CN115979232A - 基于统一里程体系的轨道交通精测精捣一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于统一里程体系的轨道交通精测精捣一体化方法，包括：建立精测控制网，为轨检仪和捣固车提供统一的大地坐标测量基准；基于精测控制网，通过轨检仪获取轨道中心线测量点的大地坐标和高程；根据所述大地坐标和高程拟合轨道中心线，以此建立大地坐标与里程的映射参考系；以拟合的轨道中心线为基准，根据获得的测量点的大地坐标计算对应的里程值，计算每个测量点到拟合线路的投影距离，修正获得的测量点的里程并计算其偏移量；基于定位装备对捣固车作业实时定位；通过定位控制终端实时计算捣固车前端偏差值并引导捣固车控制***进行作业。该方法降低了里程错位误差，降低了轨道质量指数，延长了轨道维护周期，降低了维护成本。

Description

基于统一里程体系的轨道交通精测精捣一体化方法

技术领域

本发明涉及铁路运营维护领域，尤其涉及一种基于统一里程体系的轨道交通精测精捣一体化方法。

背景技术

铁路有砟轨道的道砟颗粒是一种散体集料，随着铁路长期运营，会产生多向非等距位移，导致轨道几何线形逐渐恶化，影响铁路运行平稳性乃至运营安全。因此，需要对铁路轨道几何参数进行周期性的重新测量，并根据测量结果对轨道几何状态较差的区段进行捣固作业，从而改善轨道的平顺性，提高列车运营平稳性和安全性。

现有的有砟铁路精测精捣主要存在轨道检查仪的测量里程及捣固车走行测量里程两个体系不统一的问题。轨检仪采用的惯导测量并计算获得测量里程，捣固车采用车轴转数即里程计来获得测量里程，两种测量***原理不同，测量精度不同，误差会随着作业距离的增大而累积，尤其是捣固车采用的里程计***误差达1-2m/km，从而导致长距离作业情况下捣固车与轨检仪在同一位置记录的里程不一致，造成里程错位。由此导致捣固车在进行作业时，实际作业点的起拨道量与通过轨检仪测量数据拟合得出的预设起拨道量产生较大偏差，导致捣固效果不佳，轨道质量指数（简称TQI）改善不明显（统计结果平均在25%左右）。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于统一里程体系的轨道交通精捣精测一体化方法，能够将测量与捣固作业的里程体系进行统一，从而攻克现有精测精捣作业中普遍存在的难题。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种基于统一里程体系的轨道交通精测精捣一体化方法，包括以下步骤：

S1，通过建立精测控制网，为轨检仪和捣固车提供统一的大地坐标测量基准；

S2，基于所述精测控制网，通过所述轨检仪获取轨道中心线测量点的大地坐标和高程；

S3，根据步骤S2测得的大地坐标和高程拟合轨道中心线，并建立以拟合的轨道中心线为基准的大地坐标与里程的映射参考系；

S4，以步骤S3拟合的轨道中心线为基准，根据步骤S2获得的轨道中心线测量点的大地坐标计算该测量点对应的里程值，计算每个测量点到拟合线路的投影距离，修正步骤S2获得的轨道中心线测量点的里程并计算其偏移量；

S5，在所述捣固车上安装基于GNSS的定位装备，进行捣固车作业实时定位，所述定位装备包括GNSS卫星天线、GNSS定位接收机及GNSS定位控制终端；

S6，所述GNSS定位控制终端实时计算捣固车前端偏差值并引导捣固车控制***进行作业。

步骤S1中，所述精测控制网包括基础控制网和轨道控制网，所述基础控制网由间隔建立的多处CORS基准站组成，相邻CORS基准站之间的距离为15-20 km；所述CORS基准站联测原有控制网点或国家控制点，按照二等GNSS精度进行数据处理；所述轨道控制网由间隔建立的多处GNSS加密站组成，相邻GNSS加密站之间的距离为4-5 km。

步骤S2中，所述轨道中心线测量点有多个，相邻测量点的间距小于5m。

步骤S2中，每隔200-500m，通过GNSS定位装置对所述轨检仪进行定位约束。

所述步骤S3包括以下分步骤：

S31，根据步骤S2测得的大地坐标数据和高程，采用最小二乘法对轨道中心线的平纵断面进行拟合，获取线路平面曲线参数及纵断面坡长坡率数据；以拟合的线路平面曲线参数为基础，建立轨道中心线模型，形成轨道中心线上任一点的大地坐标与里程之间的映射关系；

