浅述起重机械轨道自动检测系统中的数据处理分析原理

李雪藩+郑磊

摘要：起重机械轨道自动检测系统主要由轨道小车、自动跟踪全站仪、计算机与处理软件系统组成。文章介绍了一种起重机械轨道自动检测系统中的数据处理分析原理，包括统一坐标系的建立、轨道中心线拟合和粗差剔除，实测结果表明，该系统能满足实际起重机械轨道自动检测的要求。

关键词：起重机械轨道；自动检测系统；数据处理分析；统一坐标系；轨道中心线拟合；粗差剔除

中图分类号：TH213 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）33-0078-03

1 数据处理分析系统简介

起重机械轨道自动检测系统主要由轨道小车、自动跟踪全站仪、计算机与处理软件系统组成。通过遥控载有棱镜的轨道小车沿着待测轨道自由行进，全站仪可实时自动追踪机器人的位置，进行数据采集。通过数据处理，重构出轨道顶面中心线的空间位置，对其空间几何参数进行分析，判定其是否符合运行的要求。数据采集处理分析系统是系统的核心，其应用程序主要分为三大功能模块：数据采集模块、数据预处理模块和数据分析模块，如图1所示：

图1 数据处理分析系统构架

数据采集模块中，基准测量是通过多测回自动测定控制点的坐标来建立轨道测量的基准；轨道测量是通过测量装置连续测量轨道参数坐标；测站测量则是在不同测站测量轨道时，确定新测站在同一坐标系中的坐标。

数据预处理模块中，数据可视化指直观显示轨道测量结果；剔除粗差是通过设定阈值来剔除异常数据；基准转换则是通过坐标转换，将坐标轴旋转到沿轨道方向。

数据分析模块中，数据内插是指通过内插求得固定间距点坐标和标高；参数计算是指计算内插点处的直线度、平面度、标高差及轨距等轨道参数；报表输出则是将数据分析得到的分析结果以报表形式展现。

2 数据处理分析系统原理

2.1 测量公共点的自动匹配

在起重机械轨道自动检测系统中，需要对两条轨道分别进行测量，对特长轨道，还需分段测量，在每次测量时，全站仪的位置是不同的，测量数据的坐标参数是以全站仪所在位置为坐标基准点（下称为测站）读取的，即每次测站是不同的。为统一基准，使各测站在同一个坐标系中，需要在不同测站中测量同一组公共点坐标，以确定统一坐标。确定方法是利用三维坐标转换原理和布尔莎模型，在不同测站对公共点测量次序不相关的前提下，在测量轨道区域内，以测站间至少建立三个公共点为条件，需要进行测量标志的自动匹配，见图2和图3（因迁站后公共点h被遮，图3中没有h点），具体匹配过程如下：

图2 测站1 图3 测站2

图2和图3中：a、b、c、i、h、A、B、C、I为测站间固定公共点；j、J为测站。

（1）分别测量在测站1和测站2测量的公共点坐标数据，并依次计算在各自测站下各点到其他点的距离。（2）在测站1中的公共点组成的图形中，随机选择一个边，并与测站2中的公共点组成图形的每条边进行长度比较，如果存在长度相等的边，如图2和图3中的边ac与AC，则进行下一步，否则重新挑选另一条边进行比较。（3）计算测站1和测站2中的a、c、A、C以外的点到a、c、A、C点的距离，如果存在至少一个点使得ba=BA、bc=BC或ba=BC、bc=BA则可找到相互对应的至少三对公共点。如果不存在，则转入步骤2。

2.2 统一坐标的建立

在数据采集和数据处理过程中都会涉及到坐标转换的问题，参考基准的确定是解决该问题的关键，可以通过在第一次测量时多测回测量分布于轨道区域内的公共点并计算公共点的平面坐标和高程来解决。

在测量过程中，多次测量的轨道数据需要纳入到统一坐标系下。如图4所示，当前仪器的北方向（测站零方向）与控制点所定义的北方向（工程北方向）相差一个角度β。各边在控制点所定义的北方向下方位角可以由式（1）计算：

