本發(fā)明涉及自動測量，具體涉及一種自動站臺限界測量儀及其測量方法，尤其應用于鐵路運輸生產和管理中。

背景技術：

在鐵路運輸領域，站臺限界主要是指鐵軌與站臺之間的固定距離。保證站臺界限的穩(wěn)定，才能防止火車在直線或曲線上運行時與站臺發(fā)生接觸，以保證火車安全通行。根據《鐵路技術管理規(guī)程》的相關規(guī)定，鐵路房建單位應加強房屋建(構)筑物建筑限界的管理和檢測，限界檢測每季度不少于一次，遇發(fā)生影響限界變化時(如施工、站臺變形和沉降等)，應隨時測量，發(fā)現(xiàn)侵限，及時處理，確保行車安全，可見站臺限界檢測對行車安全至關重要。

目前全鐵路普遍使用的站臺限界測量儀特征：

1.非自動測量，目前產品老舊，屬于人工非自動設備測量方式，每次測量需要3到4人；

2.測量效率和精度都不高，通過手動操作目測讀數(shù)進行逐點檢測，無論是測量的速度還是精度都無法適應現(xiàn)在的要求；

3.超出測量天窗時間，每次耗時多，嚴重影響高鐵界限測試時間安排。高鐵的天窗點一般設定在晚上較短的時間節(jié)點，該站臺尺的測量速度往往使檢測工作無法在天窗點內完成；

4.人工測量讀數(shù)易出錯，目測讀數(shù)很容易出現(xiàn)誤讀，給限界測量帶來極大的困擾。

那么在上面所述的情況下，全路鐵路系統(tǒng)急需一種測量速度快，測量精度高，操作人員少，操作簡便的全自動型站臺限界測量儀器，為高鐵的安全通行提供一種重要的保障。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明需要解決的技術問題是，如何提供一種自動站臺限界測量儀及其測量方法，能大幅度提高限界測量速度、效率，并且精度高、不會出現(xiàn)人為誤差。

本發(fā)明的上述第一個技術問題這樣解決：構建一種自動站臺限界測量方法，其特征在于，利用放置在鐵軌上的自動站臺限界測量儀，包括以下站臺高度測量步驟：

101)利用自動站臺限界測量儀的高度測量器以低于水平方向、向下傾斜的角度且同時垂直于鐵軌的方向進行測量高度測量器到站臺表面的距離D2，并獲取高度測量器的該測量角度與自動站臺限界測量儀的垂直高度方向的角度C；所述高度測量器的高度高于站臺標準限高；

102)利用自動站臺限界測量儀上的水平角度傳感器測量放置在鐵軌上的自動站臺限界測量儀的水平擺放傾斜角度A；

103)計算站臺高度H＝H0*cos(A)-D2*sin(90+A-C)，其中：H0是高度測量器的高度值。

由于頂端抖動厲害，加上D2與B之間測量會有不同步，因此直接測量高度測量器的向下傾斜測量與水平方向的角度B，會造成測量數(shù)值偏差很大，但通過測量A、C，獲取B＝90+A-C，能消除或減弱測量偏差，使?jié)M足站臺高度測量精度要求。

自動站臺限界測量儀必須測量站臺高度測量和站臺與軌道水平距離測量，但是作為一種方法，不排除有時只測站臺高度，因此不能看成缺少必要特征，這種方法完美解決了高精度自動測量站臺高度的技術問題。

站臺高度測量簡稱高度測量，站臺與軌道水平距離測量簡稱水平測量。

按照本發(fā)明提供的自動站臺限界測量方法，水平角度傳感器可以設置在自動站臺限界測量儀的：

㈠優(yōu)選：中央或重心處，最大減少誤差；

㈡可選：中下或重心以下，一定程度減少誤差；

㈢不可取：中上或重心以上，很難減少誤差。

按照本發(fā)明提供的自動站臺限界測量方法，所述角度C包括以下二種：

㈠優(yōu)選：所述角度C是固定不變的并事先輸入到所述高度測量步驟，這樣實現(xiàn)簡單且角度C不存在偏差，從而不會引入新的系統(tǒng)測量誤差。

㈡可選：所述角度C是可調節(jié)并可以被獲取，這樣測量范圍較優(yōu)選方案大，但角度C會有偏差，從而引入新的系統(tǒng)測量誤差。

按照本發(fā)明提供的自動站臺限界測量方法，所述水平角度傳感器設置自動站臺限界測量儀的中央、重心處(優(yōu)選)、下部或中間部位，這樣能一定程度地消除抖動的影響。

