一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法与流程

1.本发明涉及地铁轨道铁轨轨面巡检领域，更具体涉及一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法。


背景技术：

2.在城市轨道交通和高速铁路领域，为确保列车的安全、稳定运行，需要对列车行驶的轨行区即正线进行日常的巡检作业，检测内容包括隧道、桥梁、道床、轨道、接触网、辅助电气设备等，检测时间一般在天窗期进行，即列车停运后的凌晨至4点左右，检测周期各城市存在不同安排。如何科学地维护规模如此庞大地运营线路，保障基础设施稳定可靠，从而使轨道交通能够长期安全运营是现阶段轨道交通发展所必须面临和解决的问题。
3.地铁隧道在运营过程中会受周边土建施工、地铁自身运行震动影响、上方土体负载或扰动和周边建筑物负载等影响，引起地铁隧道结构受力改变易造成隧道收敛变形。因此，需要定期对其地铁隧道进行监测。目前,地铁隧道中常用一种检测小车，车上搭载激光扫描仪、高精度相机、led补光灯等模块设备，主要进行铁隧道内的内壁进行均匀、连续的扫描、拍摄。重点日常巡检轨道内壁，当内壁发现安全异常时，能够及时排查。中国专利公开号cn110207608a，公开了一种基于三维激光扫描的地铁隧道形变检测方法，包括如下步骤：s1、在地铁隧道的轨道上运行检测小车，以检测小车的中心为原点，建立地铁隧道断面的直角坐标系；s2、在检测小车上安装角度计、激光测距仪和激光扫描仪，通过角度计、激光测距仪和激光扫描仪对起始点隧道断面进行旋转测量，得到起始点隧道断面的所有测量点的坐标数据，将起始点坐标数据发送至数据处理模块。该专利申请的方法可以精准检测隧道断面的形状尺寸数据，通过对隧道三维空间轮廓数据和历史数据的对比分析，形成隧道断面形变报告，能够及时预警，但是缺少对地铁下面的轨道铁轨检查，铁轨在日常运营过程中，出现轨面异物、轨面平整度、轨距变化、轨面螺丝紧固度，刀面翻浆等异常情况还需通过人工巡检排查，效率极低，存在较高的安全隐患。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于现有技术地铁轨道检测方法缺乏轨面异物、轨面平整度、轨距变化、轨面螺丝紧固度，刀面翻浆等异常情况的检测，还需通过人工巡检排查，效率极低，存在较高的安全隐患。
5.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法，所述检测系统搭载在轨道巡检小车前侧的支架上，所述检测系统包括两个分别用于检测两边铁轨数据的传感器，两个用于检测道床数据的传感器以及汇集各传感器的数据的工控机，所述检测方法包括：
6.步骤a)：工控机建立待检轨道三维坐标，在轨道宽度方向建立轨道切面区域；
7.步骤b)：工控机根据各传感器获得的轮廓数据，合成轨道建模数据并且存储正常轨面数据；
8.步骤c)：工控机实时采集轨道切面区域的数据，与正常轨面数据比较，判断各切面区域是否存在异常；
9.步骤d)：工控机根据轨道切面区域的高度，判定是否发生轨距变化；
10.步骤e)：工控机合成异常点所在切面区域的轨道段轨面图及对应的轨道段长度。
11.本发明在巡检小车上搭载一种轨道轨面检测系统，在轨道宽度方向建立轨道切面区域，实现各区域建模并通过铁轨轮廓图像数据建模识别对比的方法判断各切面区域是否存在异常，便于轨道轨面的轨面异物、轨面平整度、轨面螺丝紧固度、刀面翻浆的日常安全巡检，根据轨道切面区域的高度，判定是否发生轨距变化，整个方案巡检效率高，安全隐患低。
12.进一步地，所述两个分别用于检测两边铁轨数据的传感器安装在支架的两端且分别位于两个铁轨上方，两个用于检测道床数据的传感器安装在支架的中部且位于铁轨中部的上方，工控机安装在支架上位于用于检测道床数据的传感器与用于检测铁轨数据的传感器之间的位置上。
13.进一步地，所述步骤a)包括：
14.所述工控机建立待检轨道x轴、y轴和z轴坐标，x轴值代表轨道横向长度，z轴代表轨道纵向长度，y轴值代表轨道高度，在z轴方向建立轨道切面区域z1,z2,z3,z4,z5,z6和z7，z1为右轨外扣件区，z2为右轨轨面区，z3为右轨内扣件区，z4为道床区，z5为左轨内扣件区，z6为左轨轨面区，z7为左轨外扣件区，其中，轨道横向表示的是两铁轨之间的距离方向，轨道纵向表示的是轨道巡检小车在轨道上的前进方向。
15.更进一步地，所述步骤b)包括：
16.轨道巡检小车以v
车
速度在轨道上移动，工控机依据各传感器获取的轮廓数据，建立轨道x轴走向的切面建模数据x
