一种轨道自动化变形监控系统及其监控方法与流程

1.本技术涉及轨道监控测量技术领域，尤其涉及一种轨道自动化变形监控系统及其监控方法。


背景技术：

2.铁路运行安全性评估的重要指标之一是对轨道倾斜、扭曲、位移在内的各项参数进行精确监测以保证其变形量在正常的水平范围。
3.当前，在铁路等轨道交通运营条件下，进行轨道变形监控量测较为常用方法一般包括轨距尺测量法、轨检车监测法和全站仪监测法。轨距尺测量法一般需要依靠人工检测的方法在轨道现场进行测量，人工检测的方法需要在铁路行车间隙开展，存在监测时间、监测条件受限的问题，部分监测手段在交通繁忙的轨道技术上几乎不可实施，且人工检测的方法检测频率较低，无法实现实时监测及动态监控量测。轨检车监测法则存在监测频率较低，无法实现实时监测及动态监控量测的问题。全站仪监测法通常采用监测机器人（如全站仪）结合棱镜的方案，监测机器人须安装于铁路限界外侧的基础底座上方，棱镜固定布设于轨枕上方，在工程影响区域之外布设基准点，通过扫描监测点棱镜得到测点三维坐标，结合后处理技术得到轨道的变形量信息。此种布设方法不能直接反应轨道的实际变形情况，后期处理也不能保证变形数值精准度，且无法实现动态检测。
4.现有技术中有轨道变形动态监测的技术已经应用于工程实践中。仅使用到单个或数个测量相机就可以在列车运行的安全距离以外对轨道变形参数进行自动测量，具有实时监测、成本低和维护方便的特点。例如，申请号为202110849918.3的发明专利公开了一种基于视觉测量的轨道变形监测方法，其将轨道与轨枕结构的中线交点作为表征轨道位置的特征点信息，通过相机拍摄图片，利于图像处理技术提取特征点。然而，其相机需要设置于铁轨两侧，且需要搭设立柱，使得相机的安装在较高的位置，才能拍摄到一定范围的铁路图像，实施成本较高，且存在行车过程中无法正常检测的问题，这种依靠纯图像处理技术还存在不能保证变形数值精准度的问题。再如，申请号为“202211255027 .6”的发明专利公开了一种轨道动态变形监测系统及其监测方法，其公开了在双侧轨道上每经过一个预设的固定距离均设置一个轨道监测点，并且将传感器设备对称固定在与轨道监测点相对应的双侧轨道的轨腰部位，通过传感器设备分别检测轨道监测点在竖直方向上的变形量，以及轨道监测点在水平面上与轨道方向相互垂直的方向上的变形量。该专利需要使用大量的传感器，大幅增加了成本，且需要给传感器供电，现场实施困难。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种轨道自动化变形监控系统及其监控方法，能够直接反映出轨道变形的基础数据，且不影响行车安全，实现了轨道的动态监测和连续监测。
6.本技术实施例提供如下技术方案：本技术第一目的在于提供一种轨道自动化变形监控系统，包括：
靶标，所述靶标用于设置在轨道的钢轨上；视频采集设备，所述视频采集设备位于铁路界限之外，所述视频采集设备朝向所述靶标设置；后处理系统，所述后处理系统和各所述视频采集设备通信连接。
7.可选的，轨道自动化变形监控系统包括多个靶标和多个视频采集设备；各所述靶标均设置于所述钢轨上，且所述靶标沿所述钢轨的长度方向依次间隔设置；各视频采集设备沿钢轨的长度方向依次排列，各视频采集设备分别采集相邻的多个靶标的位置信息。
8.可选的，相邻两个视频采集设备具有重合的监测区域，该重合的监测区域内具有靶标。
9.可选的，各所述视频采集设备中两端的两个视频采集设备布置于工程影响范围之外。
10.可选的，钢轨具有轨头、轨底和轨腰，所述轨腰连接所述轨头和轨底；所述靶标设置于所述轨头或轨腰。
11.可选的，所述视频采集设备设置于两个钢轨之间；或者，所述视频采集设备设置于两个钢轨之间形成的区域的外侧。
12.可选的，所述视频采集设备设置于轨枕上；或者，视频采集设备设置于位于两个钢轨外侧的预设基础上。
13.可选的，所述靶标包括红外主动光源和反光部中的任意一种或两种。
14.可选的，各靶标分别设置于两个钢轨上，两个钢轨上的各靶标位置一一相对。
15.本技术第二目的在于提供上述轨道自动化变形监控系统的监控方法，包括：步骤s1、视频采集设备采集各靶标的坐标信息；步骤s2、后处理系统根据各靶标的坐标信息绘制钢轨的形状。