按照本發(fā)明提供的自動站臺限界測量方法，該測量方法還包括最高測量范圍H2：當H＝H2，記錄實際站臺高度為≥H2。這個最高測量范圍H2會跟隨A變化，當測量到H＝H2時，可能高度測量器測量的D2是高度測量器到站臺壁的距離，而不是到站臺平面的距離，因此對應高度要比站臺平面高度低。

按照本發(fā)明提供的自動站臺限界測量方法，還包括以下水平測量步驟：

601)利用自動站臺限界測量儀的水平測量器以與自動站臺限界測量儀的高度方向成一個設定的固定角度(優(yōu)選：90度)且同時垂直于鐵軌的方向進行測量水平測量器到站臺壁的距離D3；

602)計算站臺與軌道的水平距離D＝D3*cos(A)+tag(A)*H1，其中：H1是水平測量器的高度值。

這種水平測量步驟(特別是優(yōu)選方式)比較簡單，方向固定且不會引入新的系統(tǒng)測量誤差。

按照本發(fā)明提供的自動站臺限界測量方法，水平測量器類似指南針一樣始終以水平方向直接測量水平測量器到站臺壁的距離D；這種不太可取的替代方案由于測量時水平方向會有偏差，從而引入新的系統(tǒng)測量誤差。

按照本發(fā)明提供的自動站臺限界測量方法，所述站臺壁是指站臺面向鐵軌一側的豎直向下延伸的壁。

按照本發(fā)明提供的自動站臺限界測量方法，所述水平測量器和高度測量器可以采用：

㈠優(yōu)選激光測距模塊，這樣容易達到很高的精度，滿足高精度測量要求；

㈡其他，包括但不限制于是紅外、超聲波或無線測距模塊，這些替代方案不太容易達到很高的精度，很難滿足高精度測量要求；

發(fā)明人在實際開發(fā)設計與試驗中通過紅外傳感器方式進行數(shù)據測量采集，效果不理想，數(shù)據穩(wěn)定性和精度達不到要求。

本發(fā)明的上述第二個技術問題這樣解決：構建一種自動站臺限界測量儀，其特征在于，包括：

支架：底部設有滾輪，用于放置并行走在鐵軌上；

高度測量器：用于以低于水平方向、向下傾斜的角度地測量高度測量器到站臺表面的距離D2；

水平角度傳感器：用于測量放置在鐵軌上的自動站臺限界測量儀的水平擺放傾斜角度A；

水平測量器：用于以水平方向或與自動站臺限界測量儀的高度方向成一個設定的固定角度方向(優(yōu)選：90度)測量水平測量器到站臺壁的距離；

測量模塊：與所述高度測量器、水平測量器和水平角度傳感器數(shù)據連接，用于獲取所述高度測量器、水平測量器和水平角度傳感器采集的數(shù)據并計算站臺高度H和站臺與軌道的水平距離D。

