CN116007618B - 用于轨道交通隧道内轨道精测精捣作业的精准定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于轨道交通隧道内轨道精测精捣作业的精准定位方法，包括S1，在进行轨道精测精捣前，在隧道内部每根轨枕上表面的中心位置布设RFID定位标签；S2，通过集成有轨枕识别模块的轨检仪进行全线轨道精测数据采集；S3.轨枕中心精准识别；S4.线路中线三维坐标解算及线形拟合；S5.轨枕中心精准里程及三维坐标解算；S6.在首次布设RFID定位标签时，将S5获取的每根轨枕的信息档案写到轨枕对应的RFID定位标签中，然后执行S8；S7.在已布设RFID定位标签的情况下，对RFID定位标签中的轨枕档案信息进行更新，然后执行S8；S8.捣固车精准定位，逐枕精捣。该方法定位精度高、维护简单、稳定可靠。

Description

用于轨道交通隧道内轨道精测精捣作业的精准定位方法
技术领域
本发明涉及轨道精测精捣领域，具体涉及一种用于轨道交通隧道内轨道精测精捣作业的精准定位方法。
背景技术
由于轨道道床是散粒体结构，在运营过程中受到列车动荷载冲击、地基沉降等因素影响，导致线路实际线形容易偏离原来的设计线形，造成轨道不平顺，影响铁路运营安全和乘客舒适性。目前，各路局每年都需要投入巨资开展大量的轨道养护维修作业工作。一般先通过铁路轨道检查仪（下文简称“轨检仪”）进行轨道几何状态测量并设计轨道调整方案，然后再由捣固车对线路实施精捣作业，又称“精测精捣”。该技术目前存在以下问题：
1、隧道内部定位误差大，导致精测里程与精捣里程无法统一。在非隧道段落，轨检仪和捣固车可通过GNSS定位技术实现高精度定位实现里程统一。但是在隧道内部没有GNSS信号，无法使用GNSS定位。目前轨检仪在隧道内部一般通过“全站仪+惯导+里程编码计”多源信息组合导航技术组合导航技术进行里程定位和轨道坐标测量，定位精度可满足相关规范要求。轨道坐标测量成果通过轨道几何线形拟合，建立以拟合的轨道平面中心线为基准的平面坐标与里程的映射参考系，通过该映射计算测量轨道坐标对应的里程即为精测里程，误差很小；轨道坐标测量成果通过线形拟合处理后生成的里程（精测里程）为坐标反算的理论里程，误差很小；捣固车在隧道内部只能以现场里程标志为起算点，通过里程编码计进行里程定位，该方法使用里程起算点和精测里程不匹配，且捣固车里程编码计精度不高，存在误差累计。轨检仪和捣固车定位方法的不同导致了精测里程与精捣里程在里程体系不统一、造成同一位置的两种里程错位。使捣固车作业点起拨道量错位而导致的轨道质量指数改善效果不佳，降低了精捣效能。
2、捣固作业不够精细。捣固车作业需要对每根轨枕进行逐一调整，但在设计轨道调整方案时，由于无法知道每根轨枕的里程，所以无法计算每根轨枕的调整量，捣固车作业时所有轨枕的调整量均通过内插计算得到，缺乏精准性。
发明内容
为解决运营普速铁路隧道内部轨道养护维修过程中捣固车里程定位精度差、累积误差大、与精测里程基准不统一等问题，提高轨道精测精捣效能，本发明提供一种用于轨道交通隧道内轨道精测精捣作业的精准定位方法。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种用于轨道交通隧道内轨道精测精捣作业的精准定位方法，其特征在于包括以下步骤：
S1，在进行轨道精测精捣前，在隧道内部每根轨枕上表面的中心位置布设RFID定位标签；
S2，通过集成有轨枕识别模块的轨检仪进行全线轨道精测数据采集：
所述轨枕识别模块安装在轨检仪车体底部的中间位置；所述轨枕识别模块集成有RFID读卡器和激光位移传感器且二者垂直轨检仪车体横梁向下；所述RFID读卡器用于识别轨枕上的RFID定位标签，所述激光位移传感器用于测量轨枕识别模块与轨枕的垂直距离；所述RFID读卡器和激光位移传感器由轨检仪的时间同步控制***进行同步授时；
