一种道床断面检测方法及系统与流程

1.本发明涉及有砟轨道道床检测技术领域，特别是涉及一种道床断面检测方法及系统。


背景技术：

2.有砟轨道线路维修作业(尤其是起落道整修)后，会出现道砟溜坍、砟量不足等问题，从而导致道床状态不良。为提高道床状态的优良特性，保证线路的稳定性以及行车的安全性，需对有砟轨道道床的检测维修重点关注并对其有更高的要求。
3.目前仍然主要依靠技术人员使用卷尺、水准仪、全站仪等来测量道床断面。然而这种传统检测方式只能靠技术人员经验对道床断面进行抽检，即人工肉眼观察道砟缺失情况，然后进行测量，因而无法进行全线道床断面尺寸的普查，且检测精度低。
4.因此，亟需一种全面检测道床断面尺寸且检测精度高的道床断面检测方法及系统。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种道床断面检测方法及系统，实现全线道床断面尺寸的普查，提高检测精度。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种道床断面检测方法，所述方法包括：
8.扫描轨枕顶面，获得扫描点；
9.判断所述扫描点落在轨枕的位置，得到判断结果；
10.当所述判断结果为所述扫描点落在轨枕盒内，则利用轨枕盒内的扫描点计算轨枕盒内道砟埋深；
11.当所述判断结果为所述扫描点落在轨枕上，则利用轨枕上的扫描点计算砟肩堆高、砟肩宽度、边坡坡度、道床厚度或道床盈亏。
12.一种道床断面检测系统，包括：
13.采集模块，用于扫描轨枕顶面，获得扫描点；
14.判断模块，用于判断所述扫描点落在轨枕的位置，得到判断结果；
15.道砟埋深计算模块，用于当所述判断结果为所述扫描点落在轨枕盒内，则利用轨枕盒内的扫描点计算轨枕盒内道砟埋深；
16.多参数计算模块，用于当所述判断结果为所述扫描点落在轨枕上，则利用轨枕上的扫描点计算砟肩堆高、砟肩宽度、边坡坡度、道床厚度或道床盈亏。
17.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
18.本发明提供了一种道床断面检测方法及系统，通过利用激光扫描点分别计算轨枕盒内道砟埋深、砟肩堆高、砟肩宽度、边坡坡度、道床厚度和道床盈亏，实现了全线道床断面尺寸的普查，且相较于传统的人工测量或者肉眼观测，精确度更高。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例1提供的一种道床断面检测方法的流程图；
21.图2为本发明实施例1提供的一种道床断面检测方法中判断扫描点落在轨枕的位置的方法流程图；
22.图3本发明实施例1提供的一种道床断面检测方法中计算轨枕盒内道砟埋深的方法流程图；
23.图4本发明实施例1提供的一种道床断面检测方法中计算断面左侧砟肩堆高的方法流程图；
24.图5本发明实施例1提供的一种道床断面检测方法中计算左侧砧肩宽度的方法流程图；
25.图6本发明实施例1提供的一种道床断面检测方法中道床断面右侧区域运输设备识别的方法流程图
26.图7本发明实施例1提供的一种道床断面检测方法中计算道床断面左侧边坡坡度的方法流程图；
27.图8本发明实施例1提供的一种道床断面检测方法中判断该扫描路段是单线铁路还是双线铁路的方法流程图；
28.图9本发明实施例1提供的一种道床断面检测方法中计算单线铁路道床厚度的方法流程图；
29.图10本发明实施例1提供的一种道床断面检测方法中计算道床盈亏的方法流程图；
30.图11实施例2提供的一种道床断面检测系统结构图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明的目的是提供一种道床断面检测方法及系统，实现全线道床断面尺寸的普查，提高检测精度。
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
34.实施例1：
35.依靠技术人员使用传统检测工具检测道床断面存在的缺陷：一是人工检查只能靠经验对道床断面进行抽检，即人工肉眼观察道砟缺失情况，然后进行测量，无法进行全线道床断面尺寸的普查；二是检测精度低、效率低、不能准确、快速的检测道床断面，对从事检测
的人员要求较高，且多依赖于人的经验；三是因需要上道作业，受天窗时间限制，有效作业时间短，无法满足线路普查的需要。因此，传统检测方法已无法满足现实需求。
36.为了克服传统检测方式的缺陷，目前对应道床断面检测的研究方法多数与配砟整形车作业相结合，比如奥地利的约瑟夫
·
陶依尔等人发明的以无接触方式探测垂直于轨道纵向的道床断面的方法；铁道科学研究院的牛怀军提出的“道床轮廓测量系统(bpd)”；蔡昌胜等人提出的“铁路配砟整形养护装置”；中铁四局集团有限公司的徐钦国等人提出一种有砟线路连续卸砟的过程控制方法；中国铁建高新装备股份有限公司的刘飞香等人发明一种智能配砟整形车，它们均与配砟整形车作业相结合，虽具备扫描道床断面的装置，但其主要功能在于配砟，并未说明道床断面尺寸；且只能在低速施工时使用，不适合人工定点检查。孙淑杰等人研制道床断面检测系统适用于高速铁路，不适合人工定点检查。田志明等人研制的有砟轨道道床断面移动式检测装置，该装置通过横向标尺、连接在两根所述横向标尺之间的纵轴、弦线等检测有砟轨道道床断面几何尺寸。每次只能检测某个道床断面，不具备连续扫描某段线路道床断面的功能。从查阅的文献和现有技术的应用现状来看，目前专门用于国内普速铁路的检测有砟轨道道床断面的系统处于空白状态。
