一种高速铁路桥梁基础沉降变形的车载动态监测方法

摘要

本发明提供一种高速铁路桥梁基础沉降变形的车载动态监测方法，通过在轨检车上集成摄像、惯性和光电测量装备，组成轨检车平台运动参数（高程、位置、姿态）和轨检车/高速铁路轨道相对位姿同步测量系统，该测量系统在测量轨检车平台高程基础上同步补偿轨检车平台相对铁轨的晃动量，从而得到轨道的实际高程，再与基准值比较得到轨道的沉降量。由于高速铁路轨道与桥梁基础沉降是同步一体的，通过轨道沉降量测量得到高速铁路桥梁基础的沉降变形量。

说明书

技术领域

本发明涉及轨道交通动态监测领域，具体涉及一种高速铁路桥梁基础沉降的车载动态测量方法，本发明通过在轨检车上测量高速铁路轨道的沉降实现对高速铁路桥梁基础沉降的测量。本发明方法对高速铁路桥梁基础沉降的测量速度快、效率高、大大节省人力财力，将给高铁桥梁基础沉降的快速、高精度检测的带来重大技术变革。

背景技术

中国已成为世界上高速铁路系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。高速铁路的发展在时、空两个维度深刻改变了中国社会和经济发展的面貌。随着中国国际影响力的增强和“一带一路”战略的推进，在地缘政治战略、以及促进沿线国家和中国自身的经济发展上，高速铁路必将发挥日益巨大的作用。中国高铁建设一个很重要的特点就是“以桥代路”，桥梁在高速铁路总里程中占有很高的比重。作为支撑轨道的桥梁等高铁基础设施，其沉降变形对高铁运行的安全性、舒适性和平稳运行至关重要。

当前高速铁路基础沉降测量与监测的手段主要是地面静态测量，通过采用水准仪、测距仪、经纬仪及全站仪等测绘仪器，设立监测网基准点、工作基点和沉降变形点，分段引入参考基准点的高程数据，由人工进行测量。这种地面静态测量方法观测周期长、效率低、工作量大、测量成本高、设施维护成本高，难以实现对桥梁沉降的连续、高频度的观测，不能适应高铁建设和运营维护的需求。在动态测量方面，铁路现有各种轨检车均存在一定局限性，专用于高铁的综合检测车只是轨道相对不平顺检测设备，不能检测铁路基础的绝对沉降。通过铁路测量控制网进行线路绝对偏移测量的设备作业效率低，且严重依赖高速铁路工程测量平面控制网。高速铁路桥梁与路基的绝对沉降量监测需要达到2-5毫米测量精度的高要求，目前国际国内没有车载自动高速动态测量达到此精度的方法和手段。随着高速铁路的迅猛发展，这已成为当前十分迫切需要解决的难题。

由于高速铁路轨道与桥梁基础沉降是同步一体的，本发明通过在轨检车上集成精密光测和高精度惯性测量系统，动态、高精度测量轨检车平台高程及相对铁轨的变化，进而实现对高速铁路桥梁基础沉降的测量。运动平台自身位置的测量技术又称为导航技术，其中最常用的有卫星导航和惯性导航两类。目前国际上差分卫星导航动态测量水平是在高度方向上误差20毫米以上，不能满足高速铁路桥梁基础沉降测量精度需求。而惯性导航会随时间漂移而精度下降，一般应用中惯性导航精度通常在米级，甚至千米级。目前导航界普遍将卫星导航与惯性导航结合，用卫星导航参数修正惯性导航，但这样的组合导航的最高精度只能与卫星导航精度相当，仍然达不到高速铁路桥梁基础沉降测量要求。中国申请专利（公开号103419812A）公开的一种基于摄像及卫星及惯性测量组合的铁轨路基沉降测量的方法将卫星定位差分基站和摄像测量标志基站间隔5-10公里布设，在摄像测量标志之间，将卫星/惯性深度融合测量更新系统的位置、姿态和速度，受卫星导航精度限制，高程测量精度在10毫米以上，不满足高速铁路桥梁基础沉降2-5毫米测量精度要求。

发明内容

本发明提供一种高速铁路桥梁基础沉降变形的车载动态监测方法，通过在轨检车上集成摄像、惯性和光电测量装备，组成轨检车平台运动参数（高程、位置、姿态）和轨检车/高速铁路轨道相对位姿同步测量系统，该测量系统在测量轨检车平台高程基础上同步补偿轨检车平台相对铁轨的晃动量，从而得到轨道的实际高程，再与基准值比较得到轨道的沉降量。由于高速铁路轨道与桥梁基础沉降是同步一体的，通过轨道沉降量测量得到高速铁路桥梁基础的沉降变形量。

