何孔太,劉 力

(1.北京鐵路局邯鄲工務段，河北邯鄲 056001； 2.鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，北京 100081)

軌道工程是城市軌道交通眾多子系統(tǒng)工程中與行車安全和行車舒適性關(guān)聯(lián)最為密切的子工程,而靜態(tài)幾何尺寸是衡量軌道工程質(zhì)量的主要指標之一。在城市軌道交通軌道工程的建設(shè)過程中,以往都是以人工測量的方式對軌道靜態(tài)幾何尺寸進行驗收,由于受測量時間的限制,往往不能對全線軌道進行測量,而是以抽檢的方式進行。如此一來,就只能了解局部的軌道狀態(tài),不能反應全線的情況。激光長弦軌道檢查儀是代替人工測量的一種較好的方法,它具有高精度、高效率、易操作等特點。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

激光長弦軌道檢查儀主要由激光發(fā)射小車、激光接收小車、計算機控制系統(tǒng)、電源等四部分組成。

1.1 激光發(fā)射小車

激光發(fā)射小車主要由車體、電氣系統(tǒng)、發(fā)射器、轉(zhuǎn)臺控制器、電源等幾部分構(gòu)成,如圖1所示。其中車體是車上設(shè)備的支撐裝置,其下方安裝有走行輪和鎖緊裝置,用于發(fā)射小車的走行與固定；發(fā)射器是長弦激光的發(fā)射裝置；電氣系統(tǒng)用來接收激光接收小車發(fā)出的信號,并指令對1.車體2.發(fā)射裝置3.電氣箱4.鎖緊機構(gòu)5.電池盒，發(fā)射器發(fā)射激光方向進行微調(diào)；轉(zhuǎn)臺控制器是對發(fā)射激光方向進行調(diào)整的裝置。

注：1—車體；2—發(fā)射裝置；3—電氣箱；4—鎖緊裝置；5—電池盒

1.2 激光接收小車

激光接收小車主要由電氣系統(tǒng)、接收器、電源等構(gòu)成,如圖2所示。電氣裝置用來發(fā)射信號,對激光發(fā)射小車發(fā)出的激光束方向進行微調(diào)；接收器用來接收激光光斑,并記錄其坐標；激光接收小車還通過位于車底的傳感器對軌道的軌距和水平進行測量。

注：1—車體；2—張緊機構(gòu)；3—走行輪；4—電移臺；5—接收裝置；6—計算機控制單元；7—電氣箱

1.3 電源系統(tǒng)

發(fā)射小車與接收小車各配有一塊電池,接收小車的電池在充滿電的情況下能連續(xù)工作7～8 h,發(fā)射小車由于耗電少,能連續(xù)工作10 h左右。所以每次長時間作業(yè)后都需要對電池進行充電,充電時間一般為6 h左右。

1.4 計算機控制系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)位于接收小車的托盤上,主要負責數(shù)據(jù)采集和處理工作。

2 測量原理

2.1 軌距、水平、扭曲的測量

對于軌道的軌距和水平,通過激光接收小車上的位移傳感器直接測量；扭曲通過測得的水平值以固定基長換算得到。

2.2 方向、高低的測量

測量時,選定一根鋼軌為基準軌,由激光發(fā)射小車和接收小車之間的激光束建立“理論弦線”,接收小車推進過程中,由安裝在接受小車上的激光接收器實時檢測當前點相對于光束基準在橫向和縱向上的偏差,從而計算當前測點理論矢距與實測矢距差。

(1)線路模型

為計算當前測點的理論矢距,需建立線路的理論模型。軌道工程常見的線型主要有：直線、圓曲線和緩和曲線3種,其中緩和曲線分為第1緩和曲線和第2緩和曲線。

①圓曲線

以起始點切線方向為x軸,垂直于切點并指向內(nèi)部為y軸建立局部坐標系,如圖3所示,圓曲線在局部坐標系中以里程l為變量的方程為

x=R×sin(l/R)y=R×[1-cos(l/R)]