按照本發(fā)明提供的自動站臺限界測量儀，它還包括：

控制模塊，與所述高度測量器、水平測量器和水平角度傳感器電連接，與所述測量模塊數(shù)據連接，用于啟動所述高度測量器、水平測量器和水平角度傳感器進行各自測量；

行走距離模塊，與所述控制模塊電連接，用于測量所述自動站臺限界測量儀在鐵軌上的行走距離并根據行走距離把測量啟動控制信號發(fā)送給所述控制模塊，包括但不限于：

㈠每行走一段距離就自動測量H和D，比如每2米測量一次；

㈡每到一個特殊位置測量一次，比如離站臺起點的2.5米處；

㈢上述二種的結合。

按照本發(fā)明提供的自動站臺限界測量儀，數(shù)據連接包括數(shù)據線連接(如：并口、串口)，無線連接，藍牙連接等等。

按照本發(fā)明提供的自動站臺限界測量儀，所述測量模塊與控制模塊，包括：

㈠二個獨立的模塊或裝置，其之間數(shù)據連接為外部數(shù)據連接；

㈡集成在一個裝置中，如：測量控制中心，其之間數(shù)據連接為內部數(shù)據連接。

按照本發(fā)明提供的自動站臺限界測量儀，行走距離模塊可以但不限制于用編碼器+邏輯可控制編程器(PLC)實現(xiàn)。編碼器是將信號(如比特流)或數(shù)據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種；按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。

按照本發(fā)明提供的自動站臺限界測量儀，控制模塊可以是PLC、單片機等。

本發(fā)明提供的自動站臺限界測量儀及其測量方法，較現(xiàn)有技術具有以下優(yōu)勢：

1、機器自動測量，節(jié)省人工；

2、精度高，避免誤差；

3、效率快，節(jié)省時間。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施例進一步對本發(fā)明進行詳細說明：

圖1是本發(fā)明的自動站臺限界測量儀的測量原理示意圖；

圖2是本發(fā)明的自動站臺限界測量儀的機架結構示意圖；

圖3是圖2所示自動站臺限界測量儀的電路結構示意圖；

圖4是圖2所示自動站臺限界測量儀中總控制與處理中心的控制程序流程示意圖。

其中附圖標記：

1-工業(yè)平板電腦，2-高度測量器，3-水平測量器。

具體實施方式

首先，本發(fā)明的核心與關鍵：

●測量原理

本發(fā)明的自動站臺限界測量儀須要測量的是鐵軌與站臺之間的水平距離(水平測量)和站臺高度測量(高度測量)，其幾何計算原理如圖1所示，左邊自動站臺限界測量儀放置在鐵軌上，對右邊站臺進行測量，D2是頂端激光獲取的距離數(shù)據，D3是水平激光獲取的距離數(shù)據,H0為自動站臺限界測量儀的支架高度。

發(fā)明創(chuàng)新點：通過這種策略，計算方法，同時有經過多次經驗補償，改進的算法才保證現(xiàn)在的計算精準。

①基本的數(shù)學計算公式：

A是水平角度傳感器獲取的，是放置在鐵軌上的自動站臺限界測量儀的水平傾斜角；

B是高度測量器跟水平方向的夾角；

H1：開始測量時，通過激光測量獲取的數(shù)據

D1＝tag(A)*H1＝L1*cos(A)

L1：是水平測量器距離自動站臺限界測量儀底部的高度；

水平的距離＝D3*cos(A)+D1

站臺高度＝H0*cos(A)-D2*sin(B)

②優(yōu)化的數(shù)學計算公式：

在實際的測量中。由于頂端的振動比較大，導致角度測量變化大。測量站臺高度誤差變化很大。而使用中心點的角度傳感器來實時計算

公式改為：

測量開始是。獲取的數(shù)據。

角度B,水平激光距離軌道高度H1

高度測量器跟支架的夾角C

C＝90+A-B；

B＝90+A-C；

由于C是固定不變；

B在測量時候的角度值B1代替B

B1＝90+A-C；

通過以上兩個公式我們可以實時動態(tài)的獲取高度跟水平距離。

第二，舉例說明本發(fā)明自動站臺限界測量儀的具體實現(xiàn)：

本發(fā)明自動站臺限界測量儀的具體實現(xiàn)包括機械結構、內部電路與控制程序三大組成部分，三個部分缺一不可。本發(fā)明自動站臺限界測量儀可以有多種形態(tài)，包括但不限制于以下具體的機械結構、硬件電路與控制程序，以下分別進行說明：

