专利名称：铁路弹条扣件紧固状态自动检查方法及其装置的制作方法
铁路弹条扣件紧固状态自动检查方法及其装置技术领域
本发明属于仪器科学与技术领域，涉及一种对铁路弹条扣件紧固状态进行检查的方法及相应设备，特别涉及一种基于多传感器集成技术与激光测微技术的铁路弹条扣件紧固状态进行自动检查的方法及装置。
背景技术：
轨道扣件系统是轨道结构的关键部件，主要由螺栓、螺母、平垫圈、弹条、绝缘块、 铁垫板、绝缘缓冲垫板、轨下垫板、锚固螺栓、重型弹簧垫圈、平垫块等组成。扣件失效主要表现为扣件缺失、弹条断裂、紧固螺栓松动、弹条弹性失效等状态。轨道扣件系统的基本功能包括保持轨距、防止钢轨爬行、增大轨道框架刚度、提供弹性、提供轨道绝缘，保证轨道电路正常工作和调整钢轨位置。扣件失效将会改变钢轨的弹性和刚性，改变轨道轨距、平顺度，提高列车动态脱轨系数。
扣件失效主要表现为扣件缺失、弹条断裂、紧固螺栓松动、弹条弹性失效等状态。 其中扣件缺失和弹条断裂很容易人工发现，现有的轨道巡检列车具备此检查功能。紧固螺栓松动导致弹条紧固状态松弛是扣件系统最常见的病害，发生的概率很高。其中，扣件缺失和弹条断裂人工很容易发现，而且现有的轨道巡检列车均具备此检查功能。而紧固螺栓松动导致弹条紧固状态松弛是扣件系统最常见的故障，发生的概率较高且不易发现。
目前，铁路局工务段对扣件弹条紧固状态的排查基本采用人工检测的方式。检测人员以塞尺作为检测工具，逐个检查轨道扣件的状态。这种检测方式的缺点在于
I)劳动强度强度大；扣件位置较低，人工必须弯腰俯身，体力消耗较大；每个扣件都采用人工塞尺进行检测，检测人员容易疲劳，检测数据的精度难以保证；
2)检测任务量大；按照铁路规则，每公里连续抽查50个，以武广高铁1087公里为例，每年的抽查数量为1087X2X50=108700，按照100个/人/小时计算，需要1087人 小时；
3)抽查检测无法保证安全；每公里连续抽查50个的采样率偏低，按照建设标准，每公里1667根轨枕，每个轨枕4套轨道扣件，共6668个扣件，抽查采样率为 50/6668=0. 75%，并不能代表整个轨道扣件的状态。
因此，要提高扣件检查的采样率、效率及准确度，传统的人工检查方式必定完成不了任务。
特别是像高速铁路 和城市地铁的线路检查与维护，只能在夜间进行，视觉疲劳、漏检误检率高、作业环境恶劣、轨道检查和维护的时间有限。因此，现有的人工检测方式不能快速、准确地完成扣件弹条紧固状态的检测。
传统的车载式轨道图像巡视系统在使用过程中，车载计算机主要用于完成轨道及扣件图像的记录和分析，判断扣件是否完好、弹条是否折断和位移等，而不能检测扣件弹条的紧固状态；再次，传统的车载式轨道图像巡视系统在使用过程中，对扣件的定位主要通过里程计和轨道电路应答器数据结合，定位精度一般为5-15米，不能定位到具体的轨枕；最后，传统的车载式轨道图像巡视系统，需要采用自然光照明或者大功率灯照明，使得采集图 像受到太阳光干扰严重或者系统功耗过大，数据自动处理的可靠性难以保证，大大降低了 轨道检查的效率和准确性。
在轨道交通日益发达的今天，传统的人工检查扣件弹条紧固状态的方式无法满足 轨道管理的需要，特别是对高速铁路和城市地铁，因此迫切需要一种能够快速、高效、准确 的轨道扣件弹条紧固状态自动检查系统。发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够对铁路弹条扣件进行精确定位，并对定 位的铁路弹条扣件的紧固状态进行检查的方法。
与此相应，本发明另一个要解决的技术问题是提供一种能够获取铁路弹条扣件精 确定位的数据，并对定位的铁路弹条扣件紧固状态进行检查的装置。
就铁路弹条扣件紧固状态检查的方法，本发明公开的铁路弹条扣件紧固状态自动 检查方法，该方法包括以下步骤
步骤一获取铁路扣件的定位数据；
步骤二 获取弹条扣件紧固状态的判断数据；包括以下几个步骤
步骤A :采集完整的铁路扣件三维空间数据；
步骤B :对铁路扣件三维空间数据进行分离、识别，提取铁路扣件各个部件的三维 空间数据，建立铁路扣件的三维模型；