圖3 圓曲線局部坐標模型

②第1緩和曲線

以起始點切線方向為x軸,垂直于切點并指向內(nèi)部為y軸建立局部坐標系,見圖4。第1緩和曲線(直線到圓曲線的過渡曲線)在局部坐標系中以里程l為變量的方程

式中，c為曲率變化率，c=Rl0，l0為緩和曲線長度。

圖4 第1緩和曲線局部坐標模型

③第2緩和曲線

第2緩和曲線是圓曲線到直線的過渡曲線,曲率由1/R線性遞減到0。以起點切線方向為X軸,垂直于切線并指向曲線內(nèi)部為y軸,分別以YH和HZ為坐標原點建立相應坐標系,見圖5。假設(shè)第2緩和曲線長度為lS,圓曲線半徑為R；令l′=lS-l；則第2緩和曲線在x—HZ—y坐標系中的坐標(x、y)為

圖5 第2緩和曲線局部坐標模型

設(shè)YH點至JD點的距離為T2,HZ到JD的距離為T1,第2緩和曲線在x—HZ—y坐標系中的切線方位角β=ls/2R,故

T1=x0-y0/tanβT2=y0/sinβ

由此可知,第2緩和曲線在以YH點為原點的坐標系中的坐標公式為

X=(T1-x)×cosβ+T2-ysinβ

Y=(T1-x)×sinβ+ycosβ

④豎曲線模型

如圖6所示,變坡點前后坡度為i1,i2。

圖6 豎曲線模型示意

豎曲線半徑為R,豎曲線轉(zhuǎn)角為：α=π-(i1-i2),豎曲線長為：L=R(i1-i2)。當-L/2≤l≤L/2時

x=R·sin(l/R)y=-R·[1-cos(l/R)]

當l<-L/2時

x=(l+L/2)cos(L/2R)-R·sin(L/2R)

y=(l+L/2)sin(L/2R)-R·[1-cos(L/2R)]

當l>L/2時

x=(l-L/2)cos(L/2R)+R·sin(L/2R)

y=-(l-L/2)sin(L/2R)-R·[1-cos(L/2R)]

(2)模型的實現(xiàn)

根據(jù)被測線路設(shè)計要素,依照上述方式,計算機智能化建立計算模型。以里程l為變量,建立XOY坐標系,如圖7所示。MN表示發(fā)射小車與接收小車之間的理論弦線。根據(jù)線性參數(shù)即可計算出發(fā)射點與接收點之間任意點的坐標。

圖7 模型計算示意

在XOY坐標系中,以里程l為變量,線路的坐標方程為

x=f(l)y=g(l)

發(fā)射小車與接收小車的坐標M(x1,y1)和N(x2,y2)的坐標方程為

其中，l0為發(fā)射小車起始點里程,L為兩車之間的距離。

由此可得激光弦線MN的方程為

設(shè)小車前進的里程為l,如圖7所示A0點的坐標(x0,y0)可由線路坐標方程求出,弦線上A點的坐標(x,y)可由弦線坐標方程求出。A、A0點的縱坐標之差y-y0折算到曲線法線方向上,即為當前點的理論矢距f0,接收小車實測A′點至理論弦線MN的距離為fm0,由此可得該曲線上此點的軌向或高低的偏差值S0=fm0-f0。

3 測試方法

3.1 檢測儀就位

首先將發(fā)射小車與接收小車分別放置于線路預測段的始終點,雙輪必須與接收器的雙輪置于同一軌上,并用張緊和夾緊裝置張緊,盡量使雙輪與軌面貼實。

3.2 儀器連線

連接電源線、視頻線和串口線,因為視頻線和串口線需要系統(tǒng)識別各自的驅(qū)動程序,因此其連線必須與相應的USB口對應,不能混插。

3.3 初始化連接

首先打開發(fā)射器與接收器電源,通過觀察筒將發(fā)射器激光透射到接收器屏幕上,然后啟動計算機控制系統(tǒng)。如圖8所示。若中間那個指示燈變綠,表明串口數(shù)據(jù)線連接正常,若該指示燈沒有變綠,則需要重插串口數(shù)據(jù)線,重新啟動軟件即可。

