轨道检测系统及方法与流程

本发明涉及轨道检测领域，尤指一种轨道检测系统及方法。

背景技术：

轨道检测技术的发展由来已久，特别是上世纪70年代以来，欧、美、日等许多发达国家相继研究各种先进的轨道检测技术，采用了新的测量原理，研制出应用现代高新技术的轨检车，提高了检测精度和速度，增加了检测功能。为适应线路提速和高速发展的需要，进一步开发的高速轨检车，均为提高轨道的平顺性、保证列车运行的安全和舒适发挥了重要作用。中国铁道科学研究院基础设施检测研究所经过多年研究开发，研制了gj-3、gj-4、gj-5、gj-6四种检测设备代表了我国不同时期的轨道检测技术发展水平，截至目前全路共配备各种类型检测设备五十余辆。

目前我国轨道检测设备为自主研发的gj-6型轨道检测系统，信号处理采用硬件、软件相结合的方式，这种方式分立元件多，硬件组成较为复杂，不宜安装在运营动车组上。现有的轨道检测系统结构复杂，主要表现在：1.车上车下设备多，体积大，需要安装在专用的检测车上，只可安装在高速综合检测列车动车组和普通轨道检测车上。高速综合检测列车动车组造价昂贵，每次运行都要根据线路编写运行图并向总公司申报，而且该车往往在高铁线路夜间天窗时间运行，检测人员容易疲劳。普通轨道检测车为独立的单节无动力车厢，需要挂载在相应检测线路的旅客列车后方，每次运行需要向总公司调度处申请挂车计划才能完成检测工作。2.模拟信号传输的轨道检测系统，检测列车过分相点时，系统常常受到车电干扰，影响检测数据结果。3.现有的轨道检测系统以车体作为惯性基准，这种结构决定了其传感器布局分散，系统具有较多的分立硬件单元和硬件信号处理单元，故障点多，降低了系统可靠性，增加了系统检修和维护工作量。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种抗电磁干扰的能力强，结构简单，空间占用较小且使用方便的轨道检测系统及方法。

为达上述目的，本发明所提供的轨道检测系统具体包含图像采集模块、惯性模块、编码模块和处理模块；所述图像采集模块设置于运营列车的检测梁两侧，用于采集钢轨断面图像；所述惯性模块设置于所述检测梁中心，用于测量所述运营列车运行时所述检测梁相对于钢轨的姿态参数信息；所述编码器设置于所述运营列车的轮轴上，用于获得所述运营列车的位移信息；所述处理模块分别所述图像采集模块、所述惯性模块和所述编码器通信连接，用于根据所述钢轨断面图像、所述姿态参数信息和所述位移信息计算获得轨道不平顺几何参数，根据所述轨道不平顺几何参数获得轨道维护信息。

在上述轨道检测系统中，优选的，所述图像采集模块包含激光器和摄像机，所述激光器用于发射激光照射所述钢轨断面上；所述摄像机用于按预定频率拍摄激光照射下的所述钢轨断面图像。

在上述轨道检测系统中，优选的，所述惯性模块包含三轴向陀螺和加速度计；所述三轴向陀螺用于获得滚动角加速度、摇头角加速度和点头角加速度；所述加速度计根据方向数据获得运营列车的横向加速度、垂向加速度和纵向加速度。

在上述轨道检测系统中，优选的，所述处理模块包含数据处理单元和图像处理单元；所述图像处理单元用于根据所述钢轨断面图像获得检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据；所述数据处理单元用于根据所述检测梁两侧横向和垂向单边位移数据、所述检测梁相对于钢轨的姿态参数信息、所述运营列车的位移信息获得轨道不平顺几何参数。

在上述轨道检测系统中，优选的，所述处理模块还包含比较单元，所述比较单元用于将所述轨道不平顺几何参数与预设的维修阈值比较，并根据比较结果于预定维修指南中获得轨道维护信息。

本发明还提供一种轨道检测方法，所述检测方法应用于运营列车，所述检测方法包含：采集钢轨断面图像、运营列车的位移信息与运营列车运行时检测梁相对于钢轨的姿态参数信息；根据所述钢轨断面图像获得检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据；根据所述运营列车运行时所述检测梁相对于钢轨的姿态参数信息和运营列车的位移信息获得运营列车的横向加速度、垂向加速度、滚动角加速度和摇头角加速度；根据所述检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据与运营列车的横向加速度、垂向加速度、滚动角加速度和摇头角加速度，获得轨道不平顺几何参数，根据所述轨道不平顺几何参数获得轨道维护信息。

