站臺限界激光測量儀的研究

趙海琛 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

隨著線路的長期運營，軌道線路和站臺會發生不同程度的沉降，從而導致站臺限界尺寸發生變化。過大的變化會造成旅客踩空或車體擦刮，威脅旅客和行車安全。按照鐵路總公司站臺限界管理相關辦法要求和《上海鐵路局高速鐵路房建設備限界管理辦法》（SHG/FS113—2015）規定，各房建部門要對管內站臺限界實行動態管理，定期檢測，全面、及時掌握站臺限界的動態變化情況，站臺限界檢測任務日益繁重；同時，我國鐵路標準《鐵路建筑實際限界測量和數據格式》（TB/T 3308-2013）對站臺限界尺寸測量精度提出了更高的技術要求。

統計截至2020 年7 月，上海局集團公司管轄車站共258個，其中，高鐵車站137個，普速車站68個，混合車站42個，待營業車站11個。為做好應對日益繁重的站臺限界檢測工作，亟需研制出適應各種作業檢查條件、精度高、攜帶輕便的站臺限界測量儀器，在提質增效的同時還要降低經濟成本。

1 儀器結構

測量儀器名稱為站臺限界激光測量儀，其結構圖如圖1所示。其中，1為高精度編碼器，2為激光測距器，3為控制器。高精度編碼器為16位編碼器，可選型號為BL28-R，精度在±1"。激光測距器為可選型號為sick 的DL50 Hi 測距傳感器，具有抗鏡面反射干擾功能，1 m 左右測量距離內的測量誤差為±2 mm。控制器包括控制板、電池、存儲器、數據導入導出接口以及顯示器等部件。

圖1中，（a）和（b）為站臺限界激光測量儀的收起狀態，收起時長度為1 270 mm，架儀器的最大寬度為580 mm；（c）和（d）為工作狀態，完全展開時可延展長達至2 078 mm。工作時，將站臺限界激光測量儀打開，并將輪座分別卡在兩根鐵軌上。輪座由承重輪和導向輪組成。伸長站臺限界激光測量儀的支撐架，將激光器高度調整到超過站臺面的任意位置，然后鎖緊支撐的活動關節。

2 測量原理

站臺限界激光測量儀測量原理如圖2所示。工作狀態下的激光測距器位于圖2 的O 點。O 點應位于高于站臺平面的l1。將激光對準輪架上的標定點，儀器記錄此時的編碼器角度，并以此設為0方向，建立極坐標系，獲得P1（p1，0）坐標。同理，可以獲得 P2(p2cosθ2，p2sinθ2)的坐標。根據 P1和 P2的坐標可以計算出軌距d。

其中，m為軌道的寬度。不同規格軌道寬度可參考表1。

表1 鐵路鋼軌尺寸規格

又已知P1和P2的極坐標，可以計算出P1和P2連線的直角坐標直線方程。直角坐標與極坐標的原點相同，x 軸與極軸方向相同。經計算，方程為公式（2）。然后不難得到經過P1點與方程（2）所在直線垂直的直線L2方程，即方程（3）。

其中，X=p3cosθ3，y=p3sinθ3。

圖2 測量原理示意圖

用激光掃描采樣站臺數據，可獲得每個數據采集點的極坐標數據，進而確定其空間坐標。計算每個點的坐標分別與方程（2）和（3）代表直線方程的距離，可以篩選出最小橫距lmin和最大hmax，即測量結果的橫距和豎高值。計算公式如下。

其中，n 為輪座標定點補償高度（見圖3）。這是因為在實際設備結構中，測量點和實際軌面高度存在高差，補償高度是由標定點到測量輪的垂直高度，即標定點到軌面下16 mm處平面的垂直距離。

圖3 標定點補償長度示意

3 電路系統

編碼器采集數據之后，傳輸到微控制器中，經過處理計算出測量結果。測量結果顯示在顯示屏上，并在存儲器中存儲。數據也可以通過USB 取走，在信息管理系統中進一步分析和保存。電子電路系統示意圖見圖4。數據信息最終可以導入信息管理系統進行存儲和分析。