16.可选的，相邻两个视频采集设备具有重合的监测区域，该重合的监测区域内具有靶标；在步骤s2中，以相邻两视频采集设备的重合的监测区域内的若干靶标的坐标互相验证，以前部视频采集设备的重合的监测区域内的靶标的坐标作为后部视频采集设备的基准点，将前后两视频采集设备的监测区域内的各靶标的坐标调整至同一坐标系，并将整个钢轨同一时间所有靶标的坐标数据进行拟合，得到钢轨的形状。
17.本技术实施例由于采用以上技术方案，具有以下技术效果：本技术靶标直接布设于钢轨上，能够直接反映出轨道变形的基础数据，且不影响行车安全。本监控系统实现了动态监测和连续监测，能反映轨道在行车运营期间的真实变化情况，能够为铁路安全运营与轨道系统维护提供准确的依据，且靶标和视频采集设备布设简单快捷，维护方便。
附图说明
18.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
图1为本技术实施例提供的轨道自动化变形监控系统的俯视示意图；图2为本技术实施例提供的轨道自动化变形监控系统的第一种断面布置示意图；图3为本技术实施例提供的轨道自动化变形监控系统的第二种断面布置示意图；图4为本技术实施例提供的轨道自动化变形监控系统的第三种断面布置示意图；图5为本技术实施例提供的轨道自动化变形监控系统的中0号视频采集设备监测范围示意图（阴影部分为0号视频采集设备监测范围）；图6为本技术实施例提供的轨道自动化变形监控系统的中1号视频采集设备监测范围示意图（阴影部分为1号视频采集设备监测范围）；图7为本技术实施例提供的轨道自动化变形监控系统的中0号视频采集设备和1号视频采集设备监测范围重合区域示意图（重合区域的测点即为公共测点，作为坐标系统转化的基准和参照）；图8和图9为本技术实施例提供的轨道自动化变形监控系统监测采集数据示意图（相邻设备中的公用测点及基准测点坐标与其监测变化值作为坐标系统转化的基准和参照）；图10为本技术实施例提供的轨道自动化变形监控系统后处理界面示意图，图中展示了拟合后的轨道形状示意图。
19.附图标记：1、靶标；2、钢轨；3、视频采集设备；4、轨枕；5、预设基础；6、靶标坐标；7、拟合轨道；
具体实施方式
20.为了使本技术实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本技术的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
21.在本技术及其实施例的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“高度”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
22.在本技术及其实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
23.在本技术及其实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例一
24.参见图1至图7所示，本技术实施例一提供一种轨道自动化变形监控系统，包括：靶标1、视频采集设备3和后处理系统。视频采集设备3可以为定焦相机，靶标1的大小应根据所选择定焦相机的焦距、测量距离等实际应用场景进行具体选择，须保证在测量范围内该标靶中所有标识点均在定焦相机视野内。这种通过视频采集设备3和靶标1配合获取靶标1坐标的技术属于成熟的现有技术，本技术在此不再赘述。本技术的创新在于将这种技术应用于轨道变形监测上，实现了轨道变形的自动监测，反映出轨道在行车运营期间的真实变化情况，能够为铁路安全运营与轨道系统维护提供准确的依据。
25.靶标1用于设置在轨道的钢轨2上，视频采集设备3位于铁路界限之外，所述视频采集设备3朝向所述靶标1设置，所述视频采集设备3用于采集靶标1的坐标信息。后处理系统和各所述视频采集设备3通信连接，所述后处理系统用于根据各靶标1的坐标信息确定钢轨2的形状。相对于传感器，本技术实施例在轨道上设置靶标1，结构简单，成本低廉，适于推广。
