一种基于角度量测的轨道沉降量测装置及量测方法

摘要

本发明公开了一种基于角度量测的轨道沉降量测装置及量测方法，操作时，先设定一端为固定起始点并读出初始角度，在动力装置控制下沿轨道匀速移动车架至第一点(每次车架移动距离相同且不超过车架轮轴轴距)并读出第一点的角度，如此类推第二点、第三点至最终点，并进行计算作为初始值；再次操作时，仍以一端固定起始点开始并读出角度，移动车架至第一点并读出第一点的角度，如此类推第二点、第三点至最终点，并进行计算作本次量测值；前后两次的读数分别计算并对同一点数值进行比较即可计算出轨道相对下沉量。该基于角度量测的轨道沉降量测装置及量测方法成本低、易于实施、测量精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于角度量测的轨道沉降量测装置及量测方法。

背景技术

现有技术中，轨道路基沉降监测有多种方法，根据测点布置的儿何分布不同， 主要可分为单点沉降、分层沉降、横剖面沉降以及纵剖面沉降等，根据量测方法 又可分为沉降板法、电磁式沉降仪、土位移计、测斜管法、静力水准法、液压沉 降仪、光纤光栅传感器及卫星遥感(成本高且精度有限)等方法。对于现有的测 点布置方式及量测方法来说，测点布置要求高、工作量大、尤其长期监测时维护 工作量大，量测时数据采集受外部环境影响较大且数据采集工作量也较大。因此， 有必要设计一种全新的轨道沉降量测装置及量测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于角度量测的轨道沉降量测装置 及量测方法，该基于角度量测的轨道沉降量测装置及量测方法成本低、易于实施、 测量精度高。

发明的技术解决方案如下：

一种基于角度量测的轨道沉降量测方法，在轨道上设置一个测量车，测量车 的车架上设有动力装置、车轮位置传感及测点编码器、角度测量仪以及采样和计 算单元；所述动力装置用于驱动车轮；车轮位置传感及测点编码器用于检查测量 车是否到达测点位置及测点编码；角度测量仪用于检查测量车的倾角；采样和计 算单元用于对车轮位置传感及测点编码器和角度测量仪的输出信号进行采样，并 执行数据计算以得到最终的各测点的沉降值；

在轨道上等间距设定多个测点，分别是A₀、A₁、A₂、A₃、……，分别称为固定 起始点(基点或高程参考点)、第一点、第二点、第三点，…；相邻测点的间 距为L；(L一般小于6m)

所述的量测包括以下步骤：

步骤1：获取各测点的角度初始值并计算各测点的原始高程值：

测量车从固定起始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，直到 终点；并分别记录每一测点处测量车倾斜的角度即角度初始值：α_0t0、α_1t0、 α_2t0、α_3t0、…；