基
(i)’，建模数据为y轴高度数据，i为轨道巡检小车检测完后待检轨道按照其长度被切的切面颗粒度，该颗粒度与轨道全长l存在k＝l/i的线性比例关系。
17.更进一步地，所述步骤b)还包括：
18.待检测轨道全程检测完成后，工控机存储该轨道正常轨面数据x
基
(i)，
[0019][0020]
其中，每个切面中均包含沿z轴划分的7个区的y轴高度值，7个区高度值的采样个数分别为j,k,l,m,n,o,p，y'
i1j
表示轨道长度i点位置z1区第j个高度值，y'
i2k
表示轨道长度i点位置z2区第k个高度值，y'
i3l
表示轨道长度i点位置z3区第l个高度值，y'
i4m
表示轨道长度i点位置z4区第m个高度值，y'
i5n
表示轨道长度i点位置z5区第n个高度值，y'
i6o
表示轨道长度i点位置z6区第o个高度值，y'
i7p
表示轨道长度i点位置z7区第p个高度值。
[0021]
更进一步地，所述步骤c)包括：
[0022]
日常巡检时，轨道轨面检测系统沿待检轨道采集轨面数据，实时合成切面数据x
采
(j)，随后将该数据与对应的正常轨面数据x
基
(j)进行比较，查看在j切面中7个区域中高度值与对应的正常轨面数据之间的差是否大于对应区域的阈值，大于阈值则认为该区域存在安全异常，工控机通过长度系数得出轨道在k*j长度位置出现某区域异常，反之，如果差值
小于阈值，则认为轨面状况正常。
[0023]
更进一步地，所述步骤d)包括：
[0024]
通过对j切面两个轨面z2和z6区域内采样值求和得出g
采
(j)，对比对应的正常轨面数据g
基
(j)，如果二者差值大于阈值thg，则判断为轨距发生变化。
[0025]
更进一步地，通过公式g
采
(j)＝∑
kα＝1yj2α
+∑
oβ＝1yj6β
获取j切面两个轨面z2和z6区域内采样值之和。
[0026]
更进一步地，通过公式g
基
(j)＝∑
kα＝1
y'
j2α
+∑
oβ＝1
y'
j6β
获取g
采
(j)对应的正常轨面数据。
[0027]
更进一步地，所述步骤e)包括：
[0028]
工控机合成异常点所在切面区域的轨道段轨面图及对应的轨道段长度δl，生成异常数据集{x
采
(j-δl/2k),x
采
(j-δl/2k+1),...x
采
(j+δl/2k)},其中，x
采
(j-δl/2k)表示轨道长度j-δl/2k点位置采集高度值集合。
[0029]
本发明的优点在于：
[0030]
(1)本发明在巡检小车上搭载一种轨道轨面检测系统，在轨道宽度方向建立轨道切面区域，实现各区域建模并通过铁轨轮廓图像数据建模识别对比的方法判断各切面区域是否存在异常，便于轨道轨面的轨面异物、轨面平整度、轨面螺丝紧固度、刀面翻浆的日常安全巡检，根据轨道切面区域的高度，判定是否发生轨距变化，整个方案巡检效率高，安全隐患低。
[0031]
(2)由于轨道左右铁轨的宽度是固定不变的，正常情况左右两轨的轨面应该固定为z轴的z2区和z6区，这两个区的y轴高度和应该为一个固定值，一旦出现轨距变化，不管是单轨移位，双轨移位，或者双轨同时平行移位，则两个轨面其中一个或者两个肯定会偏移z轴的z2区和z6区，导致轨面区域内的y值发生变化，因此本发明通过对j切面两个轨面z2和z6区域内采样值求和得出g
采
(j)，对比对应的正常轨面数据g
基
(j)，如果二者差值大于阈值thg，则判断为轨距发生变化，检测方法简单可靠。
附图说明
[0032]
图1为本发明实施例所公开的一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法中检测系统的安装位置示意图；
[0033]
图2为本发明实施例所公开的一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法中待检轨道轨面建模基准示意图；
[0034]
图3为本发明实施例所公开的一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法中待检轨道轨面检测基准数据与异常数据对比示意图；
[0035]
图4为本发明实施例所公开的一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法中待检轨道轨距检测示意图；
[0036]
图5为本发明实施例所公开的一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法的工作流程图。
具体实施方式