37.因此，为了加强对有砟轨道道床断面信息化检测的研究，实现对普速铁路中的道床断面高效率、精确地全面检测，参阅图1，本发明提供了一种道床断面检测方法，包括：
38.s1：扫描轨枕顶面，获得扫描点，具体包括：
39.设置激光雷达扫描的角度(a,b)，a表示起始扫描度数，b表示终点扫描度数，激光雷达角度分辨率σ，激光雷达扫描环次n，以轨枕顶面为基准，利用激光雷达对轨枕顶面进行扫描，得到扫描点，对扫描点进行编号，例如第i个扫描点，其中如果范围取a～b，则共个测量值，则i取
40.s2：判断所述扫描点落在轨枕的位置，得到判断结果，具体包括：
41.如图2所示，判断所述扫描点与角度分辨率的乘积是否大于第一阈值，即iσ＞90
°‑
a θ，其中σ表示角度分辨率，σ＝0.333，90
°‑
a θ表示第一阈值，a表示起始扫描度数，θ表示倾角仪的读数；
42.若所述扫描点与角度分辨率的乘积大于所述第一阈值，则筛选第一扫描范围的扫描点，优选地将枕端数据至范围为第一扫描范围，其中l
c
表示轨枕长度(mm)，ⅲ型枕的l
c
为2600mm，ⅱ型枕的l
c
为2500mm，新ⅱ型枕的l
c
为2500mm；l
2c
表示钢轨底部的轨枕长度(mm)；l
3c
表示钢轨至中间轨枕长度(mm)，ⅲ型枕(有挡肩)的l
3c
为589mm，ⅲ型枕(无挡肩)的l
3c
为589mm，ⅱ型枕s
‑
2的l
3c
为591mm，ⅱ型枕j
‑
2的l
3c
为591mm，新ⅱ型枕的l
3c
为589mm；h表示激光雷达相对于轨枕中心的高度(mm)；
43.若所述扫描点与角度分辨率的乘积小于所述第一阈值，则筛选第二扫描范围的扫描点，优选地将枕端数据范围为至作为第二扫描范围；
44.通过垂向距离公式h(n,i)＝l(n,i)
×
cos[
‑
90
°
a (i
‑
1)
×
σ
‑
θ]，分别计算所述第
一扫描范围的扫描点、所述第二扫描范围与激光雷达的第一垂向距离和第二垂向距离，其中h(n,i)表示第n环次中第i个扫描点至激光雷达的垂向距离，l(n,i)表示激光雷达至道床、钢轨和轨枕上第n环次中第i个扫描点的距离；
[0045]
分别判断所述第一垂向距离的平均值与枕端理论平均值的差值和所述第二垂向距离的平均值与所述枕端理论平均值的差值是否都大于第二阈值，优选地设置第二阈值为30mm，即|h
z
‑
h1|≤30，|h
y
‑
h1|≤30，其中h
z
表示第一垂向距离的平均值，h
y
表示第二垂向距离的平均值，h1表示枕端理论平均值，ⅲ型枕(有挡肩)的h1为(h
‑
75)mm，ⅲ型枕(无挡肩)的h1为(h
‑
50)mm，ⅱ型枕的h1为(h
‑
65)mm，新ⅱ型枕的h1为(h
‑
60)mm；
[0046]
若所述第一垂向距离的平均值与枕端理论平均值的差值和所述第二垂向距离的平均值与所述枕端理论平均值的差值都大于第二阈值，则确定所述扫描点落在所述轨枕上；否则确定所述扫描点落在所述轨枕盒内；
[0047]
s3：当所述判断结果为所述扫描点落在轨枕盒内，则利用轨枕盒内的扫描点计算轨枕盒内道砟埋深；
[0048]
s4：当所述判断结果为所述扫描点落在轨枕上，则利用轨枕上的扫描点计算砟肩堆高、砟肩宽度、边坡坡度、道床厚度或道床盈亏。
[0049]
作为一种可选的实施方式，在得到轨枕盒内道砟埋深、砟肩堆高、砟肩宽度、边坡坡度、道床厚度或道床盈亏的具体值之后，本发明还根据轨枕盒内道砟埋深、砟肩堆高、砟肩宽度、边坡坡度、道床厚度或道床盈亏的具体值，判断道床断面的状态，并对不良状态的道床及时采取补救措施。
[0050]
因此，本发明上述该方法用于检测普速铁路有砟轨道道床断面，适合人工定点检查，能够实时的扫描道床断面，得到道床断面尺寸(边坡坡度、砟肩堆高、砟肩宽度、道床厚度、轨枕盒内道砟埋深等)，同时还分析道床盈亏情况和道床断面的状态，及时对道床状态不良地段采取相应措施，从而实现有砟轨道道床断面状态的准确快速评估，解决了现有方法在检测道床断面时的非专用、不适合定点检查、不全面系统等问题。
[0051]
为了使本领域技术人员更清楚地明确轨枕盒内道砟埋深、砟肩堆高、砟肩宽度、边坡坡度、道床厚度或道床盈亏的具体计算过程以及利用轨枕盒内道砟埋深、砟肩堆高、砟肩宽度、边坡坡度、道床厚度或道床盈亏的具体值，判断道床断面的状态的过程，下述进行具体阐释。
[0052]
参阅图3，利用轨枕盒内的扫描点计算轨枕盒内道砟埋深，具体包括：
[0053]
筛选第三扫描范围的所述轨枕盒内的扫描点，优选地将第三扫描范围为至
[0054]