αoj=tan-1 （1）

式中，为第j个基准点，为测站点坐标，可以利用公共点到测站的边长和角度，通过整体平差求得。

测站零方向定义的方位角与控制点所定义的方位角之差可以由式（2）计算：

（2）

在轨道跟踪测量中，只要在原始测量数据中的水平角加常数β即可将轨道数据纳入到统一坐标系中。

图4 测量工程坐标系

2.3 基于点到直线距离的直线拟合

数据处理的核心是轨道中心线的拟合，直线拟合的准则为拟合残差平方和最小。传统的线性回归方法只考虑拟合直线y量的偏差，以y量的偏差来代替点到直线的距离，其基本原理如式（3）所示：

（3）

与传统方法相比，用点到直线的垂直距离来计算拟合残差应该更合理、准确。点到直线的距离可表示为：

（4）

拟合准则为：

（5）

求解式（6）即可得到系数a，b：

（6）

2.4 自适应粗差剔除

粗差剔除不仅要考虑到尽可能多地识别粗差点并剔除，还要尽量保留好的轨道数据和瑕疵点。常规数据粗差剔除方法利用3倍的拟合中误差为限差来剔除粗差，但是变形、啃轨、安装偏差等因素使得起重机械轨道并非是绝对的直线。如果采用单一、绝对的标准来剔除粗差可能误删变形点或啃轨处的点，从而影响数据监测的效果。自适应粗差剔除是指在单一标准的基础上增加了一个经验标准，以最大可能地保护真实数据，即：检测人员在充分了解轨道特性和总结长期检测结果的基础上，得到轨道点偏离拟合直线的最大值，并以此作为阈值，对数据进行剔除。

2.5 轨道参数计算

直线度：轨道上各点到拟合直线的距离。

轨道直线方程为：

（7）

轨道上各点的测量坐标参数为：，将坐标系统过旋转和平移，使得坐标系的原点处于轨道起始点，轴与该直线重合，选择轨道起始点，则平移向量为，其中旋转矩阵为：

（8）

则坐标系转换后为：

（9）

转换后计算点处的直线度为。

则可以通过式（9），结合起重机械轨道各参数的定义进行计算Pi的轨道参数：

轨向偏差：相邻两点直线度之差，来检测轨道局部水平方向弯曲程度：

（10）

跨距：在采样点上垂直于轨道方向上两轨道间的距离：

（11）

等高距：在采样点上垂直于轨道方向上两轨道间的高差：

（12）

高低：轨道上相邻两点间的高差：

（13）

3 试检测数据

通过以上原理分析，编制程序，使用起重机械轨道自动检测系统样机对两条刚安装并粗调整完毕的轨道（轨道中心距设计值为36000mm）进行试检测，轨道跨度结果如图5所示，轨道标高如图6所示，同时输出轨道的其他参数分布图，如各轨道顶面标高图、导轨直线度图等，各点的测量数据和检测最大（小）测量值同时以Excel表格形式输出。经与常规法比对，检测结果能真实体现导轨的实际安装质量。

图5 跨度偏差测量数据

（导轨基准跨距36000mm） 图6 跨度偏差测量数据

（A、B轨道顶面标高偏差）

4 结语

基于统一坐标原理和基于垂直距离的直线拟合原理开发的数据处理分析系统，能实现起重机械轨道自动检测系统精确、简捷、实时和安全测量起重机械轨道参数，适用于各种野外和室内环境下对大跨度、长距离和高空条件下的起重机械轨道参数测量，为起重机械的安全运行和自动监控提供数据基础，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1] 牛琳，陈建平，田毅.三维坐标转换的公共点选择方法[J].北京测绘，2007，（4）.

[2] 张敬伟.布尔莎模型坐标转换适用范围及精度分析

[J].测绘空间与地理信息，2013，（1）.

[3] 高尚.基于垂直距离的直线拟合[J].大学数学，2011，27（2）.

[4] 起重设备安装工程施工及验收规范（GB 50278-2010）[S].

