中铁无碴轨道车软件培训 PPT课件

1 无碴轨道测量系统软硬件培训 2008年10月陕西铁路工程职业技术学院测绘教研室 2 第一部分相关背景介绍第二部分无碴轨道精密定轨测量控制体系第三部分轨检小车软 硬件学习第四部分无碴轨道检校车测量部分总体方案设计第五部分国内轨检小车发展现状 主要内容 3 第一部分相关背景介绍1高速铁路的定义2高速铁路的现状与发展3高速铁路的效益4我国高速铁路的发展 高速铁路的定义 有碴轨道结构历史悠久 在长期的应用中 人们积累了丰富的施工和养护经验 轨道本身又有弹性好的优点 加之铺设费用低 维修容易 所以人们认为它是比较经济的结构型式 然而 随着铁路行车速度的提高 对线路的要求也越来越高 特别是列车动力荷载的增加 对道床的稳定性 线路的平顺程度的要求更高 这样 容易变形的有碴道床就难以适应了 为了满足使用要求 就必须加大养护维修的频率和工作量 稍有不慎就可能造成行车中断 维修费用则因此而大幅度提高 导致铁路运输经济效益下降 为了适应列车高速运行的需要 解决线路维修的困难 世界各国研究和开发了多种结构型式的无碴轨道 主要有板式 长枕埋入式 弹性支撑块式 Rheda型 双块式等 高速铁路的定义 无碴轨道是以混凝土或沥青混合料等取代散粒道碴道床而组成的轨道结构型式 无碴轨道 用整体混凝土结构代替传统有碴轨道中的轨枕和散粒体碎石道床的轨道结构 中华人民共和国行业标准 客运专线无碴轨道铁路设计指南 2005 它具有良好的轨道稳定性 平顺性 耐久性 其结构高度低 自重轻 可减小桥梁二期恒载和降低隧道净空 道床整洁美观 可消除列车运行时的道碴飞溅和粉化 轨道变形缓慢 不仅可显著减少轨道养护维修工作量 更为重要的是可减少施工 天窗 施工 天窗 是指列车运行图中预留的供工程 工务 电务等部门进行基建 更改和设备大 中修施工的固定时间 的需求 对通车后的运输组织极为有利 无碴轨道初期相对较大的建设投资也能在运营中得到回报 基于此 无碴轨道在世界各国新建高速铁路中比例接近100 无碴轨道技术 碴 的意思是岩石 煤等的碎片 在铁路上 碴 指作路基用的小块石头 传统的铁路轨道通常由两条平行的钢轨组成 钢轨固定放在枕木上 之下为小碎石铺成的路碴 路碴和枕木均起加大受力面 分散火车压力 帮助铁轨承重的作用 防止铁轨因压力太大而下陷到泥土里 此外 路碴还可以减少噪音 吸热 减震 增加透水性等 这就是有砟轨道 传统有碴轨道具有铺设简便 综合造价低廉的特点 但容易变形 维修频繁 维修费用较大 同时 使列车速度受到限制 不适于列车高速行驶 世界高速铁路的发展证实 高速铁路基础工程如果使用常规的轨道系统 道砟粉化严重 线路维修频繁 安全性 舒适性 经济性相对较差 无碴轨道的主要技术特点 良好的结构连续性和平顺性 良好的结构恒定性和稳定性 良好的结构耐久性和少维修性能 工务养护 维修设施减少 免除高速条件下有碴轨道的道碴飞溅 有利于适应地形选线 减少线路的工程投资 减少客运专线特级道碴的需求 无碴轨道弹性较差 建设期工程总投资大于有碴轨道 对地震和环保的适应性 关于线下工程的 工后零沉降 建设理念 高速铁路的现状与发展 目前新建高速铁路和经过更新改造提高性能的线路是全球铁路网中增长最快的部分 在欧洲的发展更是方兴未艾 根据铁盟 2005 的统计和最新资料 到2006年 全球新建成 包括正在试运行 的高速铁路达到7196km 其中欧洲拥有4299km时速达到250km以上的新建高速铁路 还有大约20000km的铁路线可运行高速列车 预计到2010年 