圖4 電子電路系統圖

4 分析與評估

站臺限界激光測量儀與傳統的測量方式不同，測量前先定標建立基準坐標系，在進行測量，最后通過計算測量數據得出站臺限界結果。此外，儀器在便攜性、重量、精度、經濟效益等方面還表現出不同程度的優勢。

乙組40例患者應用紫杉醇聯合順鉑治療，即給予患者靜脈滴注135 mg/m2紫杉醇+25mg/m2順鉑。

4.1 便攜性對比

如圖5 所示，對三種站臺限界測量設備的外形尺寸進行對比。其中a 為站臺限界測量小車，b 為站臺限界激光測量儀，c為站臺限界測量尺。

圖5 站臺限界檢測設備外形尺寸對比

從圖5 中可以看出，站臺限界測量小車具有最大的外形尺寸，側寬為550 mm，尺寸大約是其他兩個儀器的三倍，而站臺限界激光測量儀和站臺限界測量尺側寬相差不大。

高度方面，站臺限界測量小車高1 500 mm， 站臺限界測量尺收起高度為1 370 mm，尺寸最小的是站臺限界激光測量儀，收起高度為1 270 mm。

橫寬方面，站臺限界測量小車為1 610 mm， 站臺限界激光測量儀為580 mm，站臺限界測量尺為170 mm。

總體來說，站臺限界測量小車的外形尺寸明顯大于其他兩個產品。而站臺限界激光測量儀在收起之后，和收起狀態的站臺限界測量尺在外形尺寸方面相差不大，具有同程度的便攜性。

4.2 重量估算

通過計算機建模計算，分別統計了以下主要零部件的重量，詳見表2。

表2 站臺限界激光測量儀各部件重量估算表

4.3 誤差分析

對于站臺限界檢測設備來說，誤差的來源有以下四個環節，分別是累積誤差，測量誤差，結構形變誤差以及人工操作誤差。常規的測量儀器均包含以上四個環節的誤差。但對于站臺限界激光測量儀來說，由于儀器在每次使用前都會在現場建基定標，這樣能起到“復位”作用，避免累積誤差的形成。另外，測量時儀器的激光測距器處在任意位置都不影響測量結果的精度，這就使儀器支架隨時間或者外力作用而發生的形變不再對測量精度造成影響。以上兩點是站臺限界激光測量儀測量原理的最大優勢。

由于誤差環節的減少，站臺限界激光測量儀具有更好的精度穩定性，不會隨使用時間延長而出現精度降低的問題，這就免去后期的維護和定期標定工作，大大降低了財力和時間成本。站臺限界激光測量儀的精度基本由激光測距器決定，隨著激光測距技術的發展，站臺限界激光測量儀的測量和定標精度也會隨之上升，未來會具有更加明顯的性能優勢。

4.4 經濟效益分析

就目前主流的測量儀器而言，站臺限界測量尺存在無法測量軌距的問題，而且只能進行單點測量，每測量一次都需要兩個人配合完成測量，測量效率一般。站臺限界測量小車由于車體過于龐大笨重，需要至少四個人才能完成搬運。且造價和維護成本都很高，難以在現場實際中推廣使用。

站臺限界激光測量儀體型小，重量輕，造價低，僅需一人即可完成測量工作，測量人工成本為站臺限界測量尺的1/2，站臺限界測量小車的1/4。此外，由于站臺限界激光測量儀無需后期定期返廠標定，能節約大量的維護成本和時間成本。

5 結束語

站臺限界激光測量儀重量輕，可便攜式折疊攜帶，使用簡單，能對任何高度的站臺進行限界測量，滿足現場檢測人員的實際作業需求。同時，該產品通過測量方式創新，解決了定位和重復性測量的問題，減少了誤差環節，提高了測量精度。該站臺限界激光測量儀可在我集團公司土房、工務、建設部門以及城市軌道交通推廣應用。