一种基于垂线偏距法的轨道检测改进作业方法和系统与流程

1.本发明涉及铁路工程技术领域，尤其涉及一种适用于作业工序改进的基于垂线偏距法的轨道检测改进作业方法和系统。


背景技术：

2.轨道养维受工务运维业务阶梯式增长、养维人员技术能力及管理模式的影响，个别线路出现该修未修、该换未换等养维不到位的问题。在轨道具有的“奇特的记忆功能”影响下，轨道养维只能暂时去除不平顺，无法达到预期目标。
3.近年来，在铺设有轨道控制点cpⅲ的线路，普遍采用全站仪型轨道检查仪进行线路测量，获取线路中线的纵向和横向偏差，根据测量数据设计调整方案，包括每个扣件位置及钢轨的纵横向调整量、所需各种调整配件的种类和数量,根据调整方案进行精调施工。
4.现有技术中，中国发明专利申请cn101487211a公开了一种既有线三维约束测量方法，通过计算机测量并计算轨道中线与轨道约束桩之间的横向偏距和垂向偏距，根据轨道约束桩坐标与轨道线型参数，反算轨道中线实测坐标，根据轨道线型参数，计算轨道中线实测坐标与中线理论坐标之间的横向偏距和垂向偏距，并进行现场超限声光报警。中国发明专利申请cn105648861a公开了一种铁路轨道测量标记点定位方法，当一字线激光器发出的激光线通过设置在钢轨旁的 cp
ꢀⅲ
桩点或固定点时，激光线投射在钢轨表面的位置即为轨检小车需停靠的标记点位置。
5.但是，现有技术中，全站仪型轨道检查仪在作业过程中每间隔百米需进行自由设站，采用后方交会的方式对多个（通常为8个）轨道控制点cpⅲ进行照准测量，实现绝对定位约束,因此该作业模式在普速铁路天窗作业下测量效率较低，且成本较高。而既有的两种单点对准作业模式仅需对铁路沿线单个轨道控制点进行照准测量，极大的节省了轨道测量作业过程中的时间，但在具体应用过程中仍存在以下两点不足：一是无法判断和剔除铁路沿线准确性和稳定性较差的轨道控制点cpⅲ，若在作业过程中采用精度较差的轨道控制点对轨检小车测量轨迹进行绝对定位约束，则会导致该控制点附近的轨道测量成果，如线路横向偏差、垂向偏差等，正确性严重下降，从而对后续轨道精调工作做出错误指导；二是该测量模式里程结果完全依赖轨检小车自身里程传感器，未采用合理的方式对其测量误差进行进一步修正。因此，如何克服上述现有技术方案的不足，成为本技术领域亟待解决的课题。


