鐵路站臺(tái)限界非接觸測(cè)量中垂直斷面的判定方法

趙夢(mèng)，王健，李壯，范宇，丁道祥，崔高峰

（中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110013）

鐵路車(chē)站站臺(tái)作為列車(chē)?？考奥每蜕舷萝?chē)的重要設(shè)施，在長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)中線(xiàn)路會(huì)出現(xiàn)不同程度的沉降及位移，導(dǎo)致站臺(tái)出現(xiàn)不同程度的變形，從而改變站臺(tái)與線(xiàn)路的相對(duì)位置，站臺(tái)限界超限可能會(huì)影響列車(chē)車(chē)門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，嚴(yán)重超限時(shí)，可能會(huì)發(fā)生車(chē)體擦刮等安全事故。因此，鐵路房建部門(mén)需要對(duì)其管內(nèi)站臺(tái)限界進(jìn)行實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，定期測(cè)量站臺(tái)限界，掌握站臺(tái)限界的變化情況。

目前，站臺(tái)限界測(cè)量主要有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N手段，接觸式測(cè)量主要采用軌道限界測(cè)量尺，此種測(cè)量方法需要在夜間天窗點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行，作業(yè)效率低及存在人為誤差；非接觸式測(cè)量主要采用行走在軌道上的站臺(tái)限界測(cè)量小車(chē)和放置在站臺(tái)安全線(xiàn)以?xún)?nèi)的站臺(tái)限界測(cè)量?jī)x。站臺(tái)限界測(cè)量小車(chē)雖然提高了作業(yè)效率和克服了人為誤差，但是，測(cè)量時(shí)間仍受限在夜間天窗點(diǎn)內(nèi)。站臺(tái)限界測(cè)量?jī)x直接放置在站臺(tái)上進(jìn)行限界測(cè)量，不必占用夜間天窗點(diǎn)，可以在白天沒(méi)有列車(chē)?？繒r(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，是一種最理想的測(cè)量方法，具有如下優(yōu)勢(shì)：第一，測(cè)量時(shí)間不受限，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)量；第二，無(wú)需上道，效率高且安全；第三，操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可靠。

對(duì)于非接觸式測(cè)量中的站臺(tái)限界測(cè)量?jī)x，其核心技術(shù)之一就是如何尋找垂直斷面，這直接關(guān)系到限界測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文就尋找垂直斷面提出了一種算法，可以快速準(zhǔn)確得獲得測(cè)量點(diǎn)的垂直斷面。

1 站臺(tái)限界概念

站臺(tái)限界是站臺(tái)邊緣和線(xiàn)路中心線(xiàn)垂直的極限橫斷面輪廓，是任何情況下，任何除機(jī)車(chē)車(chē)輛之外的設(shè)備、建筑物不得入侵的區(qū)間。普鐵的站臺(tái)限界是在機(jī)車(chē)車(chē)輛限界的基礎(chǔ)上，采用增加各種可能因素安全余量的方法確定的；高鐵的站臺(tái)限界與普鐵的不同之處在于，考慮到了高速列車(chē)運(yùn)行時(shí)空氣動(dòng)力效應(yīng)發(fā)生時(shí)所需要的安全余量。站臺(tái)限界尺寸不能過(guò)大，否則，會(huì)造成貨物裝卸和旅客上下車(chē)不便，同樣也不能過(guò)小，否則，會(huì)導(dǎo)致列車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生刮擦事故，十分危險(xiǎn)。

站臺(tái)限界包括站臺(tái)豎高（縱向尺寸）和站臺(tái)軌心距（橫向尺寸），軌心距：以軌道面為測(cè)量基準(zhǔn)，站臺(tái)側(cè)立面中最近點(diǎn)至軌道中垂面的距離；豎高：以軌面為測(cè)量基準(zhǔn)，站臺(tái)頂面距邊緣中最高點(diǎn)距軌道平面的距離，如圖1所示。

