站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x的研究

趙海琛 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

隨著線路的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，軌道線路和站臺(tái)會(huì)發(fā)生不同程度的沉降，從而導(dǎo)致站臺(tái)限界尺寸發(fā)生變化。過大的變化會(huì)造成旅客踩空或車體擦刮，威脅旅客和行車安全。按照鐵路總公司站臺(tái)限界管理相關(guān)辦法要求和《上海鐵路局高速鐵路房建設(shè)備限界管理辦法》（SHG/FS113—2015）規(guī)定，各房建部門要對(duì)管內(nèi)站臺(tái)限界實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，定期檢測(cè)，全面、及時(shí)掌握站臺(tái)限界的動(dòng)態(tài)變化情況，站臺(tái)限界檢測(cè)任務(wù)日益繁重；同時(shí)，我國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)《鐵路建筑實(shí)際限界測(cè)量和數(shù)據(jù)格式》（TB/T 3308-2013）對(duì)站臺(tái)限界尺寸測(cè)量精度提出了更高的技術(shù)要求。

統(tǒng)計(jì)截至2020 年7 月，上海局集團(tuán)公司管轄車站共258個(gè)，其中，高鐵車站137個(gè)，普速車站68個(gè)，混合車站42個(gè)，待營(yíng)業(yè)車站11個(gè)。為做好應(yīng)對(duì)日益繁重的站臺(tái)限界檢測(cè)工作，亟需研制出適應(yīng)各種作業(yè)檢查條件、精度高、攜帶輕便的站臺(tái)限界測(cè)量?jī)x器，在提質(zhì)增效的同時(shí)還要降低經(jīng)濟(jì)成本。

1 儀器結(jié)構(gòu)

測(cè)量?jī)x器名稱為站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，1為高精度編碼器，2為激光測(cè)距器，3為控制器。高精度編碼器為16位編碼器，可選型號(hào)為BL28-R，精度在±1"。激光測(cè)距器為可選型號(hào)為sick 的DL50 Hi 測(cè)距傳感器，具有抗鏡面反射干擾功能，1 m 左右測(cè)量距離內(nèi)的測(cè)量誤差為±2 mm?？刂破靼刂瓢?、電池、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出接口以及顯示器等部件。

圖1中，（a）和（b）為站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x的收起狀態(tài)，收起時(shí)長(zhǎng)度為1 270 mm，架儀器的最大寬度為580 mm；（c）和（d）為工作狀態(tài)，完全展開時(shí)可延展長(zhǎng)達(dá)至2 078 mm。工作時(shí)，將站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x打開，并將輪座分別卡在兩根鐵軌上。輪座由承重輪和導(dǎo)向輪組成。伸長(zhǎng)站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x的支撐架，將激光器高度調(diào)整到超過站臺(tái)面的任意位置，然后鎖緊支撐的活動(dòng)關(guān)節(jié)。

2 測(cè)量原理

站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x測(cè)量原理如圖2所示。工作狀態(tài)下的激光測(cè)距器位于圖2 的O 點(diǎn)。O 點(diǎn)應(yīng)位于高于站臺(tái)平面的l1。將激光對(duì)準(zhǔn)輪架上的標(biāo)定點(diǎn)，儀器記錄此時(shí)的編碼器角度，并以此設(shè)為0方向，建立極坐標(biāo)系，獲得P1（p1，0）坐標(biāo)。同理，可以獲得 P2(p2cosθ2，p2sinθ2)的坐標(biāo)。根據(jù) P1和 P2的坐標(biāo)可以計(jì)算出軌距d。

其中，m為軌道的寬度。不同規(guī)格軌道寬度可參考表1。

表1 鐵路鋼軌尺寸規(guī)格

又已知P1和P2的極坐標(biāo)，可以計(jì)算出P1和P2連線的直角坐標(biāo)直線方程。直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的原點(diǎn)相同，x 軸與極軸方向相同。經(jīng)計(jì)算，方程為公式（2）。然后不難得到經(jīng)過P1點(diǎn)與方程（2）所在直線垂直的直線L2方程，即方程（3）。

其中，X=p3cosθ3，y=p3sinθ3。

圖2 測(cè)量原理示意圖

用激光掃描采樣站臺(tái)數(shù)據(jù)，可獲得每個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定其空間坐標(biāo)。計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別與方程（2）和（3）代表直線方程的距離，可以篩選出最小橫距l(xiāng)min和最大hmax，即測(cè)量結(jié)果的橫距和豎高值。計(jì)算公式如下。

其中，n 為輪座標(biāo)定點(diǎn)補(bǔ)償高度（見圖3）。這是因?yàn)樵趯?shí)際設(shè)備結(jié)構(gòu)中，測(cè)量點(diǎn)和實(shí)際軌面高度存在高差，補(bǔ)償高度是由標(biāo)定點(diǎn)到測(cè)量輪的垂直高度，即標(biāo)定點(diǎn)到軌面下16 mm處平面的垂直距離。

圖3 標(biāo)定點(diǎn)補(bǔ)償長(zhǎng)度示意

3 電路系統(tǒng)

編碼器采集數(shù)據(jù)之后，傳輸?shù)轿⒖刂破髦校?jīng)過處理計(jì)算出測(cè)量結(jié)果。測(cè)量結(jié)果顯示在顯示屏上，并在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)也可以通過USB 取走，在信息管理系統(tǒng)中進(jìn)一步分析和保存。電子電路系統(tǒng)示意圖見圖4。數(shù)據(jù)信息最終可以導(dǎo)入信息管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

