铁路站台限界非接触测量中垂直断面的判定方法

赵梦，王健，李壮，范宇，丁道祥，崔高峰

（中国铁路沈阳局集团有限公司科学技术研究所，辽宁 沈阳 110013）

铁路车站站台作为列车停靠及旅客上下车的重要设施，在长期的运营中线路会出现不同程度的沉降及位移，导致站台出现不同程度的变形，从而改变站台与线路的相对位置，站台限界超限可能会影响列车车门的开启和关闭，严重超限时，可能会发生车体擦刮等安全事故。因此，铁路房建部门需要对其管内站台限界进行实行动态管理，定期测量站台限界，掌握站台限界的变化情况。

目前，站台限界测量主要有接触式测量和非接触式测量两种手段，接触式测量主要采用轨道限界测量尺，此种测量方法需要在夜间天窗点内进行，作业效率低及存在人为误差；非接触式测量主要采用行走在轨道上的站台限界测量小车和放置在站台安全线以内的站台限界测量仪。站台限界测量小车虽然提高了作业效率和克服了人为误差，但是，测量时间仍受限在夜间天窗点内。站台限界测量仪直接放置在站台上进行限界测量，不必占用夜间天窗点，可以在白天没有列车停靠时进行实时测量，是一种最理想的测量方法，具有如下优势：第一，测量时间不受限，可以实时进行测量；第二，无需上道，效率高且安全；第三，操作简单，数据可靠。

对于非接触式测量中的站台限界测量仪，其核心技术之一就是如何寻找垂直断面，这直接关系到限界测量点数据的准确性，本文就寻找垂直断面提出了一种算法，可以快速准确得获得测量点的垂直断面。

1 站台限界概念

站台限界是站台边缘和线路中心线垂直的极限横断面轮廓，是任何情况下，任何除机车车辆之外的设备、建筑物不得入侵的区间。普铁的站台限界是在机车车辆限界的基础上，采用增加各种可能因素安全余量的方法确定的；高铁的站台限界与普铁的不同之处在于，考虑到了高速列车运行时空气动力效应发生时所需要的安全余量。站台限界尺寸不能过大，否则，会造成货物装卸和旅客上下车不便，同样也不能过小，否则，会导致列车在行进过程中产生刮擦事故，十分危险。

站台限界包括站台竖高（纵向尺寸）和站台轨心距（横向尺寸），轨心距：以轨道面为测量基准，站台侧立面中最近点至轨道中垂面的距离；竖高：以轨面为测量基准，站台顶面距边缘中最高点距轨道平面的距离，如图1所示。

图1 “轨心距”和“竖高”示意图

2 测量原理

非接触式测量方式解决了接触式测量存在的问题，是站台限界测量技术的一种创新，给现场测量工作带来了极大的便利。同时，非接触测量方式也存在一定的技术难点，其中，垂直断面的判定就是非接触测量方式必要解决的难点之一，直接关系到测量数据是否有效。不同于接触式测量可以通过工具直接找到测量点的垂直断面，非接触式测量不仅需要一定的硬件设备，而且还需借助数学模型算法进行推算。针对此难点，本文提出了一种判定垂直断面的数学模型算法。

2.1 判定方法

为了在不接触钢轨的前提下，找准垂直于线路中心线的横断面，一般需要来回反复测量，直到测距仪与钢轨间距最短时，此时，测距仪垂直于被测钢轨，可以近似地认为测距仪垂直于线路中心线。在来回测量找到最短距离前，不得不反复确认每次测量的值，过程冗长效率低。为了提高测量的效率，不妨改进硬件测量方式，在测量原理上进行创新，建立一种数学模型进行快速推算，直接计算出垂直断面的数据。

对于垂直断面的判定方法，本文分为两个方面进行探讨，即直线段和曲线段。

2.1.1 直线段

将测距仪放置于测量点上，将测距仪旋转一个角度对准本站台的一根钢轨，读取测距仪到钢轨的距离l1，角度编码仪测得测距仪与初始位置的夹角 1α；再将测距仪旋转一个角度对准同一根钢轨，读取测距仪到钢轨的距离l2，角度编码仪测得测距仪与初始位置的夹角2α。