设固定起始点为H_A0，各测点的原始高程值则为：

δ_A1t0＝H_A0+Ltgα_0t0

δ_A2t0＝δ_A1t0+Ltgα_1t0

δ_A3t0＝δ_A2t0+Ltgα_2t0

……；

δ_Ait0＝δ_(Ai-1)t0+Ltgα_(i-1)t0

……；

其中下标t0表示初次的数据；δ_Ait0表示第i个测点的初始位移值，i＝1，2，3，…；

步骤2：获取各测点的本次角度并计算各测点的本次高程值；

测量车再次从初始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，并分

别记录每一测点处测量车倾斜的角度：α_0t1、α_1t1、α_2t1、α_3t1、…；

设固定起始点为H_A0，各测点的本次高程值为：

δ_A1t1＝H_A0+Ltgα_0t1

δ_A2t1＝δ_A1t1+Ltgα_1t1

δ_A3t1＝δ_A2t1+Ltgα_2t1

……

δ_Ait1＝δ_(Ai-1)t1+Ltgα_(i-1)t1

……；

其中下标t1表示本次的数据；δ_Ait1表示第i个测点的本次高程值，i＝1，2，3，…；

步骤3：计算得到各测点的沉降值；

ΔA_1t1＝δ_A1t1-δ_A1t0

ΔA_2t1＝δ_A2t1-δ_A2t0

ΔA_3t1＝δ_A3t1-δ_A3t0

……

ΔA_it1＝δ_Ait1-δ_Ait0

……

ΔA_it1是第i个测点的本次沉降值【又称为实际沉降值】；i＝1，2，3，…。

所述的L小于车架轮轴轴距【轴距是指前后轮轴之间的距离】。

当L＜3000mm车架移动速度控制在40Km/h以下，当3000mm≤L≤6000mm时 车架移动速度控制在75Km/h以下造句。

所述的动力装置采用NTC290型发动机，NTC290型发动机与RT-11509C型变 速箱传动连接，车轮位置信号从RT-11509C型变速箱输出的里程信号中获取，角 度测量仪采用LE-60型倾角仪。【即RT-11509C型变速箱兼做车轮位置传感器】

一种基于角度量测的轨道沉降量测装置，包括设置在轨道上的测量车，测量 车的车架上设有动力装置、车轮位置传感器、角度测量仪以及采样和计算单元； 所述动力装置用于驱动车轮；车轮位置传感及测距编码器用于检查测量车是否到 达测点位置并识别测点；角度测量仪用于检查测量车的倾角；采样和计算单元用 于对车轮位置传感及测点编码器和角度测量仪的输出信号进行采样，并执行数据 计算以得到最终的各测点的沉降值；

采用前述的基于角度量测的轨道沉降量测方法对轨道上的多个测点实施沉 降量量测。

所述的动力装置采用NTC290型发动机，NTC290型发动机与RT-11509C型变 速箱传动连接，车轮位置信号从RT-11509C型变速箱输出的里程信号中获取，角 度测量仪采用LE-60型倾角仪。

有益效果：

本发明的基于角度量测的轨道沉降量测装置及量测方法，是一种全新而巧妙 的方案；

本发明巧妙的利用了现有的轨道这一前提和基础，并基于此基础创造性地提 出了一种独特的方案，虽然其实现方法本身是简单的，但是效果却是极其明显的， 包括成本低(只需增加车架及少许测量设备和运算平台)、易于实施(可以实现 全自动的数据采集和计算，而且计算过程简单)且精度极高。

本发明只需一个参考基点和若干个里程校核点(当监测范围较长时)，无需 埋设其它测点，量测时将本发明中的量测装置沿被测轨道行走通过即可完成量测 数据采集，沿线被测点数不限，沿线被测点间距不限(当测点间距大于6米时可 按L＜3000mm模式或按L＜6000mm模式进行数据采集，并在数据输出时进行筛选 【如果测点间距要求15m时，可按L＝3000mm模式进行数据采集，数据输出时只输出 A₀，A₅，A₁₀，…，等点的值】)。

本发明能应用于轨道(尤其是运营轨道如高铁、准轨、城铁、地铁等)的路 堤、桥梁及隧道沉降量测，亦可在建已铺轨道的路堤、桥梁及隧道沉降量测，操 作方便，对线路通行影响小。最大的优点是不需破坏路堤(路基)埋设沉降观测 点，不受气象条件的影响，量测精度高，量测数据采集快等。

附图说明

图1为基于角度量测的轨道沉降量测装置的结构示意图；

图2为轨道上的测点及倾斜角的示意图。

标号说明：1-轨道，2-车轮，3-车轮位置传感及测点编码器，4-角度测量仪， 5-采样和计算单元，6-输出单元，7-动力装置。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1-2，一种基于角度量测的轨道沉降量测方法，在轨道上设置一个测 量车，测量车的车架上设有动力装置、车轮位置传感及测点编码器、角度测量仪 以及采样和计算单元；所述动力装置用于驱动车轮；车轮位置传感及测点编码器 用于检查测量车是否到达测点位置及测点编码；角度测量仪用于检查测量车的倾 角；采样和计算单元用于对车轮位置传感及测点编码器和角度测量仪的输出信号 进行采样，并执行数据计算以得到最终的各测点的沉降值；

