分组成。

1.1 激光发射小车

激光发射小车主要由车体、电气系统、发射器、转台控制器、电源等几部分构成,如图1所示。其中车体是车上设备的支撑装置,其下方安装有走行轮和锁紧装置,用于发射小车的走行与固定；发射器是长弦激光的发射装置；电气系统用来接收激光接收小车发出的信号,并指令对1.车体2.发射装置3.电气箱4.锁紧机构5.电池盒，发射器发射激光方向进行微调；转台控制器是对发射激光方向进行调整的装置。

注：1—车体；2—发射装置；3—电气箱；4—锁紧装置；5—电池盒

1.2 激光接收小车

激光接收小车主要由电气系统、接收器、电源等构成,如图2所示。电气装置用来发射信号,对激光发射小车发出的激光束方向进行微调；接收器用来接收激光光斑,并记录其坐标；激光接收小车还通过位于车底的传感器对轨道的轨距和水平进行测量。

注：1—车体；2—张紧机构；3—走行轮；4—电移台；5—接收装置；6—计算机控制单元；7—电气箱

1.3 电源系统

发射小车与接收小车各配有一块电池,接收小车的电池在充满电的情况下能连续工作7～8 h,发射小车由于耗电少,能连续工作10 h左右。所以每次长时间作业后都需要对电池进行充电,充电时间一般为6 h左右。

1.4 计算机控制系统

计算机控制系统位于接收小车的托盘上,主要负责数据采集和处理工作。

2 测量原理

2.1 轨距、水平、扭曲的测量

对于轨道的轨距和水平,通过激光接收小车上的位移传感器直接测量；扭曲通过测得的水平值以固定基长换算得到。

2.2 方向、高低的测量

测量时,选定一根钢轨为基准轨,由激光发射小车和接收小车之间的激光束建立“理论弦线”,接收小车推进过程中,由安装在接受小车上的激光接收器实时检测当前点相对于光束基准在横向和纵向上的偏差,从而计算当前测点理论矢距与实测矢距差。

(1)线路模型

为计算当前测点的理论矢距,需建立线路的理论模型。轨道工程常见的线型主要有：直线、圆曲线和缓和曲线3种,其中缓和曲线分为第1缓和曲线和第2缓和曲线。

①圆曲线

以起始点切线方向为x轴,垂直于切点并指向内部为y轴建立局部坐标系,如图3所示,圆曲线在局部坐标系中以里程l为变量的方程为

x=R×sin(l/R)y=R×[1-cos(l/R)]

图3 圆曲线局部坐标模型

②第1缓和曲线

以起始点切线方向为x轴,垂直于切点并指向内部为y轴建立局部坐标系,见图4。第1缓和曲线(直线到圆曲线的过渡曲线)在局部坐标系中以里程l为变量的方程

式中，c为曲率变化率，c=Rl0，l0为缓和曲线长度。

图4 第1缓和曲线局部坐标模型

③第2缓和曲线

第2缓和曲线是圆曲线到直线的过渡曲线,曲率由1/R线性递减到0。以起点切线方向为X轴,垂直于切线并指向曲线内部为y轴,分别以YH和HZ为坐标原点建立相应坐标系,见图5。假设第2缓和曲线长度为lS,圆曲线半径为R；令l′=lS-l；则第2缓和曲线在x—HZ—y坐标系中的坐标(x、y)为

图5 第2缓和曲线局部坐标模型

设YH点至JD点的距离为T2,HZ到JD的距离为T1,第2缓和曲线在x—HZ—y坐标系中的切线方位角β=ls/2R,故

T1=x0-y0/tanβT2=y0/sinβ

由此可知,第2缓和曲线在以YH点为原点的坐标系中的坐标公式为

X=(T1-x)×cosβ+T2-ysinβ

Y=(T1-x)×sinβ+ycosβ

④竖曲线模型

如图6所示,变坡点前后坡度为i1,i2。

图6 竖曲线模型示意

竖曲线半径为R,竖曲线转角为：α=π-(i1-i2),竖曲线长为：L=R(i1-i2)。当-L/2≤l≤L/2时

x=R·sin(l/R)y=-R·[1-cos(l/R)]

当l<-L/2时

x=(l+L/2)cos(L/2R)-R·sin(L/2R)

y=(l+L/2)sin(L/2R)-R·[1-cos(L/2R)]

当l>L/2时

x=(l-L/2)cos(L/2R)+R·sin(L/2R)

y=-(l-L/2)sin(L/2R)-R·[1-cos(L/2R)]