[0037]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，
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作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。
[0038]
如图1所示，一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法，所述检测系统搭载在轨道巡检小车前侧的支架上，需要说明的是轨道巡检小车和支架均不是本发明的改进点，轨道巡检小车可以采用现有技术任何能够在轨道上进行巡检作业的小车，支架可以采用任何能够按照在轨道巡检小车前侧的支撑结构，其仅仅起到支撑传感器以及工控机的作用，对其结构不做特别的限定，。所述检测系统包括两个分别用于检测两边铁轨数据的传感器(图1中标号为1和4的两个传感器)，两个用于检测道床数据的传感器(图1中标号为2和3的两个传感器)以及汇集各传感器的数据的工控机(图1中标号为5)。所述两个分别用于检测两边铁轨数据的传感器安装在支架的两端且分别位于两个铁轨上方，两个用于检测道床数据的传感器安装在支架的中部且位于铁轨中部的上方，工控机安装在支架上位于用于检测道床数据的传感器与用于检测铁轨数据的传感器之间的位置上。所述传感器均为激光传感器，激光传感器的探头均向下对准轨道。
[0039]
所述检测方法包括以下步骤：
[0040]
步骤a)：工控机建立待检轨道三维坐标，在轨道宽度方向建立轨道切面区域；具体过程为：
[0041]
所述工控机建立待检轨道x轴、y轴和z轴坐标，x轴值代表轨道横向长度，z轴代表轨道纵向长度，y轴值代表轨道高度，在z轴方向建立轨道切面区域z1,z2,z3,z4,z5,z6和z7，如图2所示，z1为右轨外扣件区，z2为右轨轨面区，z3为右轨内扣件区，z4为道床区，z5为左轨内扣件区，z6为左轨轨面区，z7为左轨外扣件区，其中，轨道横向表示的是两铁轨之间的距离方向，轨道纵向表示的是轨道巡检小车在轨道上的前进方向。
[0042]
步骤b)：工控机根据各传感器获得的轮廓数据，合成轨道建模数据并且存储正常轨面数据；具体过程为：
[0043]
轨道巡检小车以v
车
速度在轨道上移动，工控机依据各传感器获取的轮廓数据，建立轨道x轴走向的切面建模数据x
基
(i)’，建模数据为y轴高度数据，i为轨道巡检小车检测完后待检轨道按照其长度被切的切面颗粒度，该颗粒度与轨道全长l存在k＝l/i的线性比例关系。当i确定后，长度系数k也随之确定，该系数为后续轨面异常出现时，定位故障位置使用。其中，轨道巡检小车位于待检轨道起始端，移动小车车速v
车
(km/h)满足采集频率f(hz)和分辨率r(mm/ms)需求，对应计算公式如下
[0044]v车
*(10000/36)＝(1/f)*1000*r
[0045]
待检测轨道全程检测完成后，工控机存储该轨道正常轨面数据x
基
(i)，
[0046][0047]
其中，每个切面中均包含沿z轴划分的7个区的y轴高度值，7个区高度值的采样个数分别为j,k,l,m,n,o,p，y'
i1j
表示轨道长度i点位置z1区第j个高度值，y'
i2k
表示轨道长度i点位置z2区第k个高度值，y'
i3l
表示轨道长度i点位置z3区第l个高度值，y'
i4m
表示轨道长度i点位置z4区第m个高度值，y'
i5n
表示轨道长度i点位置z5区第n个高度值，y'
i6o
表示轨道长度i点位置z6区第o个高度值，y'
i7p
表示轨道长度i点位置z7区第p个高度值。
[0048]
步骤c)：工控机实时采集轨道切面区域的数据，与正常轨面数据比较，判断各切面区域是否存在异常；具体过程为：
[0049]
日常巡检时，轨道轨面检测系统沿待检轨道采集轨面数据，实时合成切面数据x
采
(j)，随后将该数据与对应的正常轨面数据x
基
(j)进行比较，如图3所示(采集数据中虚线表示异常数据)，查看在j切面中7个区域中高度值与对应的正常轨面数据之间的差是否大于
对应区域的阈值，大于阈值则认为该区域存在安全异常，工控机通过长度系数得出轨道在k*j长度位置出现某区域异常，反之，如果差值小于阈值，则认为轨面状况正常。
[0050]