26.本技术实施例充分发挥了视频监测设备体积小巧，安装灵活的特点，将设备安装于列车建筑限界下方，结合安设于铁路轨道上的靶标1，解决了轨道直接监测难度大的问题。
27.本技术实施例中，靶标1（即测点）直接布设于轨道结构上，能够直接反映出轨道变形的基础数据，且不影响行车安全。轨道监控所需要的控制指标均能直接测得或者通过计算获得，实现了轨道变形各项参数的监测。该轨道自动化变形监控系统能够实现动态监测和连续监测，反映出轨道在行车运营期间的真实变化情况，能够为铁路安全运营与轨道系统维护提供准确的依据。监控系统的视频采集设备3和靶标1布设简单快捷，维护方便。
28.在一种可能的实施方案中，轨道自动化变形监控系统包括多个靶标1和多个视频采集设备3，各所述靶标1均设置于所述钢轨2上，且所述靶标1沿所述钢轨2的长度方向依次间隔设置，各视频采集设备3沿钢轨2的长度方向依次排列，各视频采集设备3分别采集附近相邻的多个靶标1的位置信息。
29.本技术实施例中，通过监控系统的多个视频采集设备3和靶标1有机同步串联，联合作业，充分发挥视频采集设备3的布设位置灵活、采集信息高效、测点结构简便小巧的优点。多台视频采集设备3数据上关联，解决了视频采集设备3监测范围小，视野狭窄的缺点，实现了监测范围的扩大和顺延。
30.靶标1直接安装在轨道两侧的轨道结构上，与列车设备不相干扰即可，靶标1布设方式实现了对轨道变形的直接监测，监测范围内间隔一定距离布设多组测点，可以准确反映出轨道的线形变化。
31.相邻两个视频采集设备3具有重合的监测区域，该重合的监测区域内具有靶标1。
32.该实施方案中，相邻的视频采集设备3的采集范围具有重合区域，后处理系统对各视频采集设备3采集的各变形数值进行数值处理，以相邻两视频采集设备3重合范围内，精度满足要求的多个靶标1的坐标互相验证，以前部视频采集设备3的重合区监测点坐标作为后部视频采集设备3的基准点将前后两台设备的监测点调整至同一坐标系统，以此类推，将整个轨道同一时间所有监测数据进行拟合，得到此刻轨道线形，从而达到对铁路轨道的变形监测的目的。
33.例如，参见图5至图7所示，由左至右分别为0号视频采集设备、1号视频采集设备、2号视频采集设备和3号视频采集设备。图5中示出了轨道自动化变形监控系统的中0号视频采集设备监测范围示意图，其中阴影部分为0号视频采集设备监测范围，图6为本技术实施例提供的轨道自动化变形监控系统的中1号视频采集设备监测范围示意图，图中，阴影部分为1号视频采集设备监测范围。图7为本技术实施例提供的轨道自动化变形监控系统的中0号视频采集设备和1号视频采集设备监测范围重合区域示意图，重合区域（阴影部分）的测点即为公共测点，作为坐标系统转化的基准和参照。
34.在一种可能的实施方案中，各所述视频采集设备3中两端的两个视频采集设备3布置于工程影响范围之外。
35.视频采集设备3一般须设置多台，若监测范围较小，也可设置1至2台甚至1台设备。若采用多台视频采集设备3，则可以将第一个视频采集设备3（0号设备）与最后一个视频采集设备3（n+1号设备）布设于工程影响范围外，即监测开始位置与监测结束位置的测点基本无位移变化，可作为监测的基准点。
36.本技术方案中，利用多设备串联，采用影响区外基准点，消除了视频监测设备的变形影响，较为精准的反映了轨道实际变形情况。若监测仅要求轨道平顺性，不对具体值控制，对于首末监测设备的位置可以不做要求。
37.参见图1至图3所示，在一种可能的实施方式中，钢轨2具有轨头、轨底和轨腰，所述轨腰连接所述轨头和轨底，所述靶标1设置于所述轨头或轨腰。所述视频采集设备3设置于两个钢轨2之间，或者，所述视频采集设备3设置于两个钢轨2之间形成的区域的外侧。
38.靶标1和视频采集设备3可以采用如下三种配合方式：第一种配合方式中，参见图1所示，靶标1布设于钢轨2的内侧的轨腰，视频采集设备3布设于轨间，视频采集设备3可同时监测两侧钢轨2上的靶标1。所述视频采集设备3可以设置于轨枕4上。第二种配合方式中，参见图2所示，靶标1布设于钢轨2外侧的轨腰上，视频采集设备3布设于轨道外侧。第三种配方式中，参见图3所示，靶标1布置于钢轨2外侧的轨头上，列车不会遮蔽该位置，视频采集设备3则布置于轨道外侧。视频采集设备3可以设置于位于两个钢轨2外侧的预设基础5上。
