一种自动站台限界测量仪及其测量方法与流程

本发明涉及自动测量，具体涉及一种自动站台限界测量仪及其测量方法，尤其应用于铁路运输生产和管理中。

背景技术：

在铁路运输领域，站台限界主要是指铁轨与站台之间的固定距离。保证站台界限的稳定，才能防止火车在直线或曲线上运行时与站台发生接触，以保证火车安全通行。根据《铁路技术管理规程》的相关规定，铁路房建单位应加强房屋建(构)筑物建筑限界的管理和检测，限界检测每季度不少于一次，遇发生影响限界变化时(如施工、站台变形和沉降等)，应随时测量，发现侵限，及时处理，确保行车安全，可见站台限界检测对行车安全至关重要。

目前全铁路普遍使用的站台限界测量仪特征：

1.非自动测量，目前产品老旧，属于人工非自动设备测量方式，每次测量需要3到4人；

2.测量效率和精度都不高，通过手动操作目测读数进行逐点检测，无论是测量的速度还是精度都无法适应现在的要求；

3.超出测量天窗时间，每次耗时多，严重影响高铁界限测试时间安排。高铁的天窗点一般设定在晚上较短的时间节点，该站台尺的测量速度往往使检测工作无法在天窗点内完成；

4.人工测量读数易出错，目测读数很容易出现误读，给限界测量带来极大的困扰。

那么在上面所述的情况下，全路铁路系统急需一种测量速度快，测量精度高，操作人员少，操作简便的全自动型站台限界测量仪器，为高铁的安全通行提供一种重要的保障。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种自动站台限界测量仪及其测量方法，能大幅度提高限界测量速度、效率，并且精度高、不会出现人为误差。

本发明的上述第一个技术问题这样解决：构建一种自动站台限界测量方法，其特征在于，利用放置在铁轨上的自动站台限界测量仪，包括以下站台高度测量步骤：

101)利用自动站台限界测量仪的高度测量器以低于水平方向、向下倾斜的角度且同时垂直于铁轨的方向进行测量高度测量器到站台表面的距离D2，并获取高度测量器的该测量角度与自动站台限界测量仪的垂直高度方向的角度C；所述高度测量器的高度高于站台标准限高；

102)利用自动站台限界测量仪上的水平角度传感器测量放置在铁轨上的自动站台限界测量仪的水平摆放倾斜角度A；

103)计算站台高度H＝H0*cos(A)-D2*sin(90+A-C)，其中：H0是高度测量器的高度值。

由于顶端抖动厉害，加上D2与B之间测量会有不同步，因此直接测量高度测量器的向下倾斜测量与水平方向的角度B，会造成测量数值偏差很大，但通过测量A、C，获取B＝90+A-C，能消除或减弱测量偏差，使满足站台高度测量精度要求。

自动站台限界测量仪必须测量站台高度测量和站台与轨道水平距离测量，但是作为一种方法，不排除有时只测站台高度，因此不能看成缺少必要特征，这种方法完美解决了高精度自动测量站台高度的技术问题。

站台高度测量简称高度测量，站台与轨道水平距离测量简称水平测量。

按照本发明提供的自动站台限界测量方法，水平角度传感器可以设置在自动站台限界测量仪的：

㈠优选：中央或重心处，最大减少误差；

㈡可选：中下或重心以下，一定程度减少误差；

㈢不可取：中上或重心以上，很难减少误差。

按照本发明提供的自动站台限界测量方法，所述角度C包括以下二种：

㈠优选：所述角度C是固定不变的并事先输入到所述高度测量步骤，这样实现简单且角度C不存在偏差，从而不会引入新的系统测量误差。

㈡可选：所述角度C是可调节并可以被获取，这样测量范围较优选方案大，但角度C会有偏差，从而引入新的系统测量误差。

按照本发明提供的自动站台限界测量方法，所述水平角度传感器设置自动站台限界测量仪的中央、重心处(优选)、下部或中间部位，这样能一定程度地消除抖动的影响。

按照本发明提供的自动站台限界测量方法，该测量方法还包括最高测量范围H2：当H＝H2，记录实际站台高度为≥H2。这个最高测量范围H2会跟随A变化，当测量到H＝H2时，可能高度测量器测量的D2是高度测量器到站台壁的距离，而不是到站台平面的距离，因此对应高度要比站台平面高度低。

