鐵路站臺限界非接觸測量中垂直斷面的判定方法

趙夢，王健，李壯，范宇，丁道祥，崔高峰

（中國鐵路沈陽局集團有限公司科學技術研究所，遼寧 沈陽 110013）

鐵路車站站臺作為列車?？考奥每蜕舷萝嚨闹匾O施，在長期的運營中線路會出現不同程度的沉降及位移，導致站臺出現不同程度的變形，從而改變站臺與線路的相對位置，站臺限界超限可能會影響列車車門的開啟和關閉，嚴重超限時，可能會發生車體擦刮等安全事故。因此，鐵路房建部門需要對其管內站臺限界進行實行動態管理，定期測量站臺限界，掌握站臺限界的變化情況。

目前，站臺限界測量主要有接觸式測量和非接觸式測量兩種手段，接觸式測量主要采用軌道限界測量尺，此種測量方法需要在夜間天窗點內進行，作業效率低及存在人為誤差；非接觸式測量主要采用行走在軌道上的站臺限界測量小車和放置在站臺安全線以內的站臺限界測量儀。站臺限界測量小車雖然提高了作業效率和克服了人為誤差，但是，測量時間仍受限在夜間天窗點內。站臺限界測量儀直接放置在站臺上進行限界測量，不必占用夜間天窗點，可以在白天沒有列車停靠時進行實時測量，是一種最理想的測量方法，具有如下優勢：第一，測量時間不受限，可以實時進行測量；第二，無需上道，效率高且安全；第三，操作簡單，數據可靠。

對于非接觸式測量中的站臺限界測量儀，其核心技術之一就是如何尋找垂直斷面，這直接關系到限界測量點數據的準確性，本文就尋找垂直斷面提出了一種算法，可以快速準確得獲得測量點的垂直斷面。

1 站臺限界概念

站臺限界是站臺邊緣和線路中心線垂直的極限橫斷面輪廓，是任何情況下，任何除機車車輛之外的設備、建筑物不得入侵的區間。普鐵的站臺限界是在機車車輛限界的基礎上，采用增加各種可能因素安全余量的方法確定的；高鐵的站臺限界與普鐵的不同之處在于，考慮到了高速列車運行時空氣動力效應發生時所需要的安全余量。站臺限界尺寸不能過大，否則，會造成貨物裝卸和旅客上下車不便，同樣也不能過小，否則，會導致列車在行進過程中產生刮擦事故，十分危險。

站臺限界包括站臺豎高（縱向尺寸）和站臺軌心距（橫向尺寸），軌心距：以軌道面為測量基準，站臺側立面中最近點至軌道中垂面的距離；豎高：以軌面為測量基準，站臺頂面距邊緣中最高點距軌道平面的距離，如圖1所示。

圖1 “軌心距”和“豎高”示意圖

2 測量原理

非接觸式測量方式解決了接觸式測量存在的問題，是站臺限界測量技術的一種創新，給現場測量工作帶來了極大的便利。同時，非接觸測量方式也存在一定的技術難點，其中，垂直斷面的判定就是非接觸測量方式必要解決的難點之一，直接關系到測量數據是否有效。不同于接觸式測量可以通過工具直接找到測量點的垂直斷面，非接觸式測量不僅需要一定的硬件設備，而且還需借助數學模型算法進行推算。針對此難點，本文提出了一種判定垂直斷面的數學模型算法。

2.1 判定方法

為了在不接觸鋼軌的前提下，找準垂直于線路中心線的橫斷面，一般需要來回反復測量，直到測距儀與鋼軌間距最短時，此時，測距儀垂直于被測鋼軌，可以近似地認為測距儀垂直于線路中心線。在來回測量找到最短距離前，不得不反復確認每次測量的值，過程冗長效率低。為了提高測量的效率，不妨改進硬件測量方式，在測量原理上進行創新，建立一種數學模型進行快速推算，直接計算出垂直斷面的數據。

對于垂直斷面的判定方法，本文分為兩個方面進行探討，即直線段和曲線段。

2.1.1 直線段

將測距儀放置于測量點上，將測距儀旋轉一個角度對準本站臺的一根鋼軌，讀取測距儀到鋼軌的距離l1，角度編碼儀測得測距儀與初始位置的夾角 1α；再將測距儀旋轉一個角度對準同一根鋼軌，讀取測距儀到鋼軌的距離l2，角度編碼儀測得測距儀與初始位置的夾角2α。

