地铁隧道限界检测技术及系统研发及应用.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期:2024 年 02 月 08 日 作者简介:薛磊(1993),男,汉族,陕西韩城人。-14-地铁隧道限界检测技术及系统研发及应用 薛 磊 中铁一局集团电务工程有限公司,陕西 西安 710025 摘要:摘要:地铁列车沿着固定轨道高速运行,需要在特定的空间中运行,这个特定空间的尺寸就是地铁的限界。地铁限界是以地铁车辆的轮廓尺寸和车辆有关技术参数,运行动力性能,结合轨道和接触网或者接触轨的相关条件,并计及设备和安装误差,按规定的计算方法进行设计的。地铁基本限界包括机车车辆限界、建筑限界和设备限界。车辆限界是车辆在正常状态下形成的最大动态包络线。设备限界是用以限
2、制设备安装的控制线。地铁的设备限界是按车辆在平直轨道上运行时制定的,而车辆在曲线上运行时,由于车辆纵向中心线是直线,轨道中心线是曲线,因此两者不能吻合。同时在曲线段外轨,还要设超高以平衡车辆驶经曲线段时的离心力。所以车辆相对轨道中心线而言就产生平面漂移和竖向加高,其漂移量和加高量应根据不同曲线半径、车辆性能进行计算。建筑限界是在设备限界基础上,考虑了设备和管线安装尺寸后的最小有效断面。地铁隧道限界问题给安全和运营带来了挑战。为了确保地铁列车能够安全通过隧道,本论文研究了地铁隧道限界检测技术及系统的研发和应用,以提高地铁系统的安全性、稳定性和运行效率。关键词:关键词:地铁;隧道;限界检测;技术;
3、系统研发;应用 中图分类号:中图分类号:U456 0 引言 地铁隧道限界问题指的是地铁列车通过隧道时,车身与隧道结构之间的最小间距限制。隧道限界的精确检测和监测对确保地铁列车的安全通行至关重要。地铁限界检测技术从开始出现至今已有多年的历史。经过大量的研究和试验,开发出一系列根据不同要求而设计的地铁限界检测设备。原理各异,归纳起来可以分为接触式测量和非接触式测量、便携式测量和车载测量。针对地铁长距离隧道的断面检测,普遍采用的是车载测量,而便携式测量仅仅用于某些个别断面的补充测量。1 国外隧道限界检测技术 目前,国外地铁限界检测车采用了激光技术、计算机图像处理技术、智能机器人技术等,其检测车以时速
4、 120km 速度运行时,检测误差不会超过 20 毫米。这种数字记录方式的视频测量方法原理是:摄像机将隧道断面轮廓与两钢轨同时摄取,虽然摄像机的镜头位置随车辆运动而变化,但是画面中物体与物体之间的相对位置不会改变。应用这一原理可以动态测量隧道洞壁的每一点距线路中心的距离。隧道限界检测是三维净空的测量,它可分解为二维的净空测量和一维的距离测量。二维的净空测量,应用三角测量原理,即激光照射平面、隧道洞壁和 CCD 摄像镜头构成三角关系。以 CCD 作为检测光源,CCD 图像传感器作为二维尺寸测量传感器,应用三角形测量方法对隧道二维净空进行非接触式测量。CCD 和激光器安装在同一构架上,激光器产生一
5、个扇形的光平面照射在隧道洞壁上,在洞壁上留下一条光带。CCD 摄取了光带,系统实时采集处理得到径向端面尺寸。在摄取隧道端面的同时,也将车体相对钢轨的位置一并采集处理,作为隧道净空断面的基准,求得隧道断面距钢轨中心线的精确位置。一维的距离测量,采用高速的红外光电开关确定隧道入出口的位置,采用霍尔转速传感器进行测速测距,由车辆的相应速度和运行时间求出每一断面的位置。综合二维净空数据与一维距离数据可形成隧道的三维净空尺寸,即隧道限界。国外检测车车内结构如图 1.3 所示。检测车可联挂在旅客列车上的任意位置,随列车在线路上运行。当运行进入被检测隧道洞口时,激光器发射的可见红光打在隧道壁上,在隧道壁上形
6、成一圈红光带,红外开关发出位置信号给 PC 机和其他各检测系统:图像采集系统开始采集 CCD 摄录的图像;陀螺基准系统读取中国科技期刊数据库 工业 A-15-陀螺仪信号,计算车体的瞬时倾角;图像定位系统读取霍尔传感器信号计算列车的瞬时速度和走行距离。计算机将图像信息、倾角信息、速度和走行距离信息按照一定的文件格式同时记录在硬盘上,实现动态图像到静态图像的转换。当隧道限界检测车驶出隧道后,红外开关发出复位信号给 PC 机和其他各检测系统,停止采集。采集结束后,计算机根据存储的图像信息还原真实的图像,计算出隧道的断面尺寸和断面位置,如图 1 所示。图 1 国外常用的隧道限界检测车车内结构 2 国内
7、地铁限界检测技术 我国地铁限界检测最常用的是断面检测法,根据设备限界尺寸,根据不同的端面半径,制作一个可以伸缩的框架,固定在平板车上,作为限界检测车,用内燃机车牵引,对全线逐段进行检测。检测车框架示意图如图 2 所示,检测车实物图见图 3。该检测车的主要部件包括:在平板车上安装限界检查模板。模板由固定支架,可变支架和触板三部分构成。固定支架和可变支架均采用金属材料,触板采用防火胶合板。固定支架:对称的两个支架分别独立安装,包括可调节高度的基座及进行检查的作业梯。可变支架:抽屉式滑动架和铝合金检查框基板。触板:安装与滑动架上,分为 A、B、C、D.等若干块检查板,当触板碰撞任何侵限物体式都可转向
8、,离开障碍物后,即可恢复原位。滑动架通过手轮、丝杠可作横向调节。横向位移量与曲线地段限界加宽量(不包括超高加宽量)等量。直线地段限界的横向位移量为零。报警装置:当任何一块触板碰触到障碍物时,蜂鸣器鸣笛,信号灯闪亮。检查车前端安装高亮度、高效探照灯。检查框正面有工作灯,电源为 24V,设有专用蓄电池及浮充电设施。触板发生碰撞会自动发出声光报警。此时,应立即停车,并倒车使触板与侵限物再次接触,观察侵限量大小,并在侵限设备上作出整改标记。整改后再次进行限界检查,直到全线通过限界检查为止。这种检测方法的缺点是:在不同的线路情况下,例如进出缓和曲线和圆曲线地段,需要人工按规定数值对模板进行横向加宽或横向
9、收缩;当发生超限时,需要立即停车倒车并反复多次,并人工标记以确定超限量。这种检测耗费较多的人力而且效率低,对误差的控制能力不好。图 2 国内检测车框架示意图 图 3 检测车实物图 3 限界检测技术 3.1 激光位移传感器检测技术 通过采用基恩士生产的IL-2000激光位移传感器,其发射一点激光线光源,从而形成目标的距离参数。该装置具有快速、高精度的激光轮廓传感头,检测范围为:1000 至 3500mm,重复精度 100m3,取样频率最快为 33s,最小显示单位为 1mm,最大显示范围为9999mm,供电方式为直流 12V,工作电流为 1.0A,完全能够满足测量精度要求。能够测量隧道断面。3.2
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