利用垂向距离公式，计算所述第三扫描范围的所述轨枕盒内的扫描点与激光雷达的第三垂向距离；
[0055]
根据所述第三垂向距离和轨枕底面标准值，利用最小二乘法拟合所述轨枕盒内的扫描点，得到所述轨枕盒内道砟埋深h
s
，表达式为：h
s
＝h
b
‑
h(n,i)，其中h
b
表示轨枕底面标准值，ⅲ型枕的h
b
为(h 185)mm，ⅱ型枕的h
b
为(h 165)mm，新ⅱ型枕的h
b
为(h 175)mm。
[0056]
利用轨枕盒内道砟埋深判断道床断面的状态，具体包括：
[0057]
设第一埋深阈值h
s0
和第二埋深阈值h
s1
，其中第一埋深阈值小于第二埋深阈值，第
一埋深阈值和第二埋深阈值作为变量可自行设置，此处建议阈值为并作为默认值，h
gzg
表示为轨枕高度值；
[0058]
判断轨枕盒内道砟埋深h
s
与第一埋深阈值h
s0
和第二埋深阈值的大小h
s1
；
[0059]
若轨枕盒内道砟埋深h
s
大于等于第一埋深阈值，且小于等于第二埋深阈值，则认为此环道砟埋深符合要求，并记录此环道砟埋深值；否则判断轨枕盒内道砟埋深h
s
是否大于第二埋深阈值h
s1
；
[0060]
如果轨枕盒道砟埋深h
s
大于第二埋深阈值h
s1
，则认为此处道砟埋深过小，报警并记录里程以及此处道砟埋深值，同时进行减少道砟操作，减小道砟的深度为δh
s
＝h
s
‑
h
s1
；
[0061]
如果轨枕盒道砟埋深h
s
小于第二埋深阈值h
s1
，则认为此处道砟埋深过小，报警并记录里程以及此处道砟埋深值，同时进行补砟操作，增加道砟的深度为δh
s
＝h
s0
‑
h
s
。
[0062]
里程的具体计算过程为：
[0063]
t＝t0 n
×
a
[0064]
其中，t表示某一断面里程值(km)，t0表示为初始里程值(km)，n表示为轨枕根数(根)，a表示为轨枕间距(mm)。
[0065]
轨枕根数的确定过程为：
[0066]
记扫描轨枕范围内的扫描点全部落在轨枕上的环次为n，第n环次后扫描轨枕范围内的扫描点全部落在轨枕上的环次为n1；
[0067]
判断n1减n是否等于1；
[0068]
若n1减n等于1，则认为扫描到同一根轨枕，轨枕根数为n；
[0069]
否则认为扫描到下一根轨枕，轨枕根数为n 1。
[0070]
利用轨枕上的扫描点计算砟肩堆高，具体包括：
[0071]
筛选第四扫描范围的所述轨枕上的扫描点，其中第四扫描范围为左右两侧枕端至a和b范围；
[0072]
计算第四扫描范围内扫描点与激光雷达的第四垂向距离；
[0073]
将所述第四垂向距离中距离值最小的所述第四扫描范围内扫描点作为所述道床断面砟肩堆高的顶点；
[0074]
根据所述道床断面砟肩堆高的顶点的所述第四垂向距离以及枕端点与所述激光雷达的垂向距离，计算所述砟肩堆高。
[0075]
以分析道床断面左侧砟肩堆高为例，首先根据扫描点、角度分辨率和阈值确定道床断面左侧或右侧，即当iσ＞90
°‑
a
‑
θ时，则确定为道床断面右侧；否则确定为道床断面左侧。如图4所示，道床断面左侧砟肩堆高具体计算过程包括：
[0076]
筛选(a
‑
θ)至扫描范围的所述轨枕上的扫描点，其中
[0077]
根据垂向距离公式，依次计算该扫描范围内扫描点与激光雷达的垂向距离h(n,i)；
[0078]
选取第四垂向距离中距离值最小的扫描点，将其作为道床断面左侧砟肩堆高的顶点；
[0079]
根据所述道床断面砟肩堆高的顶点的所述第四垂向距离以及枕端点与所述激光雷达的垂向距离，计算道床断面左侧砟肩堆高，即
[0080]
如图4所示，利用砟肩堆高判断道床断面的状态，具体包括：
[0081]
设第一砟肩堆高阈值h
zd0
和第二砟肩堆高阈值h
zd1
，其中第一砟肩堆高阈值小于第二砟肩堆高阈值，第一砟肩堆高阈值和第二砟肩堆高阈值作为变量可自行设置，此处建议阈值为(150mm,180mm)，并作为默认值；
[0082]
判断砟肩堆高h
zd
与第一砟肩堆高阈值h
zd0
和第二砟肩堆高阈值的大小h
zd1
；
[0083]
若砟肩堆高h
zd
大于等于第一砟肩堆高阈值h
zd0
，且小于等于第二砟肩堆高阈值h
zd1
，则认为砟肩堆高符合要求，并记录砟肩堆高值；否则判断砟肩堆高h
s
是否大于第二砟肩堆高阈值h
zd1
；
[0084]
如果砟肩堆高h
zd
大于第二砟肩堆高阈值h
zd1
，则判断砟肩堆高h
zd
与第二砟肩堆高阈值h
zd1
的差值是否在误差范围内，优选地误差范围为20mm；
[0085]
若砟肩堆高h
zd
与第二砟肩堆高阈值h
zd1
的差值δh
zd
在误差范围内，则认为砟肩堆高符合要求，并记录砟肩堆高值；否则认为此处砟肩堆高过小，报警并记录里程以及此处砟肩堆高值，同时减少δh
zd
大小的砟肩堆高；
[0086]
如果砟肩堆高h
zd
小于第二砟肩堆高阈值h
zd1
，则判断砟肩堆高h
zd
与第一砟肩堆高阈值h
zd0
的差值是否在误差范围内；
[0087]
若砟肩堆高h
zd
与第一砟肩堆高阈值h
zd0
的差值δh
zd