在轨道上等间距设定多个测点，分别是A₀、A₁、A₂、A₃、……，分别称为固定 起始点(基点或高程参考点)、第一点、第二点、第三点，…；相邻测点的间 距为L；

所述的量测包括以下步骤：

步骤1：获取各测点的角度初始值并计算各测点的原始高程值：

测量车从固定起始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，直到 终点；并分别记录每一测点处测量车倾斜的角度即角度初始值：α_0t0、α_1t0、 α_2t0、α_3t0、…；

设固定起始点为H_A0，各测点的原始高程值为：

δ_A1t0＝H_A0+Ltgα_0t0

δ_A2t0＝δ_A1t0+Ltgα_1t0

δ_A3t0＝δ_A2t0+Ltgα_2t0

……；

其中下标t0表示初次的数据；δ_Ait0表示第i个测点的初始位移值，i＝1，2，3，…；

步骤2：获取各测点的本次角度并计算各测点的本次高程值；

测量车再次从初始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，并分 别记录每一测点处测量车倾斜的角度：α_0t1、α_1t1、α_2t1、α_3t1、…；

设固定起始点为H_A0，各测点的本次高程值为：

δ_A1t1＝H_A0+Ltgα_0t1

δ_A2t1＝δ_A1t1+Ltgα_1t1

δ_A3t1＝δ_A2t1+Ltgα_2t1

……

其中下标t1表示本次的数据；δ_Ait1表示第i个测点的本次高程值，i＝1，2，3，…；

步骤3：计算得到各测点的沉降值；

ΔA_1t1＝δ_A1t1-δ_A1t0

ΔA_2t1＝δ_A2t1-δ_A2t0

ΔA_3t1＝δ_A3t1-δ_A3t0

……

ΔA_it1是第i个测点的本次量测沉降值【又称为实际沉降值】；i＝1，2，3，…。

图1中的输出单元用于显示和打印相关数据。

所述的L小于车架轮轴轴距【轴距是指前后轮轴之间的距离】。

当L＜3000mm车架移动速度控制在40Km/h以下，当3000mm≤L≤6000mm时 车架移动速度控制在75Km/h以下。

所述的动力装置采用NTC290型发动机，NTC290型发动机与RT-11509C型变 速箱传动连接，车轮位置信号从RT-11509C型变速箱输出的里程信号中获取，角 度测量仪采用LE-60型倾角仪。【即RT-11509C型变速箱兼做车轮位置传感器】

一种基于角度量测的轨道沉降量测装置，包括设置在轨道上的测量车，测量 车的车架上设有动力装置、车轮位置传感及测点编码器、角度测量仪以及采样和 计算单元；所述动力装置用于驱动车轮；车轮位置传感及测点编码器用于检查测 量车是否到达测点位置及测点编码；角度测量仪用于检查测量车的倾角；采样和 计算单元用于对车轮位置传感及测点编码器和角度测量仪的输出信号进行采样， 并执行数据计算以得到最终的各测点的沉降值；

采用前述的基于角度量测的轨道沉降量测方法对轨道上的多个测点实施沉 降量量测。

所述的动力装置采用NTC290型发动机，NTC290型发动机与RT-11509C型变 速箱传动连接，车轮位置信号从RT-11509C型变速箱输出的里程信号中获取，角 度测量仪采用LE-60型倾角仪。

实施例1：

在本实例中，车架采用双轴结构，轴距6000mm，轨距1435mm(标准轨距)， 轮径840mm，配康明斯(Cummins)NTC290发动机及富勒(Fuller)RT-11509C 变速箱，行走速度50-100Km/h。车轮位置通过变速箱输出的里程信号中获取， 通过车轮转动的角度(ω)和周数可精确计算移动的距离L。角度测量采用陕西 航天长城测控有限公司LE-60高精度倾角仪。E-60的测量范围±15度，分辨率 ±0.001度，输出速度1-5次/秒。

