（电力系统及其自动化专业论文）地铁限界检测系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第fi 页 a b s tr a c t b a s e do nt h ea n a l y s i so fp r a c t i c ea n de x p e r i e n c eo fm e t r og a u g ed e t e c t i o n ，t h i s p a p e rp r e s e n t sam e t r og a u g ed e t e c t i n gs y s t e mo fu s i n gl m s i ti sc o n s i d e r e d h a r d w a r e s o f t w a r ed e s i g no ft h ed e t e c t i o ns y s t e m ，d a t at r a n s m i s s i o na n dr e s u l t a n a l y s i si nt h ep a p e r l m sa n dc o m p u t e ra r et h ec o r eo fm e t r og a u g em e a s u r e m e n t s y s t e m ，t h ef o r m e rp e r f o r m sd a t aa c q u i s i t i o n ，t h el a t t e rc o n t r o l st h ew h o l ed e t e c t i o n s y s t e m ，p r o c e s s e ss c a n n i n gd a t aa n dd i s p l a y si n f o r m a t i o n ，a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n i sr e a l i z e dv i ar s 2 3 2 cb u sb e t w e e nt h et w od e v i c e s s o f t w a r ei se s t a b l i s h e dt o c o m p u t ea n dp r o c e s st h es c a n n i n gd a t aw i t ht h ec o m p u t e r t h es o f t w a r eh a sb e e n d e v e l o p e dw i t hb o r l a n dc + + b u i l d e r s t u d yo nc o m b i n a t i o no fs c a n n i n g d a t aa n d o r i g i n a ld a t a , r e a l t i m ed i s p l a ym e a s u r e m e n tf i g u r ea n do r i g i n a lf i g u r e ，m e a n w h i l e j u d g ew h e t h e ro rn o t o u to fm e t r og a u g e t h er e s u l ta n a l y s i s o fm e t r og a u g e m e a s u r e m e n ti n c l u d e s c o m p a r i n gw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s a n d p l o t t i n g m e a s u r e m e n tc u r v e b a s e do na n a l y s i so fm e a s u r e m e n te r r o r , t h r e em e t h o d so f i m p r o v i n gm e a s u r e m e n tp r e c i s i o na r ep r o v i d e d t h em e a s u r e m e n tf u n d a m e n t a l s ，t h eh a r d w a r e ，t h ei n s p e c t i o ns o f t w a r e ，t h ep l a n f o ri m p r o v i n ga c c u r a c yo fm e t r og a u g em e a s u r e m e n ts y s t e mi si l l u s t r a t e di nd e t a i li n t h et h e s i s a f t e rr u n n i n go nt h es i t e ，t h es y s t e mi sp r o v e dt ob er a t i o n a la n df e a s i b l e i np r a c t i c e a tt h ee n do ft h i s p a p e r , i tp o i n t s t h es y s t e m sd i s a d v a n t a g e st h a tc a nb e i m p r o v e da n dp r o s p e c t st h ef u r t h e rr e s e a r c ho f t h et o p i c k e yw o r d ：m e t r og a u g e ；d e t e c t i o n ；l a s e rm e a s u r e m e n ts y s t e m 西南交通大学学位论文使用授权书 三，即可确定距离l 。