在误差范围内，则认为砟肩堆高符合要求，并记录砟肩堆高值；否则认为此处砟肩堆高过小，报警并记录里程以及此处砟肩堆高值，同时减少δh
zd
大小的砟肩堆高。
[0088]
在分析道床断面右侧砟肩堆高时，只需要筛选至(b
‑
θ)至扫描范围的所述轨枕上的扫描点即可，其中
[0089]
利用轨枕上的扫描点计算砟肩宽度，具体包括：
[0090]
筛选第四扫描范围的所述轨枕上的扫描点；
[0091]
计算第四扫描范围内扫描点与激光雷达的第四垂向距离和第一横向距离；
[0092]
判断所述第四垂向距离与枕端点垂向距离是否相等，所述枕端点垂向距离是指枕端点与所述激光雷达的垂向距离；
[0093]
若所述第四垂向距离与所述枕端点垂向距离相等，则选取第四垂向距离与所述枕端点垂向距离相等且所述第一横向距离最大的所述第四扫描范围内扫描点作为砟肩宽度计算点；
[0094]
若所述第四垂向距离与所述枕端点垂向距离不相等，则选取第四垂向距离与所述
枕端点垂向距离最接近且所述第一横向距离大于预设值的所述第四扫描范围内扫描点作为砟肩宽度计算点；
[0095]
根据所述砟肩宽度计算点的第一横向距离和所述枕端点横向距离，计算所述砟肩宽度，所述枕端点横向距离是指所述枕端点与所述激光雷达的横向距离。
[0096]
为了使本领域技术人员更加清楚上述砟肩宽度的计算过程，以左侧砧肩宽度计算为例进行具体阐释。
[0097]
参阅图5，筛选(a
‑
θ)至扫描范围的所述轨枕上的扫描点，其中
[0098]
根据垂向距离公式，依次计算该扫描范围内扫描点与激光雷达的垂向距离h(n,i)；根据横向距离公式依次计算该扫描范围内扫描点与激光雷达的横向距离，横向距离公式为：l(n,i)＝l(n,i)
×
sin[
‑
90
°
a (i
‑
1)
×
σ θ]；
[0099]
根据判断第四垂向距离与枕端点垂向距离是否相等，其中表示枕端点垂向距离；
[0100]
若第四垂向距离与枕端点垂向距离相等，则选取第四垂向距离与所述枕端点垂向距离相等且所述第一横向距离最大的第四扫描范围内扫描点作为砟肩宽度计算点；
[0101]
若所述第四垂向距离与所述枕端点垂向距离不相等，则根据选取第四垂向距离与所述枕端点垂向距离最接近的扫描点，并判断该点的第一横向距离的绝对值是否大于预设值，优选地设定预设值为100mm；
[0102]
若该扫描点第一横向距离的绝对值大于预设值，则将该扫描点作为砟肩宽度计算点；否则不再考虑此点；
[0103]
将砟肩宽度计算点的第一横向距离和所述枕端点横向距离的差值，作为左侧砟肩宽度，即其中，l
d
表示砟肩宽度，
表示枕端点横向距离。
[0104]
利用砟肩宽度判断道床断面的状态，具体包括：
[0105]
设砟肩宽度l
d
的阈值范围为(l
d0
,l
d1
)，l
d0
表示第一砟肩宽度阈值，l
d1
表示第二砟肩宽度阈值，其中第一砟肩宽度阈值小于第二砟肩宽度阈值，第一砟肩宽度阈值和第二砟肩宽度阈值作为变量可自行设置，此处建议阈值为并作为默认值；
[0106]
判断砟肩宽度l
d
与第一砟肩宽度阈值l
d0
和第二砟肩宽度阈值的大小l
d1
；
[0107]
若砟肩宽度l
d
大于等于第一砟肩宽度阈值l
d0
，且小于等于第二砟肩宽度阈值的大小l
d1
，则认为砟肩宽度符合要求，并记录砟肩宽度值和里程；否则判断砟肩宽度l
d
是否大于第二砟肩宽度阈值的大小l
d1
；
[0108]
如果砟肩宽度l
d
大于第二砟肩宽度阈值的大小l
d1
，则判断砟肩宽度l
d
与第二砟肩宽度阈值的大小l
d1
的差值是否在误差范围内，优选地误差范围为20mm；
[0109]
若砟肩宽度l
d
与第二砟肩宽度阈值的大小l
d1
的差值δl
d
在误差范围内，则认为砟肩宽度符合要求，并记录砟肩宽度值；否则认为此处砟肩宽度过小，报警并记录里程以及此处砟肩宽度值，同时减少δl
d
大小的砟肩宽度；
[0110]
如果砟肩宽度l
d
小于第二砟肩宽度阈值h
s1
，则判断砟肩宽度h
zd
与第一砟肩宽度阈值h
zd0
的差值是否在误差范围内；
[0111]
若砟肩宽度l
d
与第一砟肩宽度阈值l
d0
的差值δl
d
在误差范围内，则认为砟肩宽度符合要求，并记录砟肩宽度值；否则认为此处砟肩宽度过大，报警并记录里程以及此处砟肩宽度值，同时增加δl
d
大小的砟肩宽度。
[0112]
与左侧砟肩宽度计算过程不同的是，在分析道床断面右侧砟肩堆高时，只需要筛选至(b
‑
θ)至扫描范围的所述轨枕上的扫描点即可，其中其他过程均相同。
[0113]
利用轨枕上的扫描点计算边坡坡度，具体包括：
[0114]
筛选第五扫描范围的所述轨枕上的扫描点，优选地将计算砟肩宽度中除枕端外的另一点至a、b范围作为第五扫描范围；
[0115]
分别计算所述第五扫描范围的所述轨枕上的扫描点与激光雷达的第五垂向距离和第二横向距离；
[0116]
判断所述第五扫描范围内是否存在运输设备；
[0117]
若所述第五扫描范围内不存在运输设备，则根据所述第五垂向距离和所述第二横向距离，利用最小二乘法对所述第五扫描范围的扫描点拟合，得到所述边坡坡度；