本发明方法的测量分成四个主要过程：

1）检测车平台位置姿态参数高精度摄像测量

在地面间隔性设置摄像标志，轨检车行经地面摄像标志处时利用车载摄像测量系统对地面摄像标志成像，通过成像分析动态高精度地测量检测平台位置姿态参数。地面摄像标志设置在高速铁路桥梁两侧一定距离的稳固地面上，每间隔一定距离设置一组。车载摄像测量系统固定安装于检测车平台上，保证检测车经过地面摄像标志处时，车载摄像测量系统能够对地面标志成像。摄像测量系统和地面摄像标志设计，使通过图像分析，能够得到摄像测量系统相对大地坐标系的毫米级的高程和角秒级的姿态测量结果，此结果用于修正惯性测量系统误差。

优选的，地面摄像标志设置位置在铁路保护范围内尽量远，避免摄像标志处地面随桥梁的一同沉降。

优选的，相邻两组地面摄像标志间隔设置即能保证此距离间惯性测量的高程精度，又能使设置的标志尽可能少。

2）经摄像测量修正并长距离保持精度的惯性测量

在平台行驶于两组地面摄像标志之间时，利用车载惯性测量系统对平台运动参数进行测量，保持平台高程测量的精度。车载惯性测量系统由高精度惯性姿态测量系统和高精度里程测量系统组成。惯性测量的时间累积误差通过摄像系统在经过地面摄像测量标志时的测量结果进行修正，以保持高的测量精度。

3）检测车平台/铁轨相对晃动位姿的精密光电测量

利用车载光电测量系统实时测量轨道和车载设备平台间的相对位姿关系，与摄像测量和惯性测量相综合，将摄像-惯性组合测量结果转换到铁轨平面，消除和补偿车体振动影响，得到任意位置铁轨自身的高程。

4）桥梁沉降监测数据处理

基于检测车平台高程和检测车/铁轨相对位姿的测量结果，综合数据处理得到铁轨的高程，由于铁轨与桥梁一体，该高程可转换为桥梁高程。将桥梁高程测量结果与高铁桥梁基准数据库中的地基基准状态高度（如设计高度、工后高度或以某一状态为准的基准高度）比对，得到桥梁基础的沉降和变形。

与现有技术相比，本发明具有以下明显的优点：

1）本发明方法解决了高速铁路桥梁基础沉降变形的车载自动高速动态监测难题，具有沉降监测精度高（2-5毫米）、速度快（例如100公里/小时检测车）的优点。

2）本发明方法建立了高速铁路动态监测解决方案，还可用于监测铁轨轨距、轨向、水平（超高）、轨廓和铁路沿线CPⅢ点位沉降。

附图说明

图1为高速铁路桥梁基础沉降变形的车载自动高速动态监测系统组成和结构关系示意图；

图2为基于立体分布标志的检测车沉降摄像测量布设示意图；

图3为基于立体分布标志的检测车姿态摄像测量布设示意图；

图4为基于立体分布标志的检测车沉降摄像测量原理示意图；

图5为沉降前导致的标志图像位移差示意图；

图6为沉降后导致的标志图像位移差示意图；

图7为基于立体分布标志的检测车姿态摄像测量原理示意图；

图8为基于平面反光镜的检测车沉降摄像测量布设示意图；

图9为基于平面反光镜的检测车沉降摄像测量原理示意图；

图10为沉降导致的平面反光镜中点光源图像位移差示意图；

图11为高精度惯性测量功能结构技术单元组成；

图12为检测车平台/铁轨相对晃动位姿关系测量示意图；

图13为点激光位移测量技术与线激光位移轮廓三角测量技术相结合的精密光电位移测量原理图；

图14为测量系统之间的位姿转换关系示意图。

具体实施方式

本发明方法利用高精度摄像测量修正惯性测量得到轨检车的高程、位置和姿态信息，利用精密光电测量轨检车平台相对铁轨的位姿，补偿晃动的影响，测量得到轨道的高程，进而得到高速铁路桥梁基础的高程，实现桥梁基础沉降变形的监测。本发明方法包含摄像测量、惯性测量、检测车平台/铁轨相对位姿光电测量和沉降监测数据处理四个基本过程。

（1）检测车平台位置姿态参数高精度摄像测量

通过在地面设置摄像标志，在检测车上安装摄像测量系统，当检测车行经地面摄像标志处时对地面摄像标志成像，通过对图像的分析，利用摄像测量方法实现对检测车沉降和姿态参数进行动态高精度测量。具体可采用如下两种方案：基于立体分布标志的摄像测量和利用平面反射镜的摄像测量，实际应用中可根据工程条件优选其中一种方案或对两种方案进行优化组合。