圖1 “軌心距”和“豎高”示意圖

2 測(cè)量原理

非接觸式測(cè)量方式解決了接觸式測(cè)量存在的問(wèn)題，是站臺(tái)限界測(cè)量技術(shù)的一種創(chuàng)新，給現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作帶來(lái)了極大的便利。同時(shí)，非接觸測(cè)量方式也存在一定的技術(shù)難點(diǎn)，其中，垂直斷面的判定就是非接觸測(cè)量方式必要解決的難點(diǎn)之一，直接關(guān)系到測(cè)量數(shù)據(jù)是否有效。不同于接觸式測(cè)量可以通過(guò)工具直接找到測(cè)量點(diǎn)的垂直斷面，非接觸式測(cè)量不僅需要一定的硬件設(shè)備，而且還需借助數(shù)學(xué)模型算法進(jìn)行推算。針對(duì)此難點(diǎn)，本文提出了一種判定垂直斷面的數(shù)學(xué)模型算法。

2.1 判定方法

為了在不接觸鋼軌的前提下，找準(zhǔn)垂直于線(xiàn)路中心線(xiàn)的橫斷面，一般需要來(lái)回反復(fù)測(cè)量，直到測(cè)距儀與鋼軌間距最短時(shí)，此時(shí)，測(cè)距儀垂直于被測(cè)鋼軌，可以近似地認(rèn)為測(cè)距儀垂直于線(xiàn)路中心線(xiàn)。在來(lái)回測(cè)量找到最短距離前，不得不反復(fù)確認(rèn)每次測(cè)量的值，過(guò)程冗長(zhǎng)效率低。為了提高測(cè)量的效率，不妨改進(jìn)硬件測(cè)量方式，在測(cè)量原理上進(jìn)行創(chuàng)新，建立一種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行快速推算，直接計(jì)算出垂直斷面的數(shù)據(jù)。

對(duì)于垂直斷面的判定方法，本文分為兩個(gè)方面進(jìn)行探討，即直線(xiàn)段和曲線(xiàn)段。

2.1.1 直線(xiàn)段

將測(cè)距儀放置于測(cè)量點(diǎn)上，將測(cè)距儀旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度對(duì)準(zhǔn)本站臺(tái)的一根鋼軌，讀取測(cè)距儀到鋼軌的距離l1，角度編碼儀測(cè)得測(cè)距儀與初始位置的夾角 1α；再將測(cè)距儀旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度對(duì)準(zhǔn)同一根鋼軌，讀取測(cè)距儀到鋼軌的距離l2，角度編碼儀測(cè)得測(cè)距儀與初始位置的夾角2α。

直線(xiàn)段鋼軌近似平行于站臺(tái)邊緣，已知三角形兩邊及其夾角，可以求出任意邊長(zhǎng)及其夾角，從而可以求得測(cè)量點(diǎn)距離鋼軌最短的點(diǎn)，即測(cè)量點(diǎn)垂直斷面。

2.1.2 曲線(xiàn)段

曲線(xiàn)段的算法與直線(xiàn)段的算法存在一定的差別，因?yàn)榍€(xiàn)段測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)鋼軌所在圓的切線(xiàn)，按照直線(xiàn)段計(jì)算出的垂直斷面與真實(shí)的垂直斷面存在一個(gè)夾角。

將測(cè)距儀放置于測(cè)量點(diǎn)上，將測(cè)距儀旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度對(duì)準(zhǔn)本站臺(tái)的一根鋼軌，讀取測(cè)距儀到鋼軌的距離l1，傾角傳感器測(cè)得測(cè)距儀與水平面的夾角 1α；將測(cè)距儀旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度對(duì)準(zhǔn)同一根鋼軌，讀取測(cè)距儀到鋼軌的距離l2，傾角傳感器測(cè)得測(cè)距儀與水平面的夾角2α；將測(cè)距儀旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度對(duì)準(zhǔn)同一根鋼軌，讀取測(cè)距儀到鋼軌的距離3l，傾角傳感器測(cè)得測(cè)距儀與水平面的夾角3α。

圖2

曲線(xiàn)段站臺(tái)測(cè)量點(diǎn)的垂直斷面為與對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)段的切線(xiàn)垂直方向并通過(guò)站臺(tái)上的測(cè)量點(diǎn)的斷面。通過(guò)鋼軌三個(gè)點(diǎn)確定一個(gè)圓，將此圓圓心與測(cè)距儀原點(diǎn)連線(xiàn)，此條線(xiàn)所在垂面即為該測(cè)點(diǎn)的垂直斷面。