S32，根据步骤S31建立的轨道中心线模型，确定测量点在轨道中心线上的投影点所属线形，其中为测量点的编号；将轨道中心线进行分组，每组线形由直线、前缓和曲线、圆曲线以及后缓和曲线共四段几何线形按顺序组成；所述四段几何线形的分界点分别为、、及，其中j为轨道中心线平面分组的编号；计算所述测量点与线形分界点形成的向量,通过轨道中心线平面模型获得每个分界点对应的切向量，计算两个向量点乘的结果M：

；

根据M值确定投影点所属线形：

；

S33，通过步骤S32确定每个测量点的投影点所在的线形后，根据直线、缓和曲线及圆曲线的参数方程，计算投影点的坐标：

其中，R为圆曲线半径，L为缓和曲线长度，为圆曲线圆心，k为直线的斜率，b为直线截距；

S34，根据步骤S31建立的轨道中心线模型计算出投影点对应的里程，以此形成测量点的大地坐标与里程的映射参考关系。

其中，所述线路平面曲线参数包括交点坐标、曲线半径及缓和曲线长度。

优选的是，步骤S5中，所述GNSS卫星天线布置在捣固车弦线***的前端，定位弦线起点位置；所述GNSS定位接收机布置在捣固车观测室，用于接收所述精测控制网提供的卫星定位数据，通过差分计算GNSS卫星天线的大地坐标并传递给所述GNSS定位控制终端。

所述步骤6包括以下分步骤：

S61，在捣固车作业前，将包含步骤S31获得的线路平面曲线参数、纵断面坡长坡率数据和步骤S4获得的测量点的里程值、平面偏差值和高程偏差值的数据文件通过U盘、WiFi或者蓝牙传递给GNSS定位控制终端；

S62，所述GNSS定位控制终端的线路计算模块通过步骤S3构建的大地坐标与里程的映射参考系，将步骤S5从GNSS定位接收机实时获取的GNSS天线的大地坐标换算成对应的线路里程，该里程为捣固车前端位置的里程；

S63，GNSS定位控制终端的计算模块根据步骤S62计算的捣固车前端位置的里程，参照步骤S61获得的数据文件中的每条记录对应的里程，通过插值计算获得捣固车弦线***前端的平面及高程的偏差值；

定位控制终端通过串口线向捣固车的PLC***实时传递前端偏差值数据，引导捣固机的弦线测量***控制起拨道机构进行作业。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1. 本发明通过拟合的轨道中心线作为大地坐标和里程的映射参考系并在捣固车上安装GNSS定位装置取代里程计，将测量和捣固作业两个体系下获得的大地坐标通过映射关系转化为里程值，从而将两个不同流程的里程***统一起来，即：将里程计产生的里程误差转移至GNSS***的定位误差，从而将里程错位误差从1-2m/km降低至0.02m，大大提高了施工精度；

2. 本发明采用坐标投影的计算方法，使产生的里程误差只与GNSS的定位误差有关，因此误差不会随着作业距离的增加而累积；

3. 本发明解决了作业点与测量点里程错位导致的捣固效果不佳的问题使作业后的轨道质量指数降低至40%左右（该指数是作为全面评价轨道不平顺性质量的唯一标准数据，是反映列车运营安全和舒适度的重要指标），从而延长了轨道维护周期，降低了维护成本。

附图说明

图1为本发明的铁路精测精捣一体化方法的流程图；

图2为本发明的实施例中两级精测网的布置方式示意图；

图3为本发明中测量点坐标与拟合轨道中心线之间的投影映射关系图；

图4为本发明中测量点偏差值的计算示意图；

图5为本发明中捣固车弦线***前端实时定位关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

以下以某铁路的实测数据为例，对本发明的基于统一里程体系的铁路精测精捣一体化方法进行详细说明。

参见图1，该方法包括以下步骤：

S1，建立精测控制网，为轨道检测仪（以下简称“轨检仪”）和捣固车提供统一的大地坐标测量基准。所述精测控制网包括基础控制网和轨道控制网。

如图2所示，沿铁路每20km建立一处CORS基准站（即连续运行参考站，（Continuously Operating Reference Stations）组成基础控制网，所述CORS基准站联测原有控制网点或国家控制点，按照二等GNSS精度进行数据处理。

每4-5km建立一处GNSS加密站，组成轨道控制网。通过采用四等卫星定位精度观测和数据处理，联测所述基础控制网，为轨检仪提供GNSS定位约束。

S2，基于所述精测控制网，通过轨检仪测量轨道的几何参数。

所述几何参数包括轨道中心线测量点的大地坐标数据（即东坐标、北坐标）及高程。优选的是，通过安装在轨检仪上的GNSS定位装置，每隔300m对轨检仪进行定位约束，以提高定位精度至平面20mm，高程15mm以内。