在上述轨道检测方法中，优选的，所述根据所述钢轨断面图像获得检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据包含：通过激光摄像式测量钢轨断面，获得所述钢轨断面图像；利用全局坐标系、摄像机坐标系和图像坐标系之间的关系与所述钢轨断面图像，获得钢轨断面的几何参数；根据所述钢轨断面的几何参数获得检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据。

在上述轨道检测方法中，优选的，根据所述检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据与运营列车的横向加速度、垂向加速度、滚动角加速度和摇头角加速度，获得轨道不平顺几何参数包含：根据所述检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据与运营列车的横向加速度、垂向加速度、滚动角加速度和摇头角加速度分别计算运营车的高低数据、轨向数据、轨距数据、水平数据和三角坑数据；将高低数据、轨向数据、轨距数据、水平数据和三角坑数据分别与预定阈值比较，根据比较结果获得轨道不平顺几何参数。

在上述轨道检测方法中，优选的，根据所述检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据与运营列车的横向加速度、垂向加速度、滚动角加速度和摇头角加速度，计算运营车的高低数据包含：将所述检测梁两侧垂向单边位移数据分别与所述垂向加速度进行比较，获得运营车两侧高低数据。

在上述轨道检测方法中，优选的，根据所述检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据与运营列车的横向加速度、垂向加速度、滚动角加速度和摇头角加速度，计算运营车的轨向数据包含：将所述检测梁两侧横向位移数据分别与所述横向加速度进行比较，获得运营车轨向数据。

在上述轨道检测方法中，优选的，根据所述检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据与运营列车的横向加速度、垂向加速度、滚动角加速度和摇头角加速度，计算运营车的轨向数据包含：以滚动角速度和摇头角加速度作为横向加速度的修正量，根据所述修正量与所述横向加速度获得检测梁的倾角；通过检测梁两侧的垂向单边位移数据获得检测梁相对于轨道的倾角；根据所述检测梁的倾角和所述检测梁相对于轨道的倾角，利用矢量叠加获得轨道的倾角，根据所述轨道的倾角获得运营车的超高数据。

本发明所提供的轨道检测系统及方法以检测梁作为惯性基准，通过实时数字信号传输，建立数学计算模型计算轨道几何参数，具有小型化、集成化、数字化的特点；降低对车辆的要求，拓展检测设备的安装范围，在运营车辆上安装检测设备，随运营车实现检测功能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明所提供的轨道检测系统的结构示意图；

图2a为本发明所提供的轨道检测方法的流程示意图；

图2b为本发明所提供的轨道检测方法的一优选实施例的流程示意图；

图3为本发明一优选实施例中高低数据处理流程示意图；

图4为本发明一优选实施例中轨向数据处理流程示意图；

图5为本发明一优选实施例中超高数据处理流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

请参考图1所示，本发明所提供的轨道检测系统具体包含图像采集模块1、惯性模块2、编码模块3和处理模块；所述图像采集模块1设置于运营列车的检测梁两侧，用于采集钢轨断面图像；所述惯性模块2设置于所述检测梁中心，用于测量所述运营列车运行时所述检测梁相对于钢轨的姿态参数信息；所述编码器3设置于所述运营列车的轮轴上，用于获得所述运营列车的位移信息；所述处理模块分别所述图像采集模块、所述惯性模块和所述编码器通信连接，用于根据所述钢轨断面图像、所述姿态参数信息和所述位移信息计算获得轨道不平顺几何参数，根据所述轨道不平顺几何参数获得轨道维护信息。

在上述实施例中，所述图像采集模块1包含激光器和摄像机，所述激光器用于发射激光照射所述钢轨断面上；所述摄像机用于按预定频率拍摄激光照射下的所述钢轨断面图像。在实际工作中，所述图像采集模块1可由整个激光摄像组件构成，该激光摄像组安装在检测梁左右两侧，激光器发出激光分别照射在左右钢轨断面上，高速摄像机按一定频率拍下钢轨断面图像，通过光纤线或其他通信方式将该图像传输到图像处理计算机中进行下一步处理。所述惯性模块包含三轴向陀螺和加速度计；所述三轴向陀螺用于获得滚动角加速度、摇头角加速度和点头角加速度；所述加速度计根据方向数据获得运营列车的横向加速度、垂向加速度和纵向加速度；实际工作中，为尽可能的减少组件体积，可采用集成式的惯性组件，并将该组件安装在检测梁中间，该集成组件内部集成xyz三轴向陀螺和加速度计，用于测量运动时检测梁相对于钢轨的姿态参数，作为惯性基准，此惯性组件可通过数字can总线或串口422/232/485等数字信号传输方式直接输入到数据处理计算机。