1）基于立体分布标志的摄像测量

在铁路外的地面上布置空间立体分布的多个摄像测量标志，摄像标志间的相对关系已知, 通过对图像上标志间成像关系的分析，实现对检测车沉降和姿态参数的分别测量。

a）基于立体分布标志的沉降摄像测量

由于动态测量中检测车平台会发生晃动，车载摄像测量系统指向和姿态会发生变化，测量检测车沉降必须合理设计立体分布标志，使测量基本不受相机姿态，即光轴指向的影响。本发明利用立体分布标志中垂直铁路方向布设的标志间的像点的相对关系仅对检测车的高程敏感，而基本不受相机姿态影响的特点测量检测车沉降量。

检测车沉降摄像测量布设示意图如图2所示（作为示意仅画出两个标志），利用摄像测量系统拍摄垂直铁路线方向布设的地面标志。测量原理如图4所示的简化示意图来描述。设前标志距离桥梁分别为L1，前后标志间的距离为L2，前标志高度为H2，后标志高度为H3，摄像测量系统在沉降前高H1。当沉降ΔH1时，前后标志杆相对于摄像测量系统视点产生ΔH2的相对高差，利用该高差成像分析测量得到检测车平台的沉降。立体标志的控制点（如前后标志的顶端）在沉降前后由于视点的高差变化会在像机图像上发生的位移。如图5-6所示，沉降前图像中前后标志杆顶端的高差为h0，沉降后，标志杆顶端图像发生了相对位移，图像中标志杆顶端的高差变为h。不同的沉降量引起的位移变化（h- h0）不同，据此测量摄像测量系统固连的检测车平台的沉降量。前后标志杆的图像位移差与两个物理位移量和的关系可以根据相似三角形原理推得：

（1）

其中为桥梁沉降量（也即摄像测量系统下降量），为桥梁沉降时前后标志杆相对于摄像测量系统视点相对高差变化，为前标志到桥梁距离，为前后标志间的距离，为摄像系统1个像素对应的空间高度，为前后标志杆的图像位移差。

当合理控制前后间距以及标志与检测车的距离时，沉降测量精度可达到毫米或亚毫米级。由于单台像机视场小，检测车晃动可能引起标志离开视场，使用中可采用多个像机组成阵列扩大观测视场，保证对目标标志的稳定成像。

b）基于立体分布标志的姿态摄像测量

本发明利用平行铁路方向布设的标志间的像点相对关系对检测车姿态比较敏感，尤其对铁轨不平顺造成的检测车俯仰角（检测车平台所在平面与铁轨基准平面夹角在沿轨道方向竖直面内的投影角度）比较敏感的特点测量检测车姿态。

如图3所示，通过在铁路外侧沿轨道方向依次布置标志（作为示意，图中仅画两个标志），利用固连于检测车的像机（一个或多个）对标志成像，通过图像分析计算检测车姿态。假设沿轨道方向前后标志的顶端处于同一水平面，则根据对前后标志成像的高度差异就可以测量成像系统俯仰角，如图4所示。假设前后标志在图像中的间距为L，双标志成像高度差为Δh，则检测车俯仰角为

（2）

其中为检测车俯仰角，为前后标志杆的图像位移差，为前后标志在图像中的间距。

考虑到像机视场限制，前后标志间距较大时成像系统可采用宽视场单像机也可采用多像机，通过合理设计成像系统和标志间距，检测车俯仰角姿态测量精度可以达到角秒级。

2）利用平面反射镜的摄像测量方法

在铁路外地面上布置平面镜设施，在检测车上安装摄像机成像分析系统和点光源，利用车载摄像系统拍摄并检测平面镜中车载点光源的像点，通过图像分析，测量点光源像点在平面镜中的移动，计算检测车平台的高度变化，实现对铁路基础的沉降测量。

测量布设示意图如图8所示，在桥梁外布置平面镜设施，利用车载摄像系统拍摄并检测平面镜中车载点光源的像点，当发生沉降时，点光源和摄像系统随同检测车沉降，点光源在平面镜中的像点就会发生移动。

测量原理可由如图9所示的简化示意图来描述。当摄像机和点光源沉降量为d时，视点从P处变化到P′处，对应平面镜中的点光源的像点平移距离d′。d′和d的关系可由平面镜光线反射原理推导得到，如当像机正视平面镜时d= d′。通过测量平面镜中点光源像点相对平面镜基准线的位移测量检测车平台的沉降量。

本方案中检测车动态晃动时像机姿态发生变化，但只要位置不变，点光源在平面镜中的像点相对平面镜中心基准线的位置就不变，即本方案的平台沉降测量不受检测车动态晃动的影响。

沉降前后与摄像机固连的点光源位置发生变化，经摄像机成像后，其镜面反射像点和镜面的相对成像关系发生变化如图10所示。结合图9由中心透视投影成像原理，物点到光轴的距离与像点到光轴的距离满足，其中为物点到光轴的距离，为物距，为像点到光轴的距离，为焦距。