但由 于测相系统存在测相误差，增大l 。会使测距误差增大。 为能实现长距离高精度测量，可同时使用三。不同的几把光尺。最短的尺用 于保证必要的测距精度，最长的尺用于保证测距仪的量程。目前，采用的测距 技术主要有直接测尺频率和间接测尺频率两种。 1 直接测尺频率 由测尺量度t 可得光尺的调制频率z = 厂，这种方法所选的测尺频率z 。一s 直接和测尺的长度三。相对应，即测尺长度直接由测尺频率决定，所以这种方式 称为直接测尺频率方式。 2 间接测尺频率 在实际测量中，由于测程要求较大，大都采用间接测尺频率方式。若分别 用两个频率z 。和f ：调制的光测量同一距离l ，可得 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 l = t i ( m + ) ( 2 6 ) l = 丘2 ( ，1 2 + 鸭) ( 2 - 7 ) 将式( 2 6 ) 两边乘以z ：，式( 2 7 ) 两边乘以，后作相减运算，可得 扛裁k m l - m 2 ) + - a m 2 ) 】= l , ( m + a m ) 。8 ( 2 8 ) 式中， ：生! 刍2 ：! !：! 三 ( 2 9 ) 5 t ，+ t ： 2f 。一z 2 2 五 l = l , - 丘：，m = m t m 2 ，m = 砚一，1 2 = 乡二，矽= 萌一噍。 是一个新的测试尺度，z 是与对应的新的测尺频率。这样，用z 。和z ： 分别测量某一距离时，所得的相位尾数破和织之差，与用z 和z ：的差频频 率z = z 。一z ：测量该距离时的相位尾数相等，这是间接测尺频率法测距的 基本原理。 2 1 2 激光脉冲测距原理 激光脉冲测距是利用激光脉冲连续时间极短、能量在时间上相对集中、瞬 时功率很大( 一般可达兆瓦级) 的特点，在有靶标的情况下，脉冲激光测量可 达极远的测程【2 5 】。在进行几公里的近程测距时，如果精度要求不高，即使不使 用靶标，只利用被测目标对脉冲激光的漫反射取得反射信号，也可以进行测距 【2 6 】 o 激光脉冲测距原理如图2 3 所示。由脉冲激光器发出一持续时间极短的脉 冲激光，称之为主波。经过待测距离l 后射向被测目标，被反射回来的脉冲激 光称之为回波，回波返回测距仪，由光电探测器接收，根据主波信号和回波信 号之间的时间间隔，即激光脉冲从激光器到被测目标直接的往返时间t ，就可以 算出待测目标的距离【2 7 】： 上= ( 2 1 0 ) 式中c 为光速。 图2 3 ( a ) 是激光脉冲测距仪的结构刚2 8 1 。它主要由脉冲激光发射系统、 光电接收系统、门控系统、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路组成。其工作过 程是：首先开启复位开关k ，复原电路给出复原信号，使整机复原，准备进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 测量；同时触发脉冲激光发生器l 产生激光脉冲。该激光脉冲有- d , 部分能量 由参考信号取样器直接送到接收系统，作为计时的起始点。大部分光脉冲能量 射向待测目标，由目标反射回测距仪的光脉冲能量被接收系统接收，这就是回 波信号。参考信号和回波信号先后由光电探测器转换成电脉冲，并加以放大和 整形。整形后的参考信号能使触发器7 翻转，控制计数器8 开始对晶体振荡器9 发出的时钟脉冲进行计数，整形后的回波信号使触发器的输出翻转无效，从而 使计数器停止工作。图2 3 ( b ) 为结构图中各点的信号波形。这样，根据计数 器的输出即可计算出待测目标的距离： 三：c n 。 ( 2 1 1 ) 2 f o 式中，n 为计数器计到的脉冲个数，厶为计数脉冲的频率。 在图2 - 3 ( a ) 中，干涉滤光片和小孔光阑的作用是减少背景光及杂散光的 影响，降低探测器输出信号的背景噪声。 厂一 发射几 b l ，l c 几几 。广 e - j 叫l u j 山叫l u u 山l 计歉 山叫l l u 山山一一 ( 4 j( b ) 图2 3 激光脉冲测距原理图 2 9 】 ( a ) 结构图( b ) 各输入、输出点信号波形 1 激光器2 光电检测器3 干涉滤光片4 光阑 5 放大器6 一整形电路7 触发器8 一计数器 9 时钟脉冲振荡器 测距仪的分辨力只取决于计数脉冲的频率，根据式( 2 1 1 ) 可知 五2 砉 ( 2 - 1 2 ) - 若要求测距仪的分辨力只= lm ，则要求计数脉冲的频率为1 5 0 m h z 。由于 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 计数脉冲的频率不能无限制提高，脉冲测距仪的分辨力一般较低，通常为数米 的量级【3 0 j 。脉冲测距的误差可由式( 2 1 1 ) 得出： 以= 主皖+ 三4 泣1 3 ) 光速c 的精度一取决于大气折射率n 的测定，由n 值测量误差而带来的误 差为1 0 - 6 。