[0118]
若所述第五扫描范围内存在运输设备，则判断所述运输设备所在位置；
[0119]
若所述运输设备在坡脚处，则所述边坡坡度参照轨枕两侧的轨枕计算值；
[0120]
若所述运输设备在边坡或路肩上，则计算第六扫描范围内任意两个相邻扫描点的
斜率，并对所述斜率取整，其中所述第六扫描范围位于所述第五扫描范围内，且所述第六扫描范围小于所述第五扫描范围；
[0121]
判断取整扫描点的斜率是否为0；
[0122]
若所述取整扫描点的斜率为0，则判断斜率为0的取整扫描点是否落在第七扫描范围内，其中所述第七扫描范围位于所述第六扫描范围内，且所述第七扫描范围小于所述第六扫描范围；
[0123]
如果所述斜率为0的取整扫描点落在第七扫描范围内，则确定落在第七扫描范围内斜率为0的取整扫描点为坡脚点；
[0124]
剔除所述坡脚点以外的所述第五扫描范围的扫描点；
[0125]
根据所述第五垂向距离和所述第二横向距离，利用最小二乘法对剔除后的所述第五扫描范围的扫描点拟合，得到所述边坡坡度；
[0126]
如果所述斜率为0的所述取整扫描点不落在第七扫描范围内，则不考虑没有落在第七扫描范围内斜率为0的取整扫描点，根据所述第五垂向距离和所述第二横向距离，利用最小二乘法对所述第五扫描范围的扫描点拟合，得到所述边坡坡度；
[0127]
若所述取整后的斜率不为0，则选取落在第八扫描范围内取整后的斜率不为0的取整扫描点，其中所述第八扫描范围位于所述第六扫描范围内，且所述第八扫描范围小于所述第六扫描范围；
[0128]
确定所述第八扫描范围内斜率为0的取整扫描点中的坡脚点；
[0129]
剔除所述坡脚点以外的所述第五扫描范围的扫描点；
[0130]
根据所述第五垂向距离和所述第二横向距离，利用最小二乘法对剔除后的所述第五扫描范围的扫描点拟合，得到所述边坡坡度。
[0131]
利用边坡坡度判断道床断面的状态，具体包括：
[0132]
设第一边坡坡度阈值和第二边坡坡度阈值，其中第一边坡坡度阈值小于第二边坡坡度阈值，第一边坡坡度阈值和第二边坡坡度阈值作为变量可自行设置，此处建议阈值为(1.75,1.85)，并作为默认值；
[0133]
判断计算的边坡坡度与第一边坡坡度阈值和第二边坡坡度阈值的大小；
[0134]
若边坡坡度大于等于第一边坡坡度阈值，且小于等于第二边坡坡度阈值，则认为边坡坡度符合要求，并记录边坡坡度值；否则判断边坡坡度是否小于第一边坡坡度阈值；
[0135]
如果边坡坡度小于第一边坡坡度阈值，则认为边坡坡度过陡，报警并记录里程以及此处边坡坡度值，同时采取措施减缓边坡坡度；
[0136]
如果边坡坡度大于第二边坡坡度阈值，则认为边坡坡度过缓，报警并记录里程以及此处边坡坡度值，同时采取措施增加边坡坡度。
[0137]
为了使本领域技术人员更加清楚上述边坡坡度的计算过程和利用边坡坡度判断道床断面的状态的具体过程，以道床左侧边坡坡度计算为例进行具体阐释。
[0138]
如图7所示，分析道床断面左侧边坡坡度时，筛选计算的砟肩宽度中的i1所在位置至(a
‑
θ)的点，即筛选(i1σ a
‑
θ)至(a
‑
θ)范围内的点，并根据垂向距离公式和横向距离公式计算各点的垂向距离和横向距离值；
[0139]
因铁路边坡和路肩可能存在废弃钢轨或其他运输设备，将运输设备的高度设置为可选择的变量，记为η0。判断(i1σ a
‑
θ)至(a
‑
θ)范围内是否存在某个点，使得该点的垂向距
离值均大于该点左右两侧点的垂直距离的最小值，并且该点的垂向距离值与该点左右两侧点的垂直距离的最小值之差大于η0。值得说明的是，此处判断只是运输设备的大概判断方法，具体的运输设备判断方式如图6所示。
[0140]
若两个条件均满足，则确定该扫描范围内存在运输设备，且运输设备在边坡或路肩上，则判断(i1σ a
‑
θ)至(a
‑
θ)范围内相邻点间的斜率取整是否为0，具体表达式为：k
i
＝(h
i
‑
h
i
‑1)/(l
i
‑
l
i
‑1)，其中h
i
表示第i个扫面点的垂向距离；h
i
‑1表示第i
‑
1个扫面点的垂向距离；l
i
表示第i个扫面点的横向距离；l
i
‑1表示第i个扫面点的横向距离；
[0141]
若为0，再次判断两点是否在(a θ)至(i1σ a
‑5°
θ)范围内；
[0142]
若在范围内，认为该点i
12
为坡脚点，剔除坡脚点以外的扫描点，也即运输设备带来的数据噪点后，利用最小二乘法对边坡坡度进行拟合，得到边坡坡度值；若斜率为0的相邻点并非在(a θ)至(i1σ a
‑5°
θ)范围内，则忽略不计该点。
[0143]
若(a θ)至(i1σ a
‑5°
θ)范围内相邻点间的斜率取整不为0，再次判断两点是否在(i1σ a
‑
12
°
θ)至(i1 a θ)范围内；若不在该范围内，认为该点为坡脚点，清除运输设备带来的数据噪点，利用最小二乘法对边坡坡度进行拟合，得到边坡坡度值；若斜率不为0的相邻点在(i1σ a
‑
12
°