除中国以外还将有6000km新建高速线投入运营 高速铁路的现状与发展 法国 法国国土面积55万km2 是最发达的工业国家之一 国内生产总值仅次于美 日 德 中 英 居世界第六位 1981年法国第一条高速铁路线正式投入使用 虽然起步比日本略晚 但技术水平一直居世界领先地位 据统计 1890 1990年的100年间 世界铁路创造的17次速度记录有9次是法国铁路创造和保持的 最新时速记录是法国1990年5月18日创造的515 3km 迄今法国共建成高速铁路1573km TGV TGV是法文中Train GrandeVitesse的缩写 翻译做中文是高速列车的意思 可通达里程达到7500km 法国国家铁路公司 SNCF 简称法铁 下同 在欧洲高速铁路的市场份额 以周转量计 中占到55 1981年以来 TGV共运送了12亿乘客 尤其是在进出巴黎的客运中 TGV占到54 的份额 高速铁路的现状与发展 瑞典 瑞典国土面积约45万km2 人口906万 国土呈狭长形状 南北长约1500km 东西宽仅400km 90 的人口和主要工业 消费区域集中在中南部 矿山 森林等大量自然资源分布在人口稀少的北部 南部约82 的人口在城市 因此 铁路在本国交通运输和与欧洲大陆的交流联系中发挥着重要作用 目前铁路轨道长度17000km 年客 货运量分别为7900万列车公里和4300万列车公里 无碴轨道技术在国际高速铁路建设领域应用较为广泛 德国科隆 法兰克福高速铁路有90 区段采用无碴轨道 日本盛冈 八户高速铁路80 以上区段采用无碴轨道 九州新干线新八代 鹿儿岛间线路90 区段采用无碴轨道 无碴轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成 而路基也不用碎石 铁轨 轨枕直接铺在混凝土路上 无碴轨道是当今世界先进的轨道技术 完全可以满足列车200公里 小时的高速运行的要求 无碴轨道是高速铁路工程技术的发展方向 高速铁路的经济效益 高速铁路具有很强的社会效益 一是提供大容量的交通 欧洲高速铁路每天30万人以上的运量 可以有效减少地面交通拥堵 二是环境友好 并具有较高的能源利用效率 三是有助于经济快速发展 四是有利于区域开发 优化国土结构和推进城市化发展 欧洲高速铁路土地占用仅为高速公路的I 3 能源效率一般是飞机的9倍 汽车的4倍 据铁盟统计 在土地占用上 德国科隆至法兰克福的高速铁路占地宽度约15m 运量相同的双向6车道高速公路占地约50m 法国巴黎至里昂高速线长470km 占地仅与戴高乐机场相同 在能耗和环境影响上 高速铁路百人公里耗能分别只有私人轿车和飞机的42 和37 百人公里二氧化碳排放量只有私人轿车和飞机的28 6 和23 5 在社会成本上 巴黎 布鲁塞尔交通走廊大力神 Thatys 高速列车的千人公里外部成本只有汽车和飞机的23 和21 我国高速铁路现状与发展 十一五 期间 我国将建成9800公里客运专线 占我国 中长期铁路网规划 中1 2万公里客运专线总长的逾80 而到2020年的这段规划期间 我国铁路建设预计的2万亿元总投资中 将有1 25万亿元在这最初的5年中投入 十一五 及其以后几个五年规划期间 铁路运输需求增大 铁路客运需求进入快速增长期 铁路货物运输需求持续增长 对铁路运输服务质量的要求不断提高 国外的经验表明 铁路发展必须确立适度超前理念 1997年4月1日 第一次大面积提速 以沈阳 北京 上海 广州 武汉等大城市为中心 京沪 京广 京哈三大干线全面提速 开行最高时速达140公里 1998年10月1日 