(2)模型的实现

根据被测线路设计要素,依照上述方式,计算机智能化建立计算模型。以里程l为变量,建立XOY坐标系,如图7所示。MN表示发射小车与接收小车之间的理论弦线。根据线性参数即可计算出发射点与接收点之间任意点的坐标。

图7 模型计算示意

在XOY坐标系中,以里程l为变量,线路的坐标方程为

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

发射小车与接收小车的坐标M(x1,y1)和N(x2,y2)的坐标方程为

其中，l0为发射小车起始点里程,L为两车之间的距离。

由此可得激光弦线MN的方程为

设小车前进的里程为l,如图7所示A0点的坐标(x0,y0)可由线路坐标方程求出,弦线上A点的坐标(x,y)可由弦线坐标方程求出。A、A0点的纵坐标之差y-y0折算到曲线法线方向上,即为当前点的理论矢距f0,接收小车实测A′点至理论弦线MN的距离为fm0,由此可得该曲线上此点的轨向或高低的偏差值S0=fm0-f0。

3 测试方法

3.1 检测仪就位

首先将发射小车与接收小车分别放置于线路预测段的始终点,双轮必须与接收器的双轮置于同一轨上,并用张紧和夹紧装置张紧,尽量使双轮与轨面贴实。

3.2 仪器连线

连接电源线、视频线和串口线,因为视频线和串口线需要系统识别各自的驱动程序,因此其连线必须与相应的USB口对应,不能混插。

3.3 初始化连接

首先打开发射器与接收器电源,通过观察筒将发射器激光透射到接收器屏幕上,然后启动计算机控制系统。如图8所示。若中间那个指示灯变绿,表明串口数据线连接正常,若该指示灯没有变绿,则需要重插串口数据线,重新启动软件即可。

3.4 参数设置

软件启动后,需根据图8所示界面进行相关参数设置。

(1)线路名称：所测试线路的名称,文件保存在程序运行目录下的Data文件夹里,用于方便测试数据的查找。

(2)检测起点里程：指每段测量的接收小车起始位置的绝对里程。

(3)对光位置：根据需要设置对光位置,将光斑对到接收器上指定位置。

(4)里程方向：指接收小车推进方向。

(5)基准：接收小车推进时,双轮所处的那侧。

(6)跟踪：是指采用电移台执行跟踪任务,扩大测量行程,以适应小曲线半径的测量需要。主界面上的“位移修改”按钮功能是让电移台向中心位置移动,控制电移台移动至边缘附近时的复位动作。

(7)动态测量：选择该选项即可进行动态测量,否则系统只有在接收小车停止时才进行数据保存工作。

(8)保存数据：对光完毕,推行前将该项勾上即可进行数据存储。

(9)里程清零：点击该按钮即可将相对里程记录从0开始,当前里程将被计入下一次测量起始点的绝对里程。每段测量前都要进行里程清零工作,保证相对里程都从零开始。

(10)设置：上述输入参数项仅在点击“设置”后才能生效。

图8 计算机控制系统主界面示意

3.5 对光操作

参数设置完毕后,即可进行对光操作。首先,根据被测区段线况,判断测量行程是否能满足测量需求。直线段和大半径曲线测量时对光位置为X=0,Y=0,电移位移=0；小半径曲线段测量时,为了扩大测量范围,对光位置可以根据实际情况进行设置。如果需要电移台进行跟踪测量,则需要设置电移台位移值。点击“对光”按钮,则电移台根据需要移动到指定位置,系统默认在设定值-5～5 mm,点击“停止对光”即可停止电移台移动。

电移台设置工作后,即可根据测试需要进行激光放射装置的对光操作(注意：对光前要保证光斑打在接收器上)。软件界面上有相关参数X和Y,可以根据需要设置对光位置。X即水平方向范围：-80～80；Y即竖直方向范围：-70～70。

为了提高测量效率,通常对光时水平和竖直位移的允许偏差控制在±2 mm内即可,即右上角的水平位移和竖直位移值。后续数据处理软件已经对这些偏差进行相应的计算处理,所以只需保证在该段测量全过程中光斑始终在接收器上,不应因为对光影响了测量效率。

对光完毕后,点击“停止对光”即可。

3.6 开始测量并记录数据

根据测量需要,将窗口参数设置完毕后,即可勾上“保存数据”进行数据采集工作。当为了保证足够的测量精度,建议不采用“动态测量”模式,控制接收小车间隔推进,每1～2根枕停一次,或者根据现场需要,大概停顿3 s,如图9所示待指示灯亮表示记录数据完毕,继续推进。