按照本发明提供的自动站台限界测量方法，还包括以下水平测量步骤：

601)利用自动站台限界测量仪的水平测量器以与自动站台限界测量仪的高度方向成一个设定的固定角度(优选：90度)且同时垂直于铁轨的方向进行测量水平测量器到站台壁的距离D3；

602)计算站台与轨道的水平距离D＝D3*cos(A)+tag(A)*H1，其中：H1是水平测量器的高度值。

这种水平测量步骤(特别是优选方式)比较简单，方向固定且不会引入新的系统测量误差。

按照本发明提供的自动站台限界测量方法，水平测量器类似指南针一样始终以水平方向直接测量水平测量器到站台壁的距离D；这种不太可取的替代方案由于测量时水平方向会有偏差，从而引入新的系统测量误差。

按照本发明提供的自动站台限界测量方法，所述站台壁是指站台面向铁轨一侧的竖直向下延伸的壁。

按照本发明提供的自动站台限界测量方法，所述水平测量器和高度测量器可以采用：

㈠优选激光测距模块，这样容易达到很高的精度，满足高精度测量要求；

㈡其他，包括但不限制于是红外、超声波或无线测距模块，这些替代方案不太容易达到很高的精度，很难满足高精度测量要求；

发明人在实际开发设计与试验中通过红外传感器方式进行数据测量采集，效果不理想，数据稳定性和精度达不到要求。

本发明的上述第二个技术问题这样解决：构建一种自动站台限界测量仪，其特征在于，包括：

支架：底部设有滚轮，用于放置并行走在铁轨上；

高度测量器：用于以低于水平方向、向下倾斜的角度地测量高度测量器到站台表面的距离D2；

水平角度传感器：用于测量放置在铁轨上的自动站台限界测量仪的水平摆放倾斜角度A；

水平测量器：用于以水平方向或与自动站台限界测量仪的高度方向成一个设定的固定角度方向(优选：90度)测量水平测量器到站台壁的距离；

测量模块：与所述高度测量器、水平测量器和水平角度传感器数据连接，用于获取所述高度测量器、水平测量器和水平角度传感器采集的数据并计算站台高度H和站台与轨道的水平距离D。

按照本发明提供的自动站台限界测量仪，它还包括：

控制模块，与所述高度测量器、水平测量器和水平角度传感器电连接，与所述测量模块数据连接，用于启动所述高度测量器、水平测量器和水平角度传感器进行各自测量；

行走距离模块，与所述控制模块电连接，用于测量所述自动站台限界测量仪在铁轨上的行走距离并根据行走距离把测量启动控制信号发送给所述控制模块，包括但不限于：

㈠每行走一段距离就自动测量H和D，比如每2米测量一次；

㈡每到一个特殊位置测量一次，比如离站台起点的2.5米处；

㈢上述二种的结合。

按照本发明提供的自动站台限界测量仪，数据连接包括数据线连接(如：并口、串口)，无线连接，蓝牙连接等等。

按照本发明提供的自动站台限界测量仪，所述测量模块与控制模块，包括：

㈠二个独立的模块或装置，其之间数据连接为外部数据连接；

㈡集成在一个装置中，如：测量控制中心，其之间数据连接为内部数据连接。

按照本发明提供的自动站台限界测量仪，行走距离模块可以但不限制于用编码器+逻辑可控制编程器(PLC)实现。编码器是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

按照本发明提供的自动站台限界测量仪，控制模块可以是PLC、单片机等。

本发明提供的自动站台限界测量仪及其测量方法，较现有技术具有以下优势：

1、机器自动测量，节省人工；

2、精度高，避免误差；

3、效率快，节省时间。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明：

图1是本发明的自动站台限界测量仪的测量原理示意图；

图2是本发明的自动站台限界测量仪的机架结构示意图；

图3是图2所示自动站台限界测量仪的电路结构示意图；

图4是图2所示自动站台限界测量仪中总控制与处理中心的控制程序流程示意图。

其中附图标记：

1-工业平板电脑，2-高度测量器，3-水平测量器。

具体实施方式

首先，本发明的核心与关键：

●测量原理

本发明的自动站台限界测量仪须要测量的是铁轨与站台之间的水平距离(水平测量)和站台高度测量(高度测量)，其几何计算原理如图1所示，左边自动站台限界测量仪放置在铁轨上，对右边站台进行测量，D2是顶端激光获取的距离数据，D3是水平激光获取的距离数据,H0为自动站台限界测量仪的支架高度。