所以，对短距离激光脉冲测距仪( 几到几十公里) 来说。测距精度 主要取决于时间t 的测量精度点。影响4 的因素很多，如激光的脉宽、反射器 和接收系统对脉冲的展宽、测量电路对脉冲信号的响应延迟等。 2 2 角度测量原理 由于激光扫描系统由激光测距装置和扫描角自动记录装置集成【1 4 】，因此扫 描角自动记录装置中的角度测量是非常关键的问题。通常角度的测量是通过角 度位移传感器即光电轴角编码器实现的【l 引。 光电轴角编码器是一种高精度的模数转换器件，它将轴角位置转换成对应 的数字代码。不易受外界噪音特别是磁场的影响，分辨率高，且结构简单、体 积小、重量轻、起动转矩小。应用圆光栅作检测元件时，通过光电转换，将主 轴角位移转换成相应的脉冲数字量，即由主轴带动编码器旋转，发出矩形脉冲， 于是可检测角位移或通过微机控制转换成直线位移量。 光电编码器可分为增量式和绝对式两大类。所谓增量式，它的起点零位是 可以任意选择的，即可调整零位：绝对式则有固定的零位，零点是不能调的， 某一个位置的特征图案表示了某一个角度，因而称为绝对式。自从在光栅技术 中应用零位光栅以来，增量式的光栅系统具有了某些绝对式的特性，但其主要 特性还体现着增量式的特点。 典型光电编码器的结构原理如图2 4 所示。编码器的光源由三只红外发光 二极管组成，接收元件是三只光电三极管，两者一一对应，发光管发出的红外 线经主光栅和指示光栅照射到光电三极管上，当主光栅旋转时，形成光闸莫尔 条纹。三极管接收到明暗交替的光信号，放大整形后，输出矩形脉冲。计数器 根据输出脉冲的数目或频率，便可以测出轴的转角或转速。 为了判断旋转方向，通常增量式编码器都设有a 、b 两路相位差为9 0 0 的主 信号，并配有零位脉冲信号( 零信号) 。9 0 0 相位差由两只不同位置的光电三极 管接收信号，以供可逆计数用。在光电编码器中采用两类不同的零位光栅系统， 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 比较简单的一种仅有一条单缝；如零位光栅的要求较高，则采用一组按一定规 律排列的线条，以形成较为理想的零位光电信号。 光电轴角编码器的主轴装着主光栅，为减少主光栅在旋转过程中的径向跳 动现象，主轴上一般选用级别较高的轴承，目的是使主轴转动平稳，同时也减 小噪声。 编码器的分类见表2 1 。 表2 1编码器的分类【2 0 】 分类类别一般特性 形旋转式回转轴由滚珠轴承支撑，测长时需滚珠螺旋变换结构 状直线式可直接测长，容易转配在被测物体上 编增量式结构简单，体积小，可随意进行零位调整 码 绝对式可测量长度，角度的绝对位置，结构较为复杂 光 平行狭缝式明暗对比度好 电 横向莫尔条纹明暗对比度差，光栅盘偏心时易引起相位信号变化 测 纵向莫尔条纹如两块光栅盘刻线间距差异，则形成游标条纹 式 全息照相度盘式刻线间隔小，可读到0 0 1 微米 量电 磁栅式长尺制作容易，但增加磁道很难 磁 方式 感应同步器式圆感应同步器用的较多 接 电刷式 法 触旋转情况下，其寿命取决于转数，插头式为1 0 0 0 万次 式 插头式 静电电容式测量方法最新，耗电量少 反差好，信号大，但因与金属膨胀系数不同，有温度差 光 透射式 时引起测量误差 路使用金属尺时不存在温度膨胀问题，但不易得到大信号， 反射式 分辨率不高 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 主倍号零信号 椿收元件光探 光电晶体三极菅指示光栅发y e s _ 极营 图2 - 4 典型光电编码器的结构原理图 2 3 系统测量原理 2 3 1 检测内容 本系统的主要检测内容包括：地铁限界、机车振动补偿、机车运行速度、 环境温度等。 下面简单说明每个检测量的含义。 1 地铁限界是确定地下铁道与行车有关的构筑物净空大小和各种设备相 互位置的依据，例如隧道的断面尺寸、桥梁的宽窄，都是依据限界确定的。限 界越大，安全度越高，但工程量和工程投资也随着增加。地下铁道限界应根据 车辆轮廓尺寸、线路特性、安装施工精度等因素进行综合比较，确定一个既能 保证列车运行安全，又不增加桥梁、隧道空间的经济合理的断面，是制定地铁 工程限界的任务和目的。 按照地铁设计规范g b 5 0 1 5 7 2 0 0 3 制定地铁限界的基本参数包括车辆 和建筑限界。 ( 1 ) 车辆的基本参数 a 型车参数取自广州地铁l 号线、上海地铁一、二号线；b 1 型车参数取自 长春客车厂提供的资料；b 2 型车的参数参照b 1 型车得到【1 1 。各型车辆基本参 数参照表2 2 。 线路、轨道参数采用行车速度小于或等于8 0 k m h 时数据。当形成速度大鱼 8 0 k m h 且小于或等于l o o k m h 时，直线地段车辆限界和设备限界会有小的变化， 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 但不影响建筑限界。 