所述全线轨道精测数据包括RFID标签识别数据、激光测距数据、惯导测量数据、全站仪测量数据和里程计数据；
S3. 轨枕中心精准识别：
将S2得到的RFID标签识别数据和激光测距数据进行联合解算，由RFID标签识别数据进行轨枕粗略定位，再基于激光测距数据和轨枕设计模型进行轨枕面的配准和提取，实现轨枕中心的精准定位；定位结果为轨枕识别模块的激光位移传感器经过轨枕
Figure SMS_1
中心时的测量时间/>
Figure SMS_2
；
S4. 线路中线三维坐标解算及线形拟合：
将S2得到的惯导测量数据、全站仪测量数据和里程计数据进行联合解算，按照惯导采样间隔计算线路中线点坐标成果
Figure SMS_3
（/>
Figure SMS_4
），其中/>
Figure SMS_5
为线路中线点对应的时间，/>
Figure SMS_6
为线路中线点的北坐标，/>
Figure SMS_7
为线路中线点的东坐标，/>
Figure SMS_8
为线路中线点的正常高；同时基于线路中线点坐标成果进行轨道线形拟合，得到线路曲线参数；
S5. 轨枕中心精准里程及三维坐标解算，包括：
S51，将S3中所述测量时间
Figure SMS_9
在S4的线路中线点坐标成果的时间维数据中进行遍历，通过近似取值或内插计算获取每根轨枕中心的三维坐标/>
Figure SMS_10
（/>
Figure SMS_11
）；
S52，基于轨枕中心三维坐标
Figure SMS_12
（/>
Figure SMS_13
）和S4得到的线路曲线参数，计算轨枕中心的精确里程/>
Figure SMS_14
和五大桩属性/>
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；将轨枕编号为/>
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；
S53，将以上数据录入RFID定位标签的轨枕档案信息
Figure SMS_17
)；
S54，基于所述线路曲线参数和全线轨道精测数据，计算每根轨枕中心里程的调整量
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（/>
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），其中/>
Figure SMS_20
代表轨道中心里程，/>
Figure SMS_21
代表该里程处拨道量，/>
Figure SMS_22
代表该里程处抬道量；
S55，检查每根轨枕上扣件的调高垫板厚度Di，并录入RFID定位标签的轨枕档案信息
Figure SMS_23
)；
S6.在轨枕首次布设RFID定位标签的情况下，将S5获取的每根轨枕的信息档案
Figure SMS_24
)通过RFID编程器写到轨枕对应的RFID定位标签中，然后执行S8；
S7.在已布设RFID定位标签的情况下，对RFID定位标签中的轨枕档案信息进行更新，然后执行S8；
S8. 捣固车精准定位，逐枕精捣，包括：
S81，通过所述RFID读卡器实时读取S5所述轨枕上RFID定位标签信息档案中的数据
Figure SMS_25
，将所述数据实时传输给捣固车控制***；
S82，捣固车在捣固作业过程中，通过当前轨枕里程
Figure SMS_26
对捣固车里程***进行里程修正；
S83，捣固车在捣固作业过程中，根据S5中所述的每根轨枕的调整量
Figure SMS_27
（/>
Figure SMS_28
）进行逐枕调整。
步骤S1中所述RFID定位标签为水泥电子标签，所述水泥电子标签通过强力胶与轨枕面贴合，并通过少量水泥将其覆盖，保证芯片的可读写性和防护能力。
步骤S2中所述RFID读卡器的有效识别距离不小于50cm；所述激光位移传感器的测量频率不小于100Hz。