第二次大面积提速 京沪 京广 京哈三大干线的提速区段最高时速达到140 160公里 广深线采用摆式列车 最高时速达到200公里 2000年10月21日 第三次大面积提速 重点是欧亚大陆桥 陇海 兰新线 京九线和浙赣线 2001年11月21日 第四次提速 提速范围超过1 3万公里 基本覆盖全国较大城市和大部分地区 我国铁路的六次提速 2004年4月18日 第五次大面积提速 提速后 京沪 京广 京哈等干线铁路提速区段列车最高时速可以达到160公里 同时增开北京至上海 杭州 南京 哈尔滨 武汉 西安 长沙等19对一站到达的直达特快旅客列车 2007年4月18日 第六次大面积提速 涉及京哈 京沪 京广 陇海 沪昆 胶济 广深 京九 兰新等十八点条线路 并增开了时速在200公里 小时的 和谐号 动车组 中国主要城市间旅行时间平均缩短百分之三十左右 从以上我国铁路的发展历程可以看出高速铁路的建设已经成为铁路建设的发展方向 而传统的路轨技术远远不能满足高速列车行驶的要求 于是无碴轨道技术便应运而生 18 第二部分无碴轨道精密定轨测量控制体系 无碴轨道项目要获得成功 就必须有一套完整 高效且非常精确的测量系统 否则必定失败 弗莱德尔轨道系统执行副总裁巴哈曼 高速铁路规范要求 无碴轨道的测量控制体系 客运专线无碴轨道铁路工程测量平面控制网宜按分级布网的原则分三级布设 第一级 基础平面控制网第二级 线路控制网第三级 基桩控制网 为勘测 施工 运营维护提供坐标基准 为勘测和施工提供控制基准 为铺设无碴轨道和运营维护提供控制基准 21 客运专线无碴轨道铁路工程测量各级平面控制网布网要求 控制点的定位精度要求 可重复性测量精度 控制点两次定位坐标差的中误差或补设 增设控制点时 由现有已知控制点发展的新控制点相对于已知点的坐标中误差 表中数据为X Y坐标方向的中误差 D为基线边长 单位为mm 23 第三部分轨检小车软 硬件学习 我国高速铁路尚处于兴建初期 在国内尚无专门针对高速铁路无碴轨道几何参数进行绝对模式测量的设备或装置 在日本 KANEKO公司有改进型手推式轨检小车 KS5735系列 适用于一般区间检测 道岔检测 竣工验收检测等 在欧洲 最具代表性是瑞士徕卡公司和瑞士安伯格测量技术公司联合研制的 LEICAGRP多功能轨道测量系统 该系统分为GRP1000 GRP3000 GRP5000三个型号 可分别完成轨道测量 轨道和限界测量及隧道全息成像测量 该系统是当今世界上先进轨道静态测量技术的代表作 首次引入绝对测量概念 将全站仪自动跟踪目标功能用于轨检小车的绝对坐标与轨检小车自身的轨距测量 水平超高测量有机结合 在专业的功能完善的机载软件控制下 可完成轨道静态测量的各种测量功能 是一个高级的功能完善测量系统 25 27 安伯格GRP1000轨道测量系统包括 TGSFX手推轨检车 GBC100棱镜 GRPwin软件模块 基本模块和选配的数据输出到捣固机模块 LEICA全站仪TPS1100 1200 2000系列等测量 GRP1000与LEICA全站仪结合 能实时提供精确的轨道三维坐标 自动的照准轨道目标 全站仪和GRP系统之间持续电台通讯完成高速自动测量 集成的高精度传感器测量所得的轨距和轨道超高数值为全面的轨道几何测量提供了需求的数据 注 总长约为460公里的郑州 西安高速客运铁路专线 采用的是德国先进的 旭普林无碴轨道建造体系 该体系经联邦铁道署 EBA 审查并通过认证 28 无碴轨道铺设施工测量 轨道检测小车是一种无列车轮载作用时可检测静态轨道不平顺度的便捷工具 