表2 2 各型车辆基本参数表( m m ) a 型b 型 b 1 型b 2 型 上部受流下部受流 计算车辆长度 2 2 1 0 01 9 0 0 0 车辆最大宽度 3 0 0 02 8 0 0 车辆高度 3 8 0 03 8 0 0 车辆定距 1 5 7 0 01 2 6 0 0 转向架固定轴距 2 5 0 02 3 0 0 ( 2 2 0 0 ) 地板面距走行轨面高度 1 1 3 01 1 0 0 受电弓落弓高度 3 8 l o3 8 1 0 受电弓最大工作高度 5 4 1 05 4 1 0 受流器端部距车体横向中 心距离 1 4 7 31 4 4 0 受流器中心距走行轨项面 工作高度 1 4 02 5 6 ( 2 ) 设备限界的基本参数 1 ) 直线地段设备限界是在直线地段车辆限界外扩大一定安全间隙后形成： 车体肩部横向向外扩大1 0 0 m m ，边梁下端横向向外扩大3 0 m m ，接触轨横向向 外扩大1 8 5 m m ，车体竖向加高6 0 m m ，受电弓竖向加高5 0 m m ，车下悬挂物下 降5 0 r a m 。转向架部件最低点设备限界离轨项面净距：a 型车为2 5 m m ，b 型车 为1 5 m m 。 2 ) 曲线地段设备限界应在直线地段设备限界基础上，按平面不同半径，过 超高或欠超高引起的横向和竖向偏移量，以及车辆、轨道参数等因素计算确定。 ( 3 ) 建筑限界的基本参数 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。在宽度方向上设备和设备限界之间应流出2 0 - - - 5 0 m m 的安全间隙。当建 筑限界侧面和项面没有设备或管线时，建筑限界和设备限界之间的间隙不宜小 于2 0 0 m m ；困难条件下不得小于1 0 0 m m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 建筑限界分为矩形隧道建筑限界、马蹄形隧道建筑限界、圆形隧道建筑限 图2 5 车辆轮廓线、车辆限界、设备限界图 界、高架线及地面线建筑限界，车辆段车场线建筑限界。矩形隧道直线段建筑 限界以直线段设备限界为计算依据，曲线地段建筑限界是在曲线设备限界基础 上再考虑超高进行计算。正线段马蹄形隧道，由于直线地段建筑限界和去向地 段建筑限界的断面尺寸查办不大，为了简化计算，采用一种模板台车进行施工， 全线宜按规定运行速度用最小曲线半径和最大超高值计算的曲线设备限界以及 设备安装尺寸，误差等因素来设计隧道建筑限界。用盾构机进行机械化施工的 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 圆形隧道，全线是统一孔径的，所以必须按规定运行速度用最小曲线半径和最 大超高计算的车辆设备限界设计隧道的建筑限界。建筑限界的基本参数包括以 下4 个方面： 1 ) 接触导线距轨项面安装高度 隧道内4 0 4 0 m m ；高架和地面线地段，最小为4 4 0 0 m m ；车辆段车场线 5 0 0 0 m m 。 2 ) 正线平面曲线最小半径 a 型车3 0 0 m ；b 型车2 5 0 m 。 3 ) 轨道超高 最大超高1 2 0 m m ；超高设置方法：第一种内轨降低半超高，外轨抬高半超 高；第二种外轨抬高一个超高。 4 ) 高架线或地面线风荷载为6 0 0 n m 2 。 2 车体振动补偿 检测车在运行过程中，由于自身机械结构、轨道、风力的因素，会产生各 种形式的振动，这种振动使车体产生相对于线路中心线的水平位移及相对于轨 面的垂直位移【3 。为了准确地测量隧道断面尺寸，需要对因车体振动而产生的 测量误差进行修正，这称为补偿【3 2 】【3 3 】【3 4 1 。 3 机车运行速度 地铁限界检测系统需要将线路的原始数据( 包括线路的曲直情况、线路是 隧道里还是高架等) 预先做成数据配置文件存入检测主机中，这就对检测车的 位置提出了严格的要求。该系统对速度的测量是正是为判断检测车的位置提供 依据。 4 环境温度 由于物体的热胀冷缩特点，当环境温度发生变化时，各种设备的状态会发 生一定的变化( 3 5 1 ，从而造成隧道断面等检测结果也相应的发生变化，因此在给 出检测结果的同时，也给出检测过程中的环境温度，检测结果才更有意义。 2 3 2 特殊区段的限界 1 曲线段 曲线地段设备限界应在直线地段设备限界基础上加宽和加甜5 j 【6 】。 曲线地段设备限界应按平面几何偏移量、过超高或欠超高引起的设备限界 加宽和加高量、曲线轨道参数及车辆参数变化引起的设备限界加宽量计算确定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第一步，平面曲线上设备限界的几何偏移量按下列公式计算确定： 1 ) 车体： 线外侧：疋= 互警 ( 2 - 1 4 ) 曲线删：互= 等 ( 2 1 5 ) 2 ) 转向架： 线外侧：咒= m ( m + a ) 2 r ( 2 1 6 ) 曲线内侧：瓦；= a 2 s r ( 2 1 7 ) 式中，l o 计算车辆长度( m m ) ； f l 车辆定距( 衄) ； 卜转向架固定轴距( m m ) ； r 平面曲线半径( 衄) ； m 计算断面至相邻轴距离( r a m ) 。 第二步，过超高或欠超高引起的设备限界加宽和加高量按下列公式计算确 出 匕： 1 ) 车体设备限界横向加宽量： 曲线外侧： 战伽= 盖聊捌( y - h , ：v ) 警+ ( y 吨) 警】( 1 埘( 2 1 8 ) k = _ ( 2 1 9 ) 旷型掣一熹( 2 - 2 0 ) g a 。2 i 一一丽 曲线内侧： 战9 = 丽h 喇y - h 。