直線段鋼軌近似平行于站臺邊緣，已知三角形兩邊及其夾角，可以求出任意邊長及其夾角，從而可以求得測量點距離鋼軌最短的點，即測量點垂直斷面。

2.1.2 曲線段

曲線段的算法與直線段的算法存在一定的差別，因為曲線段測量點對應鋼軌所在圓的切線，按照直線段計算出的垂直斷面與真實的垂直斷面存在一個夾角。

將測距儀放置于測量點上，將測距儀旋轉一個角度對準本站臺的一根鋼軌，讀取測距儀到鋼軌的距離l1，傾角傳感器測得測距儀與水平面的夾角 1α；將測距儀旋轉一個角度對準同一根鋼軌，讀取測距儀到鋼軌的距離l2，傾角傳感器測得測距儀與水平面的夾角2α；將測距儀旋轉一個角度對準同一根鋼軌，讀取測距儀到鋼軌的距離3l，傾角傳感器測得測距儀與水平面的夾角3α。

圖2

曲線段站臺測量點的垂直斷面為與對應曲線段的切線垂直方向并通過站臺上的測量點的斷面。通過鋼軌三個點確定一個圓，將此圓圓心與測距儀原點連線，此條線所在垂面即為該測點的垂直斷面。

2.2 計算方法

由于直線段與曲線段的判定方法的不同，所以其計算原理也不相同。

2.2.1 直線段

已知測距儀兩次讀數l1、l2，及測距儀的兩個旋轉角度1α和2α，如圖3，通過解三角形可以確定測距儀從初始位置開始旋轉角度α即為垂直斷面位置。

圖2 直線段垂直斷面判斷原理圖

其中：1l為線段AB的長度；l2為線段AC的長度；lBC為線段BC的長度；lAD為線段AD的長度；線段AE的方向為測距儀的初始檢測方向；線段AD的方向即為垂直斷面方向；

根據余弦定理可得：

2.2.2 曲線段

已知測距儀三次讀數L1、L2及L3，及測距儀的三個傾角α1、α2及α3，如圖4，首先計算出鋼軌三個點所確定的圓的圓心O坐標（x0，y0）及半徑r。

將測距儀所在原點A（0，0）與圓心0坐標（x0，y0）連線L，然后，與半徑r、L1（L2或L3）形成三角形，計算出L1與L的夾角α4，從而計算出測距儀從初始位置開始旋轉角度α即為垂直斷面位置。

圖3 曲線段垂直斷面判斷原理圖

其 中：AB=L1；AC=L2；AD=L3；AO=L；BO=r；AN為 測 距儀初始位置；AO為垂直斷面；HK為鋼軌測量點H處的切線。

3 硬件方案

垂直斷面的判定方法不僅要從數學模型算法角度去解決，還需從硬件方面進行設計，獲取數學模型算法計算所需的參數，最后，結合數學模型算法，從而快速準確找到垂直斷面。

垂直斷面判定的數學模型算法涉及測距儀到鋼軌測點的距離、測距儀與水平面的夾角、測距儀水平旋轉角度。為了獲取上述數據，需要的硬件包括旋轉電機、高精度激光測距傳感器、角度編碼儀、傾角儀。旋轉電機驅動高精度激光測距儀水平旋轉和垂直旋轉，高精度激光測距傳感器測量到鋼軌的距離，角度編碼儀測量測距儀水平旋轉角度，傾角儀測量測距儀與水平面的夾角。

圖4硬件組成示意圖

4 結語

站臺限界的測量工作對保證鐵路安全運輸、保障乘客的生命和財產安全，有著重要的積極作用。因此，提高站臺限界測量裝備的技術水平，有助于確保測量數據的準確性，通過不斷地對測量工具進行創新與改進，發現非接觸式測量是站臺限界測量的一種比較理想的方式，解決了以往測量方式存在的問題，尤其是本文提出的垂直斷面的判定方法有效地解決了非接觸式測量方式種的難點之一，為非接觸式測量的實現打下了堅實的基礎。不斷探討和研究站臺限界測控技術，提高測量數據的精度，累積測量經驗，為設備使用和維護提供可靠的分析依據，具有十分重要的意義。