θ)至(i1 a θ)范围内，清除运输设备带来的数据噪点，用最小二乘法对边坡坡度进行拟合，得其边坡坡度值。
[0144]
若条件中只要有一个不满足，计算相邻点之间的斜率，必有斜率取整为0的点；判断斜率取整为0的点是否在(a θ)至(i1σ a
‑5°
θ)范围内，若在范围内，认为该点为坡脚点，利用最小二乘法对边坡坡度进行拟合，得其边坡坡度值。若在范围之外，忽略不计。
[0145]
判断边坡坡度值是否在阈值(x0,x1)范围内，若在阈值范围内，认为边坡坡度x符合要求，记录边坡坡度值；若拟合的边坡坡度值x小于x0，则认为边坡坡度过缓，发出警报，记录里程值及边坡坡度值，并采取相应的措施增加边坡坡度；若拟合的边坡坡度值大于x1，认为边坡坡度过陡，发出警报，记录里程值及边坡坡度值，并采取相应的措施减缓边坡坡度。
[0146]
与道床左侧不同的是，筛选计算的砟肩宽度中的i2所在位置至(b
‑
θ)的点，即(i2σ a
‑
θ)至(b
‑
θ)。
[0147]
作为一种可选的实施方式，所述判断扫描范围内是否存在运输设备，具体包括：
[0148]
计算扫描范围内的扫描点分别与激光雷达的垂向距离和横向距离；
[0149]
根据垂向距离和所述横向距离，计算扫描范围内任意两个相邻扫描点之间的斜率；
[0150]
判断所述斜率是否大于0；
[0151]
若所述斜率小于0，则确定不存在运输设备；
[0152]
若所述斜率大于0，则确定存在运输设备，并计算所述斜率大于0的扫描点的所述垂直距离与序号后扫描点的所述垂直距离的差值，其中所述序号后扫描点是指与在所述斜率大于0的扫描点序号后、且斜率小于0的扫描点；
[0153]
比较所述差值、第三阈值和第四阈值的大小，其中所述第四阈值小于所述第三阈值；
[0154]
如果所述差值大于第三阈值，则确定存在运输设备为接触网支柱；
[0155]
如果所述差值小于所述第三阈值且大于第四阈值，则确定存在的运输设备为除所述接触网支柱的其他运输设备；
[0156]
判断所述斜率大于0的扫描点是否位于第一判别点和第二判别点之间；
[0157]
若所述斜率大于0的扫描点位于所述第一判别点和所述第二判别点之间，则确定所述运输设备位于坡脚处；
[0158]
若所述斜率大于0的扫描点不位于所述第一判别点和所述第二判别点之间，则确定所述运输设备位于边坡或路基。
[0159]
为了使本领域技术人员更清楚地了解上述边坡坡度计算和运输设备识别过程，下述以道床断面右侧为例进行具体阐释。
[0160]
将道床宽度中l(n,i)中除枕端外的第i个扫描点记作i2；
[0161]
筛选(i2σ a
‑
θ)至(b
‑
θ)范围内的扫描点，并根据垂向距离公式和横向距离公式计算扫描点的垂向距离和横向距离；
[0162]
在铁路两侧边坡及路肩上，一般存在如废弃钢轨、接触网支柱、警冲标、其他线路标志等运输设备，这些设备会影响道床断面的分析，因此需要判断是否存在运输设备并进行运输设备的识别，同时将运输设备带来的数据噪点予以清除。
[0163]
同样以道床断面右侧对运输设备识别的分析过程为例，如图6所示，根据废弃钢轨、接触网支柱、警冲标及其他线路标志等运输设备的尺寸值，通过利用垂向距离和横向距离，计算扫描范围内任意两个相邻扫描点之间的斜率；
[0164]
判断斜率k
i
是否小于0；
[0165]
若斜率k
i
大于0，则不存在运输设备；若斜率k
i
小于0，则确定存在运输设备，将斜率小于0的扫描点记为i'
01
、i'
02
、i'
03
……
，将i'
01
、i'
02
、i'
03
……
序号之后且斜率大于0的点记作i'
011
、i'
012
、
……
；i'
021
、i'
022
、
……
；i'
031
、i'
032
、
……
，i'
01
、i'
02
、i'
03
与i'
011
、i'
012
、
……
；i'
021
、i'
022
、
……
；i'
031
、i'
032
、
……
等之间的垂向距离的差值记为δh'
ys
，即δh'
ys
＝h(n,i0'
11
)
‑
h(n,i0'2)；
[0166]
设置δh'
ys
的阈值为η，超过η值则认为是运输设备，该阈值作为变量。当δh'
ys
大于1000mm时，也就是η的值为1000，则确定存在的运输设备为接触网支柱；
[0167]
当δh'
ys
位于300
‑
1000mm之间时，则认为存在的运输设备为除所述接触网支柱的其他运输设备；
[0168]
将δh'
ys
位于300
‑
1000或大于1000的扫描点记为运输设备点i'
01
；
[0169]
判断运输设备点i'
01
是否介于i2‑
10与i2 10之间；
[0170]
若运输设备点介于i2‑
10与i2 10之间，则确定所述运输设备位于坡脚处，此时计算的边坡坡度和道床厚度忽略不计，该处的边坡坡度和道床厚度可参照该轨枕的两侧轨枕计算值；
[0171]
若运输设备并非介于i2‑
10与i2 10之间，可认为运输设备置于边坡或路基，此时分析的道床断面特征值需要剔除该部分斜率大于0与斜率小于0之间运输设备带来的噪点，以及点i'