p ) 警+ ( y 吨) 警”悯( 2 2 1 ) 2 ) 车体设备限界竖向加高量： 曲黝绯= 高朋口【警+ 警】( 1 坩) ( 2 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 曲线删：2 志m 舻 警+ 警】( 1 旧( 2 2 3 ) 式中h d c 欠超高( m m ) ： 口。未平衡离心加速度( ，s 2 ) ； j i 轨道超高值( 衄) ； m 口满载车体重量( k g ) ； g 自由落体加速度9 8 1m s 2 ； ( x 、y ) 分别为直线地段设备限界计算点横向和竖向坐标值( m m ) ： y 车辆运行速度( 驯 ) ； h 。一系弹簧上支承面距轨面高度( r a m ) ； 。车体重心距轨面高度( m m ) ； j j l 口二系弹簧上支承面距轨面高度( 衄) ； 七勿o 5 n ，c p b ； k o 5 n ，c ，+ 2 k ； s 重力倾角附加系数： s ：册矗g 笔生+ 鸳尘】； k 和k 如 ，l 。车辆一侧一系弹簧列数4 ； c p 每一轴箱一系弹簧垂向刚度( n m m ) ； 6 p 一系弹簧间距( m m ) ； ，l 。车辆一侧二系弹簧列数2 ； q 转向架侧二系弹簧垂向刚度( 1 v m m ) ； 见二系弹簧间距( m m ) ； 七由抗侧滚扭杆的抗侧滚刚度( 每根) ( n m m r a d ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第三步，曲线轨道参数及车辆参数变化引起车体及转向架设备限界加 辞p 旦 见里： 1 ) 曲线外侧： 整体道床：从= 丛。+ 1 4 + a w ( 2 - 2 4 ) 碎石道床：z k y = 1 0 0 0 0 0 0 r + 丛。+ 1 4 + w ( 2 - 2 5 ) 2 ) 曲线内侧： 整体道床：从d = 心，+ 1 4 + w ( 2 - 2 6 ) 碎石道床：从d = 1 0 0 0 0 0 0 r + a s f( 2 2 7 ) 式中 丛。曲线轨距加宽外轨分量及外轨磨耗( r a m ) ； a s ；曲线规矩加宽内轨分量及内轨磨耗( 姗) ； w 车辆一系及二系弹簧的横向位移在曲线上的增量值( 相对于直 线) ( r a m ) ； 1 仁车辆在曲线上行使时的弹性挤开量增值( 相对于直线) 1 4 r a m 。 第四步，设备限界加宽加高总和： 1 ) 车体横向加宽和过超高( 或欠超高) 偏移方向相同时： 曲线外侧： 曲线内侧： 舣。= 艺+ 从囱+ 从 ( 2 - 2 8 ) 艺= 一 z k , y i = t i + xq i + 馘c i r = 一坛 2 ) 车体横向加宽和过超高( 或欠超高) 偏移方向相反时： 曲线外侧： ( 2 2 9 ) 腊。= l 一赵伽+ 赵衄 ( 2 3 2 ) 、j l ，1 、- 、 o 2 f ) ( - 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 曲线内侧： 艺= 斌t = t i 一舣q i + 蚁d ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) z2 坛( 2 3 5 ) 直线地段设备限界各点坐标值加上甜。( a x 。) 和a y = ( a y , ) 值后形成曲线地 段设备限界。 曲线地段建筑限界是在曲线设备限界基础上，再考虑设备安装最大尺寸、 设备安装误差以及安全间隙进行计算。 2 高架线或地面线 高架线或地面线建筑限界按高架线设备限界及安装尺寸计算确定：当线路 一侧设人行通道时，通道宽度大于或等于6 0 0 r a m ，人行通道与电缆槽结合设计。 人行通道和设备限界之间的安全间隙应不小于5 0 m m ；线路一侧设置接触网支 柱时，接触网系统最大突出点与设备限界之间的安全间隙应不小于l o o r n m ；线 路- t l ! l j 设置声屏障时，声屏障与设备限界之间的安全间隙应不小于l o o m m 。 建筑限界高度按接触导线安装高度和接触网系统高度加轨道结构高度确 定；b l 型车按设备限界项部高度和轨道结构高度另加不小于2 0 0 r a m 的安全间 隙。 3 道岔区 地铁的正线、辅助线一般选用9 号道岔，且多为单开道甜3 6 】。 设车辆由直股向侧股方向运行。单开道岔内外侧加宽起点的确定：设车辆 前中心销为a ，后中心销为b ，车辆定距为z 1 = a b ，后中心销至计算车辆断面 为c ， = b c 。当a 进入尖轨尖端使，车体纵向中心线产生角度) ，进入尖轨或 导曲线越多，该角度越大。由于外侧加宽值等于】，角正弦值与，长度的乘积， 故外侧加宽起点在尖轨尖端起向外等于1 1 + ，的长度处，内侧加宽不受，影响， 而与车辆定距离z l 长度有关，故内侧加宽起点在自尖轨尖端起向前方为，l 长度 处。单开道岔内外侧加宽终点的确定：内侧加宽终点在自导曲线终点向道岔跟 端方向为，l 长度的直线处，外侧加宽终点位于自导曲线终点向道岔跟端方向为 ，l + ，长度的直线处【3 7 】。 导曲线外侧加宽量计算公式如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 e ，：1 0 2 - ( 1 1 2 + a 2 )( 2 3 6 ) 8 r 式中l o 为车体长度； 乃为车辆定距； a 为固定轴距； 粕为道岔导曲线中心线半径。 