作者简介：李雪藩（1975-），男，浙江瓯海人，温州市特种设备检测中心工程师，研究方向：特种设备检验检测及质量管理、机械制造工艺及设备；郑磊（1975-），男，浙江温州人，温州市特种设备检测中心工程师，研究方向：特种设备检验及管理、电气工程及自动化。

（8）

则坐标系转换后为：

（9）

转换后计算点处的直线度为。

则可以通过式（9），结合起重机械轨道各参数的定义进行计算Pi的轨道参数：

轨向偏差：相邻两点直线度之差，来检测轨道局部水平方向弯曲程度：

（10）

跨距：在采样点上垂直于轨道方向上两轨道间的距离：

（11）

等高距：在采样点上垂直于轨道方向上两轨道间的高差：

（12）

高低：轨道上相邻两点间的高差：

（13）

3 试检测数据

通过以上原理分析，编制程序，使用起重机械轨道自动检测系统样机对两条刚安装并粗调整完毕的轨道（轨道中心距设计值为36000mm）进行试检测，轨道跨度结果如图5所示，轨道标高如图6所示，同时输出轨道的其他参数分布图，如各轨道顶面标高图、导轨直线度图等，各点的测量数据和检测最大（小）测量值同时以Excel表格形式输出。经与常规法比对，检测结果能真实体现导轨的实际安装质量。

图5 跨度偏差测量数据

（导轨基准跨距36000mm） 图6 跨度偏差测量数据

（A、B轨道顶面标高偏差）

4 结语

基于统一坐标原理和基于垂直距离的直线拟合原理开发的数据处理分析系统，能实现起重机械轨道自动检测系统精确、简捷、实时和安全测量起重机械轨道参数，适用于各种野外和室内环境下对大跨度、长距离和高空条件下的起重机械轨道参数测量，为起重机械的安全运行和自动监控提供数据基础，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1] 牛琳，陈建平，田毅.三维坐标转换的公共点选择方法[J].北京测绘，2007，（4）.

[2] 张敬伟.布尔莎模型坐标转换适用范围及精度分析

[J].测绘空间与地理信息，2013，（1）.

[3] 高尚.基于垂直距离的直线拟合[J].大学数学，2011，27（2）.

[4] 起重设备安装工程施工及验收规范（GB 50278-2010）[S].

作者简介：李雪藩（1975-），男，浙江瓯海人，温州市特种设备检测中心工程师，研究方向：特种设备检验检测及质量管理、机械制造工艺及设备；郑磊（1975-），男，浙江温州人，温州市特种设备检测中心工程师，研究方向：特种设备检验及管理、电气工程及自动化。

（8）

则坐标系转换后为：

（9）

转换后计算点处的直线度为。

则可以通过式（9），结合起重机械轨道各参数的定义进行计算Pi的轨道参数：

轨向偏差：相邻两点直线度之差，来检测轨道局部水平方向弯曲程度：

（10）

跨距：在采样点上垂直于轨道方向上两轨道间的距离：

（11）

等高距：在采样点上垂直于轨道方向上两轨道间的高差：

（12）

高低：轨道上相邻两点间的高差：

（13）

3 试检测数据

通过以上原理分析，编制程序，使用起重机械轨道自动检测系统样机对两条刚安装并粗调整完毕的轨道（轨道中心距设计值为36000mm）进行试检测，轨道跨度结果如图5所示，轨道标高如图6所示，同时输出轨道的其他参数分布图，如各轨道顶面标高图、导轨直线度图等，各点的测量数据和检测最大（小）测量值同时以Excel表格形式输出。经与常规法比对，检测结果能真实体现导轨的实际安装质量。

图5 跨度偏差测量数据

（导轨基准跨距36000mm） 图6 跨度偏差测量数据

（A、B轨道顶面标高偏差）

4 结语

基于统一坐标原理和基于垂直距离的直线拟合原理开发的数据处理分析系统，能实现起重机械轨道自动检测系统精确、简捷、实时和安全测量起重机械轨道参数，适用于各种野外和室内环境下对大跨度、长距离和高空条件下的起重机械轨道参数测量，为起重机械的安全运行和自动监控提供数据基础，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1] 牛琳，陈建平，田毅.三维坐标转换的公共点选择方法[J].北京测绘，2007，（4）.

[2] 张敬伟.布尔莎模型坐标转换适用范围及精度分析

[J].测绘空间与地理信息，2013，（1）.

[3] 高尚.基于垂直距离的直线拟合[J].大学数学，2011，27（2）.

[4] 起重设备安装工程施工及验收规范（GB 50278-2010）[S].

作者简介：李雪藩（1975-），男，浙江瓯海人，温州市特种设备检测中心工程师，研究方向：特种设备检验检测及质量管理、机械制造工艺及设备；郑磊（1975-），男，浙江温州人，温州市特种设备检测中心工程师，研究方向：特种设备检验及管理、电气工程及自动化。