一种铁路轨道姿态测量方法、装置及作业系统与流程

1.本发明涉及铁路轨道施工技术领域，特别涉及一种铁路轨道姿态测量方法、装置及作业系统。


背景技术：

2.随着我国铁路事业的不断发展，列车行驶速度有了极大的提高。为了确保列车运行的安全、平稳、舒适，在铁路轨道的铺设过程中必须对轨道的线型有极高的要求。一条铁路线路由若干根的轨道连接固定在一起，使其构成一个整体。在这个过程中就需要有一些辅助的检测设备对轨道姿态进行检测，确定每一段轨道是否按照图纸设计和相关的标准的要求铺设完成，及时获得轨道位置的偏移或高度的偏差等。
3.在以往的实际施工中，需要测量人员现场操作机械设备对轨道姿态进行检测，但是铁路施工现场情况复杂，人机混合作业存在很大的安全隐患，同时人工测量检测结果偏差较大，影响铁路轨道铺设的质量和效率。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是现有铁路轨道姿态测量存在的准确性和效率低的问题，为此，本发明提出了一种铁路轨道姿态测量方法、装置及作业系统。
5.针对上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
6.本发明实施例提供一种铁路轨道姿态测量方法，包括如下步骤：
7.在待测量轨道的起点位置设置激光发射器，在所述待测量轨道的目标位置设置激光接收器，所述激光接收器可沿所述待测量轨道移动；
8.获取所述激光发射器的激光发射点坐标，以所述激光发射点坐标对应于所述待测量轨道的起点坐标；
9.根据设定步长调整所述激光接收器的位置，并获取每一设定步长下所述激光接收器的激光接收点坐标，以每一所述激光接收点坐标作为所述待测量轨道的轨迹点坐标；
10.根据所述起点坐标和每一所述轨迹点坐标得到所述待测量轨道的实际姿态参数。
11.本发明一些实施例所述的铁路轨道姿态测量方法，还包括如下步骤：
12.获取所述待测量轨道的设计姿态参数；
13.根据所述实际姿态参数和所述设计姿态参数之间的比对结果，得到所述待测量轨道的姿态偏差值。
14.本发明一些实施例所述的铁路轨道姿态测量方法，获取所述激光发射器的激光发射点坐标的步骤包括：
15.根据实时差分定位方式得到所述激光发射器的位置坐标；
16.根据激光发射点与所述激光发射器的相位位置关系以及所述激光发射器的位置坐标得到所述激光发射点坐标。
17.本发明一些实施例所述的铁路轨道姿态测量方法，所述激光接收器包括光屏，所
述光屏用于接收所述激光发射器发射的激光束；其中，获取每一设定步长下所述激光接收器的激光接收点坐标的步骤包括：
18.根据实时差分定位方式得到所述激光接收器的位置坐标；
19.根据所述光屏在所述激光器上的安装位置和所述激光接收器的位置坐标得到光屏中心点坐标；
20.获取光屏图像，所述光屏图像包括所述激光束的光斑图像；
21.根据所述光斑图像与光屏中心点之间的位置偏差得到的光斑中心点坐标作为所述激光接收点坐标。
22.本发明一些实施例还提供一种铁路轨道姿态测量装置，包括：
23.激光发射车，配置有激光发射器和第一定位模块；
24.激光接收车，配置有激光接收器和第二定位模块；
25.控制主机，与所述第一定位模块和所述第二定位模块连接；所述控制主机获取所述第一定位模块发送的第一位置信息和所述第二定位模块发送的第二位置信息；根据所述第一位置信息得到所述激光发射器的激光发射点坐标；根据所述第二位置信息控制所述激光接收车按照设定步长移动，并结合所述第二位置信息得到激光发生器发射的激光束在所述激光接收器上形成的光斑中心点坐标；
26.所述控制主机，根据所述第一位置信息、所述设定步长和所述光斑中心点坐标得到所述激光发射车和所述激光接收车间的待测量轨道的实际姿态参数。
27.本发明一些实施例所述的铁路轨道姿态测量装置，还包括：
28.轨道参数数据库，其内部存储有每一段轨道的设计姿态参数；
29.所述控制主机，从所述轨道参数数据库中获取与所述待测量轨道对应的设计姿态参数；根据所述实际姿态参数和所述设计姿态参数之间的比对结果，得到所述待测量轨道的姿态偏差值。
30.本发明一些实施例所述的铁路轨道姿态测量装置，所述第一定位模块与所述第二定位模块均为实时差分定位模块。