道岔区的建筑限界，应在直线地段建筑限界的基础上，根据不同类型的道 岔和车辆技术参数，分别按导曲线外侧加宽量和相关公式计算合成后进行加宽。 采用接触轨受电的道岔区，当电缆从隧道项部过轨时，应检查顶部高度，必要 时采取局部加高措施。隧道内安装风机、接触网隔离开关、道岔转辙机等设备 时，应符合限界要求，必要时建筑限界应采取局部加宽、加高措施。 4 车站地段建筑限界 ( 1 ) 直线地段 站台的高度应根据空车状态下的车厢地板面高度计算确定，车厢地板面在 任何情况下( 轮轨磨耗、车体下垂、弹簧变形等) 均不得低于站台高度。站台 至轨顶高度应满足： a 型车：( 1 0 3 0 1 0 8 0 ) 0 - l o 衄 b 1 、b 2 型车：( 1 0 0 0 一1 0 5 0 ) 0 - 1 0m m 当采用外挂门或塞拉门时，应检查车门与站台边缘的安全间隙，必要时修 改车体轮廓尺寸或站台高度以满足限界要求。 计算长度内站台边缘距线路中心线距离，我国过去由于没有一套科学的车 辆限界计算理论，都采用经验数据：按车辆限界加l o o m m 安全间隙确定，但站 台边缘与车辆轮廓线之间的间隙，当采用整体道床时不应大于l o o m m ；当采用 碎石道床时不应大于1 2 0 m m 。站台计算长度外的站台边缘距线路中心距离，宜 按设备限界另加5 0 r a m 的安全间隙确定。屏蔽门设于站台长度之内，屏蔽门安 装尺寸应考虑在弹性变形状态下，屏蔽门最外突出点至车辆限界之间应有不小 于2 5 r a m 的安全间隙。 ( 2 ) 曲线地段 曲线站台边缘与车辆地板面处车体的间隙规定为1 8 0 m m ，用以限制站台计 算长度内的线路平面曲线半径不得小于8 0 0 m ，轨道超高不大于1 5 r a m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 5 防淹门和人防隔断门处 防淹门和人防隔断门建筑限界内除接触导线外的一切管线都不准在门框内 通过。防淹门门框的高度应与区间矩形隧道的高度相同；人防隔断门门框的高 度，当采用接触网受电时，应按接触网导线和汇流排距门框下沿保持1 5 0 m m 净 距设计。 6 车辆段和辅助线 车辆段库外连续建筑物至设备限界净距，当有入行便道时取1 0 0 m m ；车辆 段库外非连续建筑物( 其长度不大于2 m ) 至设备限界净距，当有人行便道时取 6 0 0 m m 。 辅助线的平面曲线半径小于正线平面曲线半径，运行速度低，应另行计算 制定专用限界。 2 3 3 测量原理 激光扫描系统为本系统的现场测量设备。它采用激光连续波相位测距原理 和光学转动技术，将激光相位测距装置与光学转动装置集成为激光扫描系统( 发 射一接收一体化) ，利用扫描方式进行测量，输出数字信号，测量结果通过串行 通信r 2 3 2 接口传送给l m s 信号处理机【3 8 】。连续波相位测距是用无线电波段的 频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测点一次所产生的相位延迟， 再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，也就是用间接方法测定 出激光脉冲往返测点所需的时间。 利用光学转动技术使棱镜均匀旋转，进而使发射出的激光脉冲完成一个截 面的扫描，角位移传感器测量出棱镜旋转的角度口，激光测距仪测量出障碍点 到激光器发射点的距离h ，由坐标知识知： x o = h s i n a t( 2 - 3 7 ) e o = h c o s a ( 2 3 8 ) k 是障碍点到激光器发射点的水平距离，e 是障碍点到激光器发射点的垂 直距离。 地铁限界检测系统激光扫描示意图如图2 - 6 所示，假设轨平面中点为该测 量系统的坐标原点( o ，0 ) ，人工测量得知激光扫描仪在检测车前端的安装位置 坐标为( a ，b ) 。如图所示该束激光的测距为l ，测量角度为，即可算出检测 对应点的坐标( x ，y ) 为： x = 一l c o s a + a ( 2 3 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 y = l - s i n o t + b ( 2 4 0 ) 比较线路标准限界，最后判断出该检测点是否超限。 图2 6 地铁限界检测系统激光扫描示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 第3 章检测系统硬件设计 3 1 检测系统硬件设计概述 地铁限界检测系统基本组成是以计算机为中心，通过传感器对被测对象有 关信息进行收集，然后通过一定的传输通道传送给计算机进行处理 3 9 】【矧。 l m s 二维激光扫描仪对地铁隧道断面参数进行测量，数据经过串行通信端 口输入至l m s 信号处理机。车内前置机是一个多微处理器系统，设有信号调理 模块，对速度信号、补偿信号、温度信号进行调理、隔离，数据经过数据采集 卡p c l 8 1 8 h d 输入至主机。 因此，在这个硬件结构方案中，整个系统可以分为四个部分来设计： ( 1 ) 前置机； ( 2 ) 接口； ( 3 ) 激光扫描单元； ( 4 ) l m s 信号处理单元。 其硬件框图如图3 1 所示。 3 2 激光扫描单元 图3 1 地铁限界检测系统硬件框图 激光扫描单元选用德国s i c k 公司生产的l m s2 0 0 激光量测扫描仪，如图 3 2 所示。