本發(fā)明屬于軌道測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種軌道幾何參數(shù)測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

鐵道線路的平順性直接影響列車行駛的平穩(wěn)性、舒適性和安全性，所以對于軌道幾何狀態(tài)的評價和調(diào)整是線路檢查和維護的主要工作之一。

國際上，主要是采用動態(tài)軌道檢測車，采集相關(guān)的軌道幾何數(shù)據(jù)，結(jié)合軌道不平順管理規(guī)范，對軌道進行整體評價和維護。在國內(nèi)，我們采用靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的方法，進行線路檢查。

目前常規(guī)的軌道檢測設(shè)備主要有軌道檢測小車和高速綜合軌檢車。

1、軌道檢測小車是一種檢測靜態(tài)軌道不平順的便捷工具。它采用電測傳感器、專用便攜式計算機等先進檢測和數(shù)據(jù)處理設(shè)備，可檢測高低、水平、扭曲、軌向等軌道不平順參數(shù)。國外鐵路在動靜態(tài)不平順差異較小的高平順線路、無碴軌道線路，以及在新線施工中，整道、檢查鋪設(shè)精度、驗收作業(yè)質(zhì)量時，廣泛應(yīng)用軌道檢測小車。

在進行軌道中線坐標和軌面高程檢測時，使用高精度全站儀實測出軌檢小車上棱鏡中心的三維坐標，然后結(jié)合事先嚴格標定的軌檢小車的幾何參數(shù)、小車的定向參數(shù)、水平傳感器所測橫向傾角及實測軌距，即可換算出對應(yīng)里程處的中線位置和低軌的軌面高程。進而與該里程處的設(shè)計中線坐標和設(shè)計軌面高程進行比較，得到實測的線路絕對位置與理論設(shè)計之間的差值，根據(jù)技術(shù)指標對軌道的絕對位置精度進行評價。

在軌距檢測時，通過軌檢小車上的軌距傳感器進行軌距測量。軌檢小車的橫梁長度須事先嚴格標定，則軌距可由橫梁的固定長度加上軌距傳感器測量的可變長度而得到，進而進行實測軌距與設(shè)計軌距的比較。

在進行水平檢測時，由軌檢小車上搭載的水平傳感器測出小車的橫向傾角，再結(jié)合兩股鋼軌頂面中心間的距離，即可求出線路超高，進而進行實測超高與設(shè)計超高的比較。

實測中線平面坐標得到以后，在給定弦長的情況下，可計算出任一實測點的正矢值；該實測點向設(shè)計平曲線投影，則可計算出投影點的設(shè)計正矢值，實測正矢和設(shè)計正矢的偏差即為軌向/高低值。

使用軌道檢測小車進行軌道檢測存在以下缺陷：

(1)效率低下：由于采用手推式軌檢小車，同時需要對檢測區(qū)段架設(shè)全站儀等輔助檢測設(shè)備，導致軌檢小車工作效率低下，預計效率為100M/H。在高鐵天窗時間內(nèi)，只可對400-500M的區(qū)域進行檢測，使得對整條線路的檢測頻率無法估量；

天窗：是指列車運行圖中不鋪畫列車運行線或調(diào)整、抽減列車運行，為營業(yè)線施工和維修作業(yè)預留的時間。按用途分為：施工天窗和維修天窗。

(2)對CPIII的完全依賴：全站儀的自由設(shè)站需要完全依賴于6-8個控制點，但在實際作業(yè)過程中，控制點破壞現(xiàn)象嚴重、甚至完全被破壞；給實際檢測過程帶來諸多不便；

CPIII：軌道控制網(wǎng)(Track Control Network)，沿線路布設(shè)的平面、高程控制網(wǎng)，平面起閉于基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPI)或線路控制網(wǎng)(CPII)、高程起閉于線路水準基點，一般在線下工程施工完成后進行施測，是軌道鋪設(shè)和運營維護的基準。

CPI：基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(Basic Plane Control Network)，在框架控制網(wǎng)(CP0)的基礎(chǔ)上，沿線路走向布設(shè)，按GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))靜態(tài)相對定位原理建立，為線路平面控制網(wǎng)(CPII)提供起閉的基準。

CPII：線路平面控制網(wǎng)(Route Plane Control Network)，在基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPI)基礎(chǔ)上沿線路附近布設(shè)，為勘測、施工階段的線路測量和軌道控制網(wǎng)測量提供平面起閉的基準。

