站台限界激光测量仪的研究

赵海琛 中国铁路上海局集团有限公司科研所

随着线路的长期运营，轨道线路和站台会发生不同程度的沉降，从而导致站台限界尺寸发生变化。过大的变化会造成旅客踩空或车体擦刮，威胁旅客和行车安全。按照铁路总公司站台限界管理相关办法要求和《上海铁路局高速铁路房建设备限界管理办法》（SHG/FS113—2015）规定，各房建部门要对管内站台限界实行动态管理，定期检测，全面、及时掌握站台限界的动态变化情况，站台限界检测任务日益繁重；同时，我国铁路标准《铁路建筑实际限界测量和数据格式》（TB/T 3308-2013）对站台限界尺寸测量精度提出了更高的技术要求。

统计截至2020 年7 月，上海局集团公司管辖车站共258个，其中，高铁车站137个，普速车站68个，混合车站42个，待营业车站11个。为做好应对日益繁重的站台限界检测工作，亟需研制出适应各种作业检查条件、精度高、携带轻便的站台限界测量仪器，在提质增效的同时还要降低经济成本。

1 仪器结构

测量仪器名称为站台限界激光测量仪，其结构图如图1所示。其中，1为高精度编码器，2为激光测距器，3为控制器。高精度编码器为16位编码器，可选型号为BL28-R，精度在±1"。激光测距器为可选型号为sick 的DL50 Hi 测距传感器，具有抗镜面反射干扰功能，1 m 左右测量距离内的测量误差为±2 mm。控制器包括控制板、电池、存储器、数据导入导出接口以及显示器等部件。

图1中，（a）和（b）为站台限界激光测量仪的收起状态，收起时长度为1 270 mm，架仪器的最大宽度为580 mm；（c）和（d）为工作状态，完全展开时可延展长达至2 078 mm。工作时，将站台限界激光测量仪打开，并将轮座分别卡在两根铁轨上。轮座由承重轮和导向轮组成。伸长站台限界激光测量仪的支撑架，将激光器高度调整到超过站台面的任意位置，然后锁紧支撑的活动关节。

2 测量原理

站台限界激光测量仪测量原理如图2所示。工作状态下的激光测距器位于图2 的O 点。O 点应位于高于站台平面的l1。将激光对准轮架上的标定点，仪器记录此时的编码器角度，并以此设为0方向，建立极坐标系，获得P1（p1，0）坐标。同理，可以获得 P2(p2cosθ2，p2sinθ2)的坐标。根据 P1和 P2的坐标可以计算出轨距d。

其中，m为轨道的宽度。不同规格轨道宽度可参考表1。

表1 铁路钢轨尺寸规格

又已知P1和P2的极坐标，可以计算出P1和P2连线的直角坐标直线方程。直角坐标与极坐标的原点相同，x 轴与极轴方向相同。经计算，方程为公式（2）。然后不难得到经过P1点与方程（2）所在直线垂直的直线L2方程，即方程（3）。

其中，X=p3cosθ3，y=p3sinθ3。

图2 测量原理示意图

用激光扫描采样站台数据，可获得每个数据采集点的极坐标数据，进而确定其空间坐标。计算每个点的坐标分别与方程（2）和（3）代表直线方程的距离，可以筛选出最小横距lmin和最大hmax，即测量结果的横距和竖高值。计算公式如下。

其中，n 为轮座标定点补偿高度（见图3）。这是因为在实际设备结构中，测量点和实际轨面高度存在高差，补偿高度是由标定点到测量轮的垂直高度，即标定点到轨面下16 mm处平面的垂直距离。

图3 标定点补偿长度示意

3 电路系统

编码器采集数据之后，传输到微控制器中，经过处理计算出测量结果。测量结果显示在显示屏上，并在存储器中存储。数据也可以通过USB 取走，在信息管理系统中进一步分析和保存。电子电路系统示意图见图4。数据信息最终可以导入信息管理系统进行存储和分析。

图4 电子电路系统图

4 分析与评估

站台限界激光测量仪与传统的测量方式不同，测量前先定标建立基准坐标系，在进行测量，最后通过计算测量数据得出站台限界结果。此外，仪器在便携性、重量、精度、经济效益等方面还表现出不同程度的优势。

乙组40例患者应用紫杉醇联合顺铂治疗，即给予患者静脉滴注135 mg/m2紫杉醇+25mg/m2顺铂。

4.1 便携性对比

如图5 所示，对三种站台限界测量设备的外形尺寸进行对比。其中a 为站台限界测量小车，b 为站台限界激光测量仪，c为站台限界测量尺。

图5 站台限界检测设备外形尺寸对比

从图5 中可以看出，站台限界测量小车具有最大的外形尺寸，侧宽为550 mm，尺寸大约是其他两个仪器的三倍，而站台限界激光测量仪和站台限界测量尺侧宽相差不大。

高度方面，站台限界测量小车高1 500 mm， 站台限界测量尺收起高度为1 370 mm，尺寸最小的是站台限界激光测量仪，收起高度为1 270 mm。

横宽方面，站台限界测量小车为1 610 mm， 站台限界激光测量仪为580 mm，站台限界测量尺为170 mm。

总体来说，站台限界测量小车的外形尺寸明显大于其他两个产品。而站台限界激光测量仪在收起之后，和收起状态的站台限界测量尺在外形尺寸方面相差不大，具有同程度的便携性。

4.2 重量估算

通过计算机建模计算，分别统计了以下主要零部件的重量，详见表2。

表2 站台限界激光测量仪各部件重量估算表

4.3 误差分析

对于站台限界检测设备来说，误差的来源有以下四个环节，分别是累积误差，测量误差，结构形变误差以及人工操作误差。常规的测量仪器均包含以上四个环节的误差。但对于站台限界激光测量仪来说，由于仪器在每次使用前都会在现场建基定标，这样能起到“复位”作用，避免累积误差的形成。另外，测量时仪器的激光测距器处在任意位置都不影响测量结果的精度，这就使仪器支架随时间或者外力作用而发生的形变不再对测量精度造成影响。以上两点是站台限界激光测量仪测量原理的最大优势。

由于误差环节的减少，站台限界激光测量仪具有更好的精度稳定性，不会随使用时间延长而出现精度降低的问题，这就免去后期的维护和定期标定工作，大大降低了财力和时间成本。站台限界激光测量仪的精度基本由激光测距器决定，随着激光测距技术的发展，站台限界激光测量仪的测量和定标精度也会随之上升，未来会具有更加明显的性能优势。

4.4 经济效益分析

就目前主流的测量仪器而言，站台限界测量尺存在无法测量轨距的问题，而且只能进行单点测量，每测量一次都需要两个人配合完成测量，测量效率一般。站台限界测量小车由于车体过于庞大笨重，需要至少四个人才能完成搬运。且造价和维护成本都很高，难以在现场实际中推广使用。

站台限界激光测量仪体型小，重量轻，造价低，仅需一人即可完成测量工作，测量人工成本为站台限界测量尺的1/2，站台限界测量小车的1/4。此外，由于站台限界激光测量仪无需后期定期返厂标定，能节约大量的维护成本和时间成本。

5 结束语

站台限界激光测量仪重量轻，可便携式折叠携带，使用简单，能对任何高度的站台进行限界测量，满足现场检测人员的实际作业需求。同时，该产品通过测量方式创新，解决了定位和重复性测量的问题，减少了误差环节，提高了测量精度。该站台限界激光测量仪可在我集团公司土房、工务、建设部门以及城市轨道交通推广应用。