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CN112344907B - 铁路轨道水平测量方法、系统、可读存储介质及电子设备 - Google Patents

铁路轨道水平测量方法、系统、可读存储介质及电子设备 Download PDF

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CN112344907B CN202011082361.7A CN202011082361A CN112344907B CN 112344907 B CN112344907 B CN 112344907B CN 202011082361 A CN202011082361 A CN 202011082361A CN 112344907 B CN112344907 B CN 112344907B
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Abstract

本发明公开了一种铁路轨道水平测量方法、系统、可读存储介质及电子设备,分别获取的第一水平和第一扭曲由不同的测量机构和传感器系统获得，第二水平由第一扭曲经变化率逆差分获得，第一水平与第二水平的动态响应特性具有更多差异特征，并蕴含着更丰富且互补性更强的信息量，属于多传感器多源信息融合，因而能够有效克服轨道水平动态时延、虚假大值等问题，获得具有更高精度的轨道水平测量成果。

Description

铁路轨道水平测量方法、系统、可读存储介质及电子设备
技术领域
本发明涉及，具体涉及一种铁路轨道水平测量方法、系统、可读存储介质及电子设备。
背景技术
铁路轨道几何参数的状态事关铁路运输安全，随着我国铁路运营路网规划的快速发展、运营速度的不断提升，对铁路轨道几何参数检测精度的要求也越来越高。
在铁路轨道从新线建设期到线路运营期、线路维修与大修期的全生命周期中，都需对轨道几何参数进行严格的检测和控制。轨道几何参数通常以静态几何参数、动态几何参数二种情形进行工程与数学描述，其差异在于前者是指在没有而后者是指在有列车动静态载荷作用下的轨道几何参数，相应的检测方法称为轨道静检或轨道动检。
轨道动检通常采用动态轨检车、线路确认车等大型动态轨检列车进行，而轨道静检通常采用轨距尺(机械式、电子式)等尺类检测工具以及各种静态轨检小车(轨道检查仪、轨道测量仪)等数字化检测仪器进行。但是，从测量技术的角度讲，除尺类检测工具外，无论是大型动态轨检列车还是静态轨检小车都是在检测车沿钢轨走行过程中进行连续测量，它们都属于动态测量的范畴，轨道几何各参数的检测都会受到测量机构及传感器动态响应特性等因素的影响。
轨道水平，以及与轨道水平相关的超高、扭曲(又称：三角坑)等参数是轨道几何参数的重要组成部分，其中，轨道水平为直测参数，而超高、扭曲为根据轨道水平测量数据进行后处理而获得的推算参数。大型动态轨检列车、静态轨检小车等通常采用倾角传感器或惯性导航组合来进行轨道水平参数的测量，其检测精度受传感器响应特性的影响很大，存在显著的动态时延(检测波形的相位滞后)、虚假大值(检测波形的异常波动)等问题，针对此，通常会采取遴选高精度高频响倾角传感器、模拟或数字滤波、波形智能纠偏等手段来改善检测效果，有时也会采取增加一个陀螺并与倾角传感器同步测量轨道水平的方法，但无法真正有效地防止这些问题对轨检精度的影响，无法适应铁路行业对轨道水平/超高/扭曲等日益提高的检测要求。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种铁路轨道水平测量方法、系统、可读存储介质及电子设备，
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种铁路轨道水平测量方法，所述方法包括以下步骤，
(1)、在保留现行检测方法轨道水平测量机构与传感器的基础上，增加轨道扭曲测量机构与传感器，通过信号调理与模数转换，分别获取第一水平、第一扭曲测量波形；