31.本发明一些实施例所述的铁路轨道姿态测量装置，所述激光接收器包括光屏和摄像头；所述光屏用于接收所述激光发射器发射的激光束；所述摄像头用于获取光屏图像，所述光屏图像包括所述激光束的光斑图像；
32.所述控制主机，根据所述光屏在所述激光器上的安装位置以及所述第二位置信息得到光屏中心点坐标；所述控制主机接收所述摄像头发送的所述光屏图像，根据所述光斑图像与所述光屏中心点坐标的偏差值得到光斑中心点坐标。
33.本发明一些实施例所述的铁路轨道姿态测量装置，还包括：
34.角度调整组件，设置于所述激光发射车和/或所述激光接收车上；
35.所述角度调整组件用于调节所述激光发射器和/或所述激光接收器的角度，以实现在轨道姿态测量开始之前，所述激光发射器发射的激光束的光斑位于所述激光接收器的光屏中心点处。
36.本发明一些实施例还提供一种作业系统，包括以上任一项所述的铁路轨道姿态测量装置，以及处理单元、配砟车，和/或捣固车，和/或稳定车；所述铁路轨道姿态测量装置的控制主机将待测量轨道的实际姿态参数发送至所述处理单元，所述处理单元根据所述实际
姿态参数控制所述配砟车，和/或捣固车，和/或稳定车的移动路线。
37.本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
38.本发明提供的铁路轨道姿态测量方法、装置及作业系统，在待测量轨道的起点位置设置用于发射激光束的激光发射器，在待测量轨道的目标位置设置接收激光束的激光接收器。激光接收器能够沿着待测量轨道按照设定步长移动。激光接收器每移动一次，均能够对激光接收点坐标进行检测，相当于能够获得激光接收器移动路径上的多个位置坐标，即待测量轨道的轨迹点坐标，利用激光的直线传播特性以及激光发射的发射点坐标和每一个轨迹点坐标就能够得到待测量轨道的实际姿态参数。本发明对于铁路轨道姿态的测量方案无需人工干预，降低了安全风险，而且自动化检测技术可以避免人工操作产生的误差，具有更高的准确度。
附图说明
39.结合附图并参考以下具体实施方式，本发明各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，元件和元素不一定按照比例绘制。
40.图1为本发明一个实施例所述铁路轨道姿态测量方法的流程图；
41.图2为本发明一个实施例所述移动步长的示意图；
42.图3为本发明一个实施例所述参考激光束与实测轨迹点的区别示意图；
43.图4为本发明一个实施例所述实际轨道与设计轨道之间的区别示意图；
44.图5为本发明另一个实施例所述的铁路轨道姿态测量方法的流程图；
45.图6为本发明一个实施例所述铁路轨道姿态测量装置的结构示意图；
46.图7为本发明一个实施例所述激光接收器的光斑检测示意图；
47.图8为图7所示光屏的上的光斑示意图；
48.图9为本发明一个实施例所述激光发射器的安装结构示意图；
49.图10为本发明另一个实施例所述铁路轨道姿态测量装置的结构示意图；
50.图11为本发明一个实施例所述执行铁路轨道姿态测量方法的系统框图。
具体实施方式
51.下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
52.另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
53.需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
54.需要注意，本发明中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
55.本发明实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性
的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。
56.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
57.如图1所示，本实施例提供一种铁路轨道姿态测量方法，可应用于具有数据处理功能的计算机系统中，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