图9 记录指示灯

如果系统测量时采用了“跟踪模式”,则在主界面右上角“水平位移”示值在-90和90之外时,电移台将执行跟踪任务。此时停止推行小车,待跟踪任务完成后再继续推行,以免造成测量误差。

3.7 注意事项

(1)测量间距计算

对于直线段和大半径曲线段测量来说,在保证精度的前提下,可以将测量间距控制在200～300 m；对于小半径曲线来说,可以通过控制系统软件中的“参数计算”模块简单计算当前曲线下能测量的最大间距,如图10所示。

图10 参数计算器

由上述“计算器”计算出最大测量里程后,即确定了该段测量的间距值,此时需要将对光位置设为80或者-80；如需要电移台执行跟踪,则需要将电移位移值设置为-240或者240。

(2)系统标定

激光长弦轨道检查仪在长期使用和搬运后,肯定需要不定期的对轨距、水平、激光测量等单元进行标定,其界面如图11所示。正常工作情况下,其标定周期大概为1～2个月。

对于轨距测量而言,需要将轨距测量值与标准检测完的道尺现场进行核对,将偏差值在数据采集软件系统中进行参数修正即可。

图11 参数修正界面

对于水平测量单元来说,具体操作就是进行“掉头测量”,看两次测量数值大小是否一样,方向是否相反。例如,当前点测得横向倾角为a,调头测量当前位置横向倾角为b。如果a=-b,则表示水平测量单元很理想,不用修正；如果a与-b相差很大,则需要进行修正,修正值即为(a+b)/2。

对于激光测量单元来说,主要就是检查在理想的直线线路上,接收小车靠近发射小车后,光斑的水平位移和竖直位移是否归零。通常在无砟线路的直线段即可进行标定工作。在正常的测量模式下,选一段比较理想的直线区段,测量间距控制在100 m左右。通过对光操作,将光斑尽量控制在零点附近。将接收小车向发射小车推进,直到接收小车贴上发射小车为止,查看此时光斑的水平位移和竖直位移值。

如果此时光斑的水平和竖直位移不在0(相差0.3 mm内),则需要进行修正。通过修改左水平零点像素值和左竖直零点像素值进行左基准的零点标定工作；通过修改右水平零点像素值和右竖直零点像素值进行右基准的零点标定工作。每个像素对应0.3 mm位移值。

4 数据处理

每次测量完毕后,打开数据处理软件对记录数据进行处理,界面如图12所示。

(1)首先,将数据文件导入数据处理软件,然后对输出报表的里程间隔、计算的弦长、基长等参数进行设置,点击“应用”按钮即将这些参数记入本次计算。

(2)对于没有平面曲线和竖面曲线的直线段来说,直接通过“直线输出”,即可得到报表。

(3)对于平曲线和竖曲线段,需要对平曲线和竖曲线线形进行设置,平纵曲线线形设置界面如图13所示。

①平面曲线设置

图13 曲线设置界面

对于平面曲线,需要对特征点里程、曲线元长度、曲线半径等参数进行输入。

特征点绝对里程是指位于接收小车开始推进的后方的曲线要素点,如图14所示。虚线表示每次测量的激光弦,其平面参数对于激光弦1来说,此时处理软件中的特征点指图中特征点A, 曲线元则依次为曲线元1、曲线元2、曲线元3；对于激光弦2来说,此时特征点指图中特征点B,曲线元则依次为曲线元2和曲线元3；对于激光弦3来说,特征点指图中的特征点A,曲线元指曲线元1和曲线元2。

图14 平面参数示意

②竖曲线设置

竖面参数则相对来说比较简单,变坡点即是当前测量区段附近的变坡点,而相应的坡度值为变坡点前后的坡度值。只有当测量段在竖曲线范围内时才需要输入变坡点绝对里程和坡度值,否则不需要输竖面参数值,系统默认为直线。

(4)数据输出

用激光长弦轨道检查仪对线路进行静态检测时,选中“静态检测”按钮,报表则以“静态检测”模式输出。报表格式如表1所示。其输出变量为：里程、基准轨长弦轨向和基准轨长弦高低(或者中线长弦轨向、中线长弦高低)、左轨正矢、右轨正矢、左轨高低、右轨高低、轨距偏差、超高、扭曲、设计超高等轨道几何状态参数。

表1 静态检测数据报表格式

5 结论

在北京市轨道交通大兴线轨道工程的验收过程中,运用长弦轨道检查仪代替人工测量,在短短1周的时间内对全线轨道进行了测试,极大地提高了测量效率,保障了轨道工程的质量和冷热滑的顺利进行,望在以后轨道工程的建设过程中能广泛应用。

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