步骤C :在铁路扣件三维模型的基础上，分析计算弹条与垫板、绝缘板的间隙尺 寸，并结合铁路相关检查规则，判断弹条扣件紧固状态是否满足需求，获取弹条扣件紧固状 态的判断数据；
步骤三将铁路扣件定位数据与弹条扣件紧固状态的判断数据结合，完成铁路弹 条扣件紧固状态的检查。
优选地，所述步骤一中获取的铁路扣件定位数据包括铁路扣件的绝对位置坐标、 线性参考坐标和轨枕编号，其中
(I)GPS定位获取铁路扣件的绝对位置坐标；
(2)参照轨道小车起始位置获取轨道小车线性参考坐标；
(3)对铁路扣件计数，根据铁路线上轨枕编号规则，结合初始位置的轨枕编号，推 算当前轨枕编号，对轨枕的扣件进行定位，得到铁路扣件的轨枕编号。
优选地，所述步骤A采用线结构激光传感器进行铁路扣件三维空间数据的采集， 包括以下步骤
步骤a :在线结构激光传感器输出的单个断面数据中，通过设置铁路扣件检测区， 判定是否有铁路扣件的激光点分布于检测区内；如果有，将该断面作为铁路扣件检测的备 选数据；
步骤b :将连续的多个铁路扣件检测备选数据整合在一起构成铁路扣件备选三维 空间数据，分析备选数据的纵向长度；如果满足实际铁路扣件的长度，判断为一个完整的铁 路扣件三维空间数据。
再优选地，所述检测区为矩形区域。
优选地，所述方法还包括步骤四记录保存所有铁路扣件的原始数据和处理后的 数据。
本发明公开的方法中，对铁路扣件的定位使用了三种定位方式GPS定位、参考定 位和轨枕编号定位，并获取了铁路扣件的绝对位置坐标、线性参考坐标和轨枕编号，使得检 查到的每个轨道扣件都具有三个定位数据，从而实现了铁路扣件的精确定位；由于本发明 中采集的是完整的铁路扣件三维空间数据，并建立了铁路扣件的三维模型，因此可以精确 获取铁路弹条扣件紧固状态的判断数据，从而实现了对定位的铁路弹条扣件紧固状态的自 动检查。
就铁路弹条扣件紧固状态检查的装置，本发明公开的铁路弹条扣件紧固状态自动 检查小车，其特征在于包括轨道小车、线结构激光传感器、光电编码器、GPS接收机、同步 控制电路、嵌入式计算机和电源装置；
其中，轨道小车包括横梁、左纵梁、右纵梁和车轮；所述左纵梁和右纵梁的中心位 置分别与横梁的左、右两端连接；至少4个所述车轮分别设置于左纵梁和右纵梁的底部两 端;
所述线结构激光传感器共有4个，即第一线结构激光传感器、第二线结构激光传 感器、第三线结构激光传感器和第四线结构激光传感器；所述线结构激光传感器用于获取 铁路扣件三维空间数据；
所述光电编码器用于获取轨道小车的走行距离及运行速度，从而获取轨道小车的 线性参考坐标；
所述GPS接收机包括天线和接收机；所述GPS接收机用于获取铁路扣件的绝对位 置坐标；
所述同步控制电路用于处理GPS接收机和光电编码器输入的信号，并根据处理后 的数据输出脉冲信号控制线结构激光传感器采集数据；
所述嵌入式计算机用于接受线结构激光传感器采集得到的铁路扣件三维空间数 据，经过数据处理，获取铁路弹条扣件紧固状态的判断数据；
其连接关系在于所述轨道小车的横梁跨于两侧钢轨上；所述第一线结构激光传 感器和第二线结构激光传感器对称设置于左纵梁中心位置的内外两侧、且位于左侧钢轨铁 路扣件上方；第三线结构激光传感器和第四线结构激光传感器对称设置于右纵梁中心位置 的内外两侧、且位于右侧钢轨铁路扣件上方；所述光电编码器安装在轨道小车车轮的中心 轴上；所述GPS接收机的天线设置在轨道小车的横梁上、接收机设置在同步控制电路内；所 述同步控制电路、嵌入式计算机和电源装置依次安装在轨道小车的横梁内。
优选地，所述电源装置包括锂离子电池和电源变送及控制模块；锂离子电池产生 的直流电源，经过电源变送及控制模块后，分别输送到同步控制电路和嵌入式计算机；同步 控制电路向光电编码器、GPS接收机提供电源。
再优选地，所述光电编码器也可以是旋转编码器。
优选地，所述小车还包括设置在横梁上的手推把，以及安装在手推把端部的触摸 显示器和声光报警装置；同步控制电路向触摸显示器和声光报警装置提供电源；嵌入式计 算机将铁路弹条扣件紧固状态的判断数据传输到触摸显示器和声光报警装置进行显示及报警。