步骤S5中所述五大桩包括直缓点、缓圆点、曲中点、圆缓点和缓直点。
步骤S7的具体方法是：基于轨检仪的精测数据，通过S3、S4、S5重新计算每根轨枕的中心里程；对于精测里程与RIFD标签里程差值大于20cm的段落，通过RIFD编程器对轨枕上的RFID定位标签进行里程数据更新。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明大大提高了隧道内捣固车里程定位精度，消除了捣固车里程定位误差累计，实现隧道内捣固车定位精度优于5cm。现有捣固车里程定位误差一般为1/1000（每公里误差1m），因此本发明使捣固车每公里定位精度大大提高。
（2）本发明消除了轨检仪精测里程和捣固车精捣里程的***误差，形成统一的里程基准，保证了捣固车捣固作业与轨检仪精测作业的作业点一一对应，完全消除了现有技术中因作业点不对应所导致的起拨道量错位，明显提高了精测精捣效能。
（3）本发明提高了捣固车隧道内定位效率，降低了隧道内定位成本。现有技术下，隧道内没有用于里程定位的控制基准，捣固车里程定位时，为控制误差，需要每隔一定距离用全站仪基于隧道导线网放样一个里程点进行里程约束，降低了精捣效率，提高了测量成本。RFID定位标签布设后，捣固车定位无需全站仪辅助，提高了效率并降低了成本。RFID定位标签成本低（一般为0.5元/个，1公里隧道的布设成本约1700元）、坚固耐用、维护简单、稳定可靠，可为后续的精测精捣作业持续提供精确的里程定位基准。
（4）本发明的方法可提高轨检仪对轨枕的识别精度，有利于“逐枕精调”的轨道调整方案设计和“逐枕捣鼓”的精细化捣固作业。
（5）本发明适用性强，主要适用于隧道内部无GNSS信号环境下的精测精捣作业，同时也可用于桥梁、路基、站场等有GNSS信号环境下的精测精捣作业。
附图说明
图1为本发明的用于运营普速铁路隧道轨道精测精捣作业的精准定位方法的流程图；
图2为RFID定位标签在轨枕上的布设示意图；
图3为基于轨枕识别数据实现轨枕中心定位示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的精密定位方法进行详细说明。
本发明的用于轨道交通隧道内轨道精测精捣作业的精准定位方法通过在隧道内部轨枕上布设RFID定位标签来写入精测里程；轨检仪可在轨道精测过程中通过RFID定位标签更精准地获取轨枕中心里程，有利于“逐枕精调”的轨道调整方案设计，使精测精捣更加精细化；捣固车作业时可通过RFID定位标签进行精捣里程的实时修正，实现精捣作业时精捣里程和精测里程的统一，消除捣固车里程定位累计误差，提高捣固车里程定位精度，最终达到提高捣固车作业效能的目的。
如图1所示，该方法包含以下步骤，
S1. RFID定位标签布设：
（1）在隧道内部每根轨枕上布设RFID定位标签，标签布设位置一般位于轨枕上表面中心位置，如图2所示。标签布设位置可通过方尺进行现场量测，误差不超过2cm。所述RFID定位标签可以采用水泥电子标签。
（2）通过强力胶，如地板胶、结构胶等，将RFID定位标签与轨枕面贴合，并通过少量水泥将其覆盖，保证芯片的可读写性和防护能力。RFID定位标签一次性布设完成后可用于多期轨道精测精捣作业。
S2.通过集成有轨枕识别模块的轨检仪进行全线轨道精测数据采集：
将轨枕识别模块集成于轨检仪上，具体设置在轨检仪车体底部的中间位置。所述轨枕识别模块集成了RFID读卡器和激光位移传感器，RFID读卡器用于识别轨枕上的RFID定位标签，有效识别距离不小于50cm；激光位移传感器主要用于测量轨枕识别模块与轨枕的垂直距离，测量频率不小于100Hz。
通过标定场精确标定出轨枕识别模块与轨检仪中心的相对位置△X, △Y, △Z，并确保轨枕识别模块中的RFID读卡器和激光位移传感器垂直轨检仪车体横梁向下。