直线段钢轨近似平行于站台边缘，已知三角形两边及其夹角，可以求出任意边长及其夹角，从而可以求得测量点距离钢轨最短的点，即测量点垂直断面。

2.1.2 曲线段

曲线段的算法与直线段的算法存在一定的差别，因为曲线段测量点对应钢轨所在圆的切线，按照直线段计算出的垂直断面与真实的垂直断面存在一个夹角。

将测距仪放置于测量点上，将测距仪旋转一个角度对准本站台的一根钢轨，读取测距仪到钢轨的距离l1，倾角传感器测得测距仪与水平面的夹角 1α；将测距仪旋转一个角度对准同一根钢轨，读取测距仪到钢轨的距离l2，倾角传感器测得测距仪与水平面的夹角2α；将测距仪旋转一个角度对准同一根钢轨，读取测距仪到钢轨的距离3l，倾角传感器测得测距仪与水平面的夹角3α。

图2

曲线段站台测量点的垂直断面为与对应曲线段的切线垂直方向并通过站台上的测量点的断面。通过钢轨三个点确定一个圆，将此圆圆心与测距仪原点连线，此条线所在垂面即为该测点的垂直断面。

2.2 计算方法

由于直线段与曲线段的判定方法的不同，所以其计算原理也不相同。

2.2.1 直线段

已知测距仪两次读数l1、l2，及测距仪的两个旋转角度1α和2α，如图3，通过解三角形可以确定测距仪从初始位置开始旋转角度α即为垂直断面位置。

图2 直线段垂直断面判断原理图

其中：1l为线段AB的长度；l2为线段AC的长度；lBC为线段BC的长度；lAD为线段AD的长度；线段AE的方向为测距仪的初始检测方向；线段AD的方向即为垂直断面方向；

根据余弦定理可得：

2.2.2 曲线段

已知测距仪三次读数L1、L2及L3，及测距仪的三个倾角α1、α2及α3，如图4，首先计算出钢轨三个点所确定的圆的圆心O坐标（x0，y0）及半径r。

将测距仪所在原点A（0，0）与圆心0坐标（x0，y0）连线L，然后，与半径r、L1（L2或L3）形成三角形，计算出L1与L的夹角α4，从而计算出测距仪从初始位置开始旋转角度α即为垂直断面位置。

图3 曲线段垂直断面判断原理图

其 中：AB=L1；AC=L2；AD=L3；AO=L；BO=r；AN为 测 距仪初始位置；AO为垂直断面；HK为钢轨测量点H处的切线。

3 硬件方案

垂直断面的判定方法不仅要从数学模型算法角度去解决，还需从硬件方面进行设计，获取数学模型算法计算所需的参数，最后，结合数学模型算法，从而快速准确找到垂直断面。

垂直断面判定的数学模型算法涉及测距仪到钢轨测点的距离、测距仪与水平面的夹角、测距仪水平旋转角度。为了获取上述数据，需要的硬件包括旋转电机、高精度激光测距传感器、角度编码仪、倾角仪。旋转电机驱动高精度激光测距仪水平旋转和垂直旋转，高精度激光测距传感器测量到钢轨的距离，角度编码仪测量测距仪水平旋转角度，倾角仪测量测距仪与水平面的夹角。

图4硬件组成示意图

4 结语

站台限界的测量工作对保证铁路安全运输、保障乘客的生命和财产安全，有着重要的积极作用。因此，提高站台限界测量装备的技术水平，有助于确保测量数据的准确性，通过不断地对测量工具进行创新与改进，发现非接触式测量是站台限界测量的一种比较理想的方式，解决了以往测量方式存在的问题，尤其是本文提出的垂直断面的判定方法有效地解决了非接触式测量方式种的难点之一，为非接触式测量的实现打下了坚实的基础。不断探讨和研究站台限界测控技术，提高测量数据的精度，累积测量经验，为设备使用和维护提供可靠的分析依据，具有十分重要的意义。