由于，故由像点位移可得像机沉降量为，其中为桥梁沉降量，为像点位移变化，为物距，为焦距。

通过合理设置系统参数，可以达到毫米级沉降测量精度要求。

（2）经摄像测量修正并长距离保持精度的惯性测量

惯性测量采用高精度姿态测量和里程测量结合的运动参数递推测量方式。该功能结构的技术单元如图11所示，主要由惯性测量组件、高精度惯性测量单元、惯性测量误差摄像修正单元、摄像/惯性系统离线标定单元等部分组成。惯性测量组件主要包含三轴激光陀螺测姿系统和轨道里程测量系统，三轴激光陀螺测姿系统采用高精度的激光陀螺组件，轨道里程测量系统由轨道里程计、加速度计等传感器集成而成；高精度惯性测量单元利用惯性测量组件测量结果递推计算测量系统当前的高度和位置；惯性测量误差摄像修正单元根据摄像/惯性相对安装关系离线标定结果，实现摄像测量与惯性测量结果的空间坐标转换一致，利用高精度的摄像测量结果修正惯性测量系统误差，抑制惯性测量的误差漂移；摄像/惯性系统离线标定单元是测量系统的离线标定环境，用于标定惯性测量组件参数、摄像/惯性系统相对安装关系等。

（3）检测车平台/铁轨相对晃动位姿的精密光电测量

检测车平台/铁轨相对位姿光电测量通过安装在检测车设备平台多个位置处的高精度位移光电测量系统测量设备平台相对铁轨的位移，从而得到车载设备坐标系和铁轨平面坐标系的相对位姿关系。检测车静止时通过标定得到检测车设备平台光电测量系统和铁轨坐标系之间的位姿关系，检测车晃动时，通过检测多点的相对位移变化， 测出检测车设备平台的位姿变化。

图12中，铁路检测车平台四个位置处的高精度位移光电测量系统测量设备平台相对铁轨A、B、C、D四点的位移，从而得到车载设备坐标系和铁轨平面坐标系的相对位姿关系。假设A、B、C、D四点在铁轨平面坐标系（系）内的位置分别为（），检测车静止时通过标定得到这四个点在设备平台坐标系（系）内的坐标为（），则设备平台坐标系和铁轨平面坐标系之间的位姿关系（姿态矩阵和位移关系）满足

(1)

其中（）表示A、B、C、D四点在铁轨平面坐标系内的位置，（）表示标定时A、B、C、D四点在设备平台坐标系内的坐标，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的姿态转换矩阵，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的位移矢量。

检测车晃动时，A、B、C、D四点的相对位移会发生变化，利用点激光高精度铁轨位移测量系统测量得到A、B、C、D四点的实时位移，得到它们在设备平台坐标系的坐标（）。此时设备平台坐标系的位姿变化、可根据如下关系求解

(2)

其中（）表示A、B、C、D四点在铁轨平面坐标系内的位置，（）表示测量时A、B、C、D四点在设备平台坐标系内的坐标，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的姿态转换矩阵，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的位移矢量，表示检测车晃动引起的设备平台坐标系的姿态变化矩阵，表示检测车晃动引起的设备平台坐标系的位移矢量。

此时设备平台坐标系和铁轨平面坐标系间的相对位姿关系为

(3)

其中表示测量时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的姿态转换矩阵，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的姿态转换矩阵，表示检测车晃动引起的设备平台坐标系的姿态变化矩阵，表示测量时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的位移矢量，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的位移矢量， 表示检测车晃动引起的设备平台坐标系的位移矢量。

检测车平台/铁轨相对位姿光电测量中采用的四套高精度位移光电测量系统测量设备均采用高精度点激光位移测量技术（如基于PSD的的电激光位移测量技术）与线激光位移轮廓三角测量技术相结合的精密光电位移测量技术。如图13所示，高精度测量激光点的位移，精度要求达到微米量级，利用线激光三角测量得到铁轨截面轮廓，根据点激光与线激光的图像关系确定激光点在轨面轮廓上的位置，补偿点激光位移传感器在轨道表面的投射测量激光点的位置的动态变化引起的位移测量误差。

（4）桥梁沉降监测数据处理

沉降监测数据处理根据检测车平台/铁轨相对位姿光电测量结果，可将摄像测量、惯性测量得到的检测车平台高程转换到铁轨平面，得到任意位置铁轨自身的高程。测量系统之间的位姿转换关系如图14所示。铁轨的基准状态高度以数据库的形式存储在车载专用沉降变形监测处理计算机内，根据铁轨位置检索数据库，将铁轨高程测量结果与设计高度或基准高度对比，得到桥梁上铁轨沉降变形测量结果，由于高速铁路轨道与桥梁基础沉降是同步一体的，通过监测铁轨的沉降就可以监测高速铁路桥梁基础的沉降变形。