以隧道导线控制网为测量基准，轨检仪通过“惯导+全站仪+里程计”的绝对测量模式在隧道内部进行线路精测，采集惯导测量数据、全站仪测量数据和里程计数据，轨枕识别模块同步采集轨枕识别数据。
所述RFID读卡器和激光位移传感器由轨检仪的时间同步控制***进行同步授时。时间同步控制***通过485/232串口向轨枕识别模块的工控机发送PPS秒脉冲信号+GPZDA/GPGGA时间数据包，再由轨枕识别模块的工控机通过串口转发给RFID读卡器和激光位移传感器。RFID读卡器和激光位移传感器在接到PPS秒脉冲信号+GPZDA/GPGGA时间数据包后，其输出的每帧数据（16进制）的时间字段中自动写入当前时间，精确到毫秒，从而实现轨枕识别模块测量的数据与轨检仪各传感器测量数据的时间同步。得到时间同步后的RFID标签识别数据和激光测距数据。
采集的全线轨道精测数据包括轨枕识别数据（RFID标签识别数据和激光测距数据）、惯导测量数据、全站仪测量数据以及里程计数据。
S3.轨枕中心精准识别，具体如下：
（1）遍历S2得到的RFID标签识别数据，筛选连续返回RFID定位芯片值的时间数据，其对应的时间即为轨检仪经过该轨枕的时间范围{
Figure SMS_29
}。进行时间筛选的目的是为了过滤非轨枕区域的激光测距数据，提高轨枕中心识别的效率和精度；
（2）将所述激光位移传感器测量时间位于{
Figure SMS_30
}的测距数据筛选出来，建立测距-时间二维曲线，并基于轨枕横截面设计资料进行轨枕面的配准和提取，确定轨枕中心的测量时间/>
Figure SMS_31
，如图3所示。
S4.线路中线三维坐标解算及线形拟合：
（1）线路中线三维坐标计算。将S2得到的轨检仪的惯导测量数据、全站仪测量数据、里程计数据进行联合解算，按照惯导采样间隔计算线路中线点坐标成果
Figure SMS_32
，其中/>
Figure SMS_33
为线路中线点对应的时间，/>
Figure SMS_34
为线路中线点的北坐标，/>
Figure SMS_35
为线路中线点的东坐标，/>
Figure SMS_36
为线路中线点的正常高。
（2）以线路中线点坐标成果
Figure SMS_37
（/>
Figure SMS_38
）为输入数据，通过线路平纵断面拟合，得到线路曲线参数。
S5. 轨枕中心精准里程及三维坐标解算：
（1）将S3中确定的轨枕中心测量时间
Figure SMS_39
在S4的线路中线点坐标成果的时间维数据中进行遍历，通过临近取值计算或内插计算获取每根轨枕中心的三维坐标/>
Figure SMS_40
。
当采用临近取值计算时，在线线路中线点坐标成果的时间维数据中检索与所述轨枕中心测量时间
Figure SMS_41
最近的时间/>
Figure SMS_42
，通过公式（1）获取轨枕中心坐标/>
Figure SMS_43
（/>
Figure SMS_44
）：
Figure SMS_45
（1）
当采用内插计算时，在线路中线点三维坐标的时间维数据中检索轨枕中心测量时间
Figure SMS_46
的前后时间/>
Figure SMS_47
，通过公式（2）获取轨枕中心坐标/>
Figure SMS_48
（/>
Figure SMS_49
）：
Figure SMS_50
（2）
其中，Nn、Nm分别为Tn和Tm时刻的北坐标；En、Em分别为Tn和Tm时刻的东坐标； Hn、Hm分别为Tn和Tm时刻的高程。
（2）基于轨枕中心三维坐标
Figure SMS_51
和S4得到的线路曲线参数，采用坐标正反算方法计算轨枕中心的精确里程/>
Figure SMS_52
。将与曲线五大桩（直缓点，缓圆点，曲中点，圆缓点，缓直点）里程最近的轨枕赋值五大桩属性值/>
Figure SMS_53
。并对轨枕按照相关规则编号为/>
Figure SMS_54