●機械結構

本發(fā)明自動站臺限界測量儀，設備結構如圖2所示，整套設備安裝在一個搭放在兩條鐵軌上的測試架上。測試架的底座由中間橫桿連接的兩端組成，中間橫桿由套在一起的外桿與內桿組成，可以活動調節(jié)長度，使之與鐵軌長度一致。底座的兩端都是垂直并中央連接中間橫桿的一個短桿，左端短桿連接中間橫桿中的內桿，右端短桿連接中間橫桿中的外桿。每端短桿都具有2個滑動的輪子，另外還在各自內側設有檔位板，保證自動站臺限界測量儀在進行界限測量時，能輕松地在鐵軌上移動，從而對整個站臺進行測試并防止它從鐵軌掉落。

底座的中間橫桿的中間靠左位置豎立一短直桿，上端設有控制平臺，工業(yè)平板電腦1可固定安置在控制平臺上表面。本發(fā)明自動站臺限界測量儀的重心也在控制平臺中，水平傾斜傳感器也安置在其中。

底座的右端還豎立一長直桿，頂端安放高度測量器2、中下部位安放水平測量器3。

●內部電路

本發(fā)明自動站臺限界測量儀，高度測量器采用高度測量激光傳感器，水平測量器采用水平測量激光傳感器，控制模塊與測量模塊分開，其內部電路如圖3所示，包括總控制與處理中心及其控制電連接的水平測量激光傳感器、高度測量激光傳感器和藍牙模塊，還包括與總控制與處理中心無線藍牙連接的工業(yè)平板電腦1，其中：

水平測量激光傳感器、高度測量激光傳感器，用于分別進行鐵軌與站臺的水平界限，站臺高度的數(shù)據采集；

總控制與處理中心，作為整個測量儀的大腦中心，具體為內含水平傾斜傳感器的控制模塊，為布設PLC和水平傾斜傳感器的電路板，安放在測試架的控制平臺中，通過中空測試架內的連接線或測試架上的外部連接線連接水平測量激光傳感器和高度測量激光傳感器；

藍牙模塊，也一起布設在上述電路板上，用于與工業(yè)平板電腦1建立無線藍牙連接，所述工業(yè)平板電腦1中也內置自身的藍牙模塊；

工業(yè)平板電腦1，可以進行采集數(shù)據的顯示，數(shù)據編輯以及報表的處理工作。

上述圖3的內部電路只能實現(xiàn)半自動測量，但仍然須要人工控制啟動。為實現(xiàn)全自動測量，本發(fā)明自動站臺限界測量儀進一步還須包括在圖3中未電連接總控制與處理中心的編碼器和對應自動控制程序。