58.s101：在待测量轨道的起点位置设置激光发射器，在所述待测量轨道的目标位置设置激光接收器，所述激光接收器可沿所述待测量轨道移动。激光发射器也可以沿着待测量轨道移动，当一段待测量轨道被检测完成后，激光发射器和激光接收器可一同移动至下一段待测量轨道。
59.s102：获取所述激光发射器的激光发射点坐标，以所述激光发射点坐标对应于所述待测量轨道的起点坐标。在实际应用时，激光发射器设置在待测量轨道上，因此激光发射器的位置坐标与轨道的位置坐标之间具有一定的换算关系，只要能够检测到激光发射器的位置坐标，利用该换算关系就能够得到轨道的位置坐标。而激光发射器中激光发射点本身的位置坐标亦可以根据激光发射器的位置坐标换算得到，因此只要能够获得激光发射器的位置坐标就能够得到待测量轨道的起点坐标，针对激光接收器位置坐标以及激光接收点坐标的检测也是相同的原理。另外，为了获得尽量长的参考光束，提高作业效率，激光光束必须具备极高的平行度和稳定度。以1km距离形成直径20cm的光斑为例，发散角为0.2/1000＝2*10^-4rad＝0.2mrad，即0.2毫弧度。具体实现时，激光发射器可由半导体激光器和光学系统构成。半导体激光器必须具有一定的输出功率(预计1w左右)和较好的光斑模式。准直镜需要采用多片非球面镜组成的高精度光学系统以保证获得高质量的光束。
60.s103：根据设定步长调整所述激光接收器的位置，并获取每一设定步长下所述激光接收器的激光接收点坐标，以每一所述激光接收点坐标作为所述待测量轨道的轨迹点坐标。如图2所示，假设待测量轨道200的长度为300米，激光接收点可以按照相同或不同步长进行移动，例如g1点为该待测量轨道200的终点，则激光接收器在g1点完成激光接收点坐标检测后移动至g2点再次检测激光接收点的位置坐标，依次类推，直到完成g11点的激光接收点坐标检测。假设待测量轨道200本身是弯曲的，则激光接收器的移动轨迹就是弯曲的，则最终检测到的轨迹点连接后会成为一条曲线。
61.s104：根据所述起点坐标和每一所述轨迹点坐标得到所述待测量轨道的实际姿态参数。参考图3，以直线段202代表激光束201的近似结果，以激光接收点坐标换算后得到的是如曲线段203所示的激光接收点轨迹模拟结果。
62.以上实施例中的方案，在待测量轨道200的起点位置设置用于发射激光束201的激光发射器，在待测量轨道200的目标位置设置接收激光束的激光接收器。激光接收器能够沿着待测量轨道按照设定步长移动。激光接收器每移动一次，均能够对激光接收点坐标进行检测，相当于能够获得激光接收器移动路径上的多个位置坐标，即待测量轨道的轨迹点坐标，利用激光的直线传播特性以及激光发射的发射点坐标和每一个轨迹点坐标就能够得到待测量轨道的实际姿态参数。以上方案中对于铁路轨道姿态的测量方案无需人工干预，降低了安全风险，而且自动化检测技术可以避免人工操作产生的误差，具有更高的准确度。
63.以上方案中，，直接根据激光接收器检测到的激光接收点坐标对待测量轨道200的实际姿态进行模拟。而在铁路轨道设计时，对于轨道的设计姿态数据已经设计好并预先存储在数据库中，如图4所示，以曲线l表示铁轨设计线路，以曲线l’表示实际铁路线位置。对
于曲线l’上任意一点d’，其坐标利用本方案测量后得到的结果为(x’,y’,z’)，其中x方向为铁路线延伸方向，y方向为铁轨水平垂直方向，z方向为铁轨竖直垂直方向，x、y坐标可以通过经纬度换算得到。对于每一个d’，都有一个标准的设计坐标d与之对应，其中x＝x’，通过实际测量的y’、z’与设计时的y、z进行对比，就能计算出在该点轨道的水平偏移分量δy和竖直偏移分量δz。在此基础上，如图5所示，以上的铁路轨道姿态测量方法还可以包括以下步骤：
64.s105：获取所述待测量轨道的设计姿态参数。
65.s106：根据所述实际姿态参数和所述设计姿态参数之间的比对结果，得到所述待测量轨道的姿态偏差值。
