一种用于铁路隧道全断面综合检测的轨道车及检测方法与流程

本发明属于铁路工务系统隧道检测技术领域，具体涉及一种用于铁路隧道全断面综合检测的轨道车及检测方法。

背景技术：

截至2015年底，全国运营铁路隧道13411座，总长13038km，中国已成为世界上铁路隧道数量最多的国家。但是在数量庞大的铁路隧道中，隧道总体技术状态较差，质量状况不容乐观。据2014年统计资料，全路共有病害隧道5990座，病害率高达52.4％，存在衬砌质量缺陷以及严重腐蚀裂损、仰拱铺底变形、渗漏水、限界不足等多种病害，且呈逐年上升趋势。此外，中国目前在建铁路隧道3784座，总长8692km；规划隧道4384座，总长9345km。在近5年内，中国铁路隧道数量将超过20000km。

隧道常见衬砌质量缺陷主要有衬砌厚度不足、强度不足、背后空洞及不密实、钢筋缺失、间距偏大或保护层厚度不足，衬砌常见病害主要有衬砌裂缝、剥落掉块、断裂、错台、变形、渗漏水、道床破损、上拱、冒水病害等。目前，国内外隧道衬砌质量缺陷和病害的检测方法主要是探地雷达法，探地雷达法被广泛应用到既有铁路和新建铁路隧道的检测中。传统方法是采用人工手持天线或机械手臂贴近测线进行检测，虽然能一次性全断面检测，但在电气化铁路上检测时要求在维修天窗时间停电作业，需要中断运输，并受到接触网干扰；对于衬砌裂缝，传统采用人工肉眼识别，为了深入检测衬砌质量，早期采用钻孔方式检测，虽然比较直观，但破坏隧道防排水系统与衬砌整体性。目前的检测方法以人工检查为主，检测结果依赖于检测人员水平，速度慢，效率低，而铁路天窗时间较短，因而远不能满足我国运营铁路大量隧道工程需要。

目前，国内外已经研发了一些不同类型的隧道轨道车，但存在一些缺点：(1)病害检测指标单一，不全面；(2)自动识别程度低，需自动识别与人工修正相结合；(3)检测速度较慢，一般在1～3km/h，无法适应我国铁路隧道检测要求；(4)国外先进专用检测设备价格昂贵。

由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种隧道综合轨道车，使其能够克服上述缺陷和不足，满足我国铁路隧道的检测需要。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于铁路隧道全断面综合检测的轨道车及检测方法，该轨道车集成了探地雷达、空气耦合式屏蔽天线、激光扫描仪、线阵相机、gps接收机、惯性单元、红外热成像仪、激光测距仪、数据处理系统和供电系统，行车速度达到60km/h以上，由于其具有多个检测系统，能够一次性全断面检测隧道衬砌状态和隧道底部病害，且检测的准确度高、效率高，并据可此提出有针对性的整治措施，能够减少维修时间，节约维修费用；对铁路隧道正常运输影响小，降低因停止运输造成的损失。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于铁路隧道全断面综合检测的轨道车，其特征在于，包括轨道车底板、设置在轨道车底板前端的驾驶室和设置在轨道车底板尾端的车厢，

其中，所述驾驶室顶端的一侧设置有一gps接收机，该gps接收机与轨道车底板上的gps主机相连，用于获取轨道车的定位信息；

所述轨道车底板上靠近驾驶室的最前端设置有门拱框架，门拱框架上均匀设置有若干个线阵相机，所述线阵相机的镜头均朝向外侧用于拍摄隧道两侧和顶端的图片，

所述门拱框架远离驾驶室的一侧设置有天线支架，所述天线支架上固定有若干组空气耦合式屏蔽天线，在所述轨道车底板下方与车底板上方的天线所处的同一竖直平面内还设置有若干组空气耦合式屏蔽天线，用于检测隧道衬砌内部状态和隧底病害，

所述gps主机设置在所述天线支架后方，两个探地雷达分别设置在gps主机的两侧，在探地雷达后侧的轨道车底板上设置有一红外热成像仪支架，在该支架上左右侧和上侧分别设置有一红外热成像仪，分别朝向隧道衬砌上部和两侧边墙，用于采集隧道衬砌的红外温度场；