在本发明一优选的实施例中，所述处理模块包含数据处理单元4和图像处理单元5；所述图像处理单元5用于根据所述钢轨断面图像获得检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据；所述数据处理单元4用于根据所述检测梁两侧横向和垂向单边位移数据、所述检测梁相对于钢轨的姿态参数信息、所述运营列车的位移信息获得轨道不平顺几何参数。其中，上述图像处理单元5主要是对获取的钢轨断面图像进行处理，计算获得钢轨相对于检测梁左右横向和垂向单边位移，并通过数字信号传输方式输入到数据处理计算机4中，而数据处理计算机4则是按一定频率采集惯性器件以及图像处理单元5提供的位移信号，通过数学计算、滤波补偿得出轨道不平顺几何参数，如：高低、轨向、轨距、水平、三角坑等参数，其后还可通过网络传输计算得到的轨道不平顺数据波形进行显示，同时对不平顺超限数据进行比较，存入数据库统计报表等；当然为便于操作，本发明所提供的处理模块还可包含一比较单元，所述比较单元用于将所述轨道不平顺几何参数与预设的维修阈值比较，并根据比较结果于预定维修指南中获得轨道维护信息；实际运行时，铁路工务人员可根据该比较结果，按照检测结果指导轨道养护维修，保证列车运行安全，所述预设的维修阈值可采用《轨道几何状态动态检测及评定》(tb/t3355-2014)，提供各项参数超限属性，按等级、数值大小、位置等信息提供报表统计作为参考。

请参考图2a所示，本发明还提供一种轨道检测方法，所述检测方法应用于运营列车，所述检测方法包含：s101采集钢轨断面图像、运营列车的位移信息与运营列车运行时检测梁相对于钢轨的姿态参数信息；s102根据所述钢轨断面图像获得检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据；s103根据所述运营列车运行时所述检测梁相对于钢轨的姿态参数信息和运营列车的位移信息获得运营列车的横向加速度、垂向加速度、滚动角加速度和摇头角加速度；s104根据所述检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据与运营列车的横向加速度、垂向加速度、滚动角加速度和摇头角加速度，获得轨道不平顺几何参数，根据所述轨道不平顺几何参数获得轨道维护信息。其中，步骤s102中主要通过激光摄像式测量钢轨断面，获得所述钢轨断面图像；利用全局坐标系、摄像机坐标系和图像坐标系之间的关系与所述钢轨断面图像，获得钢轨断面的几何参数；根据所述钢轨断面的几何参数获得检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据。具体的，所述全局坐标系(xw,yw,zw)：是由用户任意定义的三维空间坐标系，通常是将被测物体和摄像机作为一个整体来考虑的坐标系；所述摄像机坐标系(xc,yc,zc)：原点为摄像机光心，zc轴与摄像机的光轴重合，且取摄影方向为正方向。xc,yc轴通常与图像物理坐标系x,y轴平行；所述图像坐标系分为图像像素坐标系和图像物理坐标系两种，分别为：图像像素坐标系(u,v)：是以图像左上角为原点，以像素为坐标单位的直角坐标系，u、v分别表示该像素在数字图像中的列数和行数。图像物理坐标系(x,y)：是以光轴与像平面的交点为原点，以毫米为单位的直角坐标系。其x、y轴分别与图像像素坐标系的u、v轴平行；其中，全局坐标系中的点到摄像机坐标系的变换可由一个正交旋转变换矩阵r和一个平移变换矩阵t表示为

上式中，r11…r33，是由旁向倾角ω、航向倾角旋转角κ的三角函数组成的关系矩阵；其后，图像坐标系与摄像机坐标系、图像物理坐标和图像像素坐标之间的关系可用摄像机的内部参数来描述；激光器发出的激光照射在钢轨断面上，摄像机拍摄断面图像，经过三个层次的坐标系变换将物理坐标变换到对应的图像坐标，经过滤波、二值化、细化、坐标变换最终提取需要的轨道参数，最后，提取轨顶面下16mm处作为单边横向位移分量，提取轨顶面1/3处作为单边垂向位移分量。