发明创新点：通过这种策略，计算方法，同时有经过多次经验补偿，改进的算法才保证现在的计算精准。

①基本的数学计算公式：

A是水平角度传感器获取的，是放置在铁轨上的自动站台限界测量仪的水平倾斜角；

B是高度测量器跟水平方向的夹角；

H1：开始测量时，通过激光测量获取的数据

D1＝tag(A)*H1＝L1*cos(A)

L1：是水平测量器距离自动站台限界测量仪底部的高度；

水平的距离＝D3*cos(A)+D1

站台高度＝H0*cos(A)-D2*sin(B)

②优化的数学计算公式：

在实际的测量中。由于顶端的振动比较大，导致角度测量变化大。测量站台高度误差变化很大。而使用中心点的角度传感器来实时计算

公式改为：

测量开始是。获取的数据。

角度B,水平激光距离轨道高度H1

高度测量器跟支架的夹角C

C＝90+A-B；

B＝90+A-C；

由于C是固定不变；

B在测量时候的角度值B1代替B

B1＝90+A-C；

通过以上两个公式我们可以实时动态的获取高度跟水平距离。

第二，举例说明本发明自动站台限界测量仪的具体实现：

本发明自动站台限界测量仪的具体实现包括机械结构、内部电路与控制程序三大组成部分，三个部分缺一不可。本发明自动站台限界测量仪可以有多种形态，包括但不限制于以下具体的机械结构、硬件电路与控制程序，以下分别进行说明：

●机械结构

本发明自动站台限界测量仪，设备结构如图2所示，整套设备安装在一个搭放在两条铁轨上的测试架上。测试架的底座由中间横杆连接的两端组成，中间横杆由套在一起的外杆与内杆组成，可以活动调节长度，使之与铁轨长度一致。底座的两端都是垂直并中央连接中间横杆的一个短杆，左端短杆连接中间横杆中的内杆，右端短杆连接中间横杆中的外杆。每端短杆都具有2个滑动的轮子，另外还在各自内侧设有档位板，保证自动站台限界测量仪在进行界限测量时，能轻松地在铁轨上移动，从而对整个站台进行测试并防止它从铁轨掉落。

底座的中间横杆的中间靠左位置竖立一短直杆，上端设有控制平台，工业平板电脑1可固定安置在控制平台上表面。本发明自动站台限界测量仪的重心也在控制平台中，水平倾斜传感器也安置在其中。

底座的右端还竖立一长直杆，顶端安放高度测量器2、中下部位安放水平测量器3。

●内部电路

本发明自动站台限界测量仪，高度测量器采用高度测量激光传感器，水平测量器采用水平测量激光传感器，控制模块与测量模块分开，其内部电路如图3所示，包括总控制与处理中心及其控制电连接的水平测量激光传感器、高度测量激光传感器和蓝牙模块，还包括与总控制与处理中心无线蓝牙连接的工业平板电脑1，其中：

水平测量激光传感器、高度测量激光传感器，用于分别进行铁轨与站台的水平界限，站台高度的数据采集；

总控制与处理中心，作为整个测量仪的大脑中心，具体为内含水平倾斜传感器的控制模块，为布设PLC和水平倾斜传感器的电路板，安放在测试架的控制平台中，通过中空测试架内的连接线或测试架上的外部连接线连接水平测量激光传感器和高度测量激光传感器；

蓝牙模块，也一起布设在上述电路板上，用于与工业平板电脑1建立无线蓝牙连接，所述工业平板电脑1中也内置自身的蓝牙模块；

工业平板电脑1，可以进行采集数据的显示，数据编辑以及报表的处理工作。

上述图3的内部电路只能实现半自动测量，但仍然须要人工控制启动。为实现全自动测量，本发明自动站台限界测量仪进一步还须包括在图3中未电连接总控制与处理中心的编码器和对应自动控制程序。