所述车厢上方顶板的尾部还设置有一激光扫描仪用于扫描隧道衬砌轮廓信息，该车厢内部设置有一工控计算机用于采集数据和发出控制信号。

优选地，所述门拱框架为三个并排设置，若干个所述线阵相机均匀设置在处于中间的门拱框架上，两侧的门拱框架在每个线阵相机两侧的对应位置上均设置有光源为线阵相机提供照明。在隧道内光线不足的情况下，线阵相机两侧的光源能够为相机补充照明并且避免了光源直射拍照区域，提高相机拍摄的照片质量。

优选地，所述空气耦合式屏蔽天线通过天线支撑轴固定在天线支架上，该天线支撑轴可调节空气耦合式屏蔽天线的发射方向和位置。通过调节空气耦合式屏蔽天线的位置，使天线的辐射范围覆盖隧道衬砌断面和隧底，得到隧道截面全面的信息。

优选地，所述探地雷达中的一台连接轨道车底板上部的空气耦合式屏蔽天线，另一台连接所述轨道车底板下部的空气耦合式屏蔽天线。

优选地，在所述驾驶室上方的顶板一侧和车厢尾部的顶端的一侧还各设置有一激光测距仪用于检测拱顶信号。驾驶室上方的激光测距仪用于检测所述轨道车进入隧道，作为开始检测信号，车厢尾部顶板的激光测距仪用于检测所述轨道车离开隧道，作为结束检测信号。

优选地，在所述gps主机的后侧还设置有一惯性单元，车厢内部还设置有一供电系统提供电源。惯性单元用于在隧道内所述gps接收机无法接收卫星信号的情况下，获取所述轨道车的位置、姿态数据，测算在隧道内部的高精度位置。而供电系统则为轨道车内部各个设备提供所需的各种电源。

按照本发明的另一方面，提供了一种铁路隧道全断面的综合检测方法，其特征在于，采用如上所述的轨道车在隧道内进行检测，具体包括以下步骤：

s1.根据被检测隧道的断面形状，调节轨道车天线支架上的空气耦合式屏蔽天线的位置，使空气耦合式屏蔽天线发射方向分别指向隧道的拱顶、两侧拱腰及边墙的测线；

s2.将轨道车上的工控计算机与线阵相机、探地雷达、gps接收机、惯性单元、激光扫描仪、红外热成像仪、激光测距仪连接；

s3.开动轨道车在被检测隧道内运行，将驾驶室顶端和车厢顶端的激光测距仪检测到的隧道洞口拱顶信号分别作为检测起始点和结束点，轨道车上的线阵相机、探地雷达、激光扫描仪、红外热成像仪在被检测隧道内持续采集被检测隧道的断面数据，并进行存储和初步处理；

s4.待被检测隧道的断面数据采集完成后，对步骤s3中各个检测设备所采集到的断面数据进行针对性处理和隧道病害分析处理。

进一步优选地，在步骤s2中将gps接收机和惯性单元所接收到的信息建立位置时间坐标系，并根据该位置时间坐标系，对步骤s3中检测到的被检测隧道的断面数据进行相应的位置时间双参数标定。将检测到的断面数据信息进行位置时间双参数标定，能够将断面数据与隧道位置进行精确地对位，从而获得准确地隧道整体的内部信息。

优选地，在步骤s3中，当轨道车平台在隧道内部发生停车时，根据惯性单元的检测信号控制所有检测设备停止检测。采用惯性单元在隧道内所述gps接收机无法接收卫星信号的情况下，获取所述轨道车的位置、姿态数据，测算在隧道内部的高精度位置，从而给出停车信号，能够减少数据混乱和数据量，即使有检测设备继续检测，也可根据该检测数据标定的位置时间进行多余剔除。

优选地，在步骤s4后还包括步骤s5，对步骤s4中分析处理后的隧道病害信息进行人工对比校正和确认，其中，对于处理数据结果出现差异部分进行人工纠正，对于隧道复杂断面全部人工进行处理。通过人工对比校正和确认，能够对复杂情况进行有效地处理，提高最终数据的准确性。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的轨道车使用车载探地雷达远距离测量方法，行车速度达到60km/h以上，具有多个检测系统，实现快速一次性全断面检测隧道质量状态与内轮廓，避免了传统人工或多次检测的费工费时效率低的问题。

(2)本发明采用高频拍照工业ccd相机获取衬砌表面清晰图像，可满足行车速度在60km/h以上。用高扫描速率探地雷达系统，提高了探地雷达检测速度，在测点距离为5cm条件下，能满足行车速度达到60km/h以上。本发明还采用gps定位系统和惯性单元结合，在有gps信号的情况下，主要依靠gps定位并与当地gis地理信息数据库匹配，对标记的整点里程进行校正，在整点里程之间依靠惯性单元进行精确定位。在gps信号缺失时，采用惯性单元获取轨道车的精确定位，提高了定位的准确性。

