戴騏倡　上海鐵路局科研所

站臺(tái)作為鐵路動(dòng)車組列車?？康闹匾O(shè)施，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后線路和站臺(tái)會(huì)發(fā)生沉降，鋼軌位置也會(huì)發(fā)生偏移，導(dǎo)致站臺(tái)限界尺寸發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生旅客踩空、車體擦刮、甚至撞車等安全事故。為此，鐵路房產(chǎn)建筑管理單位需要對(duì)管內(nèi)站臺(tái)限界實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，定期檢測(cè)，全面、及時(shí)掌握站臺(tái)限界的動(dòng)態(tài)變化情況。

目前，國(guó)內(nèi)的鐵路站臺(tái)限界測(cè)量設(shè)備大多為接觸式測(cè)量工具，需要在軌道上進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間受限在夜間天窗點(diǎn)內(nèi)，降低了作業(yè)效率，不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)站臺(tái)限界狀態(tài)變化和存在的安全隱患。因此，筆者認(rèn)為，需要在夜間天窗點(diǎn)內(nèi)定期測(cè)量站臺(tái)限界的基礎(chǔ)上，增加一種日間對(duì)站臺(tái)限界進(jìn)行巡查的技術(shù)手段，從而為鐵路運(yùn)營(yíng)安全提供更有效的技術(shù)保障。

為此，研制了一種非接觸式站臺(tái)限界檢查儀，在測(cè)量方法上進(jìn)行了創(chuàng)新，使其能夠滿足以下幾點(diǎn)要求：第一，無需上道，能夠直接在站臺(tái)上進(jìn)行限界測(cè)量；第二，不占用夜間天窗點(diǎn)，可以在白天沒有列車?？繒r(shí)即時(shí)測(cè)量限界；第三，操作簡(jiǎn)便，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

1　測(cè)量的量

站臺(tái)建筑限界，是一個(gè)和線路中心線垂直的極限橫斷面輪廓，為確保行車安全，站臺(tái)建筑不得侵人在此輪廓內(nèi)。站臺(tái)建筑實(shí)際限界，是指站臺(tái)建筑在距軌面不同高度處最接近軌道中心線的點(diǎn)共同構(gòu)成的橫斷面輪廓。為了簡(jiǎn)化測(cè)量步驟，同時(shí)確保實(shí)際限界輪廓不侵入限界輪廓，則對(duì)于站臺(tái)的每個(gè)被測(cè)橫斷面，至少需要找出實(shí)際限界輪廓中的兩個(gè)極限點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量：一是站臺(tái)最接近軌道中心線的點(diǎn)，測(cè)量該點(diǎn)與軌道中心線的水平距離（以下簡(jiǎn)稱“軌心距”）；二是與及站臺(tái)最遠(yuǎn)離軌面的點(diǎn)，測(cè)量該點(diǎn)與軌面的豎直高度（以下簡(jiǎn)稱“豎高”），如圖 1。

圖1　“軌心距”和“豎高”的示意圖

易知，只要軌心距不小于站臺(tái)的橫向限界尺寸，并且豎高不大于站臺(tái)的垂向限界尺寸，即可證明該橫斷面內(nèi)的站臺(tái)實(shí)際限界并未侵限。

2　測(cè)量原理

首先，要選取合適的測(cè)量基準(zhǔn)。由于軌面是一個(gè)虛擬面，軌道中心線和線路中心線也都是虛擬線，需要根據(jù)兩段鋼軌的位置關(guān)系計(jì)算得到，因此都無法成為測(cè)量裝置的實(shí)體測(cè)量基準(zhǔn)。于是，測(cè)量站臺(tái)限界時(shí)的實(shí)際被測(cè)對(duì)象除了站臺(tái)，其實(shí)還有兩段鋼軌。為了避免上道，測(cè)量在站臺(tái)上進(jìn)行，因此對(duì)于兩段鋼軌的測(cè)量必須采用非接觸的方式；而對(duì)于站臺(tái)的測(cè)量，則可以采用接觸式測(cè)量，以提升測(cè)量精確度。

測(cè)量的基本原理是，在站臺(tái)上使用測(cè)距元件獲取站臺(tái)與鋼軌的斜向距離，同時(shí)利用傾角傳感器獲取此段斜向距離與水平面的夾角，最后利用三角函數(shù)計(jì)算得到站臺(tái)在此處的軌心距與豎高。

測(cè)量過程實(shí)質(zhì)可以分解為以下三步：第一步，確定線路中心線，選定被測(cè)橫斷面；第二步，在該橫斷面內(nèi)確定軌面、軌道中心線和站臺(tái)輪廓的兩個(gè)極限點(diǎn)，測(cè)量出它們與測(cè)量裝置實(shí)際的實(shí)體測(cè)量基準(zhǔn)之間的坐標(biāo)關(guān)系；第三步，運(yùn)用解析幾何方法，計(jì)算得到軌心距與豎高。具體測(cè)量方法如下：

2.1　定位

為了便于管理，鐵路房產(chǎn)建筑管理單位一般會(huì)對(duì)站臺(tái)限界的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。因此，只需在該點(diǎn)放置測(cè)量裝置，旋轉(zhuǎn)測(cè)量裝置的測(cè)頭，將測(cè)頭鎖定在垂直于線路中心線的橫斷面內(nèi)，即可定位。