它具有无反射镜条件下的二维激光扫描功能，不需要外界光源，有一 个旋转自由度，用以快速获取扫描平面与被测物体交线的二维坐标。该激光扫 描仪是工业测量设备，用于中近距离作业，提供中高精度4 1 】【4 2 】。 3 2 1l m s2 0 0 概述 l m s2 0 0 采用连续波相位法测距原理，连续波相位式激光测距是用连续调 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 制的激光波束照射被测目标，从测量光束往返中造成的相位变化，可换算出被 测目标的距离。 l m s2 0 0 除了由激光发射器、接收器、门控电路、时钟脉冲振荡器及计数 显示电路组成外，它还有一独特的旋转反射镜，从激光器中发射出的激光束被 旋转反射镜改变轨道，形成自然的圆周，随着距离的增大圆周直径也增大。在 二维激光扫描仪器中有明确的长度和角度识别能力，对距离的处理是由内部附 加的计算器自动计算的，支持0 1 度为最小分度的角度测量。最后将每一分度测 量的距离按照输出数据格式通过e t h e r n e t 或r s 2 3 2 4 2 2 与p c 机进行数据传输。 l m s2 0 0 扫描范围如图3 3 所示。最大作业距离是8 1 9 1 m ，最小作业距离 是0 m ，扫描角度是1 8 0 0 。 图3 2l m s2 0 0 激光扫描仪图3 3l m s2 0 0 扫描范围 使用l m s2 0 0 时必须注意以下几点： ( 1 ) l m s2 0 0 的电源是直流2 4 v ( 士15 ) ； ( 2 ) 数据接口是r s 2 3 2 或r s 4 2 2 ； ( 3 ) l m s2 0 0 需防止灰尘。 3 2 2l m s2 0 0 的性能 1 l m s2 0 0 激光扫描系统是一种非接触性的二维坐标获取设备。 2 l m s2 0 0 是通过记录激光的相位变化来计算距离的。激光仪内设有可旋 转的平面镜，在记录有平面镜转角的功能支撑下，以获取扫描平面内目标的二 维坐标。 3 扫描仪的作业距离： l m s2 0 0 激光测量系统的作业距离取决于实际的应用范围。如表3 1 所 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 示，l m s 2 0 0 有两种长度尺寸分辨率。 表3 1l m s 2 0 0 的作业距离 长度尺寸分辨率作业距离适合的应用范围 l c m0 8 1 9 l c m = 8 1 9 l m 远距离的粗略判断 1 n - i r a0 8 1 9 l m m = 8 1 9 1 m 近距离的准确测量 4 l m s2 0 0 有物体量测( 含测定位置) 应用功能和监测应用的功能。两种 功能的操作方法不同。应用于物体量测时，相应于物体“等高线”的量测数据以 二进制的格式r s 2 3 2 4 2 2 输出。而且可以进行以下的数据处理：对视场为 1 0 0 0 的扇面内的点位求值；对各量测值取均值以提高精度和光顺效果；按直线 和曲线的近似值进行内插；确定物体的位置与体积；借其他位移传感器( 长度 传感器或速度传感器) 提供第三维坐标，等等。应用于监测时，监视区内有物 体或机器的侵入会发生警铃。 5 l m s2 0 0 可以方便的安装到某种“平台”上，但应防止灰尘。这种平台可 以是某种可记录速度或记录长度的导轨，甚至可以是可记录第二旋转角( 附有 角度编码器) 的平台。 6 双激光扫描仪的同步作业时，一台作为主动机( m a s t e r ) ，另一台作为从 动机( s l a v e ) 并借助用户软件操作。在此同步操作模式作业中，双扫描仪的旋转 数( 包括平面镜旋转轮和激光发射位置) 精密匹配并精密同步，相位差18 0 0 。 其操作软件版本为0 2 0 2 或以上，硬件系列的级别为9 9 1 9 或以上。双激光扫描 仪的同步作业可加速扫描仪作业过程，也可用于某些特定的运动物体。双激光 扫描仪同步作业的操作过程简单方便，从动机上红、黄、绿三种发光二极管的 不同显示，可告知扫描状态。 7 环境温度低于0 时，应使用加热系统。 3 2 3l m s2 0 0 的技术参数 厂方列出的一些重要技术参数，现列于表3 2 中。 表3 2l m s2 0 0 激光扫描仪主要技术参数 技术参数数值 扫描角度最大1 8 0 0 可选角度分辨率i 或0 5 0 响应时间5 2 m s 分辨率1 m m 系统误差士6 r a m 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 统计误差a ：4 m m 激光保护级别2 级 扫描频率 7 5 h z 激光波长可见光( 丑= 6 5 0 r i m ) 机械防护等级 疋6 5 作业距离0 8 19 l m 接口r $ 2 3 2 r $ 4 2 2 波特率 r s 一2 3 2 4 2 2 ：9 6 0 0b a u d5 0 0 k b a n d 电源，电压直流，2 4 v ( 1 5 ) 功率最大2 5 w 工作环境温度 0 + 4 0 储存温度 一2 0 + 7 0 重量 23 k g 体积( 长x 宽高) 1 3 0 1 7 9 x 1 0 7 m m 。 32 4 l m s2 0 0 的安装 上述的二维激光扫描仪安装在如图3 - 4 、3 - 5 、3 - 6 所示。 