(3)不利于長波檢測：由于全站儀對設(shè)站距離限制，一般為70米左右，當測量條件較差時，根據(jù)具體環(huán)境縮短目標距離；所以對于波長超過70米甚至更長時，就難以準確檢測。

(4)環(huán)境條件要求苛刻：軌檢小車采用機械組件、光學測量等設(shè)備進行測量。所以對環(huán)境的風力、風向、能見度等要求較大；惡劣條件下，基本不能作業(yè)。

(5)作業(yè)成本高：單臺設(shè)備價格昂貴、作業(yè)效率低下、對CPIII的依賴、檢測人員的專業(yè)要求，決定了其巨大的作業(yè)成本。

2、高速綜合軌檢車采用慣性基準測量原理，但引入了全新的激光攝像測量、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，包含軌道幾何測量系統(tǒng)、車體振動加速度測量系統(tǒng)、GPS里程自動修正系統(tǒng)，環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)等。軌道幾何測量系統(tǒng)包含軌距、軌向、高低、水平、三角坑、超高、曲率等項目，車體振動加速度測量系統(tǒng)包含車體垂直加速度和水平加速度兩個項目。根據(jù)新的軌道動態(tài)管理標準，GJ-5型軌檢車在原有項目上增加了高低、軌向長波長(70m)、軌距變化率、曲率變化率和橫加變化率。新增加的長波長高低、軌向和三個變化率指標主要用于評價高速區(qū)段的列車運行的安全性與舒適性。變化率是軌道不平順局部波形特征描述的方法之一，其反應(yīng)的是幅值的變化快慢，不同于單純的幅值大小。

使用高速綜合軌檢車進行軌道檢測(1)作業(yè)成本高：高速軌檢列車是包括一系列的檢測設(shè)備和機車，機車成本本身就高，在作業(yè)的過程中，需要多部門配合執(zhí)行，于是對機車購置、人員的作業(yè)成本都很高；(2)不利于長波檢測：由于列車長度及技術(shù)限制，高速軌檢車仍不能提供波長大于70米的長波不平順的檢測，而長波不平順是導致列車乘客不舒適的主要原因；(3)不能提供絕對的精確定位：由于高速軌檢車輛是通過后處理的方式生成相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和表達。同時對檢測異常點的定位通常會精確到10-20甚至更長的區(qū)域，在檢修的過程中無疑又得通過其他技術(shù)在給定的區(qū)域內(nèi)再次確認異常點的精確位置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種軌道幾何參數(shù)測量系統(tǒng)及方法。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種軌道幾何參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，包括測量小車，

所述測量小車包括橫梁和縱梁，所述橫梁和縱梁連接組成L型框架；

所述橫梁的兩端以及所述縱梁遠離所述橫梁的一端分別設(shè)有行走輪；

所述橫梁上設(shè)有手推組件以及通信模塊；

所述縱梁上設(shè)有電源模塊以及GNSS(Global Navigation Satellite System，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng))接收機；

在所述橫梁與縱梁相交的一端、所述橫梁的另一端以及所述縱梁的另一端分別設(shè)置有GNSS天線；

所述通信模塊、GNSS接收機分別通過數(shù)據(jù)采集通訊線與電源模塊連接；

所述手推組件上設(shè)有嵌入式計算機，與通信模塊和GNSS接收機連接，用于從所述通信模塊和GNSS接收機獲取原始測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)原始測量數(shù)據(jù)獲取軌道幾何參數(shù)。

優(yōu)選地，所述電源模塊用于向軌道幾何參數(shù)測量系統(tǒng)提供所需的電壓。

優(yōu)選地，所述GNSS接收機內(nèi)設(shè)置有慣性傳感器，包括三軸激光陀螺儀和三軸加速度計，用于獲取測量小車的慣性信息，其中，所述慣性信號包括三維加速度和三維角速度。

優(yōu)選地，所述GNSS接收機內(nèi)設(shè)置有軌枕識別器，包括直線位移傳感器和里程傳感器，用于獲取軌枕信息，所述軌枕信息包括軌枕編號、運行方向和軌枕里程。

優(yōu)選地，所述嵌入式計算機包括CPU單元和接口控制單元，所述CPU單元向所述接口控制單元發(fā)送控制信號，所述接口控制單元根據(jù)所述控制信號從所述通信模塊和GNSS接收機獲取原始測量數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述通信模塊根據(jù)所述控制信號用于從外部的GT-CORS(Gao Tie Continuously Operating Reference Stations，高鐵多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運行參考站)基準站網(wǎng)獲取測量小車在軌道特征點的幾何信息，實時記錄第一原始測量數(shù)據(jù)，其中，所述軌道特征點根據(jù)測量區(qū)間以及軌道幾何參數(shù)測量的精度獲取。