S3，根据步骤S2测得的轨道中心线测量点的大地坐标数据进行轨道中心线拟合，并以拟合的轨道中心线为基准，建立空间任一点的大地坐标与其里程的映射关系，即通过任一点向拟合的轨道中心线进行投影，以投影点的里程作为该点的里程，确保该点里程的唯一性。具体包括以下分步骤：

S31，根据步骤S2测得的大地坐标数据和高程，采用最小二乘法对轨道中心线的平纵断面进行拟合，获取线路平面曲线参数及纵断面坡长坡率数据。以拟合的平曲线参数（包括交点坐标、曲线半径、缓和曲线长度）为基础，建立轨道中心线模型。所述轨道中心线模型上任一点的坐标都有对应的里程值，能够实现轨道中心线上任一点的大地坐标与里程之间的换算，形成映射关系。

S32，如图3所示，根据步骤S31建立的轨道中心线模型，确定测量点在轨道中心线上的投影点所属线形，其中为测量点的编号。将轨道中心线进行分组，每组线形由直线、前缓和曲线、圆曲线以及后缓和曲线共四段几何线形按顺序组成。这四段几何线形的分界点分别为、、及，其中j为轨道中心线平面分组的编号。计算测量点与线形分界点形成的向量，通过轨道中心线平面模型可以获得每个分界点处对应的切向量，计算两个向量点乘的结果M：

 。

根据M值确定投影点所属线形：

 。

S33，通过步骤S32确定每个测量点的投影点所在的线形后，根据直线、缓和曲线（前缓和曲线和后缓和曲线）及圆曲线的参数方程，计算投影点的坐标：

其中，R为圆曲线半径，L为缓和曲线长度，为圆曲线圆心，k为直线的斜率，b为直线截距。

S34，根据步骤S31建立的轨道中心线模型计算出投影点对应的里程，以此形成测量点的大地坐标与里程的映射参考关系。

S4，以步骤S3拟合的轨道中心线为基准，修正S2获得的轨道中心线测量点的里程并计算偏差值。

如图4所示，以步骤S31拟合的轨道中心线为基准，根据步骤S2获得的测量点的大地坐标计算与该测量点对应的里程值，并计算每个测量点到拟合线路的投影距离，即偏差值，所述偏差值包括平面偏差值和高程偏差值。测得的数据如下表所示：

S5，在捣固车上安装基于GNSS的定位装备，进行捣固车作业实时定位。

所述基于GNSS的定位装备包括GNSS卫星天线、GNSS定位接收机及GNSS定位控制终端。GNSS定位的***误差在2cm以内。

如图5所示，在捣固车弦线***的前端位置安装GNSS卫星天线，GNSS定位接收机与步骤S1建立的精测控制网进行联控联测，通过GORS基站差分计算GNSS天线的大地坐标，并传递给GNSS定位控制终端用于确定捣固车前端位置。

S6，所述GNSS定位终端实时计算捣固车弦线***前端的偏差值，并引导捣固车控制***进行作业。具体如下：

S61，在捣固车作业前，将包含步骤S31获得的线路平面曲线参数、纵断面坡长坡率数据和步骤S4获得的测量点的里程值、平面偏差值和高程偏差值的数据文件通过U盘、WiFi或者蓝牙传递给GNSS定位控制终端。

 S62，所述GNSS定位控制终端的线路计算模块通过步骤S3构建的大地坐标与里程的映射参考系，将步骤S5从GNSS定位接收机实时获取的GNSS天线的大地坐标换算成对应的线路里程，该里程即为捣固车前端位置的里程。

S63，GNSS定位控制终端的计算模块根据步骤S62计算的捣固车前端位置的里程，参照步骤S61获得的数据文件中的每条记录对应的里程，通过插值计算获得捣固车弦线***前端的平面及高程的偏差值。

定位控制终端通过串口线向捣固车的PLC（可编程逻辑控制器）***实时传递前端偏差值数据，引导捣固机的弦线测量***控制起拨道机构进行作业。

Claims (8)

1.一种基于统一里程体系的轨道交通精测精捣一体化方法，包括以下步骤：

S1，通过建立精测控制网，为轨检仪和捣固车提供统一的大地坐标测量基准；

S2，基于所述精测控制网，通过所述轨检仪获取轨道中心线测量点的大地坐标和高程；

S3，根据步骤S2测得的大地坐标和高程拟合轨道中心线，并建立以拟合的轨道中心线为基准的大地坐标与里程的映射参考系；

S4，以步骤S3拟合的轨道中心线为基准，根据步骤S2获得的轨道中心线测量点的大地坐标计算该测量点对应的里程值，计算每个测量点到拟合线路的投影距离，修正步骤S2获得的轨道中心线测量点的里程并计算其偏移量；