它采用电测传感器 专用便携式计算机等先进检测和数据处理设备 可检测高低 水平 扭曲 轨向等轨道不平顺参数 国外铁路在动静态不平顺差异较小的高平顺线路 无碴轨道线路 以及在新线施工中 整道 检查铺设精度 验收作业质量时 轨道检测小车得到了较为广泛的应用 瑞士安伯格技术公司生产的GRP1000 由手推式轨检小车及相应的控制单元 传感器装置 可测量高低 轨向 水平 轨距 里程等 全站仪以及测量和分析软件等组成 在实现精确测量轨道内部几何参数之余 还可配合全站仪测量轨道的外部绝对位置 目前 该设备在欧洲无碴轨道高速铁路 中国台湾高速铁路和国内的遂渝线无碴轨道试验段等工程上得到了很好的应用 29 GRP1000测量系统主要由TGSFX手推轨检车 GBC100棱镜和GRPwin测量和分析软件包三大部分组成 TGSFX轨检车内安装高精度的传感器装置 用于测量轨道高低 轨向 短波和长波不平顺 水平 轨距 里程 单独使用GRP1000 可以测量无碴轨道平顺度铺设的相对精度 为了满足对无碴轨道三维绝对位置坐标的精度要求 需要用1台LEICATPS全站仪来对GRP1000定位 上述定位测量通过全站仪的自动目标照准功能以及与GRP1000之间持续无线电通讯来完成 典型的无碴轨道施工测量作业流程 1 安装GRP1000 通常需要约10min 2 确定LEICA全站仪的位置 通常需要约20min 利用8个点做后方交会 3 调整GRP1000的棱镜 使全站仪能对其自动跟踪和照准 4 开始轨道测量 30 轨道验收精密检测作业时 全站仪在靠近线路中心处自由设站 后视8个CP 控制点 由机载软件解算出测站三维坐标后 配合轨检小车进行轨道检测 轨检小车由人推着在轨道上缓慢移动 由远及近地靠向全站仪 检测点根据要求而确定 道岔及重要附属构筑物应加测点 检测作业方法如下图图示 GRP1000型高精度无碴轨道几何参数检测系统概述 32 轨道检测时的注意事项 1 每天工作之前 在现场 条件较好 无阳光直射和风吹 或室内对全站仪进行校准 以确保全站仪处于良好的工作状态 2 轨检小车上下轨道前必须先把轨距传感器扳回并且小车每次上轨道后必须进行水平传感器校正 然后才能作业 保证精密仪器在运输及工作时的安全 3 全站仪设站时采用8个以上CP 控制点后方交会定向 定向三维坐标残差小于1mm 方向残差小于2 4 全站仪设站时 一般情况下要保留6个CP 控制点 特殊情况下不少于4个 剔除不合格控制点时要慎重 优先剔除背离轨检小车所在一侧的控制点 最后要确保选用的控制点覆盖本测站的测量范围 高程不能只使用近处的4个控制点来控制 这容易造成目标距离较远的点的高程数据不可靠 33 5 全站仪开始测量前和本站测量完成后需放样检核已知CP 控制点 目的是检查全站仪气泡精平情况 一般至少使用1个近的控制点 50 60m 和1个远的控制点 100 120m 进行检核 如本站测量完成后检查已知CP 控制点偏差超过1mm 则这一设站测量的数据应舍弃 并重新设站测量 6 全站仪与轨检小车的有效测程范围为10 80m 7 全站仪每次搬站后要重复测量3个点 如两次较差小于2mm 则保存数据后可以继续推进 如两次较差大于2mm 则需考虑全站仪重新设站 8 全站仪定向通不过 首先考虑设站问题 检查精平气泡 控制点棱镜是否对准全站仪 这将影响方位及坐标 棱镜头与插杆是否严密套实 影响高程 如果不存在上述原因 再看是否是个别控制点本身精度低造成的 剔除低精度点即可 34 9 轨检小车在作业过程中会出现采集不成功的情况 