66.以上方案中，在步骤s102中可以包括：根据实时差分定位方式得到所述激光发射器的位置坐标；根据激光发射点与所述激光发射器的相位位置关系以及所述激光发射器的位置坐标得到所述激光发射点坐标。进一步地，所述激光接收器包括光屏，所述光屏用于接收所述激光发射器发射的激光束，在步骤s103中包括：根据实时差分定位方式得到所述激光接收器的位置坐标；根据所述光屏在所述激光器上的安装位置和所述激光接收器的位置坐标得到光屏中心点坐标；获取光屏图像，所述光屏图像包括所述激光束的光斑图像；根据所述光斑图像与光屏中心点之间的位置偏差得到的光斑中心点坐标作为所述激光接收点坐标。实时差分定位方式即rtk(real-time kinematic)方法，是一种能够快速、准确测地获得厘米级绝对位置精度的差分测量系统，一般情况下，rtk测量单元在水平方向可以获得7-8毫米精度，在高度方向可以达到20-25毫米的精度。在对待测量轨道进行测量之前，激光发射器和激光接收器通过rtk测量单元分别测量出激光束的发射和接收点的位置，则激光发射点或接收点就有了精确的绝对参考位置。同时，由于激光接收器在起始点和终点之间移动进行测量时就不仅能够测得相对误差，还能够通过rtk检测结果解算出每个点的绝对位置。同时，由于rtk在标定后可以在大范围内提供坐标修正，而且一旦经过标定的rtk测量速度极快，因此可以用这种方法实现边移动边测量，在获得很高精度的同时极大地提高测量的效率。
67.在本发明另一些实施例中还提供一种铁路轨道姿态测量装置，如图6至图10所示，其包括激光发射车301，配置有激光发射器ld和第一定位模块303；激光接收车302，配置有激光接收器和第二定位模块302；控制主机(图中未视出)，与所述第一定位模块303和所述第二定位模块304连接；所述控制主机获取所述第一定位模块303发送的第一位置信息和所述第二定位模块304发送的第二位置信息；根据所述第一位置信息得到所述激光发射器的激光发射点坐标；根据所述第二位置信息控制所述激光接收车302按照设定步长移动，并结合所述第二位置信息得到激光发生器发射的激光束在所述激光接收器上形成的光斑中心点坐标；所述控制主机，根据所述第一位置信息、所述设定步长和所述光斑中心点坐标得到所述激光发射车和所述激光接收车间的待测量轨道的实际姿态参数。关于移动步长和轨迹点坐标的测算以及结果，可参考图2和图3所示的示意图。也即，在对待测量轨道200进行姿态检测时，待测量轨道200上布置两辆可以被控制主机控制移动的辅助车，其中一辆为激光发射车302，另一辆为激光接收车302，两车上都装有定位模块，优选定位模块均为实时差分定位模块即rtk定位模块，rtk定位模块可以获得高精度的水平位置x坐标和y坐标，再通过水平位置坐标查找对应的高度位置z，从而获得两个高精度参考点的三维坐标，也即在空间
方向上的高度位置可以根据预先测量得到的三维坐标对应关系进行查询，即水平坐标与高度坐标具有对应关系，确定精确的水平位置坐标以后就能够查找到对应的高度坐标。
68.以上方案中的铁路轨道姿态测量装置，还可以包括轨道参数数据库，其内部存储有每一段轨道的设计姿态参数；所述控制主机，从所述轨道参数数据库中获取与所述待测量轨道对应的设计姿态参数；根据所述实际姿态参数和所述设计姿态参数之间的比对结果，得到所述待测量轨道的姿态偏差值。具体地，姿态偏差值的示意图可参考图4所示。
69.在一些方案中，如图7-图10所示，所述激光接收器包括光屏305和摄像头312；摄像头312可通过安装支架311安装于激光接收车302上。所述光屏305用于接收所述激光发射器ld发射的激光束201；所述摄像头312用于获取光屏图像，所述光屏图像包括所述激光束201的光斑图像307；所述控制主机，根据所述光屏305在所述激光器上的安装位置以及所述第二位置信息得到光屏中心点306的光屏中心点坐标；所述控制主机接收所述摄像头312发送的所述光屏图像，根据所述光斑图像307与所述光屏中心点306的光屏中心点坐标的偏差值得到光斑中心点坐标。
70.另外，如图7和图8所示，由于激光束发射的方位角不可能绝对准确，因此可对实际激光束进行修正以测得实际激光束的位置。具体地，铁路轨道姿态测量装置，还可以包括角度调整组件，设置于所述激光发射车和/或所述激光接收车上；所述角度调整组件用于调节所述激光发射器和/或所述激光接收器的角度，以实现在轨道姿态测量开始之前，所述激光发射器发射的激光束的光斑位于所述激光接收器的光屏中心点处。假设设计的目标是激光束在光屏上的光斑位置应当为光屏中心点的位置(x1,y1,z1)，但是实际上激光束在所述光屏上的光斑位置为(x2,y2,z2)，因为此时两个光斑在同一光屏上形成，所以认为x1＝x2，经过测算后，光斑的y轴偏移