39.在一种可能的实施方案中，所述靶标1包括红外主动光源和反光部中的任意一种或两种。红外主动光源能够主动发光，克服了视频采集设备3在光线能见度不足无法工作的缺点，实现了全天候实时监测。主动光源可以采用激光，可以直接反映出视频采集设备3与靶标1之间的直线距离，以利于动态状态下三维坐标系的建立。
40.各靶标1分别设置于两个钢轨2上，两个钢轨2上的各靶标1位置一一相对。通过在两个钢轨2上对称的设置靶标1，可实现轨距的测量，不如分别获取两个轨道上相对的两个靶标1的坐标，进而通过后处理系统分析处理可到两个靶标1之间的距离，从而获取轨距值，不需要人工监测。
41.本技术提供的自动化变形监控系统，最显著的特点是可实现轨道变形实时动态化监测，测点安装方便快捷，监测工作对轨道交通干扰极小。与当前常规轨道变形监测技术相比，靶标1直接布设于轨道上，数据更加真实，可根据监测结果直接反馈轨道变形值，轨道平顺性指标等数据。监控系统采集处理数据高效，能够实现实时监控与动态化监测。视频采集设备3相对于全站仪更加小巧，基础设置简单，布设位置灵活，对轨道设备干扰小。靶标1与视频采集设备3的布设与调试在较短时间内即可完成，减少了对轨道交通的干扰，监测过程
无须人工上线作业，大大减少了工作风险。
42.因此，本发明技术优势明显，监测效率大大提高，可操作性强，推广效果明显。
实施例二
43.本技术第二目的在于提供上述轨道自动化变形监控系统的监控方法，包括：步骤s1、视频采集设备3采集各靶标1的坐标信息；视频采集设备3数据采集频率和采集时间可根据监测要求进行调整设定。同一轨道上的各视频采集设备3须同步工作，同时采集数据，从而得到某一时刻的各靶标1的数据。
44.步骤s2、后处理系统根据各靶标1的坐标信息绘制钢轨2的形状。
45.可选的，相邻两个视频采集设备3具有重合的监测区域，该重合的监测区域内具有靶标1；在步骤s2中，参见图8至图10所示，图8为一个视频采集设备3监测区域内的各靶标的位置，其中各个测点分别对应一个靶标。图9为相邻的另一个视频采集设备3监测区域内的各靶标的位置，图8的视频采集设备3监测区域末端有三组靶标和图9的视频采集设备3监测区域前端的三组靶标是共用的。如，测点l21和测点l16是同一靶标，其他对应关系，详见图9括号内所示。本技术实施例中，以相邻两视频采集设备3的重合的监测区域内的若干靶标1的坐标互相验证，以前部视频采集设备3的重合的监测区域内的靶标1的坐标作为后部视频采集设备3的基准点，将前后两视频采集设备3的监测区域内的各靶标1的坐标调整至同一坐标系，并将整个钢轨2同一时间所有靶标1的坐标数据进行拟合，得到钢轨2的形状。参见图10所示为轨道自动化变形监控系统后处理界面示意图，图中展示了拟合后的轨道形状。图中各靶标坐标6均为视频采集设备3获取，通过平滑连接各靶标坐标6即可得到拟合轨道7，通过拟合轨道7可直观的展示钢轨的形状。
46.需要注意的是，测点数值在不同三维坐标系转化及数值拟合计算为数学计算原理，不在此专利技术方案之内，在此不做详细说明。
47.在上述步骤s1之前，首先进行监测计划与实施方案的设计编制工作，根据监测范围、监测项目、监测精度、现场轨道情况等，确定监测装置的数量及布设位置、测点布设位置等内容。
48.监测方案确定后，进行监测设备与测点的安装。本工作一般可以利用轨道交通天窗维修时间完成，视频采集设备3布设于轨道中间或者两侧，利用轨枕4或预设底座安装于建筑限界之外，安装牢固。靶标1测点可以黏贴在轨腰位置或者外侧轨头位置，不影响列车交通即可，必须保证各测点与视频采集设备3通视条件良好。靶标1电源及线缆埋设于轨道下方，做好绝缘与防护。
49.监控系统布设完成后，进行系统调试，根据各靶标1坐标三维坐标以确定轨道初始状态。调试完成后，根据工程进展开展监测工作，并通过监控系统后处理系统将监测数据处理，及时上报。监测设备维护与拆除也须在行车间隙完成。
50.对于各靶标1监测数据的处理，通过建立空间三维模型，结合时程分析，绘制轨道变形曲线，并编制app程序，方便参建各方随时接受观测现场监测结果。
51.基于视频采集设备3高效实时采集的特点，通过本发明可以实现轨道变形的实时性监测与动态化监测。