(2)、通过变化率逆差分算法，以第一扭曲测量波形为依据进行数据处理，获取第二水平测量波形；
(3)、通过波形有效性分段算法，以第一水平为依据进行数据处理，将测量过程划分为正常测量段、局部异常段及其过渡段三种不同的测量状态分段；
(4)、通过正常测量段数据融合算法进行第一水平与第二水平的信息融合；以正常测量段第二水平的相位特征为边界条件逐点纠正正常测量段第一水平的动态时延，同时以正常测量段第一水平趋势为边界条件逐点纠正正常测量段第二水平的零点漂移，再按逐点平均的方法获得高精度的正常测量段第三水平测量波形；
(5)、通过局部异常段数据融合算法进行第一水平与第二水平的信息融合；以与局部异常段相邻的正常测量段的第一水平趋势与第二水平的趋势差为边界条件纠正局部异常段第二水平的零点漂移，作为高精度的局部异常段第三水平测量波形；
(6)、通过过渡段数据融合算法进行第一水平与第二水平的信息融合；以过渡段第二水平的相位特征为边界条件逐点纠正过渡段第一水平的动态时延，同时以与过渡段相邻的正常测量段的第一水平趋势为边界条件逐点纠正过渡段第二水平的零点漂移，再按加权平均的方法获得高精度的过渡段第三水平测量波形；
(7)、将正常测量段、过渡段、局部异常段的第三水平测量波形按测点顺序连接，形成信息融合后获得的轨道第三水平的完整波形，并作为轨道水平的最终测量成果输出；相应地，轨道超高、扭曲依据轨道第三水平的完整波形按既有算式进行计算。
优选的，所述增加轨道扭曲测量机构与传感器，为联接二个能够独立地反映轨道水平且前后相隔一定距离的水平测量梁、具有一转动副的扭曲测量机构，以及能够敏感该测量机构的扭曲的相对角度传感器。
优选的，所述通过变化率逆差分算法，以第一扭曲测量波形为依据进行数据处理，获取第二水平测量波形，其所依据的数学原理是：扭曲为前后间隔一定距离的二个水平之间的差值，可对水平波形进行差分运算得到扭曲波形，因此也可对扭曲波形进行逆差分运算得到水平波形。
优选的，所述通过波形有效性分段算法，以第一水平为依据进行数据处理，将测量过程划分为正常测量段、局部异常段及其过渡段等不同的测量状态分段，其所依据的数学原理是：水平测量波形在受到或没受到轨缝或钢轨表面剥落掉块等局部缺陷影响时的波形的奇异值和局部方差存在显著差异，因此可依此将水平测量波形归为正常测量段或异常测量段，而难于确定分段类型且介于正常测量段、异常测量段之间的归为过渡段。
优选的，通过正常测量段或过渡段第二水平的相位特征为边界条件逐点纠正正常测量段或过渡段第一水平的动态时延，其所依据的数学原理是：新增的扭曲测量机构和传感器具有很高的动态频响，测量波形的时延极小，可作为相位基准用于消除第一水平的动态时延。
优选的，以正常测量段或过渡段第一水平趋势为边界条件逐点纠正正常测量段或过渡段第二水平的零点漂移，其所依据的数学原理是：逆差分运算存在一个与边界条件相关的常数，表现为第二水平的零点漂移，因此可以以同段第一水平的趋势替换第二水平的趋势以实现第二水平的零点渐消。
优选的，以与局部异常段相邻的正常测量段的第一水平与第二水平的趋势差为边界条件纠正局部异常段第二水平的零点漂移，其所依据的数学原理是：逆差分常数的变化是缓慢的和逐步累积的，表现为第二水平的零点漂移也是缓慢的和逐步累积的，因此可以以相邻的正常测量段的第一水平及第二水平的趋势差计算第二水平的零点偏差，用于消除局部异常段第二水平的零点偏差。
本发明还包括了一种轨道水平测量系统，应用于所述的铁路轨道水平测量方法，包括，轨道水平采集模块，用于直接测量轨道水平参数的大小，获取所述第一水平波形；
轨道扭曲采集模块，用于直接测量轨道扭曲参数的大小，获取所述第一所扭曲波形；
信息转换与融合模块，用于根据所述第一扭曲计算所述第二水平，并通过信息融合，依据所述第一水平和所述第二水平获得高精度的第三水平测量波形输出。
本发明还包括了一种可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现所述的铁路轨道水平测量方法。
本发明还包括了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的铁路轨道水平测量方法。