為了在不接觸鋼軌的前提下，找準(zhǔn)垂直于線路中心線的橫斷面，一般需要來回反復(fù)測(cè)量，直到測(cè)頭與鋼軌間距最短時(shí)，此時(shí)測(cè)頭垂直于被測(cè)鋼軌，可以近似認(rèn)為測(cè)頭垂直于線路中心線。在來回測(cè)量找到最短距離前，不得不反復(fù)確認(rèn)每次測(cè)量的值，過程冗長(zhǎng)低效。為了提高測(cè)量的效率，不妨在測(cè)量方法上進(jìn)行創(chuàng)新，引入一種更為直觀的雙邊定位法：使用兩個(gè)互成一定角度的測(cè)距元件，分別斜向?qū)?zhǔn)鋼軌測(cè)距，如圖2。當(dāng)兩個(gè)測(cè)距元件的讀數(shù)一致時(shí)，說明測(cè)頭垂直于被測(cè)鋼軌，可以近似視為測(cè)量裝置的測(cè)頭垂直于線路中心線。

圖2　雙邊定位法示意圖

2.2　測(cè)量

將測(cè)量裝置定位在被測(cè)橫斷面后，再旋轉(zhuǎn)測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)靠近站臺(tái)一側(cè)的鋼軌，讀取兩個(gè)測(cè)距元件到鋼軌的距離LAN和LBN，利用傾角傳感器得到測(cè)頭與水平面的夾角αN；再將測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)遠(yuǎn)離站臺(tái)一側(cè)的鋼軌，讀取兩個(gè)測(cè)距元件到鋼軌的距離LAF和LBF，利用傾角傳感器得到測(cè)頭與水平面的夾角αF。

2.3　計(jì)算

已知兩個(gè)測(cè)距元件讀數(shù)LA、LB，及兩個(gè)測(cè)距元件夾角θ，如圖3，通過解三角形可以確定測(cè)距元件到鋼軌LC的垂直距離HC：

圖3　測(cè)量原理示意圖1

通過上述算法分別得到測(cè)距元件與兩段鋼軌的垂直距離HCN和HCF，已知測(cè)距元件的測(cè)量基準(zhǔn)原點(diǎn)到測(cè)頭的距離為DT，如圖4，則測(cè)頭到鋼軌的垂直距離LN和LF為：

圖4　測(cè)量原理示意圖2

通過接觸測(cè)量分別得到站臺(tái)輪廓的兩個(gè)極限點(diǎn)到測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)軸的水平距離DS和豎直距離HS，已知測(cè)量裝置測(cè)頭的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為RS，鋼軌被測(cè)點(diǎn)與鋼軌截面對(duì)稱軸的水平距離為DR，鋼軌被測(cè)點(diǎn)到軌面的豎直高度為HR，如圖5。于是，可以算出軌心距DP和豎高HP：

圖5　測(cè)量原理示意圖3

3　設(shè)計(jì)選型

為了確保測(cè)量準(zhǔn)確，在測(cè)量測(cè)頭與鋼軌間距的過程中，鋼軌的被測(cè)點(diǎn)應(yīng)始終保持在鋼軌側(cè)面距離軌面相同高度的位置上。由于鋼軌具有不規(guī)則的形狀，要保證鋼軌的被測(cè)點(diǎn)位置相對(duì)一致，就需要有專門的指示裝置，指示出鋼軌被測(cè)點(diǎn)的位置，再通過肉眼或者機(jī)器視覺技術(shù)，確認(rèn)鋼軌被測(cè)點(diǎn)位置是否找準(zhǔn)。在激光測(cè)距、超聲測(cè)距、機(jī)器視覺測(cè)距等典型的非接觸測(cè)距方法中，激光測(cè)距會(huì)在被測(cè)對(duì)象表面留下光點(diǎn)，恰好可以起到指示被測(cè)點(diǎn)位置的作用。因此選擇激光測(cè)距儀，作為本裝置的測(cè)距元件。

根據(jù)鐵路技術(shù)管理規(guī)程規(guī)定的站臺(tái)建筑限界值，結(jié)合鐵路建筑實(shí)際限界測(cè)量行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的靜態(tài)測(cè)量允許偏差，可以折算得到對(duì)激光測(cè)距儀和傾角傳感器的性能指標(biāo)要求應(yīng)如表1。

表1　傳感器性能指標(biāo)要求列表

本裝置采用的威格勒Y1TA100MHT88激光測(cè)距儀、瑞芬HCA510T-30-V1傾角傳感器，均滿足上述要求。

圖6　測(cè)量界面截圖

此外，選取安卓手持終端通過藍(lán)牙通信技術(shù)與本裝置進(jìn)行交互，編寫軟件實(shí)現(xiàn)站臺(tái)信息設(shè)置、指導(dǎo)測(cè)量步驟并自動(dòng)完成限界計(jì)算（如圖6）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢功能（如圖7），測(cè)量界面友好。

圖7　查詢界面截圖

4　試用效果

2017年間，陸續(xù)使用本裝置在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該站臺(tái)限界檢查儀的測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，測(cè)量原理簡(jiǎn)單，操作便捷，基本偏差小于5mm，適用于站臺(tái)限界的低精度測(cè)量，有望成為站臺(tái)限界日間巡查的便利工具。