使用时，将激光扫描装置l m s 2 0 0 安装在机车中心线处，即检测车车钩下 方，并设置一个伸展托架将扫描装置固定，既避免l m s 2 0 0 发射出的激光脉冲 被检测车车钩遮挡，又能安全固定装置。 图3 - 4 l m s 安装位置远图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 9 页 - - 图3 5 l m s 安装位置近图 图3 - 6 l m s2 0 0 的安装平台 3 2 5l m s 2 0 0 工作原理 l m s 2 0 0 型激光扫描仪依据脉冲式激光测距原理，即利用脉冲激光器对目 标发射一束很窄的光脉冲( 脉冲宽度小于5 0 n s ) ，测量光脉冲到达目标并由目标 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 返回到接收机的时间，由此计算出目标的距离。 工作过程是：首先启动复位开关，复原电路给出复位信号，使整机复位，准 备进行测量；同时触发激光发生器，产生激光脉冲。该激光脉冲有一小部分能量 由参考信号取样器直接送到接收系统，作为计时的起始点，大部分光脉冲能量 射向待测目标。由目标反射回测距仪的光脉冲能量，被接收系统接收，这就是 回波信号。参考信号( 主波信号) 和回波信号先后由光电探测器变换为电脉冲，并 加以放大和整形。整形后的参考信号使t 触发器翻转，控制计数器开始对晶体 振荡器发出的时钟脉冲进行计数。整形后的回波信号使t 触发器的输出翻转为 无效，从而使计数器停止工作。这样，根据计数器的输出即可计算出待测目标 的距离。 由于激光扫描仪这种运行时间测量方法是基于光速的，所以单个激光脉冲 测量在距离上同触发器翻转以及旋转周期是不相关的 4 3 j 。 激光扫描仪发出的激光束本身具有一个物理圆周当物体被扫描到的部分较 小时，在测量过程中可能会发生边缘扫描或者光圈效应【4 4 1 4 5 1 。激光脉冲到达被 测物体所在平面形成的圆形区域被称作“光斑”。扫描光斑的直径和光斑的间距 随着到达扫描点距离的不同而不同，当距离增加时，光斑的直径以及光斑的间 距同时按一定的几何比例增加，如表3 3 所示。激光束直径大时，产生的扫描 光点相应增大，容易捕捉被测物体；而激光束间距增大时，对于小的被测物体 在单个扫描周期内就容易产生漏扫描现象。 表3 3 不同测量距离下的光斑直径和光斑距离 被测距离( m ) 12 34 5 6789 光斑直径( c m ) 233344556 光斑0 5 。扫描 0 91 8 2 73 54 45 36 27 07 9 距离 1 。扫描 1 83 5 5 37 o8 81 0 51 2 31 4 01 5 8 ( e r a ) 3 3l m s 信号处理单元 由串行通信r s 2 3 2 将l m s 2 0 0 采集的数据信息传送到l m s 信号处理单元。 l m s 信号处理单元是检测装置参数采集运算的核心，主要器械是一台工控 机，因此称之为检测主机或中心计算机。中心计算机采用高抗震机架式工业服 务器，c p u 为i n t e lx e o nm p2 x 3 0 g ，内存类型e c cd d r 24 0 0 ，内存容量 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 2 x 1 0 2 4 m ，r a i d 磁盘阵列：r a i d5 ，1 6 0 g 3 s a t a 硬盘，d v d 光驱，1 4 4 m 软 驱。 工业服务器扩展插槽插有台湾研华p c i l 7 1 8 h d 型高精度快速a d 采集卡和 p c i l 7 8 0 型频率计数卡各一张。p c i l 7 1 8 h d 有8 路1 2 位a d 采集通道，2 个8 位i o 通信口，以及1 路1 6 位计数器。1 0 输入口第o 位用来读取定位信息，i o 输出口第0 位用来向前置机写定位清0 信息，传感器输出的定位信息只能在通 过定位器的瞬间输出信号，因此在前置机通过相应的电路加以保持，当信息被 检测主机读取后，通过i o 输出口o 向控制电路发出清0 信息。 3 4 接口 l m s 2 0 0 通过r s 2 3 2 与l m s 信号处理单元之间进行数据交换。 r s 2 3 2 的每一个引脚都有其功能和信号流动的方向。引脚2 ，简写为r x d ( r e c e i v e ) ，表示接受字符。引脚3 ，简写为t x d ( t r a n s m i t ) ，表示发送字符。 引脚5 ，简写为g n d ( g r o u n d ) ，表示地线。地铁限界检测系统中l m s 2 0 0 与 p c 机之间的引脚连接情况如表3 4 所示。 表3 4l m s 2 0 0 与p c 机之间的引脚连接情况 u m s 连线 p c 名称管脚管脚名称 未连接 l1 未连接 i r x d 22 x3 t x dt ) 3 未连接 4 4 未连接 g n dg n d 55 未连接 6 6 未连接 未连接 77 未连接 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 将r s 2 3 2 的线材作必要的跳线( 第2 脚和第3 脚对调) ，其目的在于将 l m s 2 0 0 串行通信1 5 1 的接收引脚连接上p c 机的发送引脚，一方是发送，另一方 必是接收，形成一个完整的回路。 3 5