范 宇

（沈陽鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽 110013）

1 概述

為了確保機(jī)車車輛在鐵路線路上運(yùn)行的安全，防止機(jī)車車輛撞擊鄰近線路的建筑物和設(shè)備，而對機(jī)車車輛和接近線路的建筑物、設(shè)備所規(guī)定的不允許超越的輪廓尺寸線，稱為限界。在鐵路《技規(guī)》中更是做出了明確規(guī)定：一切建筑物、設(shè)備，在任何情況下均不得侵入鐵路的建筑限界。鐵路建筑限界測量的精確性十分重要，直接關(guān)系到鐵路擴(kuò)大貨物運(yùn)輸?shù)陌踩院瓦\(yùn)輸收入的增長。以往某些區(qū)段限界尺寸測量不準(zhǔn)確，導(dǎo)致一些擴(kuò)大貨物運(yùn)輸必須繞行或拒運(yùn)，造成鐵路運(yùn)能的浪費(fèi)和運(yùn)輸收入的損失。

圖1 SYC-1型鐵路建筑限界檢測儀實物圖

鐵路線路周圍的地理形態(tài)、建筑形態(tài)，甚至線路本身的形態(tài)在一定條件下都會發(fā)生不同程度的變化。過去，鐵路建筑限界大多使用如“吊繩”、“觸桿”、“皮尺”等手工方法進(jìn)行測量，費(fèi)時費(fèi)力，測量精度低。隨著鐵路電氣化線路迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的測量手段已經(jīng)無法適應(yīng)快速、準(zhǔn)確、安全的建筑限界檢測要求；手持激光測距儀可以實現(xiàn)非接觸式測量，但只是單點(diǎn)測量，連續(xù)性差，且測量基準(zhǔn)點(diǎn)無法固定；隧道檢測車測量速度快、精度較高，但只適用于橋隧限界測量，而且占用運(yùn)輸成本，設(shè)備造價昂貴。針對國內(nèi)現(xiàn)狀，急需一種新型的鐵路建筑限界檢測機(jī)具，能夠經(jīng)濟(jì)、便捷、準(zhǔn)確、靈活地對各種鐵路建筑限界進(jìn)行測量，為鐵路生產(chǎn)運(yùn)輸安全保駕護(hù)航。

由沈陽鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所研制的“SYC-1型鐵路建筑限界檢測儀”采用高精度激光掃描測距儀，配合上位機(jī)軟件，可對鐵路各種建筑限界進(jìn)行非接觸式測量及數(shù)據(jù)分析。整套儀器攜帶方便、操作簡單，測量精度高，對鐵路擴(kuò)大貨物運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展有重要意義，是一種利用高新技術(shù)解決鐵路生產(chǎn)實際問題的先進(jìn)機(jī)具。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

“SYC-1型鐵路建筑限界檢測儀”由主機(jī)箱、激光掃描測距儀、軌道小車等設(shè)備組成。

（1）主機(jī)箱由電源模塊、嵌入式主機(jī)、輸入輸出接口組成。整套系統(tǒng)由大容量鋰電池供電，可持續(xù)工作24小時以上，機(jī)箱配備電壓表實時顯示剩余電壓。主機(jī)為顯示器、鍵盤等外設(shè)提供了標(biāo)準(zhǔn)接口，激光掃描測距儀通過以太網(wǎng)接口與主機(jī)連接。

（2）激光掃描測距儀是整套系統(tǒng)中的核心部件，其基本工作原理是：激光器向被測目標(biāo)發(fā)射激光信號，然后接收目標(biāo)反射回來的光信號，通過光信號往返時間，計算出目標(biāo)的距離。該激光掃描測距儀有效測量范圍為0～80m，掃描區(qū)域為360°，角分辨率為0.125°，最高可以20Hz頻率旋轉(zhuǎn)掃描。激光掃描測距儀體積小、重量輕，采用工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，適用于室外環(huán)境工作。

圖2 測距原理圖

圖3 上位機(jī)軟件運(yùn)行圖

（3）如圖1所示，整套設(shè)備安裝在一個小車上，可在普通路面或單側(cè)鋼軌上推行。測量時小車放置于單側(cè)鋼軌上，與另一側(cè)鋼軌之間靠滾輪桿連接，以確保與鋼軌平面平行，人力推行即可進(jìn)行測量。小車底部安裝了測速傳感器，來計算推行速度及行進(jìn)距離。

3 測量原理

“SYC-1型鐵路建筑限界檢測儀”進(jìn)行的是二維空間測量，即待測點(diǎn)與鋼軌平面中心的水平距離和垂直距離。如圖2所示，A為激光掃描測距儀中心點(diǎn)，O為鋼軌平面中心點(diǎn)，B為目標(biāo)待測點(diǎn)。激光掃描測距儀測得AB長度為L,角度為α，則B點(diǎn)相對于A點(diǎn)的水平距離m=L×cosα，垂直距離n=L×sinα。激光掃描測距儀中心點(diǎn)距鋼軌平面垂直高度為247.5毫米，與鋼軌中心水平距離為747.5毫米，從而可以得出O點(diǎn)距與B點(diǎn)之間的水平距離為m-747.5毫米，垂直距離為n+247.5毫米。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計

激光測距掃描儀通過以太網(wǎng)與主機(jī)鏈接，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)10Mbit/s，并自帶通訊協(xié)議，方便用戶編程。上位機(jī)軟件以VB6.0為平臺，可實時掃描成像，并做數(shù)據(jù)存儲。生成的數(shù)據(jù)文件以斷面編號命名，每360°為一個存儲周期，記錄了每個測量點(diǎn)距鋼軌平面中心的距離和角度。軟件運(yùn)行畫面如圖3所示。

5 應(yīng)用情況

“SYC-1型鐵路建筑限界檢測儀”自2008年通過沈陽鐵路局科技成果鑒定至今，已經(jīng)在沈陽鐵路局、南昌鐵路局、成都鐵路局、哈爾濱鐵路局等地多次完成建筑限界測量任務(wù)，累計測量鐵路隧道、雨棚等300余處，運(yùn)用效果良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)和檢測要求，為用戶提供了準(zhǔn)確、便捷的技術(shù)服務(wù)，為超限貨物運(yùn)輸安全提供了可靠的數(shù)據(jù)保障和經(jīng)濟(jì)效益回報。

結(jié)語

“SYC-1型鐵路建筑限界檢測儀”于2013年榮獲沈陽鐵路局科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎，已形成了具有自主產(chǎn)權(quán)的軟件和技術(shù)含量高附加值高的檢測設(shè)備，為便攜式鐵路建筑限界設(shè)備的更新?lián)Q代奠定了基礎(chǔ)，明顯改變了這個領(lǐng)域發(fā)展嚴(yán)重滯后的狀況。

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