7个区域的阈值分别对应为th1～th7,该阈值的大小决定轨道轨面检测系统的灵敏度，阈值小检测灵敏度高，阈值大则检测灵敏度低。该步骤可以检测轨面异物，轨面平整度，轨面螺丝紧固度，刀面翻浆的导致轨道轨面高度异常的安全风险点。具体如图5所示，当j切面中z1区域中高度值与对应的正常轨面数据之间的差大于对应区域的阈值th1，则判定右轨外扣螺丝松动。当j切面中z2区域中高度值与对应的正常轨面数据之间的差大于对应区域的阈值th2，则判定右轨轨面平整度异常或有异物。当j切面中z3区域中高度值与对应的正常轨面数据之间的差大于对应区域的阈值th3，则判定右轨内扣螺丝松动。当j切面中z4区域中高度值与对应的正常轨面数据之间的差大于对应区域的阈值th4，则判定道床面异常或刀面翻浆。当j切面中z5区域中高度值与对应的正常轨面数据之间的差大于对应区域的阈值th5，则判定左轨内扣螺蛳松动。当j切面中z6区域中高度值与对应的正常轨面数据之间的差大于对应区域的阈值th6，则判定左轨轨面平整度异常或有异物。当j切面中z7区域中高度值与对应的正常轨面数据之间的差大于对应区域的阈值th7，则判定左轨外扣螺蛳松动。
[0051]
步骤d)：工控机根据轨道切面区域的高度，判定是否发生轨距变化；具体过程为：
[0052]
对于轨距变化的安全风险点，采用切面轨面窗口高度和法判断，如图4所示，由于轨道左右铁轨的宽度是固定不变的，正常情况左右两轨的轨面应该固定为z轴的z2区和z6区，这两个区的y轴高度和应该为一个固定值，一旦出现轨距变化，不管是单轨移位，双轨移位，或者双轨同时平行移位，则两个轨面其中一个或者两个肯定会偏移z轴的z2区和z6区，导致轨面区域内的y值发生变化。通过对j切面两个轨面z2和z6区域内采样值求和得出g
采
(j)，对比对应的正常轨面数据g
基
(j)，如果二者差值大于阈值thg，则判断为轨距发生变化。其中，
[0053]
通过公式g
采
(j)＝∑
kα＝1yj2α
+∑
oβ＝1yj6β
获取j切面两个轨面z2和z6区域内采样值之和。
[0054]
通过公式g
基
(j)＝∑
kα＝1
y'
j2α
+∑
oβ＝1
y'
j6β
获取g
采
(j)对应的正常轨面数据。
[0055]
α，β的取值范围分别为(1，k)和(1，o)。
[0056]
步骤e)：工控机合成异常点所在切面区域的轨道段轨面图及对应的轨道段长度δl，生成异常数据集{x
采
(j-δl/2k),x
采
(j-δl/2k+1),...x
采
(j+δl/2k)},其中，x
采
(j-δl/2k)表示轨道长度j-δl/2k点位置采集高度值集合。工作人员通过后台获取到该故障位置和故障区域合成图，做出具体安全排查，实现高效可靠的地铁轨面巡检维护。
[0057]
通过以上技术方案，本发明在巡检小车上搭载一种轨道轨面检测系统，在轨道宽度方向建立轨道切面区域，实现各区域建模并通过铁轨轮廓图像数据建模识别对比的方法判断各切面区域是否存在异常，便于轨道轨面的轨面异物、轨面平整度、轨面螺丝紧固度、刀面翻浆的日常安全巡检，根据轨道切面区域的高度，判定是否发生轨距变化，整个方案巡检效率高，安全隐患低。
[0058]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者
替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法，其特征在于，所述检测系统搭载在轨道巡检小车前侧的支架上，所述检测系统包括两个分别用于检测两边铁轨数据的传感器，两个用于检测道床数据的传感器以及汇集各传感器的数据的工控机，所述检测方法包括：步骤a)：工控机建立待检轨道三维坐标，在轨道宽度方向建立轨道切面区域；步骤b)：工控机根据各传感器获得的轮廓数据，合成轨道建模数据并且存储正常轨面数据；步骤c)：工控机实时采集轨道切面区域的数据，与正常轨面数据比较，判断各切面区域是否存在异常；步骤d)：工控机根据轨道切面区域的高度，判定是否发生轨距变化；步骤e)：工控机合成异常点所在切面区域的轨道段轨面图及对应的轨道段长度。2.根据权利要求1所述的一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法，其特征在于，所述两个分别用于检测两边铁轨数据的传感器安装在支架的两端且分别位于两个铁轨上方，两个用于检测道床数据的传感器安装在支架的中部且位于铁轨中部的上方，工控机安装在支架上位于用于检测道床数据的传感器与用于检测铁轨数据的传感器之间的位置上。3.根据权利要求1所述的一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法，其特征在于，所述步骤a)包括：所述工控机建立待检轨道x轴、y轴和z轴坐标，x轴值代表轨道横向长度，z轴代表轨道纵向长度，y轴值代表轨道高度，在z轴方向建立轨道切面区域z1,z2,z3,z4,z5,z6和z7，z1为右轨外扣件区，z2为右轨轨面区，z3为右轨内扣件区，z4为道床区，z5为左轨内扣件区，z6为左轨轨面区，z7为左轨外扣件区，其中，轨道横向表示的是两铁轨之间的距离方向，轨道纵向表示的是轨道巡检小车在轨道上的前进方向。4.根据权利要求3所述的一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法，其特征在于，所述步骤b)包括：轨道巡检小车以v