(3)采用同步控制软件建立起以gps定位和惯性单元结合测算的高精度定位信息为横坐标、以时间为纵坐标的位置时间坐标系，将所有检测数据与断面信息统一对应，另一方面通过激光测距判断进入和离开隧道，实现自动化数据采集。

(4)本发明可一次性全面掌握隧道质量状态信息，准确度高，效率高，并可据此提出有针对性的整治措施，减少维修时间，节约维修费用；对铁路隧道正常运输影响小，降低因停止运输造成的损失；可检测新建铁路隧道质量缺陷与病害问题，在交付运营前及时发现病害，及时整治降低后期影响。

附图说明

附图1为本发明轨道车的三维立体示意图；

附图2为本发明轨道车的正视图；

附图3为线阵相机门拱框架及相机光源示意图；

附图4为空气耦合式屏蔽天线及天线支架示意图；

附图5为红外热成像仪及其支架示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-轨道车底板，2-驾驶室，3-车厢，4-门拱框架，5-相机，6-光源，7-天线支架，8-空气耦合式屏蔽天线，9-天线支撑轴，10-探地雷达，11-gps主机，12-gps接收机，13-惯性单元，14-红外热成像仪支架，15-红外热成像仪，16-激光测距仪，17-激光扫描仪，18-工控计算机，19-供电系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1-5为本发明的轨道车的整体和部分结构示意图，如图1-5所示：一种用于铁路隧道全断面综合检测的轨道车，包括轨道车底板1、驾驶室2、车厢3，用于为所有检测系统设备提供移动的安装平台；

还包括线阵相机5、探地雷达10、空气耦合式屏蔽天线8、gps接收机12、惯性单元13、激光扫描仪17、红外热成像仪15、激光测距仪16、数据处理系统和供电系统19。

所述线阵相机包括门拱框架4、相机5、光源6，安装在所述轨道车底板1的最前端，包括多个安装在门拱框架4上的拍照相机5和安装在相机5两侧用于提供照明的光源6。门拱框架4由相同的三排门拱框架组成，从前往后每排分别安装光源6、相机5、光源6，每排门拱框架有多个安装位置，线阵相机用于拍摄衬砌表面清晰图像。

所述空气耦合式屏蔽天线8安装在天线支架7上，可通过天线支撑轴9调整天线发射方向和位置，天线支架7安装在所述轨道车底板1前端、线阵相机5后方，天线8总共有9组，其中6组安装在天线支架7上，天线8辐射范围覆盖隧道衬砌断面，天线8延伸平面不进入车辆限界，用于检测隧道衬砌内部状态，是远距离检测隧道衬砌的关键，3组天线8安装在所述轨道车底板1下方与底板上方天线处于同一竖直平面，下方天线探测轨道两侧和线路中心线，用于检测隧底病害。

所述探地雷达10安装在所述轨道车底板1前端两侧、天线支架7后方，探地雷达10有两台，一台连接轨道车底板1上部6组空气耦合天线8，另一台连接所述轨道车底板1下部3组空气耦合天线8，探地雷达10与空气耦合天线8组成探地雷达系统。

所述gps接收机12，安装在所述驾驶室2上方顶板上，与gps主机11连接，gps主机11安装在所述轨道车底板1前端中间、所述天线支架7后方，gps接收机12用于获取所述轨道车的高精度定位信息；

所述惯性单元13，安装在所述轨道车底板1前端中间、天线支架7和gps主机11后方，两侧是所述探地雷达10，用于在隧道内所述gps接收机12无法接收卫星信号的情况下，获取所述轨道车的位置、姿态数据，测算在隧道内部的高精度位置；

所述红外热成像仪15，安装在红外热成像仪支架14上，支架安装在所述轨道车底板中部、所述探地雷达10后方，红外热成像仪15有3个，分别朝向隧道衬砌上部和两侧边墙，用于采集隧道衬砌的红外温度场；

所述激光测距仪16安装在所述驾驶室2上方顶板上一侧，另一个安装在所述车厢3尾端顶面一侧，前所述激光测距仪16用于检测所述轨道车进入隧道，作为开始检测信号，后所述激光测距仪16用于检测所述轨道车离开隧道，作为结束检测信号；

