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都市快轨交通
都市快轨交通·第20卷第5期2007年10月土建技术
URBANRAPIDRAILTRANSIT
基于激光测量的地铁限界检测系统
李儒英 吴积钦 曾 明
(西南交通大学 成都 610031)
摘 要 将激光测量系统(LMS)应用于地铁限界的快速检测系统中,实现对限界的一种非接触式检测,测量、采样数据速度快;将检测数据与标准数值实现
自动比较,把数据和曲线图作为检测结果,快速检测
地铁限界,用以指导竣工验收和日常运营维护。
关键词 地铁限界 激光测量系统 接口 数据传输
近年来,我国的地铁建设得到了迅猛的发展,地铁工程的竣工验收、地铁日常运行维护等环节都需要地铁限界这个重要指标。
我国地铁限界检测最常用的是断面检测法。
根据设备限界尺寸和不同的断面半径,制作一个可以伸缩的框架固定在平板车上,作为限界检测车,用内燃机车牵引,对全线逐段进行检测[1]。
在直线段和不同半径的曲线段转换时,需要手动调整固定在平板车上的框架。
如果能够实时、连续、快速地对限界状况进行检测,并将检测数据存入数据库中,就能实时掌握限界的变化,及时消除影响运输安全的隐患[2]。
因此,笔者研究了一套基于激光测量系统(lasermeasurementsystem,LMS)的地铁限界检测设备,以完成对地铁限界的连
续、快速、准确的检测。
1 地铁限界概述
限界是指列车沿固定的轨道安全运行时所需要的空间尺寸。
地铁限界是以地铁车辆的轮廓尺寸和车辆的有关技术参数,运行动力性能,结合轨道和接触网(或接触轨)的相关条件,并考虑设备和安装误差,按规定的计算方法进行设计的。
地铁限界分为车辆限界、设备限界、建筑限界。
收稿日期:
2007-06-12 修回日期:
2007-08-21
作者简介:
李儒英,女,硕士研究生,从事接触网理论与技术的研究,
liruying2000@sina.com
吴积钦,男,高级工程师,硕士生导师
车辆限界是车辆在正常状态下形成的最大动态包络线,设备限界是用以限制设备安装的控制线,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。
受电弓限界或受流器限界是车辆限界的组成部分,接触轨限界属于设备限界的辅助限界。
为了确保列车在隧道中行驶时有足够的空间和行驶安全,在限界内,除了机车车辆及其有相互作用的建
筑物和设备外,其他建筑物和设备不得侵入[3]。
2 总体设计思路
根据实际情况的要求,地铁限界检测系统可以进行地铁建筑限界、设备限界的竣工验收和日常运行维护,而且应该快速准确。
在检测过程中,要求完成地铁限界检测数据的采集、分析、处理、传输,并快速给出相应的检测结果。
该系统采用LMS型激光测量系统,对隧道断面进行快速精确的检测。
利用Borland公司开发的C++Builder语言设计一套控制软件,对该系统
进行操作和控制,完成测量任务;将扫描结果与预先保存在数据库内的标准限界数据进行比较,如果有物体侵入限界,系统发出声音报警,同时检测的结果保存在检测结果数据库内,检测结束后可以对结果进行查询。
3 地铁检测系统的组成
3.1 硬件部分
地铁限界检测系统的硬件组成部分如图1所示。
图1 地铁检测系统的组成框图
3.1.1 LMS
激光测量系统(LMS)是工业测量中一种重要的非接触性测量手段,是基于激光雷达测距原理、将激光相07
©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.
基于激光测量的地铁限界检测系统
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位测距装置与光学转动装置集成的仪器统称,能对周围环境进行二维扫描并且记录,具有测量精度高、测量速度快的优点[4]。
地铁限界检测系统采用的是德国SICK公司生产的LMS200,其主要技术参数见表1。
表1 LMS200的主要技术参数
系统误差/mm ±6
统计误差/mm ±4
激光波长/nm 可见光λ=650
作业距离/mm 最大80
响应时间/mm 53,26,13
接口 RS232或RS422
电源电压/V 直流24(±15%)
作业温度/℃ 0~50
可选择的波特率/Kbps 9600,19200,38400,500
是否具备雾气改正功能 不具备
LMS200的工作原理是:
依据激光雷达测距原理,即利用脉冲激光器对目标发射一束光脉冲,测量光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的时间,由此计算出目标的距离。
LMS200的工作过程是:
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。
LMS200主要由脉冲激光发射器、接收器、门控电路、时钟脉冲振荡器及计数显示电路组成,除此之外还有一独特的旋转反射镜。
从脉冲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。
LMS型激光测量系统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。
3.1.2 接口
LMS200通过RS232与PC机之间进行数据交换,RS232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RXD(receive),表示接受字符;引脚3,简写为TXD(transmit),表示发送字符;引脚5,简写为GND(ground),表示地线。
在地铁限界检测系统中,LMS200与PC机之间的引脚连接情况如表2所示。