52.本技术通过数据的系统化处理分析、程序化设置和可视化模型，实现了轨道监测数据直观监测，实时关注，及时反馈，互动处理的功能。
53.上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本技术。此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本技术提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
54.尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
55.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种轨道自动化变形监控系统，其特征在于，包括：靶标，所述靶标用于设置在轨道的钢轨上；视频采集设备，所述视频采集设备位于铁路界限之外，所述视频采集设备朝向所述靶标设置，所述视频采集设备用于采集靶标的坐标信息；后处理系统，所述后处理系统和各所述视频采集设备通信连接。2.根据权利要求1所述的轨道自动化变形监控系统，其特征在于，包括多个靶标和多个视频采集设备；各所述靶标均设置于所述钢轨上，且所述靶标沿所述钢轨的长度方向依次间隔设置；各视频采集设备沿钢轨的长度方向依次排列，各视频采集设备分别采集相邻的多个靶标的位置信息。3.根据权利要求2所述的轨道自动化变形监控系统，其特征在于，相邻两个视频采集设备具有重合的监测区域，该重合的监测区域内具有靶标。4.根据权利要求1所述的轨道自动化变形监控系统，其特征在于，钢轨具有轨头、轨底和轨腰，所述轨腰连接所述轨头和轨底；所述靶标设置于所述轨头或轨腰。5.根据权利要求1所述的轨道自动化变形监控系统，其特征在于，所述视频采集设备设置于两个钢轨之间；或者，所述视频采集设备设置于两个钢轨之间形成的区域的外侧。6.根据权利要求1-5任一所述的轨道自动化变形监控系统，其特征在于，所述视频采集设备设置于轨枕上；或者，视频采集设备设置于位于两个钢轨外侧的预设基础上。7.根据权利要求1-5任一所述的轨道自动化变形监控系统，其特征在于，所述靶标包括红外主动光源和反光部中的任意一种或两种。8.根据权利要求1-5任一所述的轨道自动化变形监控系统，其特征在于，各靶标分别设置于两个钢轨上，两个钢轨上的各靶标位置一一相对。9.如权利要求1-8任一所述轨道自动化变形监控系统的监控方法，其特征在于，包括：步骤s1、视频采集设备采集各靶标的坐标信息；步骤s2、后处理系统根据各靶标的坐标信息绘制钢轨的形状。10.根据权利要求9所述的监控方法，其特征在于，相邻两个视频采集设备具有重合的监测区域，该重合的监测区域内具有靶标；在步骤s2中，以相邻两视频采集设备的重合的监测区域内的若干靶标的坐标互相验证，以前部视频采集设备的重合的监测区域内的靶标的坐标作为后部视频采集设备的基准点，将前后两视频采集设备的监测区域内的各靶标的坐标调整至同一坐标系，并将整个钢轨同一时间所有靶标的坐标数据进行拟合，得到钢轨的形状。

技术总结
本申请实施例提供了一种轨道自动化变形监控系统及其监控方法，轨道自动化变形监控系统，包括：靶标、视频采集设备和后处理系统。靶标用于设置在轨道的钢轨上。视频采集设备位于铁路界限之外，所述视频采集设备朝向所述靶标设置，所述视频采集设备用于采集靶标的坐标信息。后处理系统和各所述视频采集设备通信连接，所述后处理系统用于根据各靶标的坐标信息确定钢轨的形状。本申请靶标直接布设于钢轨上，能够直接反映出轨道变形的基础数据，且不影响行车安全。本监控系统实现了动态监测和连续监测，能反映轨道在行车运营期间的真实变化情况，能够为铁路安全运营与轨道系统维护提供准确的依据，且靶标和视频采集设备布设简单快捷，维护方便。维护方便。维护方便。


技术研发人员：庞元志 田丰 刘金国 徐勇 梁志新 江荣丰 李光耀 周国锋 孟国清 曲志远 王鹏 张伟光 张文斌 李亮 安志刚 焦清杰
受保护的技术使用者：中铁第五勘察设计院集团有限公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/5/23