3.4 參數(shù)設(shè)置

軟件啟動后,需根據(jù)圖8所示界面進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

(1)線路名稱：所測試線路的名稱,文件保存在程序運行目錄下的Data文件夾里,用于方便測試數(shù)據(jù)的查找。

(2)檢測起點里程：指每段測量的接收小車起始位置的絕對里程。

(3)對光位置：根據(jù)需要設(shè)置對光位置,將光斑對到接收器上指定位置。

(4)里程方向：指接收小車推進方向。

(5)基準：接收小車推進時,雙輪所處的那側(cè)。

(6)跟蹤：是指采用電移臺執(zhí)行跟蹤任務,擴大測量行程,以適應小曲線半徑的測量需要。主界面上的“位移修改”按鈕功能是讓電移臺向中心位置移動,控制電移臺移動至邊緣附近時的復位動作。

(7)動態(tài)測量：選擇該選項即可進行動態(tài)測量,否則系統(tǒng)只有在接收小車停止時才進行數(shù)據(jù)保存工作。

(8)保存數(shù)據(jù)：對光完畢,推行前將該項勾上即可進行數(shù)據(jù)存儲。

(9)里程清零：點擊該按鈕即可將相對里程記錄從0開始,當前里程將被計入下一次測量起始點的絕對里程。每段測量前都要進行里程清零工作,保證相對里程都從零開始。

(10)設(shè)置：上述輸入?yún)?shù)項僅在點擊“設(shè)置”后才能生效。

圖8 計算機控制系統(tǒng)主界面示意

3.5 對光操作

參數(shù)設(shè)置完畢后,即可進行對光操作。首先,根據(jù)被測區(qū)段線況,判斷測量行程是否能滿足測量需求。直線段和大半徑曲線測量時對光位置為X=0,Y=0,電移位移=0；小半徑曲線段測量時,為了擴大測量范圍,對光位置可以根據(jù)實際情況進行設(shè)置。如果需要電移臺進行跟蹤測量,則需要設(shè)置電移臺位移值。點擊“對光”按鈕,則電移臺根據(jù)需要移動到指定位置,系統(tǒng)默認在設(shè)定值-5～5 mm,點擊“停止對光”即可停止電移臺移動。

電移臺設(shè)置工作后,即可根據(jù)測試需要進行激光放射裝置的對光操作(注意：對光前要保證光斑打在接收器上)。軟件界面上有相關(guān)參數(shù)X和Y,可以根據(jù)需要設(shè)置對光位置。X即水平方向范圍：-80～80；Y即豎直方向范圍：-70～70。

為了提高測量效率,通常對光時水平和豎直位移的允許偏差控制在±2 mm內(nèi)即可,即右上角的水平位移和豎直位移值。后續(xù)數(shù)據(jù)處理軟件已經(jīng)對這些偏差進行相應的計算處理,所以只需保證在該段測量全過程中光斑始終在接收器上,不應因為對光影響了測量效率。

對光完畢后,點擊“停止對光”即可。

3.6 開始測量并記錄數(shù)據(jù)

根據(jù)測量需要,將窗口參數(shù)設(shè)置完畢后,即可勾上“保存數(shù)據(jù)”進行數(shù)據(jù)采集工作。當為了保證足夠的測量精度,建議不采用“動態(tài)測量”模式,控制接收小車間隔推進,每1～2根枕停一次,或者根據(jù)現(xiàn)場需要,大概停頓3 s,如圖9所示待指示燈亮表示記錄數(shù)據(jù)完畢,繼續(xù)推進。

圖9 記錄指示燈

如果系統(tǒng)測量時采用了“跟蹤模式”,則在主界面右上角“水平位移”示值在-90和90之外時,電移臺將執(zhí)行跟蹤任務。此時停止推行小車,待跟蹤任務完成后再繼續(xù)推行,以免造成測量誤差。

3.7 注意事項

(1)測量間距計算

對于直線段和大半徑曲線段測量來說,在保證精度的前提下,可以將測量間距控制在200～300 m；對于小半徑曲線來說,可以通過控制系統(tǒng)軟件中的“參數(shù)計算”模塊簡單計算當前曲線下能測量的最大間距,如圖10所示。

圖10 參數(shù)計算器

由上述“計算器”計算出最大測量里程后,即確定了該段測量的間距值,此時需要將對光位置設(shè)為80或者-80；如需要電移臺執(zhí)行跟蹤,則需要將電移位移值設(shè)置為-240或者240。

(2)系統(tǒng)標定

激光長弦軌道檢查儀在長期使用和搬運后,肯定需要不定期的對軌距、水平、激光測量等單元進行標定,其界面如圖11所示。正常工作情況下,其標定周期大概為1～2個月。

對于軌距測量而言,需要將軌距測量值與標準檢測完的道尺現(xiàn)場進行核對,將偏差值在數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)中進行參數(shù)修正即可。