操作时，先设定一端为固定起始点并读出初始角度，在动力装置控制下沿轨 道匀速移动车架至第一点(每次车架移动距离相同且不超过车架轮轴轴距【轴距 是指前后轮轴之间的距离，距离相同便于计算】)并读出第一点的角度，如此类 推第二点、第三点至最终点，并进行计算作为初始值；再次操作时(此时，除起 始点固定不动外，其余测点假设有沉降发生)，仍以一端固定起始点开始并读出 角度，移动车架至第一点并读出第一点的角度，如此类推第二点、第三点至最终 点，并进行计算作本次量测值；前后两次的读数分别计算并对同一点数值进行比 较即可计算出轨道相对下沉量。

需要注明的是：从图2来看，是假设各测点(A1和A2等)在X轴上的投影 点没有变化，实际上，只要轨道有沉降发生，投影点的位置是有细微区别的，但 是由于L远远大于沉降量，因此，这种差别太细微了，不影响测量精度，这种近 似处理是工程上的基本处理手段。

设1、L＝2πD＝2*π*840＝5278mm；监测范围30Km，则可测点数约为5684个。

初始值(初始高程)：

δ_A1t0＝H_A0+Ltgα_0t0＝H_A0+5278*tg3＝H_A0+276.61mm(α_0t0＝3°)

δ_A2t0＝δ_A1t0+Ltgα_1t0＝H_A0+276.61+5278*tg2.998＝H_A0+553.03 mm(α_1t0＝2.998°)

δ_A3t0＝δ_A2t0+Ltgα_2t0＝H_A0+553.03+5278*tg2.995＝H_A0+829.18 mm(α_2t0＝2.995°)

……

第一次高程值：

δ_A1t1＝H_A0+Ltgα_0t1＝H_A0+5278*tg2.998＝H_A0+276.42mm(α_0t1＝2.998 °)

δ_A2t1＝δ_A1t1+Ltgα_1t1＝H_A0+276.42+5278*tg2.998＝H_A0+552.84 mm(α_1t1＝2.998°)

δ_A3t1＝δ_A2t1+Ltgα_2t1＝H_A0+552.84+5278*tg2.994＝H_A0+828.89 mm(α_2t1＝2.994°)

……

第一次量测结果(沉降量，+为上升，-为下沉)

ΔA_1t1＝δ_A1t1-δ_A1t0＝H_A0+276.42-H_A0+276.61＝-0.19mm

ΔA_2t1＝δ_A2t1-δ_A2t0＝H_A0+552.84-H_A0+553.03＝-0.19mm

ΔA_3t1＝δ_A3t1-δ_A3t0＝H_A0+828.89-H_A0+829.18＝-0.29mm

……

第二次高程值：

δ_A1t2＝H_A0+Ltgα_0t2＝H_A0+5278*tg2.997＝H_A0+276.33mm(α_0t2＝2.997 °)

δ_A2t2＝δ_A1t2+Ltgα_1t2＝H_A0+276.33+5278*tg2.996＝H_A0+552.57 mm(α_1t2＝2.996°)

δ_A3t2＝δ_A2t2+Ltgα_2t2＝H_A0+552.57+5278*tg2.993＝H_A0+828.53 mm(α_2t2＝2.993°)

……

第二次量测结果(沉降量，+为上升，-为下沉)

ΔA_1t2＝δ_A1t2-δ_A1t1＝H_A0+276.33-H_A0+276.42＝-0.09mm

ΔA_2t2＝δ_A2t2-δ_A2t1＝H_A0+552.57-H_A0+552.84＝-0.27mm

ΔA_3t2＝δ_A3t2-δ_A3t1＝H_A0+828.53-H_A0+828.89＝-0.36mm

……

设2、L＝πDω/360＝π*840*818.5/360＝6000mm；监测范围30Km，则可测点 数约为5000个。

初始值(初始高程)：

δ_A1t0＝H_A0+Ltgα_0t0＝H_A0+6000*tgl＝H_A0+104.73mm(α_0t0＝1°)

δ_A1t0＝δ_A1t0+Ltgα_1t0＝H_A0+104.73+6000*tg0.998＝H_A0+209.25 mm(α_1t0＝0.998°)

δ_A3t0＝δ_A2t0+Ltgα_2t0＝H_A0+209.25+6000*tg0.996＝H_A0+313.56 mm(α_2t0＝0.996°)