主要是全站仪晃动使激光束无法从棱镜返回造成测量失败 如风吹脚架晃动 作业区域内有大型机械振动 火车及大型重车通过造成地基的震动或桥梁的晃动等 实际作业过程中应尽量避免在上述不良观测条件下采集数据 10 轨检小车是通过无线通讯控制全站仪自动数据采集的 作业过程中也有通讯连接不上的时候 首先检查连线是否接好 再有看附近有无电磁设备在作业造成电磁干扰等 35 36 37 轨检小车测量数据采集界面有四部分组成 右边的两个选项卡 分别记录来自全站仪 小车传感器的数据 左下的选项卡 主要进行传感器轨道轴线数据和设计轴线数据的比对 并实时的求出两者的偏差值 该界面下有两种模式 实时测量模式和后处理模式 两种模式的主要算法区别是 实时模式下小车方位角的计算是采用设计数据计算 后处理模式下小车方位角的计算是采用实测点来计算 注意 全站仪和小车传感器数据来自测量文件设计轴线的数据来自于工程文件数据处理流程 简而言之 求三个坐标 即棱镜中心坐标 轨道中心坐标 设计中心坐标 棱镜中心坐标由实测得到 设计中心坐标由设计中线计算得到 轨道中心坐标通过坐标转换得到 38 采用七参数转换 小车棱镜中心和轨道中心有确切的转换关系 重点在于计算小车的三个姿态参数 偏转角 方位角 俯仰角 竖曲线 翻滚角 超高 采用的计算数据是实测数据来计算的 采用的算法是最近点算法 即根据遍历设计中线 找出理轨道中心点最近的设计段 然后再通过迭代算法 找出最近点作为设计中心点坐标 三个坐标得到后 比较轨道中心坐标 设计中心坐标的差值 可以到平面调整量 通过轨距和超高值来调整钢轨 实现精调的目的 棱镜中心坐标轨道中心坐标 棱镜中心坐标设计中心坐标 数据处理流程 主要技术参数 功能实现 本系统可实现以下六项轨道几何参数的自动化测量 技术指标 里程测量精度 分辨率 1 17mm误差 50cm km水平测量精度 0 1mm 1435mm轨距测量精度 0 1mm全站仪的精度 测角精度 0 5 测距精度 1mm 1ppm 名词定义 轨距 两股钢轨轨头内侧顶面下16mm处两作用边的距离 水平 左右两股钢轨顶面相互水平位置 高低 线路上一股钢轨沿钢轨长度方向高低不平 轨向 指轨道中心线位置变化 轨底坡 线路上钢轨底面向内倾斜坡度 三角坑 两股钢轨在18m距离内 先是左股较右股高 后是右股较左股高 这种现象称为三角坑 软件流程图 开始 系统初始化 等待水平校准 开始水平零位校准 建立系统任务初始化任务变量 里程数据处理任务 轨距数据处理任务 高差数据处理任务 全站仪数据通讯 电脑通讯任务 PC机测量软件 等待PC机命令 N Y 结束 等待PC机命令 数据请求 水平校验 轨距校验 里程校验 系统关闭 发送传感器数据 开始水平校验 开始轨距校验 开始里程校验 Y Y Y Y Y N N N N N N 程序测量中的系统设定 测量模式 绝对测量和相对测量测量方向 是指测量时小车的前进方向 顺着里程增加的方向为正向 反之为反向 小车方向 主要是用来判别双轮一侧所在的位置 当双轮一侧在你的右侧时 沿里程增加的方向为正向 当双轮一侧在人的左侧时 沿里程增加的方向为反向 测量方式 选择路段测量和自由测量 测量间距 是指两个相邻测点之间的距离 根据测量需要 可以选相应的测量间距值 测量过程中 所允许的测量间距为所选择的测量间距的一到二倍之间 在此范围内的所有点都允许进行测量 传感器校准 水平传感器校准 消除传感器的零点差 保证测量精度 把小车平稳放置在基本水平的轨道上 读取正方向值 然后掉转180度放平稳后 再读反方向值 两值取平均数 