圖11 參數(shù)修正界面

對于水平測量單元來說,具體操作就是進行“掉頭測量”,看兩次測量數(shù)值大小是否一樣,方向是否相反。例如,當前點測得橫向傾角為a,調(diào)頭測量當前位置橫向傾角為b。如果a=-b,則表示水平測量單元很理想,不用修正；如果a與-b相差很大,則需要進行修正,修正值即為(a+b)/2。

對于激光測量單元來說,主要就是檢查在理想的直線線路上,接收小車靠近發(fā)射小車后,光斑的水平位移和豎直位移是否歸零。通常在無砟線路的直線段即可進行標定工作。在正常的測量模式下,選一段比較理想的直線區(qū)段,測量間距控制在100 m左右。通過對光操作,將光斑盡量控制在零點附近。將接收小車向發(fā)射小車推進,直到接收小車貼上發(fā)射小車為止,查看此時光斑的水平位移和豎直位移值。

如果此時光斑的水平和豎直位移不在0(相差0.3 mm內(nèi)),則需要進行修正。通過修改左水平零點像素值和左豎直零點像素值進行左基準的零點標定工作；通過修改右水平零點像素值和右豎直零點像素值進行右基準的零點標定工作。每個像素對應0.3 mm位移值。

4 數(shù)據(jù)處理

每次測量完畢后,打開數(shù)據(jù)處理軟件對記錄數(shù)據(jù)進行處理,界面如圖12所示。

(1)首先,將數(shù)據(jù)文件導入數(shù)據(jù)處理軟件,然后對輸出報表的里程間隔、計算的弦長、基長等參數(shù)進行設(shè)置,點擊“應用”按鈕即將這些參數(shù)記入本次計算。

(2)對于沒有平面曲線和豎面曲線的直線段來說,直接通過“直線輸出”,即可得到報表。

(3)對于平曲線和豎曲線段,需要對平曲線和豎曲線線形進行設(shè)置,平縱曲線線形設(shè)置界面如圖13所示。

①平面曲線設(shè)置

圖13 曲線設(shè)置界面

對于平面曲線,需要對特征點里程、曲線元長度、曲線半徑等參數(shù)進行輸入。

特征點絕對里程是指位于接收小車開始推進的后方的曲線要素點,如圖14所示。虛線表示每次測量的激光弦,其平面參數(shù)對于激光弦1來說,此時處理軟件中的特征點指圖中特征點A, 曲線元則依次為曲線元1、曲線元2、曲線元3；對于激光弦2來說,此時特征點指圖中特征點B,曲線元則依次為曲線元2和曲線元3；對于激光弦3來說,特征點指圖中的特征點A,曲線元指曲線元1和曲線元2。

圖14 平面參數(shù)示意

②豎曲線設(shè)置

豎面參數(shù)則相對來說比較簡單,變坡點即是當前測量區(qū)段附近的變坡點,而相應的坡度值為變坡點前后的坡度值。只有當測量段在豎曲線范圍內(nèi)時才需要輸入變坡點絕對里程和坡度值,否則不需要輸豎面參數(shù)值,系統(tǒng)默認為直線。

(4)數(shù)據(jù)輸出

用激光長弦軌道檢查儀對線路進行靜態(tài)檢測時,選中“靜態(tài)檢測”按鈕,報表則以“靜態(tài)檢測”模式輸出。報表格式如表1所示。其輸出變量為：里程、基準軌長弦軌向和基準軌長弦高低(或者中線長弦軌向、中線長弦高低)、左軌正矢、右軌正矢、左軌高低、右軌高低、軌距偏差、超高、扭曲、設(shè)計超高等軌道幾何狀態(tài)參數(shù)。

表1 靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)報表格式

5 結(jié)論

在北京市軌道交通大興線軌道工程的驗收過程中,運用長弦軌道檢查儀代替人工測量,在短短1周的時間內(nèi)對全線軌道進行了測試,極大地提高了測量效率,保障了軌道工程的質(zhì)量和冷熱滑的順利進行,望在以后軌道工程的建設(shè)過程中能廣泛應用。

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