优选地，所述嵌入式计算机还用于记录保存所有铁路扣件的原始数据和处理后的 数据，这些数据包括同步控制电路发送至嵌入式计算机的轨道小车的绝对位置坐标、走行 距离及运行速度，线结构激光传感器获取的铁路扣件三维空间数据，和嵌入式计算机获取 的铁路弹条扣件紧固状态的判断数据。
采用上述结构的设备，本发明
(I)实现了铁路扣件的精确定位；
(2)实现了铁路弹条扣件的完整性检查；
(3)实现了铁路弹条扣件紧固状态的自动检测；
(4)建立了铁路扣件的三维模型，记录了铁路扣件的详细信息；
(5)实现了铁路弹条扣件紧固状态的报警。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
图1为本发明的结构示意图2为本发明电源装置的工作示意图中，1-轨道小车，2-第一线结构激光传感器，3-第二线结构激光传感器，4-第三 线结构激光传感器，5-第四线结构激光传感器，6-光电编码器，7-GPS接收机，8-同步控制 电路，9-嵌入式计算机，10-电源装置，11-触摸显示器，12-声光报警装置，13-手推把。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式
作进一步描述，以下实施例仅用 于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的铁路弹条扣件紧固状态自动检查方法包括以下步骤
步骤一获取铁路扣件的定位数据；所述铁路扣件定位数据包括铁路扣件的绝对 位置坐标、线性参考坐标和轨枕编号，其中
(I)GPS定位获取铁路扣件的绝对位置坐标；
(2)参照轨道小车起始位置获取轨道小车线性参考坐标；
(3)对铁路扣件计数，根据铁路线上轨枕编号规则，结合初始位置的轨枕编号，推 算当前轨枕编号，对轨枕的扣件进行定位，得到铁路扣件的轨枕编号；
步骤二 获取弹条扣件紧固状态的判断数据；包括以下几个步骤
步骤A :采集完整的铁路扣件三维空间数据；本步骤中完整的铁路扣件三维空间 数据是采用线结构激光传感器进行的，包括以下步骤
步骤a:在线结构激光传感器输出的单个断面数据中，通过设置铁路扣件检测区， 判定是否有铁路扣件的激光点分布于检测区内；如果有，将该断面作为铁路扣件检测的备 选数据；所述检测区优选为矩形区域；
步骤b :将连续的多个铁路扣件检测备选数据整合在一起构成铁路扣件备选三维 空间数据，分析备选数据的纵向长度；如果满足实际铁路扣件的长度，判断为一个完整的铁 路扣件三维空间数据；
步骤B :对铁路扣件三维空间数据进行分离、识别，提取铁路扣件各个部件的三维空间数据，建立铁路扣件的三维模型；
步骤C :在铁路扣件三维模型的基础上，分析计算弹条与垫板、绝缘板的间隙尺 寸，并结合铁路相关检查规则，判断弹条扣件紧固状态是否满足需求，获取弹条扣件紧固状 态的判断数据；
步骤三将铁路扣件定位数据与弹条扣件紧固状态的判断数据结合，完成铁路弹 条扣件紧固状态的检查。
作为本方法优选还包括步骤四记录保存所有铁路扣件的原始数据和处理后的数 据。
如附图1所示，本发明的铁路弹条扣件紧固状态自动检查小车，包括轨道小车1、 线结构激光传感器、光电编码器6、GPS接收机7、同步控制电路8、嵌入式计算机9和电源装 置10 ；
其中，轨道小车I包括横梁、左纵梁、右纵梁和车轮；所述左纵梁和右纵梁的中心 位置分别与横梁的左、右两端连接；至少4个所述车轮分别设置于左纵梁和右纵梁的底部 两端；
所述线结构激光传感器共有4个，即第一线结构激光传感器2、第二线结构激光传 感器3、第三线结构激光传感器4和第四线结构激光传感器5 ;所述线结构激光传感器用于 获取铁路扣件三维空间数据；
所述光电编码器6用于获取轨道小车I的走行距离及运行速度，从而获取轨道小 车I的线性参考坐标；
所述GPS接收机7包括天线和接收机；所述GPS接收机7用于获取铁路扣件的绝 对位置坐标；
所述同步控制电路8用于处理GPS接收机7和光电编码器6输入的信号，并根据 处理后的数据输出脉冲信号控制线结构激光传感器采集数据；