01
‑
1、i'
01
‑
2、i'
01
‑3……
等。
[0172]
与道床断面右侧对运输设备识别的分析过程不同的是，道床左侧筛选(i1σ a θ)
至(a θ)范围内的扫描点，且斜率小于0，则不存在运输设备；若斜率大于0，则确定存在运输设备。
[0173]
作为一种可选的实施方式，利用轨枕上的扫描点计算道床厚度，具体包括：
[0174]
筛选第九范围内的轨枕上的扫描点；
[0175]
判断所述第九扫描范围内是否存在运输设备；
[0176]
若所述第九扫描范围内不存在运输设备，则在所述第九扫描范围中确认路基点；
[0177]
计算所述路基点与激光雷达的第六垂向距离；
[0178]
将所述第六垂向距离的平均值作为路基面高度；
[0179]
根据所述路基面高度、路肩的垂向距离、路基顶面的垂向距离和枕端下轨枕高度计算所述道床厚度；
[0180]
若所述第九扫描范围内存在运输设备，则判断所述运输设备所在位置；
[0181]
若所述运输设备在坡脚处，则所述道床厚度参照轨枕两侧的轨枕计算值；
[0182]
若所述运输设备在边坡或路肩上，清除所述第九扫描范围内运输的数据噪点后选取路基点，得到去噪路基点；
[0183]
计算所述去噪路基点与激光雷达的第七垂向距离；
[0184]
将所述第七垂向距离的平均值作为去噪路基面高度；
[0185]
根据所述去噪路基面高度、路肩的垂向距离、路基顶面的垂向距离和枕端下轨枕高度计算所述道床厚度。
[0186]
其中，在利用轨枕上的扫描点计算道床厚度之前，需要判断该扫描路段是单线铁路还是双线铁路。如图8所示，筛选(i1σ a θ)至(a θ)范围内的扫描点，计算这些扫描点的横向距离和垂向距离；
[0187]
选取垂向距离最大的扫描点；
[0188]
判断垂向距离最大的扫描点与序号排在第一的点对应的横向距离和垂向距离差值的比值是否小于设定值，具体表达式为：
[0189][0190]
若小于设定值，则该路段为单线铁路；否则该路段为双线铁路。
[0191]
利用道床厚度判断道床断面的状态，具体包括：
[0192]
设第一道床厚度阈值和第二道床厚度阈值，其中第一道床厚度阈值小于第二道床厚度阈值，第一道床厚度阈值和第二道床厚度阈值作为变量可自行设置；
[0193]
判断计算的道床厚度与第一道床厚度阈值和第二道床厚度阈值的大小；
[0194]
若道床厚度大于等于第一道床厚度阈值，且小于等于第二道床厚度阈值，则认为道床厚度符合要求，并记录道床厚度值；否则判断道床厚度是否大于第二道床厚度阈值；
[0195]
如果道床厚度大于第二道床厚度阈值，则认为道床厚度过高，报警并记录里程以及此处道床厚度值；
[0196]
如果道床厚度小于第二道床厚度阈值，则认为道床厚度不足，报警并记录里程以及此处道床厚度值。
[0197]
如图9所示，单线铁路中，确定(i
12
σ a θ)或(i
13
σ a θ)或(i
14
σ a θ)至(a θ)扫描范围内扫描到的点为路基点，或在a θ≤iσ a θ≤i1σ
‑5°
a θ范围内[k
i
]＝0的点为路基点；
[0198]
识别运输设备并清除运输设备带来的数据噪点，得到去噪路基点；
[0199]
将去噪路基点的垂向距离的平均值作为去噪路基面高度；
[0200]
根据所述去噪路基面高度、路肩的垂向距离、路基顶面的垂向距离和枕端下轨枕高度计算所述道床厚度，具体公式为：
[0201][0202]
其中，h
nzd
表示钢轨临近的枕端点的垂直高度；表示枕端下轨枕高度；h
1j
表示路基顶面的垂向距离值；|l(n,iσ a θ)
‑
l
nzd
|表示路肩的垂向距离。
[0203]
判断h
d
与和的大小；
[0204]
若h
d0
≤h
d
≤h
d1
，则认为道床厚度符合要求，并记录道床厚度值；否则判断h
d
是否大于
[0205]
如果h
d
＞h
d1
，则认为道床厚度过高，报警并记录里程以及此处道床厚度值；否则认为道床厚度不足，报警并记录里程以及此处道床厚度值。
[0206]
与单线铁路不同的是，双线铁路计算(i2σ a
‑
θ)至(b
‑
θ)区域内的道床厚度，确定(i
12
σ a
‑
θ)或(i
13
σ a
‑
θ)或(i
14
σ a
‑
θ)至(a
‑
θ)扫描范围内扫描到的点为路基点，或在a
‑
θ≤iσ a
‑
θ≤i1σ
‑5°
a
‑
θ范围内[k
i
]＝0的点为路基点。
[0207]
作为一种可选的实施方式，利用轨枕上的扫描点计算道床盈亏，具体包括：
[0208]
筛选第十扫描范围内的轨枕上的扫描点；
[0209]
判断所述第十扫描范围内是否存在运输设备；
[0210]
若所述第十扫描范围内不存在运输设备，则直接计算所述第十范围内的扫描点与激光雷达的第八垂向距离；
[0211]
计算所述第八垂向距离和标准点与所述激光雷达的第九垂向距离的差值；
[0212]
判断所述差值的绝对值是否小于等于阈值；
[0213]
若所述差值的绝对值小于等于阈值，则所述差值的绝对值小于等于阈值的扫描点为震荡点；