在本发明一优选实施例中，步骤s104中则是根据所述检测梁两侧横向位移数据和垂向单边位移数据与运营列车的横向加速度、垂向加速度、滚动角加速度和摇头角加速度分别计算运营车的高低数据、轨向数据、轨距数据、水平数据和三角坑数据；将高低数据、轨向数据、轨距数据、水平数据和三角坑数据分别与预定阈值比较，根据比较结果获得轨道不平顺几何参数。

在上述实施例中，其数据处理可全部由计算机采样后由软件来实现所有数据的数学计算、补偿、滤波、图像处理等，代替了原来由硬件组件实现的部分数据处理功能，极大的简化系统结构，其流程如图2b所示；在此以等距离采样方法为例，对上述轨道检测方法做简要说明，首先根据安装在运营列车某轮轴上的光电编码器输出的脉冲信号进行脉冲计数，当计数达到设定值时，数据处理计算机产生采样脉冲，对所有传感器此刻的数据进行采集。采集惯性组件的信号得到采样时刻检测梁的横向加速度、垂向加速度、滚动角速度、摇头角速度；采样脉冲激发图像处理主机采集激光摄像组件拍摄的图像，对图像进行采集处理后得到检测梁相对于钢轨的横向位移和垂向位移；利用这8个传感器信号，通过数学计算以及信号的滤波补偿等数据处理可以计算得到轨道不平顺几何参数高低、轨向、轨距、水平、三角坑等，同时根据轨道管理标准，按照不同的等级，对轨道不平顺几何参数对大值进行超限判断，提供超出限值的不平顺类型、数值、位置等信息。所有的波形数据和超限判断数据都可以通过网络传输、存储、数据统计和报表打印等功能。

请参考图3所示，在轨道几何不平顺参数的高低数据处理中，还需要将所述检测梁两侧垂向单边位移数据分别与所述垂向加速度进行合成计算，获得运营车两侧高低数据；具体的，首先是对安装在检测梁中间惯性组件内的垂向加速度数据进行滤波处理，去掉信号噪声影响，消除其它方向的运动在垂向产生的加速度，得到所需要的频带信号，通过对垂向加速度积分计算得到位移，再与所述检测梁两侧垂向单边位移数据分别按照数学计算方法进行参数合成，即可获得运营车两侧高低数据。

请参考图4所示，在轨道几何不平顺参数的轨向数据处理过程中，还需将所述检测梁两侧横向位移数据分别与所述横向加速度进行合成计算，获得运营车轨向数据；具体的，首先是对安装在检测梁中间惯性组件内的横向加速度数据进行滤波处理，去掉信号噪声影响，消除其它方向的运动在横向产生的加速度，得到所需要的频带信号，通过对横向加速度积分计算得到位移，再与所述检测梁两侧横向位移数据分别按照数学计算方法进行参数合成，即可获得运营车两侧轨向数据。

请参考图5所示，在轨道几何不平顺参数的超高(水平)数据处理过程中，还需以滚动角速度和摇头角加速度作为横向加速度的修正量，根据所述修正量与所述横向加速度获得检测梁的倾角；通过检测梁两侧的垂向单边位移数据获得检测梁相对于轨道的倾角；根据所述检测梁的倾角和所述检测梁相对于轨道的倾角，利用矢量叠加获得轨道的倾角，根据所述轨道的倾角获得运营车的超高数据；具体的，首先对横向加速度、滚动陀螺、摇头陀螺进行信号处理，滚动陀螺和摇头陀螺作为横向加速度的修正量与横向加速度进行合成计算得到车辆运动时检测梁的倾角。同时通过两侧单边垂向位移可获得检测梁相对于轨道的倾角，将检测梁的倾角和检测梁相对于轨道的倾角进行矢量叠加可以得到轨道倾角，通过轨道倾角即可计算超高(水平)参数。

本发明所提供的轨道检测系统及方法以检测梁作为惯性基准，通过实时数字信号传输，建立数学计算模型计算轨道几何参数，具有小型化、集成化、数字化的特点；降低对车辆的要求，拓展检测设备的安装范围，在运营车辆上安装检测设备，随运营车实现检测功能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。