……

第一次高程值：

δ_A1t1＝H_A0+Ltgα_0t1＝H_A0+6000*tg0.997＝H_A0+104.42mm(α_0t1＝0.997 °)

δ_A2t1＝δ_A1t1+Ltgα_1t1＝H_A0+104.42+6000*tg0.996＝H_A0+208.73 mm(α_1t1＝0.996°)

δ_A3t1＝δ_A2t1+Ltgα_2t1＝H_A0+208.73+6000*tg0.994＝H_A0+312.83 mm(α_2t1＝0.994°)

……

第一次量测结果(沉降量，+为上升，-为下沉)

＝δ_A1t1-δ_A1t0＝H_A0+104.42-H_A0+104.73＝-0.31mm

ΔA_2t1＝δ_A2t1-δ_A2t0＝H_A0+208.73-H_A0+209.25＝-0.52mm

ΔA_3t1＝δ_A3t1-δ_A3t0＝H_A0+312.83-H_A0+313.56＝-0.73mm

……

第二次高程值：

δ_A1t2＝H_A0+Ltgα_0t2＝H_A0+6000*tg0.997＝H_A0+104.42mm(α_0t2＝0.997 °)

δ_A2t2＝δ_A1t2+Ltgα_1t2＝H_A0+104.42+6000*tg0.995＝H_A0+208.63 mm(α_1t2＝0.995°)

δ_A3t2＝δ_A2t2+Ltgα_2t2＝H_A0+208.63+6000*tg0.993＝H_A0+312.63 mm(α_2t2＝0.993°)

……

第二次量测结果(沉降量，+为上升，-为下沉)

ΔA_1t2＝δ_A1t2-δ_A1t1＝H_A0+104.42-H_A0+104.42＝0.00mm

ΔA_2t2＝δ_A2t2-δ_A2t1＝H_A0+208.63-H_A0+208.73＝-0.10mm

ΔA_3t2＝δ_A3t2-δ_A3t1＝H_A0+312.73-H_A0+312.83＝-0.10mm

……

设Δ_Ai为A_i在t0～tn的累计沉降(总沉降)，且0＜n，则

Δ_Ai(t0，tn)＝ΔA_it0+ΔA_it1+ΔA_it2+…+…+ΔA_itn-2+ΔA_itn-1+ΔA_itn

设Δ_Ai为A_i在ti～tj的累计沉降，且0＜i＜j＜n，则

Δ_Ai(ti，tj)＝ΔA_iti+1+ΔA_iti+2+ΔA_iti+3+…+…+ΔA_itj-2+ΔA_itj-1+ΔA_itj

若数据采集时间间隔为n分钟，则平均每分钟的沉降速度为

V_ΔAi＝(ΔA_itn-ΔA_itn-1)/n

若数据采集时间间隔为n小时，则平均每小时的沉降速度为

V_ΔAi＝(ΔA_itn-ΔA_itn-1)/n

若数据采集时间间隔为n天，则平均每天的沉降速度为

V_ΔAi＝(ΔA_itn-ΔA_itn-1)/n

……

根据上述测试计算，当L＜3000mm时，分辨率为0.005mm；3000mm≤L≤6000 时，分辨率为0.01mm。精度高于现有的量测方法的精度【现有量测方法的精度 0.1mm，更低位数即0.01位时为估读数】

注意事项：

1、数据采集时，当L＜3000mm车架移动速度宜控制在40Km/h以下，当3000 ≤L≤6000mm时车架移动速度宜控制在75Km/h以下。

2、当采取L＝2639mm(车轮转动一周)进行数据采集时，建议车架每移动200 Km进行一次里程确认，当采取2639＜L≤6000mm进行数据采集时，建议车架每 移动600Km进行一次里程确认。【以防累计误差导致测量失准】

3、若能确定A₀点为不动点，便可从A₀点开始采集数据并进行计算；若不能 确定A₀点为不动点则每次应从已知不动点来确定A₀点高程，再从A₀点开始采集 数据并进行计算。