车
速度在轨道上移动，工控机依据各传感器获取的轮廓数据，建立轨道x轴走向的切面建模数据x
基
(i)’，建模数据为y轴高度数据，i为轨道巡检小车检测完后待检轨道按照其长度被切的切面颗粒度，该颗粒度与轨道全长l存在k＝l/i的线性比例关系。5.根据权利要求4所述的一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法，其特征在于，所述步骤b)还包括：待检测轨道全程检测完成后，工控机存储该轨道正常轨面数据x
基
(i)，
其中，每个切面中均包含沿z轴划分的7个区的y轴高度值，7个区高度值的采样个数分别为j,k,l,m,n,o,p，y'
i1j
表示轨道长度i点位置z1区第j个高度值，y'
i2k
表示轨道长度i点位置z2区第k个高度值，y'
i3l
表示轨道长度i点位置z3区第l个高度值，y'
i4m
表示轨道长度i点位置z4区第m个高度值，y'
i5n
表示轨道长度i点位置z5区第n个高度值，y'
i6o
表示轨道长度i点位置z6区第o个高度值，y'
i7p
表示轨道长度i点位置z7区第p个高度值。6.根据权利要求5所述的一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法，其特征在于，所述步骤c)包括：日常巡检时，轨道轨面检测系统沿待检轨道采集轨面数据，实时合成切面数据x
采
(j)，随后将该数据与对应的正常轨面数据x
基
(j)进行比较，查看在j切面中7个区域中高度值与对应的正常轨面数据之间的差是否大于对应区域的阈值，大于阈值则认为该区域存在安全
异常，工控机通过长度系数得出轨道在k*j长度位置出现某区域异常，反之，如果差值小于阈值，则认为轨面状况正常。7.根据权利要求6所述的一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法，其特征在于，所述步骤d)包括：通过对j切面两个轨面z2和z6区域内采样值求和得出g
采
(j)，对比对应的正常轨面数据g
基
(j)，如果二者差值大于阈值thg，则判断为轨距发生变化。8.根据权利要求7所述的一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法，其特征在于，通过公式g
采
(j)＝∑
kα＝1
y
j2α
+∑
oβ＝1
y
j6β
获取j切面两个轨面z2和z6区域内采样值之和。9.根据权利要求7所述的一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法，其特征在于，通过公式g
基
(j)＝∑
kα＝1
y'
j2α
+∑
oβ＝1
y'
j6β
获取g
采
(j)对应的正常轨面数据。10.根据权利要求7所述的一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法，其特征在于，所述步骤e)包括：工控机合成异常点所在切面区域的轨道段轨面图及对应的轨道段长度δl，生成异常数据集{x
采
(j-δl/2k),x
采
(j-δl/2k+1),...x
采
(j+δl/2k)},其中，x
采
(j-δl/2k)表示轨道长度j-δl/2k点位置采集高度值集合。

技术总结
本发明公开了一种基于轨道轨面检测系统的轨道检测方法，所述检测方法包括：工控机建立待检轨道三维坐标，在轨道宽度方向建立轨道切面区域；工控机根据各传感器获得的轮廓数据，合成轨道建模数据并且存储正常轨面数据；工控机实时采集轨道切面区域的数据，与正常轨面数据比较，判断各切面区域是否存在异常；工控机根据轨道切面区域的高度，判定是否发生轨距变化；工控机合成异常点所在切面区域的轨道段轨面图及对应的轨道段长度；本发明的优点在于：实现轨面异物、轨面平整度、轨距变化、轨面螺丝紧固度，刀面翻浆等异常情况的检测，效率高，安全隐患低。安全隐患低。安全隐患低。


技术研发人员：刘文虎 董叔壮 李严
受保护的技术使用者：合肥市轨道交通研究院有限公司
技术研发日：2022.11.22
技术公布日：2023/4/18