優(yōu)選地，在軌道的兩側(cè)間隔一定距離設(shè)置GNSS基準站，組成GT-CORS基準站網(wǎng)。

優(yōu)選地，所述GNSS接收機用于根據(jù)所述控制信號通過GNSS天線獲取測量小車在軌道特征點的幾何信息，實時記錄第二原始測量數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述嵌入式計算機還包括存儲單元和解算單元，其中，所述存儲單元用于存儲從所述通信模塊和GNSS接收機獲取的第一原始測量數(shù)據(jù)和第二原始測量數(shù)據(jù)，所述解算單元用于根據(jù)第一原始測量數(shù)據(jù)和第二原始測量數(shù)據(jù)獲取軌道幾何參數(shù)。

優(yōu)選地，所述手推組件位于橫梁上靠近縱梁的一側(cè)，所述通信模塊位于橫梁上遠離縱梁的一側(cè)。

優(yōu)選地，所述GNSS接收機位于所述縱梁的前部，所述電源模塊位于所述縱梁的后部。

優(yōu)選地，所述通信模塊包括WiFi模塊、LTE模塊或GPRS模塊。

優(yōu)選地，所述軌道幾何參數(shù)包括軌道高低、軌向、扭曲、水平及超高、三角坑、平面度、軌距、轉(zhuǎn)彎半徑和里程。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種軌道幾何參數(shù)測量方法，包括：

步驟S01、根據(jù)測量區(qū)間以及軌道幾何參數(shù)測量的精度獲取軌道特征點；

步驟S02、將測量小車安放在測量區(qū)間的起始點上，手動向下壓三個行走輪的剎車扳手，將L型車體組件穩(wěn)固停放在測量區(qū)間的起始點上；

步驟S02、啟動測量系統(tǒng)的嵌入式計算機，控制通信模塊和GNSS接收機進入工作狀態(tài)；

步驟S03、GNSS接收機通過GNSS天線以及通信模塊從外部的GT-CORS基準站網(wǎng)獲取測量小車在軌道特征點的幾何信息，作為原始測量數(shù)據(jù)存儲在所述嵌入式計算機內(nèi)；

步驟S04、手動向上抬起三個行走輪的剎車扳手，釋放三個行走輪，推動推桿組件，使L型車體組件以近勻速狀態(tài)通過測量段，推行者控制L型車體組件停止于軌道特征點，手動向下壓三個行走輪的剎車扳手，將L型車體組件穩(wěn)固停放在該軌道特征點上；

步驟S05、重復步驟S03、步驟S04，直至完成測量區(qū)間的終點的測量；

步驟S06、嵌入式計算機根據(jù)所述原始測量數(shù)據(jù)獲取軌道幾何參數(shù)。

優(yōu)選地，所述步驟S06具體包括：

對所述原始測量數(shù)據(jù)進行預處理；

對預處理后的原始測量數(shù)據(jù)進行解算，獲取軌道幾何參數(shù)。

優(yōu)選地，所述軌道幾何參數(shù)包括軌道高低、軌向、扭曲、水平及超高、三角坑、平面度、軌距、轉(zhuǎn)彎半徑和里程。

優(yōu)選地，在測量區(qū)間的起始點的觀測時間為15～30min。

優(yōu)選地，在測量區(qū)間的各個軌道特征點的觀測時間為2～5min。

本發(fā)明實施例提供的軌道幾何參數(shù)測量系統(tǒng)及方法，通過GNSS天線以及通過通信模塊從外部的GNSS基準站獲取原始測量數(shù)據(jù)，并對原始測量數(shù)據(jù)進行解算，獲取軌道特征點坐標，再與慣性數(shù)據(jù)進行融合，得到逐枕毫米級定位，提高了測量精度以及測量效率，從而滿足鐵路軌道外部幾何參數(shù)的日常檢測需求。

附圖說明

通過以下參照附圖對本發(fā)明實施例的描述，本發(fā)明的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的軌道幾何參數(shù)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的軌道幾何參數(shù)測量系統(tǒng)的嵌入式計算機的示意性框圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例提供的外部GT-CORS基準站網(wǎng)的示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的軌道幾何參數(shù)測量方法的流程圖。

表1示出了待測特征點靜止測量30s計算結(jié)果；表2示出了待測特征點靜止測量30s計算結(jié)果。

具體實施方式

以下將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明的各種實施例。在各個附圖中，相同的元件采用相同或類似的附圖標記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪制。