△
y，z轴偏移
△
z。根据已知量两车之间的距离，就可算出实际激光束与设计激光束的偏差角θ，当确定偏差角之后，两车之间任意一点的偏差就很容易得到修正。具体地，如图9所示，所述调整组件包括二维转动的云台，该云台的第一转动轴308与z轴平行，第二转动轴309与y轴平行。云台转动时光屏上的光斑可沿水平方向和竖直方向移动。因为距离较远，因此云台需要极高的分辨率。假设光斑标靶距离为500米，云台每转动1秒，远端光斑将移动2.42毫米，因此云台转动分辨率需要达到角秒量级。通过本方案，利用角度调整系统对发射激光束的方向进行精密调整，使得光斑位置能够落在光屏上的设定位置，并且与设计光斑位置的偏离在一定误差范围之内。
71.本发明一些实施例还提供一种作业系统，包括以上任一项所述的铁路轨道姿态测量装置，以及处理单元、配砟车，和/或捣固车，和/或稳定车；所述铁路轨道姿态测量装置的控制主机将待测量轨道的实际姿态参数发送至所述处理单元，所述处理单元根据所述实际姿态参数控制所述配砟车，和/或捣固车，和/或稳定车的移动路线。目前有砟铁路铺轨施工都是采用大型机械设备，包括：配砟车、捣固车、稳定车，依次施工顺序通常为粗捣固、精捣固等，往返捣固作业超过五遍，现有技术中的一次捣固都需要至少4个专业测量人员，测量后将检测数据导入捣固车系统里，捣固车开才开始捣固施工，如此程序每段铁路都要重复多次，施工效率很低。而本方案采用精密激光测量定位技术，可以实现x.y.z方向均保持动态1cm精度，动态测量和捣固一体化施工，可以最大化发挥捣固车现有的机械性能，整个作业系统具有更高的效率和安全性。
72.下面参考图11，其示出了适于用来实现本发明的一些实施例的用于实现铁路轨道
protocol，超文本传输协议)之类的任何当前已知或未来研发的网络协议进行通信，并且可以与任意形式或介质的数字数据通信(例如，通信网络)互连。通信网络的示例包括局域网(“lan”)，广域网(“wan”)，网际网(例如，互联网)以及端对端网络(例如，ad hoc端对端网络)，以及任何当前已知或未来研发的网络。
78.上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：在待测量轨道的起点位置设置激光发射器，在所述待测量轨道的目标位置设置激光接收器，所述激光接收器可沿所述待测量轨道移动；获取所述激光发射器的激光发射点坐标，以所述激光发射点坐标对应于所述待测量轨道的起点坐标；根据设定步长调整所述激光接收器的位置，并获取每一设定步长下所述激光接收器的激光接收点坐标，以每一所述激光接收点坐标作为所述待测量轨道的轨迹点坐标；根据所述起点坐标和每一所述轨迹点坐标得到所述待测量轨道的实际姿态参数。还能够：获取所述待测量轨道的设计姿态参数；根据所述实际姿态参数和所述设计姿态参数之间的比对结果，得到所述待测量轨道的姿态偏差值。
79.可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明的一些实施例的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c ，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)——连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
80.附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
81.描述于本发明的一些实施例中的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、片上系统(soc)、复杂可编程逻辑设备(cpld)等等。
82.以上描述仅为本发明的一些较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其
等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
83.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。