将RS232的线材做必要的跳线(第2脚和第3脚对调),其目的在于将LMS200串行通信口的接收引脚连接上PC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。
3.2 数据传输
LMS200支持最小分度为1°、0.5°和0.25°的角度测量,并将测量值按照一定的数据格式,通过串行通信端口RS232与PC机进行数据传输。
3.2.1 检测数据的输出
检测系统从LMS200处得到检测数据的报文格式,
如表3所示。
表3 检测数据的报文格式
名称位数备 注
STX8 起始字节
ADR8 用户地址,一般是81H
Len16
LMS输出数据流的总长度,接下来输出的是
数据流的字节数(检查值除外)
CMD8 命令字节,这里指不断地输出数据的命令
DataLen16 测量值字节的数目(取决于测量方法)
Data⋯16n 测量距离值(每个2个字节)
Status8
重要字节,指示系统错误、病毒等,参考电报
表找准确信息
CRC16 检查值
注:
①串行端口所发送的数据是使用ASCⅡ字符码,即8位形成一
个字节。
②表格中报文传输是自上而下的顺序。
③n的大小取决于
测量模式:
选择最小分度为1°时,n=181;选择最小分度为0.5°时,
n=361。
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串行端口接收的每个角度(0°,0.5°,1°,1.5°,⋯)的距离值都是用一个高8位和一个低8位的组合表示的。
该角度测得的实际距离distance=dist_L+dist_H×256,其中dist_L和dist_H的值是通过对接收的二进制值进行右移位运算再累加得来的。
3.2.2 数据传输速度
LMS200的默认数据传输速度是9600bps。
为了使用高速的激光测量系统,需要一块SICK公司提供的MOXA接口板。
MOXA接口板是一块基于PC的超高速板卡,安装在标准的PC机中,可直接插入PCI插槽。
这样,LMS200型激光测量系统每秒能完成75次180°的扫描任务(例如,0°,1°,2°,⋯,179°,180°,或者0.5°,1.5°,⋯,179.5°),数据传输速率可达500Kbps。
3.2.3 测量模式
LMS200提供了1cm和1mm两种长度制式,前者适合距离更大(80m)的粗略测量,本系统采用后者。
LMS200还提供了两种适合限界检测的角度测量模式,如表4所示。
考虑本系统的实际情况,选用第二种测量模式(最小分度为0.5°)。
表4 限界检测的测量模式
LMS测量模式
角度
范围
最小
分度
测量值输出报文的
角度排列顺序
测量值
个数
0°~180°1°0°,1°,2°,⋯,179°,180°181
0°~180°0.5°0°,0.5°,1°,1.5°,⋯,179°,179.5°,180°361
3.3 软件设计
软件结构与功能就是决定整个系统是否能符合设计要求的关键。
系统选用Borland公司开发的C++Builder语言来设计这套软件系统。
C++Builder本身并不提供单独的串行通信组建,必须使用一些WindowsAPI的函数来达到这个目的。
WindowsAPI是由操作系统所提供的函数,具有相当多的执行功能。
由于C++Builder已经将Win32API均声明进去了,因此在其里面使用API时只要直接引用即可[5]。
地铁限界检测系统引用的API函数列在表5中。
根据地铁限界检测系统的功能要求,考虑友好的人机对话,将标准限界图和扫描结果轮廓图绘制在同一界面上;使用者对初始里程进行限定,软件自动进行里程跟进;检测结果存入数据库,并设计查询系统。
该系统软件包括打开串行通信端口、检测参数设置、标准表5 系统引用的API函数名称位数备 注
STX8 起始字节
ADR8 用户地址,一般是81H
Len16 LMS输出数据流的总长度(检查值除外)
CMD8 命令字节,这里指不断的输出数据的命令
DataLen16 测量值字节的数目(取决于测量方法)
Data⋯16n 测量距离值
Status8 状态,指示系统错误、病毒等。
CRC16 检查值
限界图绘制模块、扫描结果轮廓图绘制模块、超限判断并统计超限数据模块、检测结果查询模块,以及标准限界数据库和扫描结果数据库,主程序流程见图2。
图2 检测主程序流程
曲线地段限界应按平面几何偏移量、过超高(或欠超高)引起的限界加宽和加高量、曲线轨道参数及车辆参数变化引起的限界加宽量来计算确定。
因此,针对实际情况,需要设立几种不同曲线半径所对应的标准限界图和标准限界数据库,以方便调用。
直线段和曲线段之间的切换,可通过软件来完成操作。
4 实测情况
在内燃机车前面,尽可能靠近轨平面处,搭一个框架放置LMS200。
以轨平面中心线的中点为坐标原点,测出LMS200安装处的具体坐标,随后连接PC机进行检测。
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基于激光测量的地铁限界检测系统
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图3 限界检测系统检测结果
图3为限界检测系统
实测的地铁隧道断面图,
其中蓝色曲线按设备限界
设计值绘制,黑色曲线为
实测隧道空间图形的某个
断面,可以看出该处没有
超限。
5 结语
基于LMS的地铁限
界检测系统,是集机、电、
光于一体的智能化检测设备,运行速度为20km/h左右。
从实测情况看,检测系统能够完成对地铁限界的连续、快速、准确的检测,及时掌握地铁限界情况,以确保列车在隧道行驶时有足够的空间并且安全。
参考文献
[1]刘永中.地铁设备限界的检测方法[J].隧道建设,2005,
25(4):
70-71.