編碼器，該編碼器可以與底座的右端和/或左端的滾輪配合，測量測試架在鐵軌上的移動距離，根據移動距離自動啟動測量。

●控制程序

本發(fā)明全自動站臺限界測量儀內置測量移動距離的編碼器，通過控制程序自動實現(xiàn)：

機器上電后，總控制與處理中心自動連接到各外部設備；

接收平板發(fā)出的命令，然后通過連接發(fā)送到每個測量器；

測量器采集數(shù)據發(fā)回到總控制與處理中心進行處理；

通過藍牙傳送到平板呈現(xiàn)給用戶。

控制程序具體實現(xiàn)如圖4所示，具體包括以下步驟：

401)開始；

402)總控制與處理中心進行系統(tǒng)/硬件初始化：藍牙模塊和編碼器外設檢查；

403)激光頭1連接檢查；激光頭1指水平測量激光傳感器；

404)判斷是否成功？是，下一步，否則返回步驟403)；

405)激光頭2連接檢查；激光頭2指高度測量激光傳感器；

406)判斷是否成功？是，下一步，否則返回步驟405)；

407)進入就緒狀態(tài)(隨時可以進入測量)；

408)判斷是否有啟動測量命令？是，下一步，否則返回步驟407)；

409)進入測量狀態(tài)，啟動激光頭1、激光頭2和編碼器；

410)判斷是否有停止測量命令？否，下一步，是則返回步驟407)；

411)判斷是否立即測量命令？是，進入步驟413)，否則下一步；

412)判斷是否到達測量點？是，下一步，否則返回步驟410)；比如：測量點是每2米啟動一次測量；

413)向激光頭1和激光頭2發(fā)送測量命令，等待數(shù)據接受；

414)判斷是否接收到激光頭數(shù)據？是，進入下一步，否則返回步驟413)；

415)總控制與處理中心進行數(shù)據處理并把處理后的數(shù)據通過藍牙連接發(fā)送給工業(yè)平板電腦；

416)結束。

第三，結合本發(fā)明的具體產品/試驗品(全自動站臺限界測量儀)及其使用進一步詳細說明本發(fā)明：

這款全自動站臺限界測量儀，是將限界測量儀放在鐵軌上，從站臺測量的起點開始推著限界測量儀輕松的走動，數(shù)據會自動進行測量并顯示出來，整個測量過程采用全自動測量，測量數(shù)據能自動顯示和處理。

這款全自動站臺限界測量儀的工作原理和工作過程是：采用高精度的深圳邁測L2型激光傳感器進行數(shù)據采集，總共是2個激光傳感器，一個測量鐵軌與站臺之間的水平距離，一個測量站臺的高度。所采用的高精度激光傳感器原理是發(fā)射不同頻率的可見激光束，接收從被測物體返回的散射激光，將接收到的激光信號與參考信號進行比較，之后通過微處理器計算出相應的相位偏移所對應的物體間的距離，可達到mm級測量精度，為整個測量的高精度提供有力保障。2路激光傳感器計算出的站臺界限和站臺高度數(shù)據傳輸?shù)娇偪刂婆c處理中心，進行數(shù)據的實際運算，補償，經驗修正的總處理，得到相應的具體測量數(shù)據，將這些具體測量數(shù)據然后通過藍牙模塊，以無線方式傳輸?shù)阶詣诱九_限界測量儀的工業(yè)平板電腦上進行相應的數(shù)據顯示，數(shù)據編輯，方便對采集數(shù)據的電腦處理。

這款全自動站臺限界測量儀，能自動高效率，高精度的進行界限數(shù)據的測量，主要采用了高精度的深圳邁測L2激光傳感器進行數(shù)據采集，此激光傳感器的精度達到了毫米級，±2mm，測量分辨率是1mm，這樣保證了數(shù)據采集的高精度。激光等級2級，符合DINEN20825-1標準，采用工業(yè)級的激光傳感器，為產品安全和穩(wěn)定性提供了依據?，F(xiàn)有的限界測量儀是采用人工測量，目測數(shù)據，目測數(shù)據具有較大的出錯率，精度也不高。

根據《鐵路運輸房建設備大修維修規(guī)則》鐵總運【2014】60號第5.6.2條規(guī)定，站臺、雨棚限界應建立定點檢測、點間觀測的監(jiān)控制度，《規(guī)則》對允許偏差明確規(guī)定：站臺帽石邊緣至鐵路軌道中心線的距離允許偏差為(0+15mm),站臺帽石頂面高程的允許偏差：高站臺為(0-20mm)，普通站臺和低站臺為(±10mm)。自動站臺限界測量儀在實際使用中完全滿足規(guī)范要求，同時超過標準一倍的要求。

全自動站臺限界測量儀采用的是限界測量儀搭放在鐵軌上，采用非導電滑輪方式，可以一人輕松地推著限界測量儀進行自動數(shù)據測量，這是此自動站臺限界測量儀的機械上的最大特點，為高效率的自動測試奠定了基礎。根據激光傳感器反射面的環(huán)境情況，最快可以達7次/每秒，最慢為每次4秒，保證了測量的效率。在試驗當中也得到很好驗證。

當然，以上所述僅是本發(fā)明的較佳實施例，故凡依本發(fā)明專利申請范圍所述的構造、特征及流程所做的等效變化或修飾，均包括于本發(fā)明專利申請范圍為內。