本發(fā)明可以各種形式呈現(xiàn)，以下將描述其中一些示例。

如圖1～圖3所示，本實施例的軌道幾何參數(shù)測量系統(tǒng)，包括測量小車，所述測量小車包括橫梁1、以及縱梁2，所述橫梁1和縱梁2連接組成L型框架。所述橫梁1的兩端以及所述縱梁2遠離所述橫梁1的一端分別設(shè)有行走輪3，所述橫梁1上設(shè)有手推組件4以及通信模塊5；所述縱梁2上設(shè)有電源模塊6以及GNSS接收機7；在所述橫梁1與縱梁2相交的一端、所述橫梁1的另一端以及所述縱梁2的另一端分別設(shè)置有GNSS天線8；所述通信模塊5、GNSS接收機7分別通過數(shù)據(jù)采集通訊線與電源模塊6連接。所述手推組件4上設(shè)有嵌入式計算機9，與所述通信模塊5和GNSS接收機7連接，用于從所述通信模塊5和GNSS接收機7獲取原始測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)原始測量數(shù)據(jù)獲取軌道幾何參數(shù)。所述軌道幾何參數(shù)包括軌道高低、軌向、扭曲、水平及超高、三角坑、平面度、軌距、轉(zhuǎn)彎半徑和里程。

所述橫梁1和縱梁2是測量小車的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，是其他功能組件的承載體，可以達到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、測量精準、使用壽命長、定位準確、拆裝便捷的目的；按照測量小車實際運作時的擺放方位和行走方向，橫梁1橫跨在互相平行的軌道上，縱梁2與軌道平行。

所述手推組件8主要作用是可以讓工作人員推動小車運行，橫梁1靠近縱梁2的一側(cè)，可以調(diào)整長度以及推行角度，方便了不同的工作人員使用。

所述電源模塊6用于向軌道幾何參數(shù)測量系統(tǒng)提供所需的電壓。

在本實施例中，所述電源采用24V鋰電池組，其通過電源轉(zhuǎn)化板為系統(tǒng)提供所需的電壓。

所述GNSS接收機7內(nèi)設(shè)置有慣性傳感器71，包括三軸激光陀螺儀和三軸加速度計，用于獲取測量小車的慣性信息，其中，所述慣性信號包括三維加速度和三維角速度。

所述GNSS接收機7內(nèi)設(shè)置有軌枕識別器72，包括直線位移傳感器和里程傳感器，用于獲取軌枕信息，所述軌枕信息包括軌枕編號、運行方向和軌枕里程。

所述嵌入式計算機9包括CPU單元91和接口控制單元92，所述CPU單元91向所述接口控制單元92發(fā)送控制信號，所述接口控制單元92根據(jù)所述控制信號從所述通信模塊5和GNSS接收機7獲取原始測量數(shù)據(jù)。

所述嵌入式計算機9還包括存儲單元93和解算單元94，其中，所述存儲單元93用于存儲從所述通信模塊5和GNSS接收機7獲取的原始測量數(shù)據(jù)；所述解算單元94用于根據(jù)所述原始測量數(shù)據(jù)獲取軌道幾何參數(shù)。

所述通信模塊5根據(jù)所述控制信號用于從外部的GT-CORS基準站網(wǎng)10獲取測量小車在軌道特征點的幾何信息，實時記錄第一原始測量數(shù)據(jù)。其中，所述軌道特征點根據(jù)測量區(qū)間以及軌道幾何參數(shù)測量的精度獲取。

如圖3所示，在軌道兩側(cè)每個2km設(shè)置有一個GNSS基準站，組成CT-CORS基準站網(wǎng)。所述通信模塊5可以是WiFi模塊、LTE模塊或GPRS模塊。

所述GNSS接收機7根據(jù)所述控制信號通過GNSS天線獲取測量小車在軌道特征點的幾何信息，實時記錄第二原始測量數(shù)據(jù)。其中，所述軌道特征點根據(jù)測量區(qū)間以及軌道幾何參數(shù)測量的精度獲取。

所述嵌入式計算機9的存儲單元93存儲從所述通信模塊5和GNSS接收機7獲取第一原始測量數(shù)據(jù)和第二原始測量數(shù)據(jù)。

所述解算單元94根據(jù)第一原始測量數(shù)據(jù)和第二原始測量數(shù)據(jù)獲取軌道幾何參數(shù)。

在一個優(yōu)選的實施例中，所述嵌入式計算機9還包括顯示單元95，用于顯示所述軌道幾何參數(shù)。

在一個優(yōu)選的實施例中，所述GNSS接收機7內(nèi)設(shè)置有慣性傳感器71，包括三軸激光陀螺儀和三軸加速度計，用于獲取測量小車的慣性信息，其中，所述慣性信號包括三維加速度和三維角速度。