[2]杨凤春,吴旺青,于国丞.激光扫描在轨道限界检测中的
应用[J].现代城市轨道交通,2007
(2):
31-32.
[3]GB50157—2003地铁设计规范[S].北京:
中国计划出版
社,2003.
[4]冯文灏.工业测量[M].武汉:
武汉大学出版社,2004.
[5]范逸之,江文贤,陈立元.C++Builder与RS-232串行通
行控制[M].北京:
清华大学出版社,2002.
MetroClearanceDetectionBased
onLaserMeasurement
LiRuying WuJiqin ZengMing
(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031)
Abstract:
ThispaperdescribestheapplicationofLaser
MeasurementSystem(LMS)todetectthemetroclearance,
includingthesystemdesign,datatransmissionandresult
analysis.Analysisofmetroclearancemeasurementresults
involvescomparingthemwiththedesignrequirementsand
plottingmeasurementcurve.SampleddataandrealtimeI/O
satisfythedemandsoffastmetroclearancedetection.
Keywords:
metroclearance;LMS;interface;datatransmission
2007城市轨道交通关键技术论坛
(第十八届地铁学术交流会)隆重举行
(本刊讯)由中国土木工程学会城市轨道交通技术推广委员会主办、广州市地下铁道总公司承办的2007城市轨道交通关键技术论坛(第十八届地铁学术交流会)于2007年10月12—13日在广州隆重举行。
建设部副部长黄卫、中国土木工程学会理事长谭庆琏、中国工程院院士施仲衡、广州市副市长苏泽群等领导到会并作重要讲话,来自建设部、中国土木工程学会、全国各城市轨道交通建设、运营、设计、施工、科研院所、大专院校的领导、专家、工程技术人员约200人参加了大会。
本次会议的主题是:
发布首批“建设部城市轨道交通专项技术推广项目”,推出国家科技支撑计划“新型城市轨道交通技术”初步研究成果,推广“资源节约型、环境友好型、技术创新型、安全便捷型”城市轨道交通新方法、新设备和新技术。
黄卫副部长在讲话中肯定了近年来我国城市轨道交通技术取得的长足进步,要求认真总结经验,加快轨道交通技术的进一步发展,同时对做好城市轨道交通关键技术的研究与推广工作提出了具体要求。
谭庆琏理事长从综合交通规划、政策法规建设、质量安全及风险管理4个方面,指出了学会今后的工作重点。
大会主题演讲分别由中国工程院院士施仲衡、广州市地下铁道总公司总工程师陈韶章、南京地下铁道有限责任公司党委书记陈光主持。
主题发言从不同的角度论述了我国城市轨道交通的技术发展,反映了不同领域的最新技术成果,内容涉及轨道交通规划、网络化建设、技术创新、投融资、标准体系、运营、轻轨系统以及安全管理等方面的关键技术,提出了运营效率、综合交通规划、标准规范体系、安全风险等热点话题。
本届会议推出了《中国城市轨道交通新技术》第二集,收录了39个项目,内容涉及轨道交通安全、环保、节能、创新、国产化等方面,集中体现了节能、环保、安全、增效和创新的理念。
经建设部科技成果重点推广项目立项专家评审,连同去年首届城市轨道交通关键技术论坛推出的《中国城市轨道交通新技术》
第一集12个项目,共有32项被评为部级推广项目。
大会为推广项目承担单位颁发了证书,并进行了展板展示,与会代表反应强烈。
本届会议在分会场展示了各课题的初步研究成果,与会代表积极参与讨论并提出了许多建设性的意见。
适逢广州地铁3、4号线开通运营不久,广州地铁4号线采用了直线电机、站台屏蔽门等多项创新技术,大会组织代表进行了实地参观。
2007·中国交通高层论坛
时间:
2007年10月27日
地点:
北京交通大学科学会堂
以“交通·能源·环境·经济”为主题的
“2007·中国交通高层论坛”是继2005年
“北京·中国交通论坛”和“2006·中国交通
高层论坛”成功举办后的又一次中国交通运输界的盛会。
社会主义和谐社会的建设,对交通运输事业的发展提出了新的要求:
在我国大
规模交通建设与发展过程中,全面落实科学发展观,坚持以人为本,努力构建“和谐交通”,为国家“节能减排”、“环境友好”起到推动作用。
本次论坛邀请了约50余位国内外交通运输领域著名专家、学者和企业家,响应构建和谐社会的号召,围绕“交通与布局、交通与能源、交通与环境、交通与经济”4个议题进行深入探讨,共同为我国交通事业发展出谋划策。
主办单位:
北京交通大学
中国系统工程学会
论坛主题:
交通·能源·环境·经济
议题:
交通与布局、交通与能源、交通
与环境、交通与经济
论坛组委会办公室:
北京交通大学管
理楼8713
电话:
010-51688140 010
-51684786
传真:
010-51688140
联系人:
张国伍 张晓永
论坛网址:
www.bjctf.cn
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