2.2 計(jì)算方法

由于直線(xiàn)段與曲線(xiàn)段的判定方法的不同，所以其計(jì)算原理也不相同。

2.2.1 直線(xiàn)段

已知測(cè)距儀兩次讀數(shù)l1、l2，及測(cè)距儀的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)角度1α和2α，如圖3，通過(guò)解三角形可以確定測(cè)距儀從初始位置開(kāi)始旋轉(zhuǎn)角度α即為垂直斷面位置。

圖2 直線(xiàn)段垂直斷面判斷原理圖

其中：1l為線(xiàn)段AB的長(zhǎng)度；l2為線(xiàn)段AC的長(zhǎng)度；lBC為線(xiàn)段BC的長(zhǎng)度；lAD為線(xiàn)段AD的長(zhǎng)度；線(xiàn)段AE的方向?yàn)闇y(cè)距儀的初始檢測(cè)方向；線(xiàn)段AD的方向即為垂直斷面方向；

根據(jù)余弦定理可得：

2.2.2 曲線(xiàn)段

已知測(cè)距儀三次讀數(shù)L1、L2及L3，及測(cè)距儀的三個(gè)傾角α1、α2及α3，如圖4，首先計(jì)算出鋼軌三個(gè)點(diǎn)所確定的圓的圓心O坐標(biāo)（x0，y0）及半徑r。

將測(cè)距儀所在原點(diǎn)A（0，0）與圓心0坐標(biāo)（x0，y0）連線(xiàn)L，然后，與半徑r、L1（L2或L3）形成三角形，計(jì)算出L1與L的夾角α4，從而計(jì)算出測(cè)距儀從初始位置開(kāi)始旋轉(zhuǎn)角度α即為垂直斷面位置。

圖3 曲線(xiàn)段垂直斷面判斷原理圖

其 中：AB=L1；AC=L2；AD=L3；AO=L；BO=r；AN為 測(cè) 距儀初始位置；AO為垂直斷面；HK為鋼軌測(cè)量點(diǎn)H處的切線(xiàn)。

3 硬件方案

垂直斷面的判定方法不僅要從數(shù)學(xué)模型算法角度去解決，還需從硬件方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲取數(shù)學(xué)模型算法計(jì)算所需的參數(shù)，最后，結(jié)合數(shù)學(xué)模型算法，從而快速準(zhǔn)確找到垂直斷面。

垂直斷面判定的數(shù)學(xué)模型算法涉及測(cè)距儀到鋼軌測(cè)點(diǎn)的距離、測(cè)距儀與水平面的夾角、測(cè)距儀水平旋轉(zhuǎn)角度。為了獲取上述數(shù)據(jù)，需要的硬件包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)、高精度激光測(cè)距傳感器、角度編碼儀、傾角儀。旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)高精度激光測(cè)距儀水平旋轉(zhuǎn)和垂直旋轉(zhuǎn)，高精度激光測(cè)距傳感器測(cè)量到鋼軌的距離，角度編碼儀測(cè)量測(cè)距儀水平旋轉(zhuǎn)角度，傾角儀測(cè)量測(cè)距儀與水平面的夾角。

圖4硬件組成示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

站臺(tái)限界的測(cè)量工作對(duì)保證鐵路安全運(yùn)輸、保障乘客的生命和財(cái)產(chǎn)安全，有著重要的積極作用。因此，提高站臺(tái)限界測(cè)量裝備的技術(shù)水平，有助于確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通過(guò)不斷地對(duì)測(cè)量工具進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)非接觸式測(cè)量是站臺(tái)限界測(cè)量的一種比較理想的方式，解決了以往測(cè)量方式存在的問(wèn)題，尤其是本文提出的垂直斷面的判定方法有效地解決了非接觸式測(cè)量方式種的難點(diǎn)之一，為非接觸式測(cè)量的實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。不斷探討和研究站臺(tái)限界測(cè)控技術(shù)，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，累積測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，為設(shè)備使用和維護(hù)提供可靠的分析依據(jù)，具有十分重要的意義。