与现有技术相比，本发明的优点是：本发明分别获取的第一水平和第一扭曲由不同的测量机构和传感器系统获得，第二水平由第一扭曲经变化率逆差分获得，第一水平与第二水平的动态响应特性具有更多差异特征，并蕴含着更丰富且互补性更强的信息量，属于多传感器多源信息融合，因而能够有效克服轨道水平动态时延、虚假大值等问题，获得具有更高精度的轨道水平测量成果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的铁路轨道水平测量方法的流程示意图；
图2是本发明轨道扭曲测量机构原理图。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
请参阅图1，本发明的第一实施例提出一种铁路轨道水平测量方法，应用于测量装置对轨道水平的测量，包括以下步骤：
S1.通过测量装置的水平测量机构，获取第一水平测量数据和波形。
具体的，所述第一水平由测量装置的水平测量机构配合高频响、高精度水平传感器敏感轨道水平参数并经信号调理电路和量化电路转换为数字量而获得。
在本实施例中，所述高频响、高精度水平传感器为基于伺服加速度计原理的倾角传感器。
在其他实施例中，所述高频响、高精度水平传感器也可以为惯性导航组合系统。
S2.通过测量装置的扭曲测量机构，同步获取第一扭曲测量数据和波形。
具体的，所述第一扭曲由测量装置的扭曲测量机构配合高精度角度传感器敏感轨道扭曲参数并经信号调理电路和量化电路转换为数字量而获得。
在本实施例中，所述扭曲测量机构为一联接前后相隔一定距离的二根水平测量梁、具有一转动副的联接梁，所述高精度角度传感器为导电塑料角位移传感器。
在其他实施例中，所述高精度角度传感器也可以为差动电容式角位移传感器、差动电感式角位移传感器、霍尔式角位移传感器等。
S3.通过变化率逆差分算法，对第一扭曲测量数据和波形进行变换，获得第二水平测量数据与波形。
具体的，所述第一扭曲与第二水平之间，满足以下运算关系：
式中：X＝[x0，x1，...，xn]T为轨道扭曲测量数据序列，Y＝[y0，y1，...，yn]为轨道水平测量数据序列。矩阵除前后若干行为全0外，中间行均只有二个间隔为k的非零项，k为所述前后水平测量梁之间一定距离等效的测点间隔。
S4.以所述第一水平波形的形态为依据，对所述测量波形进行分类。
具体的，所述第一水平波形的形态，可以分为正常测量、局部异常及其过渡过程三种不同形态，相应地可以把测量波形分为正常测量段、局部异常段及其过渡段三种不同的数据分段。
本实施例中，通过对所述第一水平进行奇异值分解，以奇异值作为描述波形形态的参数，建立基于奇异值的分段判据。
在其他实施例中，也可以对所述第一水平进行局部方差计算，以局部方差作为描述波形形态的参数，建立基于局部方差的分段判据。
S5.对所述正常测量段的所述第一水平进行动态时延矫正。
具体的，以所述正常测量段的所述第二水平的波峰特征为参照，匹配所述正常测量段的所述第一水平的对应波峰，计算其相位差即距离差值用于矫正所述正常测量段第一水平波峰出现的位置。
S6.对所述正常测量段的所述第二水平进行动态零点矫正。
具体的，以所述正常测量段的所述第一水平的局部均值为参照，计算其与所述正常测量段的所述第二水平的均值差，作为第二水平动态零点差，用于矫正所述正常测量段第二水平的动态零点漂移。
S7.对所述正常测量段的所述第一水平、第二水平矫正后的波形进行信息融合。
具体的，此时获得的所述正常测量段的所述第一水平、第二水平矫正后的波形均具备作为所述正常测量段的高精度的第三水平测量波形输出的条件，也可以采用逐点平均等简单算法进行计算再作为所述正常测量段的高精度的第三水平测量波形输出。
S8.对所述局部段的所述第二水平进行动态零点矫正。
具体的，以与所述局部异常段相邻的正常测量段的所述第一水平的局部均值为参照，计算其与所述相邻的正常测量段的所述第二水平的均值差，作为所述局部异常段第二水平动态零点差，用于所述局部异常段矫正第二水平的动态零点漂移，获得高精度的所述局部异常段第三水平测量波形输出。
S9.对所述过渡段的所述第一水平进行动态时延矫正。