在一個優(yōu)選的實施例中，所述GNSS接收機7內(nèi)設(shè)置有軌枕識別器72，包括直線位移傳感器和里程傳感器，用于獲取軌枕信息，所述軌枕信息包括軌枕編號、運行方向和軌枕里程。

所述手推組件4位于橫梁1上靠近縱梁2的一側(cè)，所述通信模塊5位于橫梁1上遠離縱梁2的一側(cè)。所述GNSS接收機7位于所述縱梁2的前部，所述電源模塊6位于所述縱梁2的后部。

本發(fā)明實施例提供的軌道幾何參數(shù)測量系統(tǒng)，通過GNSS天線以及通過通信模塊從外部的GNSS基準站獲取原始測量數(shù)據(jù)，并對原始測量數(shù)據(jù)進行解算，獲取軌道特征點坐標，再與慣性數(shù)據(jù)進行融合，得到逐枕毫米級定位，提高了測量精度以及測量效率，從而滿足鐵路軌道外部幾何參數(shù)的日常檢測需求。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例提供的軌道幾何參數(shù)測量方法的流程圖。所述軌道幾何參數(shù)測量方法包括以下步驟。

步驟S01、根據(jù)測量區(qū)間以及軌道幾何參數(shù)測量的精度獲取軌道特征點。

步驟S02、將測量小車安放在測量區(qū)間的起始點上，手動向下壓三個行走輪的剎車扳手，將L型車體組件穩(wěn)固停放在測量區(qū)間的起始點上。

步驟S02、啟動測量系統(tǒng)的嵌入式計算機，控制通信模塊和GNSS接收機進入工作狀態(tài)。

步驟S03、GNSS接收機通過GNSS天線以及通信模塊從外部的GT-CORS基準站網(wǎng)獲取測量小車在軌道特征點的幾何信息，作為原始測量數(shù)據(jù)存儲在所述嵌入式計算機內(nèi)。

步驟S04、手動向上抬起三個行走輪的剎車扳手，釋放三個行走輪，推動推桿組件，使L型車體組件以近勻速狀態(tài)通過測量段，推行者控制L型車體組件停止于軌道特征點，手動向下壓三個行走輪的剎車扳手，將L型車體組件穩(wěn)固停放在該軌道特征點上。

步驟S05、重復步驟S03、步驟S04，直至完成測量區(qū)間的終點的測量。

步驟S06、嵌入式計算機根據(jù)所述原始測量數(shù)據(jù)獲取軌道幾何參數(shù)。

所述步驟S06具體包括對所述原始測量數(shù)據(jù)進行預處理；對預處理后的原始測量數(shù)據(jù)進行解算，獲取軌道幾何參數(shù)。

在本實施例中，所述軌道幾何參數(shù)包括軌道高低、軌向、扭曲、水平及超高、三角坑、平面度、軌距、轉(zhuǎn)彎半徑和里程。

在一個優(yōu)選的實施例中，在測量區(qū)間的起始點的觀測時間為15～30min。

在一個優(yōu)選的實施例中，在測量區(qū)間的各個軌道特征點的觀測時間為2～5min。

表1:待測特征點靜止測量30s計算結(jié)果

表2:待測特征點靜止測量60s計算結(jié)果

通過實測可見待測特征點靜止測量30s和60s的解算結(jié)果(見表1和表2)，證明高鐵特征點的解算精度滿足軌道測量(≤3mm)需求，同時提高軌道外部幾何參數(shù)測量速度，從原150m/h提高到2000m/h。

本發(fā)明實施例提供的軌道幾何參數(shù)測量方法，通過GNSS天線以及通過通信模塊從外部的GNSS基準站獲取原始測量數(shù)據(jù)，并對原始測量數(shù)據(jù)進行解算，獲取軌道特征點坐標，再與慣性數(shù)據(jù)進行融合，得到逐枕毫米級定位，提高了測量精度以及測量效率，從而滿足鐵路軌道外部幾何參數(shù)的日常檢測需求。

依照本發(fā)明的實施例如上文所述，這些實施例并沒有詳盡敘述所有的細節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實施例。顯然，根據(jù)以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地利用本發(fā)明以及在本發(fā)明基礎(chǔ)上的修改使用。本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準。