，一般以“里程+编号”的规则命名轨枕编号，如“311S0002”，“311”表示里程在311公里处，“S”表示上行线，“0002”表示第二号轨枕。
（3）将以上数据录入RFID定位标签的轨枕档案信息
Figure SMS_55
)。
（4）基于所述线路曲线参数和轨道测量数据，计算每根轨枕中心里程的调整量
Figure SMS_56
（
Figure SMS_57
），用于捣固车逐枕捣固作业。其中/>
Figure SMS_58
代表轨道中心里程，/>
Figure SMS_59
代表该里程处的拨道量，/>
Figure SMS_60
代表该里程处的抬道量。
（5）检查每根轨枕上扣件的调高垫板厚度Di，并录入RFID定位标签的轨枕档案信息
Figure SMS_61
)；
S6. 将S5得到的轨枕档案信息写入所述RFID定位标签。在首次布设RFID定位标签的情况下，需要先将S5中获取的每根轨枕的档案信息
Figure SMS_62
)通过RFID编程器写到轨枕对应的RFID定位标签中。然后执行S8。
S7. RFID定位标签更新轨枕档案信息。对于已布设RFID定位标签的情况下，如果轨道线形变化，有可能会导致轨枕中心的里程变化，此时就需要对RFID定位标签中的轨枕档案信息进行更新，更新方法如下：
（1）通过集成了轨枕识别模块的轨检仪进行轨道精测，通过S3、S4、S5获取轨枕中心新的精测里程；
（2）对于精测里程与RIFD标签里程差值大于20cm的段落，通过RIFD编程器对轨枕上的RFID定位标签进行里程数据更新；
（3）执行S8。
S8.捣固车精准定位，逐枕精捣：
（1）在捣固车的D点位置的底部安装一个RFID读卡器，用于读取S1中所述的RFID定位标签，有效识别距离不小于50cm。每次捣固车精捣作业时，通过所述RFID读卡器实时读取通过S5录入轨枕上的RFID定位标签中的轨枕档案信息
Figure SMS_63
)，将该数据通过串口或以太网的方式实时传输给捣固车控制***。
（2）捣固车在捣固作业过程中，可通过当前轨枕里程
Figure SMS_64
对捣固车里程***进行里程修正。该步骤可保证捣固车作业里程与轨道调整方案里程一致，且消除了捣固车的误差累计，精度优于5cm。
（3）捣固车在捣固作业过程中，根据S5中每根轨枕的调整量
Figure SMS_65
进行逐枕调整，此处抬道量/>
Figure SMS_66
为消除调高垫板误差的轨道调整量。
本发明适用性强，主要适用于隧道内部无GNSS信号环境下的精测精捣作业，同时也可用于桥梁、路基、站场等有GNSS信号环境下的精测精捣作业。

Claims (5)

1.一种用于轨道交通隧道内轨道精测精捣作业的精准定位方法，其特征在于包括以下步骤：
S1，在进行轨道精测精捣前，在隧道内部每根轨枕上表面的中心位置布设RFID定位标签；
S2，通过集成有轨枕识别模块的轨检仪进行全线轨道精测数据采集：
所述轨枕识别模块安装在轨检仪车体底部的中间位置；所述轨枕识别模块集成有RFID读卡器和激光位移传感器且二者垂直轨检仪车体横梁向下；所述RFID读卡器用于识别轨枕上的RFID定位标签，所述激光位移传感器用于测量轨枕识别模块与轨枕的垂直距离；所述RFID读卡器和激光位移传感器由轨检仪的时间同步控制***进行同步授时；
所述全线轨道精测数据包括RFID标签识别数据、激光测距数据、惯导测量数据、全站仪测量数据和里程计数据；
S3. 轨枕中心精准识别：
将S2得到的RFID标签识别数据和激光测距数据进行联合解算，由RFID标签识别数据进行轨枕粗略定位，再基于激光测距数据和轨枕设计模型进行轨枕面的配准和提取，实现轨枕中心的精准定位；定位结果为轨枕识别模块的激光位移传感器经过轨枕
Figure QLYQS_1
中心时的测量时间/>
Figure QLYQS_2
；
S4. 线路中线三维坐标解算及线形拟合：