即得水平芯片的校准值 轨距传感器校准 小车读出轨距值与已知值相对比 然后对传感器进行校准 因为小车的轨距设置是由一个固定长度和一个滑动长度组合而成的 只要校验滑动长度即磁带的长度就可以了 里程传感器校准 利用全站仪的精确测量原理 然后把小车放在轨道上 推行一段定长的距离 分别取出小车和全站仪的读数 两者经过计算 可以得出一个比例系数 在以后计算里程的时候 只要乘以这个系数就可以了 测量工作流程数据原理描述 中线变化率 是指在1m范围内 轨道中心点偏离设计轴线的幅度 高差变化率 是指在1m范围内 轨高差的变化幅度 轨距变化率 是指在1m范围内 轨距的变化幅度 高低变化率 是指在10m范围内 轨高低的变化幅度 里程计算 轨距计算 水平计算 轨高低计算 轨向计算 竖曲线计算 平面曲线计算 数据分析部分 第四部分无碴轨道检校车测量部分总体方案设计 测量流程 1 测站近似坐标 Xo Yo Ho 测量与计算 测站近似坐标计算的目的是得到全站仪测站的近似坐标 为后续测站点坐标测量与平差打下基础 根据全站仪测量特点可采用两种作业模式 三点后方交会 两点边角交会 两种方法都可以达到计算近似坐标的目的 后方交会测量三个方向 图一 相对测量工作量大 边角交会测量两个点的方向和距离 图二 测量过程简单 并且计算数据充分 所以在测站近似坐标测量方面拟采用该方法 2 测站坐标与方位角测量平差计算 测站坐标与方位角平差包含两个方面的内容 一方面是精确测量 计算测站点坐标 这是保证轨道中心位置测量精度的基础 另外 精确计算测站坐标方位角 这是保证轨道中心位置测量中横向误差精度的主要方面 为保证计算数据达到较高的精度 平差方法应采用抗差估计理论 相应控制点本身应具有足够高的精度 并且控制点应保证足够的数量 平差结束 应对测站坐标与方位角能否满足小车棱镜测量的精度以及测量可靠性问题进行科学与严格的评价 3 轨道车棱镜测量与计算 在得到高精度的测站坐标与测站方位角的前提下 高精度测量小车棱镜坐标是测量系统的主要目的 小车棱镜测量结束应得到棱镜坐标及其详细精度信息 特别在轨道横方向应当达到足够高的精度 各阶段说明 1 测站近似坐标测量与计算 两种测量方法都可以满足近似坐标计算的要求 但从测量工作量大小与计算可靠性方面考虑边角交会更合理 而且边角交会可以计算近似坐标概略精度 所以在该阶段主要考虑边角交会 在软件设计与作业方法设计方面应考虑全面性 提供两种作业方法 本阶段包括两个小阶段 测量与计算 所以数据传输过程应作为软件设计重点考虑的问题 并且该问题对后续工作具有借鉴意义 2 测站坐标与方位角测量与平差计算 测站坐标测量与平差计算是轨道车测量系统的核心问题 根据超高精度的测量要求 应当对测量工作进行严格认真的设计 方向与距离测量应当达到足够高的精度才能保证测站坐标的精度要求 具体只用方向观测或者方向 包括水平方向 竖直方向 边长测量同时进行都应当进行认真的实验分析与研究 测量平差应当兼顾控制点稳定性分析内容 故拟采用稳健估计方法进行 平差方法也是需要研究的重要问题 3 轨道车棱镜测量与计算 第五部分无碴轨道检校车国内研究现状 1江西日月明铁道设备开发有限公司南昌大学2长安大学陕西龙美科技有限公司3中南大学 进展状况 国内目前尚没有成熟的专门用于无碴轨道精确测量的装备 国产的轨检仪在工务系统中已经得到广泛的应用 这一类型的轨检仪可以检测轨距 水平 超高 轨向 高低 扭曲 里程等线路内部几何状态 检测速度快 价格低廉 但它们不能进行线路平面坐标和高程的测量 不能直接用于指导客运