具体的，以所述过渡段的所述第二水平的波峰特征为参照，匹配所述过渡段的所述第一水平的对应波峰，计算其相位差即距离差值用于所述过渡段矫正第一水平波峰出现的位置。
S10.对所述过渡段的所述第二水平进行动态零点矫正。
具体的，以与所述过渡段相邻的所述正常测量段的所述第一水平的局部均值为参照，计算其与相邻的所述正常测量段的所述第二水平的均值差，作为所述过渡段第二水平动态零点差，用于矫正所述过渡段第二水平的动态零点漂移。
S11.对所述过渡段的所述第一水平、第二水平矫正后的波形进行信息融合。
具体地，此时获得的所述过渡段的所述第一水平、第二水平矫正后的波形均不完全具备作为所述正常测量段的高精度的第三水平测量波形输出的条件，可以采用逐点加权平均等算法进行计算再作为所述过渡段的高精度的第三水平测量波形输出。
进一步地，所述逐点加权平均算法，其基本原则为从正常测量段进入过渡段时所述过渡段的所述第一水平矫正后的波形与所述第二水平矫正后的波形的加权平均的权重相等，而越接近局部异常段所述过渡段的所述第一水平矫正后的波形的加权平均的权重越小直至为零，获得高精度的所述过渡段第三水平测量波形输出。
S12.对所述各分段的第三水平测量波形进行数据连接，获得最终、完整的第三水平输出。
S13.对所述最终、完整的第三水平测量波形进行数据换算，获得扭曲测量波形输出。
具体的，扭曲为测点间隔为k的前后二点之间的第三水平之差。
S14.对所述最终、完整的第三水平测量波形进行数据换算，获得超高测量波形输出。
具体的，超高为对应测点附近第三水平测量波形的局部均值。
本发明的优势在于，本发明可同步测量轨道水平和轨道扭曲，获得蕴含着更丰富且互补性更强的多传感器多源信息，通过深度的信息融合，能够有效克服轨道水平动态时延、虚假大值等问题，获得具有更高精度的轨道水平测量成果。
请参阅图2，本发明第二实施例提出一种轨道水平测量系统，应用于测量装置对轨道水平、超高、扭曲的测量，包括：
所述水平测量系统总体由具有垂向走行轮和横向导向轮的前后二根水平测量梁1与2，以及具有一个回转副的联接梁3组成，可沿被测轨道的钢轨6左右移动。
在所述水平测量系统的前后二根水平测量梁1与2中设置一个或二个水平传感器4用于测量轨道的水平状态以获得所述第一水平。
在所述水平测量系统的联接梁3中设置一个角位移传感器5用于测量所述回转副的转角以获得所述第一扭曲。
本发明第三实施例提供一种可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现上述的铁路轨道水平测量方法。
本发明第四实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法，该电子设备可以为手推式轨道测量小车，也可以为中低速自行式轨道测量小车。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种铁路轨道水平测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，
(1)、在保留现行检测方法轨道水平测量机构与传感器的基础上，增加轨道扭曲测量机构与传感器，通过信号调理与模数转换，分别获取第一水平、第一扭曲测量波形；
(2)、通过变化率逆差分算法，以第一扭曲测量波形为依据进行数据处理，获取第二水平测量波形；
(3)、通过波形有效性分段算法，以第一水平为依据进行数据处理，将测量过程划分为正常测量段、局部异常段及其过渡段三种不同的测量状态分段；
(4)、通过正常测量段数据融合算法进行第一水平与第二水平的信息融合；以正常测量段第二水平的相位特征为边界条件逐点纠正正常测量段第一水平的动态时延，同时以正常测量段第一水平趋势为边界条件逐点纠正正常测量段第二水平的零点漂移，再按逐点平均的方法获得高精度的正常测量段第三水平测量波形；
(5)、通过局部异常段数据融合算法进行第一水平与第二水平的信息融合；以与局部异常段相邻的正常测量段的第一水平趋势与第二水平的趋势差为边界条件纠正局部异常段第二水平的零点漂移，作为高精度的局部异常段第三水平测量波形；