所述嵌入式计算机9用于接受线结构激光传感器采集得到的铁路扣件三维空间 数据，经过数据处理，获取铁路弹条扣件紧固状态的判断数据；
其连接关系在于所述轨道小车I的横梁跨于两侧钢轨上；所述第一线结构激光 传感器2和第二线结构激光传感器3对称设置于左纵梁中心位置的内外两侧、且位于左侧 钢轨铁路扣件上方；第三线结构激光传感器4和第四线结构激光传感器5对称设置于右纵 梁中心位置的内外两侧、且位于右侧钢轨铁路扣件上方；所述光电编码器6安装在轨道小 车I车轮的中心轴上；所述GPS接收机7的天线设置在轨道小车I的横梁上、接收机设置在 同步控制电路8内；所述同步控制电路8、嵌入式计算机9和电源装置10依次安装在轨道 小车I的横梁内。
如附图2所示，所述电源装置10包括锂离子电池和电源变送及控制模块；锂离子 电池产生的直流电源，经过电源变送及控制模块后，分别输送到同步控制电路8和嵌入式 计算机9 ;同步控制电路8向光电编码器6、GPS接收机7提供电源。
其中，所述光电编码器6也可以是旋转编码器。
再如附图1所示，所述铁路弹条扣件紧固状态自动检查小车还包括设置在横梁上 的手推把13，以及安装在手推把13端部的触摸显示器11和声光报警装置12 ;同步控制电 路8向触摸显示器11和声光报警装置12提供电源；嵌入式计算机9将铁路弹条扣件紧固状态的判断数据传输到触摸显示器11和声光报警装置12进行显示及报警。
其中，所述嵌入式计算机9还用于记录保存所有铁路扣件的原始数据和处理后的 数据，这些数据包括同步控制电路8发送至嵌入式计算机9的轨道小车I的绝对位置坐标、 走行距离及运行速度，线结构激光传感器获取的铁路扣件三维空间数据，和嵌入式计算机9 获取的铁路弹条扣件紧固状态的判断数据。
以上所述仅是本发明的优先实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰 也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.铁路弹条扣件紧固状态自动检查方法，该方法包括以下步骤步骤一获取铁路扣件的定位数据；步骤二 获取弹条扣件紧固状态的判断数据；包括以下几个步骤步骤A :采集完整的铁路扣件三维空间数据；步骤B :对铁路扣件三维空间数据进行分离、识别，提取铁路扣件各个部件的三维空间数据，建立铁路扣件的三维模型；步骤C :在铁路扣件三维模型的基础上，分析计算弹条与垫板、绝缘板的间隙尺寸，并结合铁路相关检查规则，判断弹条扣件紧固状态是否满足需求，获取弹条扣件紧固状态的判断数据；步骤三将铁路扣件定位数据与弹条扣件紧固状态的判断数据结合，完成铁路弹条扣件紧固状态的检查。
2.根据权利要求1所述的铁路弹条扣件紧固状态自动检查方法，其特征在于所述步骤一中获取的铁路扣件定位数据包括铁路扣件的绝对位置坐标、线性参考坐标和轨枕编号，其中(1)GPS定位获取铁路扣件的绝对位置坐标；(2)参照轨道小车起始位置获取轨道小车线性参考坐标；(3)对铁路扣件计数，根据铁路线上轨枕编号规则，结合初始位置的轨枕编号，推算当前轨枕编号，对轨枕的扣件进行定位，得到铁路扣件的轨枕编号。
3.根据权利要求1所述的铁路弹条扣件紧固状态自动检查方法，其特征在于所述步骤A采用线结构激光传感器进行铁路扣件三维空间数据的采集，包括以下步骤步骤a :在线结构激光传感器输出的单个断面数据中，通过设置铁路扣件检测区，判定是否有铁路扣件的激光点分布于检测区内；如果有，将该断面作为铁路扣件检测的备选数据；步骤b :将连续的多个铁路扣件检测备选数据整合在一起构成铁路扣件备选三维空间数据，分析备选数据的纵向长度；如果满足实际铁路扣件的长度，判断为一个完整的铁路扣件三维空间数据。
4.根据权利要求3所述的铁路弹条扣件紧固状态自动检查方法，其特征在于所述检测区为矩形区域。
5.根据权利要求1所述的铁路弹条扣件紧固状态自动检查方法，其特征在于所述方法还包括步骤四记录保存所有铁路扣件的原始数据和处理后的数据。