圖4 電子電路系統(tǒng)圖

4 分析與評(píng)估

站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x與傳統(tǒng)的測(cè)量方式不同，測(cè)量前先定標(biāo)建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系，在進(jìn)行測(cè)量，最后通過計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)得出站臺(tái)限界結(jié)果。此外，儀器在便攜性、重量、精度、經(jīng)濟(jì)效益等方面還表現(xiàn)出不同程度的優(yōu)勢(shì)。

乙組40例患者應(yīng)用紫杉醇聯(lián)合順鉑治療，即給予患者靜脈滴注135 mg/m2紫杉醇+25mg/m2順鉑。

4.1 便攜性對(duì)比

如圖5 所示，對(duì)三種站臺(tái)限界測(cè)量設(shè)備的外形尺寸進(jìn)行對(duì)比。其中a 為站臺(tái)限界測(cè)量小車，b 為站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x，c為站臺(tái)限界測(cè)量尺。

圖5 站臺(tái)限界檢測(cè)設(shè)備外形尺寸對(duì)比

從圖5 中可以看出，站臺(tái)限界測(cè)量小車具有最大的外形尺寸，側(cè)寬為550 mm，尺寸大約是其他兩個(gè)儀器的三倍，而站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x和站臺(tái)限界測(cè)量尺側(cè)寬相差不大。

高度方面，站臺(tái)限界測(cè)量小車高1 500 mm， 站臺(tái)限界測(cè)量尺收起高度為1 370 mm，尺寸最小的是站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x，收起高度為1 270 mm。

橫寬方面，站臺(tái)限界測(cè)量小車為1 610 mm， 站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x為580 mm，站臺(tái)限界測(cè)量尺為170 mm。

總體來說，站臺(tái)限界測(cè)量小車的外形尺寸明顯大于其他兩個(gè)產(chǎn)品。而站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x在收起之后，和收起狀態(tài)的站臺(tái)限界測(cè)量尺在外形尺寸方面相差不大，具有同程度的便攜性。

4.2 重量估算

通過計(jì)算機(jī)建模計(jì)算，分別統(tǒng)計(jì)了以下主要零部件的重量，詳見表2。

表2 站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x各部件重量估算表

4.3 誤差分析

對(duì)于站臺(tái)限界檢測(cè)設(shè)備來說，誤差的來源有以下四個(gè)環(huán)節(jié)，分別是累積誤差，測(cè)量誤差，結(jié)構(gòu)形變誤差以及人工操作誤差。常規(guī)的測(cè)量?jī)x器均包含以上四個(gè)環(huán)節(jié)的誤差。但對(duì)于站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x來說，由于儀器在每次使用前都會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)建基定標(biāo)，這樣能起到“復(fù)位”作用，避免累積誤差的形成。另外，測(cè)量時(shí)儀器的激光測(cè)距器處在任意位置都不影響測(cè)量結(jié)果的精度，這就使儀器支架隨時(shí)間或者外力作用而發(fā)生的形變不再對(duì)測(cè)量精度造成影響。以上兩點(diǎn)是站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x測(cè)量原理的最大優(yōu)勢(shì)。

由于誤差環(huán)節(jié)的減少，站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x具有更好的精度穩(wěn)定性，不會(huì)隨使用時(shí)間延長(zhǎng)而出現(xiàn)精度降低的問題，這就免去后期的維護(hù)和定期標(biāo)定工作，大大降低了財(cái)力和時(shí)間成本。站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x的精度基本由激光測(cè)距器決定，隨著激光測(cè)距技術(shù)的發(fā)展，站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x的測(cè)量和定標(biāo)精度也會(huì)隨之上升，未來會(huì)具有更加明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

4.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

就目前主流的測(cè)量?jī)x器而言，站臺(tái)限界測(cè)量尺存在無法測(cè)量軌距的問題，而且只能進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，每測(cè)量一次都需要兩個(gè)人配合完成測(cè)量，測(cè)量效率一般。站臺(tái)限界測(cè)量小車由于車體過于龐大笨重，需要至少四個(gè)人才能完成搬運(yùn)。且造價(jià)和維護(hù)成本都很高，難以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中推廣使用。

站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x體型小，重量輕，造價(jià)低，僅需一人即可完成測(cè)量工作，測(cè)量人工成本為站臺(tái)限界測(cè)量尺的1/2，站臺(tái)限界測(cè)量小車的1/4。此外，由于站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x無需后期定期返廠標(biāo)定，能節(jié)約大量的維護(hù)成本和時(shí)間成本。

5 結(jié)束語

站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x重量輕，可便攜式折疊攜帶，使用簡(jiǎn)單，能對(duì)任何高度的站臺(tái)進(jìn)行限界測(cè)量，滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員的實(shí)際作業(yè)需求。同時(shí)，該產(chǎn)品通過測(cè)量方式創(chuàng)新，解決了定位和重復(fù)性測(cè)量的問題，減少了誤差環(huán)節(jié)，提高了測(cè)量精度。該站臺(tái)限界激光測(cè)量?jī)x可在我集團(tuán)公司土房、工務(wù)、建設(shè)部門以及城市軌道交通推廣應(yīng)用。