编码器，该编码器可以与底座的右端和/或左端的滚轮配合，测量测试架在铁轨上的移动距离，根据移动距离自动启动测量。

●控制程序

本发明全自动站台限界测量仪内置测量移动距离的编码器，通过控制程序自动实现：

机器上电后，总控制与处理中心自动连接到各外部设备；

接收平板发出的命令，然后通过连接发送到每个测量器；

测量器采集数据发回到总控制与处理中心进行处理；

通过蓝牙传送到平板呈现给用户。

控制程序具体实现如图4所示，具体包括以下步骤：

401)开始；

402)总控制与处理中心进行系统/硬件初始化：蓝牙模块和编码器外设检查；

403)激光头1连接检查；激光头1指水平测量激光传感器；

404)判断是否成功？是，下一步，否则返回步骤403)；

405)激光头2连接检查；激光头2指高度测量激光传感器；

406)判断是否成功？是，下一步，否则返回步骤405)；

407)进入就绪状态(随时可以进入测量)；

408)判断是否有启动测量命令？是，下一步，否则返回步骤407)；

409)进入测量状态，启动激光头1、激光头2和编码器；

410)判断是否有停止测量命令？否，下一步，是则返回步骤407)；

411)判断是否立即测量命令？是，进入步骤413)，否则下一步；

412)判断是否到达测量点？是，下一步，否则返回步骤410)；比如：测量点是每2米启动一次测量；

413)向激光头1和激光头2发送测量命令，等待数据接受；

414)判断是否接收到激光头数据？是，进入下一步，否则返回步骤413)；

415)总控制与处理中心进行数据处理并把处理后的数据通过蓝牙连接发送给工业平板电脑；

416)结束。

第三，结合本发明的具体产品/试验品(全自动站台限界测量仪)及其使用进一步详细说明本发明：

这款全自动站台限界测量仪，是将限界测量仪放在铁轨上，从站台测量的起点开始推着限界测量仪轻松的走动，数据会自动进行测量并显示出来，整个测量过程采用全自动测量，测量数据能自动显示和处理。

这款全自动站台限界测量仪的工作原理和工作过程是：采用高精度的深圳迈测L2型激光传感器进行数据采集，总共是2个激光传感器，一个测量铁轨与站台之间的水平距离，一个测量站台的高度。所采用的高精度激光传感器原理是发射不同频率的可见激光束，接收从被测物体返回的散射激光，将接收到的激光信号与参考信号进行比较，之后通过微处理器计算出相应的相位偏移所对应的物体间的距离，可达到mm级测量精度，为整个测量的高精度提供有力保障。2路激光传感器计算出的站台界限和站台高度数据传输到总控制与处理中心，进行数据的实际运算，补偿，经验修正的总处理，得到相应的具体测量数据，将这些具体测量数据然后通过蓝牙模块，以无线方式传输到自动站台限界测量仪的工业平板电脑上进行相应的数据显示，数据编辑，方便对采集数据的电脑处理。

这款全自动站台限界测量仪，能自动高效率，高精度的进行界限数据的测量，主要采用了高精度的深圳迈测L2激光传感器进行数据采集，此激光传感器的精度达到了毫米级，±2mm，测量分辨率是1mm，这样保证了数据采集的高精度。激光等级2级，符合DINEN20825-1标准，采用工业级的激光传感器，为产品安全和稳定性提供了依据。现有的限界测量仪是采用人工测量，目测数据，目测数据具有较大的出错率，精度也不高。

根据《铁路运输房建设备大修维修规则》铁总运【2014】60号第5.6.2条规定，站台、雨棚限界应建立定点检测、点间观测的监控制度，《规则》对允许偏差明确规定：站台帽石边缘至铁路轨道中心线的距离允许偏差为(0+15mm),站台帽石顶面高程的允许偏差：高站台为(0-20mm)，普通站台和低站台为(±10mm)。自动站台限界测量仪在实际使用中完全满足规范要求，同时超过标准一倍的要求。

全自动站台限界测量仪采用的是限界测量仪搭放在铁轨上，采用非导电滑轮方式，可以一人轻松地推着限界测量仪进行自动数据测量，这是此自动站台限界测量仪的机械上的最大特点，为高效率的自动测试奠定了基础。根据激光传感器反射面的环境情况，最快可以达7次/每秒，最慢为每次4秒，保证了测量的效率。在试验当中也得到很好验证。

当然，以上所述仅是本发明的较佳实施例，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及流程所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围为内。