将S2得到的惯导测量数据、全站仪测量数据和里程计数据进行联合解算，按照惯导采样间隔计算线路中线点坐标成果
Figure QLYQS_3
（/>
Figure QLYQS_4
），其中/>
Figure QLYQS_5
为线路中线点对应的时间，/>
Figure QLYQS_6
为线路中线点的北坐标，/>
Figure QLYQS_7
为线路中线点的东坐标，/>
Figure QLYQS_8
为线路中线点的正常高；同时基于线路中线点坐标成果进行轨道线形拟合，得到线路曲线参数；
S5. 轨枕中心精准里程及三维坐标解算，包括：
S51，将S3中所述测量时间
Figure QLYQS_9
在S4的线路中线点坐标成果的时间维数据中进行遍历，通过近似取值或内插计算获取每根轨枕中心的三维坐标/>
Figure QLYQS_10
（/>
Figure QLYQS_11
）；
S52，基于轨枕中心三维坐标
Figure QLYQS_12
（/>
Figure QLYQS_13
）和S4得到的线路曲线参数，计算轨枕中心的精确里程/>
Figure QLYQS_14
和五大桩属性/>
Figure QLYQS_15
；将轨枕编号为/>
Figure QLYQS_16
；
S53，将以上数据录入RFID定位标签的轨枕档案信息
Figure QLYQS_17
)；
S54，基于所述线路曲线参数和全线轨道精测数据，计算每根轨枕中心里程的调整量
Figure QLYQS_18
（
Figure QLYQS_19
），其中/>
Figure QLYQS_20
代表轨道中心里程，/>
Figure QLYQS_21
代表该里程处拨道量，/>
Figure QLYQS_22
代表该里程处抬道量；
S55，检查每根轨枕上扣件的调高垫板厚度Di，并录入RFID定位标签的轨枕档案信息
Figure QLYQS_23
；
S6.在轨枕首次布设RFID定位标签的情况下，将S5获取的每根轨枕的信息档案
Figure QLYQS_24
)通过RFID编程器写到轨枕对应的RFID定位标签中，然后执行S8；
S7.在已布设RFID定位标签的情况下，对RFID定位标签中的轨枕档案信息进行更新，然后执行S8；
S8. 捣固车精准定位，逐枕精捣，包括：
S81，通过所述RFID读卡器实时读取S5所述轨枕上RFID定位标签信息档案中的数据
Figure QLYQS_25
，将所述数据实时传输给捣固车控制***；
S82，捣固车在捣固作业过程中，通过当前轨枕里程
Figure QLYQS_26
对捣固车里程***进行里程修正；
S83，捣固车在捣固作业过程中，根据S5中所述的每根轨枕的调整量
Figure QLYQS_27
进行逐枕调整。
2.根据权利要求1所述的用于轨道交通隧道内轨道精测精捣作业的精准定位方法，其特征在于：步骤S1中所述RFID定位标签为水泥电子标签，所述水泥电子标签通过强力胶与轨枕面贴合，并通过少量水泥将其覆盖，保证芯片的可读写性和防护能力。
3.根据权利要求1所述的用于轨道交通隧道内轨道精测精捣作业的精准定位方法，其特征在于：步骤S2中所述RFID读卡器的有效识别距离不小于50cm；所述激光位移传感器的测量频率不小于100Hz。
4.根据权利要求1所述的用于轨道交通隧道内轨道精测精捣作业的精准定位方法，其特征在于：步骤S5中所述五大桩包括直缓点、缓圆点、曲中点、圆缓点和缓直点。
5.根据权利要求1所述的用于轨道交通隧道内轨道精测精捣作业的精准定位方法，其特征在于，步骤S7的具体方法是：基于轨检仪的精测数据，通过S3、S4、S5重新计算每根轨枕的中心里程；对于精测里程与RIFD标签里程差值大于20cm的段落，通过RIFD编程器对轨枕上的RFID定位标签进行里程数据更新。
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