技术实现要素：

6.为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于垂线偏距法的轨道检测改进作业方法和系统，具体采用如下技术方案：一种基于垂线偏距法的轨道检测改进作业方法,包括如下步骤：s1. 选定作业区间，完成区段内工程独立坐标系与轨道坐标系的精确转换参数计算；s2. 轨道检查仪在垂直于cpⅲ01控制点时，完成设备起始观测定向；
s3. 轨道检查仪沿线路方向前行，匀速完成轨道测量，依次观测经过的cpⅲ控制点，在段落终点cpⅲ09控制点完成闭合检查；s4. 在轨道坐标系内，利用已知垂线偏距与实测垂线偏距间之差，剔除轨向精度不高或不稳定的控制点；s5. 在轨道坐标系内利用已知cpⅲ控制点里程差与观测轨道检查仪里程观测值完成里程改正平差，将轨道检测成果转换至工程坐标系，进行轨道精调方案制定与精调作业。
7.进一步，所述轨道检查仪是具有激光断面测量功能的轨道检查仪。
8.进一步，所述工程独立坐标系与轨道坐标系的精确转换，具体为：将铁路工程任意点在工程独立坐标系中的精确位置以里程、垂线偏距及高程在轨道坐标系中表达。
9.进一步，所述步骤s2中，完成设备起始观测定向具体包括：在轨道坐标系内，利用轨道中线偏差值与cpⅲ控制点进行工程独立坐标系与轨道坐标系的精确转换后的结果，计算轨道检查仪三维坐标。
10.进一步，所述步骤s4中，轨向精度不高或不稳定的控制点具体为：已知垂线偏距与实测垂线偏距间之差超过2mm的控制点。
11.本发明还涉及一种基于垂线偏距法的轨道检测改进作业系统,包括：坐标转换单元，用于完成选定作业区间，完成区段内工程独立坐标系与轨道坐标系的精确转换参数计算；轨检仪定向单元，用于使轨道检查仪在垂直于cpⅲ01控制点时，完成设备起始观测定向；测量单元，用于使轨道检查仪沿线路方向前行，匀速完成轨道测量，依次观测经过的cpⅲ控制点，在段落终点cpⅲ09控制点完成闭合检查；数据分析单元，用于在轨道坐标系内，利用已知垂线偏距与实测垂线偏距间之差，剔除轨向精度不高或不稳定的控制点；数据平差转换单元，用于在轨道坐标系内利用已知cpⅲ控制点里程差与观测轨道检查仪里程观测值完成里程改正平差，将轨道检测成果转换至工程坐标系，进行轨道精调方案制定与精调作业。
12.本发明还涉及一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该程序被处理器执行时实现如上所述的基于垂线偏距法的轨道检测改进作业方法。
13.本发明的技术方案获得了下列有益效果：以轨向检测误差推算为基础，设计一种基于垂线偏距法的轨道检测改进作业流程，进而指导精调作业，上可将轨向/高低偏差控制值提高约倍，即10mm（弦长300m）提高至7mm。通过检核横向偏差，剔除轨向精度弱的cpⅲ控制点，可进一步提高控制网的平顺性，常规轨道数字化捣固作业20%的tqi改善率提高到了30%左右。纵向平差实现里程转换，使得轨道测量更加切合动态检测方式及动车运行状态，检验方式更加科学合理。
附图说明
14.图1为本发明轨道检测改进作业方法流程图。
15.图2为本发明正矢/轨向计算示意图。
16.图3为本发明300m弦长检测时弦线的搭接示意图。
17.图4为本发明轨向测量点观测示意图。
18.图5为本发明垂线偏距法定向原理图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。
20.除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
21.本发明所要解决的技术问题是3～30m中波、30m以上长波不平顺问题，以轨向不平顺控制为例，分析其不平顺检测原理及误差来源，并提出一种在改进方案，从而为进一步整体提高轨道平顺性状态提供参考。
22.轨向指轨道的方向，在直线上是否平直，在曲线上是否圆顺。如附图2所示，实测得到中线平面坐标以后，在给定弦长的情况下，可计算出任一实测点的正矢值；该实测点向设计平曲线投影，则可计算出投影点的设计正矢值，实测正矢和设计正矢的偏差即为轨向偏差值。
23.300m长波轨向检测原理可归纳为：检验点和相应核算点间设计正矢差与实测正矢差的差值。
24.如附图3所示，300m（480根轨枕间距）范围内轨枕编号为p1～p481。根据检测资料可计算出300m弦长范围p2～p480轨枕各点的矢高。检验点和相应核算点的距离为150m，故这根弦上可以检验的轨枕或支承点是从p2（对应的核算点为p242）至p240（对应的核算点为p480）。
25.满足的极限值
△
h可按下式（1-1）计算：（1-1）式中，h
25设计
、h
265设计
表示轨枕p25、p265设计矢高；h
25实测
、h
265实测
表示轨枕p25、p265实测矢高。
26.由式（1-1）初步分析，轨向精度主要受实测检验点和相应核算点在轨道水平垂直方向的偏差影响，这类偏差在不统计系统误差的情况下主要包括两类：控制点横向误差及轨道测量点横向误差，具体误差传播影响详细分析如下：如附图4所示，若k、j、h三点为轨道测量点，其中kh为检测波长，o为检测弦线中点。
假设检验点位置实测值与设计值相同，由式1-1可知，检验点k轨向偏差即为核算点j偏离检测弦的位移值jo，则有：
ꢀꢀ
（1-2）
ꢀꢀ
（1-3）式中：α
jk
和α
jh
为边jk和jh的坐标方位角，s
jk
为j、k的边长。对（1-2）式和（1-3）式求微分，可得αj和sj的权函数式：（1-4）
ꢀꢀ
（1-5）式中：s表示检测弦长；
△
x、
△
y表示近似坐标差，以m为单位；dx、dy表示未知点坐标微分量，以mm为单位；ρ为1弧度对应的秒值，值为常数ρ=180*3600/π。
27.如果用矩阵表示： （1-6）式中， f p
为dp的系数矩阵，只与测量点平面坐标相关。可假定建立以oj为横向，oh为纵向的轨道坐标系，轨道在纵向上的偏差对轨向没有任何影响，因此可以取值为0。则：，只与测量点相对轨道的垂线偏距相关，影响轨向检测精度的主要因素为：实测检验点和相应核算点横向位置偏差及控制点横向位置偏差，在此基础上提出一种改进轨向检测精度的方法。
28.将铁路工程任意点精确位置以里程、垂线偏距及高程表达，通过观测轨道检测点至控制点的轨道横向位置偏差，实现轨道检查仪的定向，可有效降低轨向检测误差，实现更高精度的轨道轨向检测作业（高低检测同理）。
29.如附图5所示，检验点为k，工作整正曲线的原则为：核算点j处实测正矢与计划正矢之间的偏差
△
h最小且平顺变化。由于任意里程位置上轨道中线平面位置偏差已知，所有cpⅲ控制点可通过坐标转换获得精确轨道坐标系成果（里程、偏距、高程）。因此，可设计如下的作业流程，实现轨向的高精度检测（高低检测同理）：选定作业区间，完成区段内工程独立坐标系与轨道坐标系的精确转换参数计算；轨道检查仪（含激光断面测量功能）在垂直于cpⅲ01时可完成设备起始观测定向
（在轨道坐标系内，利用轨道中线偏差值与cpⅲ控制点轨道坐标系成果，精确计算轨道检查仪三维坐标）；沿线路方向推车前行，匀速完成轨道测量，依次观测经过的临近一侧cpⅲ控制点，在段落终点cpⅲ09完成闭合检查；数据分析：在轨道坐标系内，利用已知垂线偏距与实测垂线偏距间较差剔除轨向精度不高或不稳定的控制点（超过2mm视为不良观测值或不稳定控制点）；数据平差、转换：在轨道坐标系内利用已知cpⅲ控制点里程差与观测轨道检查仪里程观测值完成里程改正平差，将轨道检测成果转换至工程坐标系，进行轨道精调方案制定与精调作业。
30.本发明实施例为铁路轨道精调作业提供一种科学的轨道检测改进作业方法，研究成果具有重要科学价值，对实际线路轨道精调工程具有指导意义。
31.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。