S5，在所述捣固车上安装基于GNSS的定位装备，进行捣固车作业实时定位，所述定位装备包括GNSS卫星天线、GNSS定位接收机及GNSS定位控制终端；

S6，所述GNSS定位控制终端实时计算捣固车前端偏差值并引导捣固车控制***进行作业。

2. 根据权利要求1所述的基于统一里程体系的轨道交通精测精捣一体化方法，其特征在于：步骤S1中，所述精测控制网包括基础控制网和轨道控制网，所述基础控制网由间隔建立的多处CORS基准站组成，相邻CORS基准站之间的距离为15-20 km；所述CORS基准站联测原有控制网点或国家控制点，按照二等GNSS精度进行数据处理；所述轨道控制网由间隔建立的多处GNSS加密站组成，相邻GNSS加密站之间的距离为4-5 km。

3.根据权利要求1所述的基于统一里程体系的轨道交通精测精捣一体化方法，其特征在于：步骤S2中，所述轨道中心线测量点有多个，相邻测量点的间距小于5m。

4.根据权利要求1所述的基于统一里程体系的轨道交通精测精捣一体化方法，其特征在于：步骤S2中，每隔200-500m，通过GNSS定位装置对所述轨检仪进行定位约束。

5.根据权利要求1所述的基于统一里程体系的轨道交通精测精捣一体化方法，其特征在于，步骤S3包括以下分步骤：

S31，根据步骤S2测得的大地坐标数据和高程，采用最小二乘法对轨道中心线的平纵断面进行拟合，获取线路平面曲线参数及纵断面坡长坡率数据；以拟合的线路平面曲线参数为基础，建立轨道中心线模型，形成轨道中心线上任一点的大地坐标与里程之间的映射关系；

S32，根据步骤S31建立的轨道中心线模型，确定测量点在轨道中心线上的投影点所属线形，其中为测量点的编号；将轨道中心线进行分组，每组线形由直线、前缓和曲线、圆曲线以及后缓和曲线共四段几何线形按顺序组成；所述四段几何线形的分界点分别为、、及，其中j为轨道中心线平面分组的编号；计算所述测量点与线形分界点形成的向量,通过轨道中心线平面模型获得每个分界点对应的切向量，计算两个向量点乘的结果M：

；

根据M值确定投影点所属线形：

；

S33，通过步骤S32确定每个测量点的投影点所在的线形后，根据直线、缓和曲线及圆曲线的参数方程，计算投影点的坐标：

，

其中，R为圆曲线半径，L为缓和曲线长度，为圆曲线圆心，k为直线的斜率，b为直线截距；

S34，根据步骤S31建立的轨道中心线模型计算出投影点对应的里程，以此形成测量点的大地坐标与里程的映射参考关系。

6.根据权利要求5所述的基于统一里程体系的轨道交通精测精捣一体化方法，其特征在于：所述线路平面曲线参数包括交点坐标、曲线半径及缓和曲线长度。

7.根据权利要求1所述的基于统一里程体系的轨道交通精测精捣一体化方法，其特征在于：步骤S5中，所述GNSS卫星天线布置在捣固车弦线***的前端，定位弦线起点位置；所述GNSS定位接收机布置在捣固车观测室，用于接收所述精测控制网提供的卫星定位数据，通过差分计算GNSS卫星天线的大地坐标并传递给所述GNSS定位控制终端。

8.根据权利要求1所述的基于统一里程体系的轨道交通精测精捣一体化方法，其特征在于，步骤6包括以下分步骤：

S61，在捣固车作业前，将包含步骤S31获得的线路平面曲线参数、纵断面坡长坡率数据和步骤S4获得的测量点的里程值、平面偏差值和高程偏差值的数据文件传递给GNSS定位控制终端；

S62，所述GNSS定位控制终端的线路计算模块通过步骤S3构建的大地坐标与里程的映射参考系，将步骤S5从GNSS定位接收机实时获取的GNSS天线的大地坐标换算成对应的线路里程，该里程为捣固车前端位置的里程；

S63，GNSS定位控制终端的计算模块根据步骤S62计算的捣固车前端位置的里程，参照步骤S61获得的数据文件中的每条记录对应的里程，通过插值计算获得捣固车弦线***前端的平面及高程的偏差值；

定位控制终端通过串口线向捣固车的PLC***实时传递前端偏差值数据，引导捣固机的弦线测量***控制起拨道机构进行作业。

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