[0214]
若所述差值的绝对值大于阈值，则判断所述差值是否大于阈值；
[0215]
若所述差值大于阈值，则所述差值大于阈值的扫描点为盈点；否则所述差值大于阈值的扫描点为亏点；
[0216]
在天窗时间内，若预定个数扫描点为连续盈点，则确定道床盈利；若所述预定个数扫描点为连续亏点，则确定道床亏损，优选预定个数为5个。
[0217]
具体地，参阅图10，筛选(i1σ a θ)至(i
12
σ a θ)或(i
13
σ a θ)或(i
14
σ a θ)之间的数据；其中i
12
、i
13
、i
14
为路基与边坡的分界点；
[0218]
去除运输设备所在点后，计算边坡所有点和标准点与激光雷达的垂向距离差值的大小，具体表达式为δh
c
＝h(n,i)
‑
[kl(n,i) b]；
[0219]
判断差值的绝对值是否小于等于30mm；
[0220]
若差值的绝对值小于等于30mm，则所述差值的绝对值小于等于30的扫描点为震荡点；
[0221]
若所述差值的绝对值大于30mm，则判断所述差值是否大于30mm；
[0222]
若所述差值大于30mm，则所述差值大于30mm的扫描点为盈点；否则所述差值大于30的扫描点为亏点。
[0223]
在天窗时间内，判断盈点是否为连续盈点，若是则确定道床盈利；否则判断相邻“盈”点之间的点数差为1；若是则认为盈点之间均不连续，并判断相邻盈点数之差是否大于等于4，若是则记录里程，确定这两点之间为道砟盈；否则认为这两点为系统误差；若相邻“盈”点之间的点数差不为1，则判断盈点之差为1的小范围连续点中的起讫点之差是否大于等于4；若是则记录里程，确定起讫点之间为道砟盈；否则认为这两点为系统误差。若盈点不为连续盈点，确定道床亏损。
[0224]
根据道砟盈亏的位置，计算每个盈亏区域内的截面积。每个盈亏小区域内分成以点为单位的小条块，每个小条块的面积为小条块的中心高度与小条块的宽度的乘积，每个小条块中心高度为相邻两点与标准道床边坡高度差的平均值，每个小条块的宽度为相邻两点间横坐标之差的绝对值。
[0225]
根据计算的道砟盈亏面积，从平均断面法和棱台体积法准则误差最小的方法计算道砟盈亏的体积。
[0226]
相邻的道床断面中，对应的道砟盈亏可能会出现多种情况。大致分为三类：相邻两个道床断面相对应的区域均为盈或均为亏；相邻两个道床断面相对应的区域中一个为盈或亏，另一个为标准道床断面；相邻两个道床断面相对应的区域内盈亏均有，此时可能出现的情况共有20种。两个相邻道床断面中以盈、亏、标准三种中种类多为标准计算体积，例如一个区域内出现情况
①
盈、亏、标准或
②
盈、标准、盈或
③
亏、标准、亏或
④
盈、标准、亏时，无论与之相邻断面中出现何种类型，均以出现
①
盈、亏、标准或
②
盈、标准、盈或
③
亏、标准、亏或
④
盈、标准、亏的断面作为基准进行分段计算体积。最后根据每个区域内盈亏的道砟体积进行合计得总的盈亏道砟体积。
[0227]
本发明的道床断面检测方法运用于普速铁路，以轨枕顶面为基准，分析道床断面的砟肩堆高、砟肩宽度、边坡坡度、道床厚度、轨枕盒内道砟埋深、道床盈亏，对道床边坡和路肩上存在的其他运输设备进行识别，并清除运输设备带来的数据噪点。相比于现有的技术，该方法能够定点检测道床断面，既得到道床断面的尺寸数据，又得到了道床盈亏的位置及盈亏量，整体来说，所得道床断面信息较为全面。
[0228]
经过现场测试，该方法中采用了高精度的激光雷达，能够快速、连续的测得整条线路的道床断面，效率高，能够满足使用要求。
[0229]
该方法在数据处理过程中，通过对扫描数据进行拟合，及时削弱了误差带来的影响，最终得到的道床断面尺寸数据精度很高。
[0230]
实施例2：
[0231]
参阅图11，本发明还提供了一种道床断面检测系统，包括：
[0232]
采集模块m1，用于扫描轨枕顶面，获得扫描点；
[0233]
判断模块m2，用于判断所述扫描点落在轨枕的位置，得到判断结果；
[0234]
道砟埋深计算模块m3，用于当所述判断结果为所述扫描点落在轨枕盒内，则利用
轨枕盒内的扫描点计算轨枕盒内道砟埋深；
[0235]
多参数计算模块m4，用于当所述判断结果为所述扫描点落在轨枕上，则利用轨枕上的扫描点计算砟肩堆高、砟肩宽度、边坡坡度、道床厚度或道床盈亏。
[0236]
本发明的道床断面检测系统用于检测普速铁路有砟轨道道床断面，适合人工定点检查，能够实时的扫描道床断面，得到道床断面尺寸(边坡坡度、道床顶面宽度、砟肩堆高、砟肩宽度、道床厚度、轨枕盒内道砟埋深等)，同时分析道床盈亏情况，以便及时对道床状态不良地段采取相应措施，从而实现有砟轨道道床断面状态的快速评估，解决了现有方法在检测道床断面时的非专用、不适合定点检查、不全面系统等问题。
[0237]
本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0238]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。