6.铁路弹条扣件紧固状态自动检查小车，其特征在于包括轨道小车(I)、线结构激光传感器、光电编码器(6)、GPS接收机(7)、同步控制电路(8)、嵌入式计算机(9)和电源装置(10)；其中，轨道小车(I)包括横梁、左纵梁、右纵梁和车轮；所述左纵梁和右纵梁的中心位置分别与横梁的左、右两端连接；至少4个所述车轮分别设置于左纵梁和右纵梁的底部两端;所述线结构激光传感器共有4个，即第一线结构激光传感器(2)、第二线结构激光传感器(3)、第三线结构激光传感器(4)和第四线结构激光传感器(5);所述线结构激光传感器用于获取铁路扣件三维空间数据；所述光电编码器(6)用于获取轨道小车(I)的走行距离及运行速度，从而获取轨道小车(I)的线性参考坐标；所述GPS接收机(7)包括天线和接收机；所述GPS接收机(7)用于获取铁路扣件的绝对位置坐标；所述同步控制电路(8 )用于处理GPS接收机(7 )和光电编码器(6 )输入的信号，并根据处理后的数据输出脉冲信号控制线结构激光传感器采集数据；所述嵌入式计算机(9)用于接受线结构激光传感器采集得到的铁路扣件三维空间数据，经过数据处理，获取铁路弹条扣件紧固状态的判断数据；其连接关系在于所述轨道小车(I)的横梁跨于两侧钢轨上；所述第一线结构激光传感器(2)和第二线结构激光传感器(3)对称设置于左纵梁中心位置的内外两侧、且位于左侧钢轨铁路扣件上方；第三线结构激光传感器(4)和第四线结构激光传感器(5)对称设置于右纵梁中心位置的内外两侧、且位于右侧钢轨铁路扣件上方；所述光电编码器(6)安装在轨道小车(I)车轮的中心轴上；所述GPS接收机(7)的天线设置在轨道小车(I)的横梁上、接收机设置在同步控制电路(8)内；所述同步控制电路(8)、嵌入式计算机(9)和电源装置(10)依次安装在轨道小车(I)的横梁内。
7.根据权利要求6所述的铁路弹条扣件紧固状态自动检查小车，其特征在于所述电源装置(10)包括锂离子电池和电源变送及控制模块；锂离子电池产生的直流电源，经过电源变送及控制模块后，分别输送到同步控制电路(8)和嵌入式计算机(9);同步控制电路(8)向光电编码器(6)、GPS接收机(7)提供电源。
8.根据权利要求6或7所述的铁路弹条扣件紧固状态自动检查小车，其特征在于所述光电编码器(6)也可以是旋转编码器。
9.根据权利要求8所述的铁路弹条扣件紧固状态自动检查小车，其特征在于所述小车还包括设置在横梁上的手推把(13)，以及安装在手推把(13)端部的触摸显示器(11)和声光报警装置(12 );同步控制电路(8 )向触摸显示器(11)和声光报警装置(12 )提供电源； 嵌入式计算机(9)将铁路弹条扣件紧固状态的判断数据传输到触摸显示器(11)和声光报警装置(12)进行显示及报警。
10.根据权利要求9所述的铁路弹条扣件紧固状态自动检查小车，其特征在于所述嵌入式计算机(9)还用于记录保存所有铁路扣件的原始数据和处理后的数据，这些数据包括同步控制电路(8)发送至嵌入式计算机(9)的轨道小车(I)的绝对位置坐标、走行距离及运行速度，线结构激光传感器获取的铁路扣件三维空间数据，和嵌入式计算机(9)获取的铁路弹条扣件紧固状态的判断数据。
全文摘要
本发明涉及铁路弹条扣件紧固状态自动检查方法及其装置，所述方法包括获取铁路扣件定位数据的步骤、获取弹条扣件紧固状态判断数据的步骤、将铁路扣件定位数据与弹条扣件紧固状态的判断数据结合完成铁路弹条扣件紧固状态检查的步骤。所述装置包括轨道小车和设置于轨道小车上的线结构激光传感器、光电编码器、GPS接收机、同步控制电路、嵌入式计算机和电源装置。本发明能够实现铁路扣件的精确定位；实现铁路弹条扣件的完整性检查；实现铁路弹条扣件紧固状态的自动检测；记录铁路扣件的详细信息；实现铁路弹条扣件紧固状态的报警。
文档编号E01B35/00GK103061219SQ20131001287
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月14日 优先权日2013年1月14日
发明者毛庆洲 申请人:武汉汉宁科技有限公司