(6)、通过过渡段数据融合算法进行第一水平与第二水平的信息融合；以过渡段第二水平的相位特征为边界条件逐点纠正过渡段第一水平的动态时延，同时以与过渡段相邻的正常测量段的第一水平趋势为边界条件逐点纠正过渡段第二水平的零点漂移，再按加权平均的方法获得高精度的过渡段第三水平测量波形；
(7)、将正常测量段、过渡段、局部异常段的第三水平测量波形按测点顺序连接，形成信息融合后获得的轨道第三水平的完整波形，并作为轨道水平的最终测量成果输出；相应地，轨道超高、扭曲依据轨道第三水平的完整波形按既有算式进行计算。
2.根据权利要求1所述的一种铁路轨道水平测量方法，其特征在于：所述增加轨道扭曲测量机构与传感器，为联接二个能够独立地反映轨道水平且前后相隔一定距离的水平测量梁、具有一转动副的扭曲测量机构，以及能够敏感该测量机构的扭曲的相对角度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种铁路轨道水平测量方法，其特征在于：所述通过变化率逆差分算法，以第一扭曲测量波形为依据进行数据处理，获取第二水平测量波形，其所依据的数学原理是：扭曲为前后间隔一定距离的二个水平之间的差值，可对水平波形进行差分运算得到扭曲波形，因此也可对扭曲波形进行逆差分运算得到水平波形。
4.根据权利要求1所述的一种铁路轨道水平测量方法，其特征在于：所述通过波形有效性分段算法，以第一水平为依据进行数据处理，将测量过程划分为正常测量段、局部异常段及其过渡段三种不同的测量状态分段，其所依据的数学原理是：水平测量波形在受到或没受到轨缝或钢轨表面剥落掉块局部缺陷影响时的波形的奇异值和局部方差存在显著差异，因此可依此将水平测量波形归为正常测量段或异常测量段，而难于确定分段类型且介于正常测量段、异常测量段之间的归为过渡段。
5.根据权利要求1所述的一种铁路轨道水平测量方法，其特征在于：通过正常测量段或过渡段第二水平的相位特征为边界条件逐点纠正正常测量段或过渡段第一水平的动态时延，其所依据的数学原理是：新增的扭曲测量机构和传感器具有很高的动态频响，测量波形的时延极小，可作为相位基准用于消除第一水平的动态时延。
6.根据权利要求1所述的一种铁路轨道水平测量方法，其特征在于：以正常测量段或过渡段第一水平趋势为边界条件逐点纠正正常测量段或过渡段第二水平的零点漂移，其所依据的数学原理是：逆差分运算存在一个与边界条件相关的常数，表现为第二水平的零点漂移，因此可以以同段第一水平的趋势替换第二水平的趋势以实现第二水平的零点渐消。
7.根据权利要求1所述的一种铁路轨道水平测量方法，其特征在于：以与局部异常段相邻的正常测量段的第一水平与第二水平的趋势差为边界条件纠正局部异常段第二水平的零点漂移，其所依据的数学原理是：逆差分常数的变化是缓慢的和逐步累积的，表现为第二水平的零点漂移也是缓慢的和逐步累积的，因此可以以相邻的正常测量段的第一水平及第二水平的趋势差计算第二水平的零点偏差，用于消除局部异常段第二水平的零点偏差。
8.一种轨道水平测量系统，应用于权利要求1-7任意一项所述的铁路轨道水平测量方法，其特征在于：包括，
轨道水平采集模块，用于直接测量轨道水平参数的大小，获取所述第一水平测量波形；
轨道扭曲采集模块，用于直接测量轨道扭曲参数的大小，获取所述第一扭曲测量波形；
信息转换与融合模块，用于根据所述第一扭曲计算所述第二水平，并通过信息融合，依据所述第一水平和所述第二水平获得高精度的第三水平测量波形输出。
9.一种可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述的铁路轨道水平测量方法。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任意一项所述的铁路轨道水平测量方法。
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GR01 Patent grant
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