所述激光扫描仪17，安装在所述车厢2尾端顶面中间，用于扫描隧道衬砌轮廓信息；

所述数据处理系统包括工控计算机设备18、同步控制软件和隧道病害处理专业软件，工控计算机18安装在所述轨道车底板1尾部一侧、所述红外热成像仪支架14后方，在车厢3内部，工控计算机设备18用于控制和采集所述线阵相机5、探地雷达10、gps接收机12、惯性单元13、红外热成像仪15、激光扫描仪17、激光测距仪16的数据，同步控制软件根据所述惯性单元13和所述激光测距仪16的信号控制其他设备采集信息，隧道病害处理专业软件对所有采集数据进行识别、处理，统计给出隧道病害详细特征信息，提供给隧道健康评估作为依据；

所述供电系统19，安装在所述轨道车底板1最尾端，为轨道车内部各个设备提供所需的各种电源。

本发明还提供了一种铁路隧道全断面的综合检测方法，采用如上所述的轨道车在隧道内进行检测，具体包括以下步骤：

(1)根据被检测隧道断面形状，通过天线支撑轴9调整天线支架7上6组空气耦合式屏蔽天线8，使天线8发射方向指向拱顶、两侧拱腰及边墙的测线，天线8延伸平面不进入车辆限界，天线8位置对于探测效果影响较大，天线支架7上的6组天线8与轨道车底板1下方的3组天线8分别连接单独的探地雷达主机10；

(2)工控计算机18与线阵相机5、探地雷达10、gps接收机12、惯性单元13、激光扫描仪17、红外热成像仪15、激光测距仪16相连接，并依靠同步控制软件控制，同步控制软件接收gps接收机12、惯性单元13的信息建立位置时间坐标系；

(3)轨道车进入隧道时gps接收机12获取洞口定位坐标，安装在驾驶室2上方顶板上一侧的激光测距仪16检测到隧道洞口拱顶信号，以此作为开始所有检测的起始时间点，同步控制软件控制线阵相机5、探地雷达10、激光扫描仪17、红外热成像仪15开始采集数据，在隧道中所有检测设备持续检测隧道断面数据并经过工控计算机18存储和同步控制软件初步处理，对所有检测设备的数据进行相应的位置时间双参数标定。轨道车在隧道内部发生停车时，同步控制软件根据惯性单元13检测信号控制所有检测设备停止检测，减少数据混乱和数据量，即使有检测设备继续检测，也可根据该检测数据标定的位置时间进行多余剔除。轨道车离开隧道时gps接收机12获取出洞口定位坐标，安装在车厢3尾端顶面一侧的激光测距仪16检测到隧道出洞口拱顶信号，同步控制软件控制所有检测设备停止检测；

(4)检测数据采集完成后，利用数据处理系统对采集到的数据进行针对性处理和隧道病害专业处理软件分析处理。处理内容包括：对线阵相机5采集的衬砌表面图像进行处理得到三维隧道衬砌表面清晰图像，隧道病害专业处理软件针对不同断面图像进行裂缝特征识别算法处理，统计隧道衬砌裂缝长度、宽度及位置信息；对探地雷达10的信号进行去背景信号，隧道病害专业处理软件再对这些较简单的图像进行衬砌内部状态特征识别算法处理，可检测隧道的衬砌内轮廓、厚度、内部缺陷、钢筋分布、蜂窝、掉块、断裂、错台、衬砌背后空洞，对于隧道底部病害，经过处理可检测道床厚度、仰拱或底板厚度、基底下沉、结构断裂及渗漏水，铁路路基状态检测方法已经比较成熟；对于红外热成像仪15采集的衬砌表面红外温度场数据进行处理得到三维隧道衬砌表面红外温度场图像，隧道病害专业处理软件针对不同断面红外温度场图像进行渗漏水区域特征识别算法处理，统计隧道衬砌渗漏水区域形态及位置信息；对于激光扫描仪17采集的隧道衬砌轮廓数据处理得到隧道三维内轮廓模型，最终以三维隧道模型空间展示隧道病害详细特征信息；

(5)对数据处理系统得到的隧道病害信息进行人工对比校正和确认。根据隧道病害专业处理软件得到的同一断面的所有检测数据处理结果，人工对比确认病害特征，例如探地雷达10得到衬砌反射波信号图像经过数据处理，结果表明衬砌断裂，通过对比该断面处相机5获取的衬砌表面清晰图像直观看出衬砌是否断裂。对于处理数据结果出现差异部分需要人工纠正，对于隧道复杂断面必须全部人工进行处理。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。