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都市快軌交通第20卷第5期2007年10月土建技術(shù)URBAN RAPID RA IL TRANSIT基于激光測(cè)量的地鐵限界檢測(cè)系統(tǒng)李儒英吳積欽曾明(西南交通大學(xué)成都610031)摘要將激光測(cè)量系統(tǒng)(LMS)應(yīng)用于地鐵限界的快速檢測(cè)系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)對(duì)限界的一種非接觸式檢測(cè),測(cè)量、采樣數(shù)據(jù)速度快;將檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)比較,把數(shù)據(jù)和曲線圖作為檢測(cè)結(jié)果,快速檢測(cè)地鐵限界,用以指導(dǎo)竣工驗(yàn)收和日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)。關(guān)鍵詞地鐵限界激光測(cè)量系統(tǒng)接口數(shù)據(jù) 傳輸近年來(lái),我國(guó)的地鐵建設(shè)得到了迅猛的發(fā)展,地鐵工程的竣工驗(yàn)收、地鐵日常運(yùn)行維護(hù)等環(huán)節(jié)都需要地鐵限界這個(gè)重要指標(biāo)。我國(guó)地鐵限界檢測(cè)最常用的是斷面檢測(cè)法。根據(jù)設(shè)備限界尺寸和不同的斷面半徑,制作一個(gè)可以伸縮的框架固定在平板車上,作為限界檢測(cè)車,用內(nèi)燃機(jī)車牽引,對(duì)全線逐段進(jìn)行檢測(cè) 1 。在直線段和不同半徑的曲線段轉(zhuǎn)換時(shí),需要手動(dòng)調(diào)整固定在平板車上的框架。如果能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)、快速地對(duì)限界狀況進(jìn)行檢測(cè),并將檢測(cè)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中,就能實(shí)時(shí)掌握限界的變化,及時(shí)消除影響運(yùn)輸安全的隱患 2 。因此,筆者研究了一套基于激光測(cè)量系統(tǒng)( lasermeasurement system,LMS)的地鐵限界檢測(cè)設(shè)備,以完成對(duì)地鐵限界的連續(xù)、快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)。1地鐵限界概述限界是指列車沿固定的軌道安全運(yùn)行時(shí)所需要的空間尺寸。地鐵限界是以地鐵車輛的輪廓尺寸和車輛的有關(guān)技術(shù)參數(shù),運(yùn)行動(dòng)力性能,結(jié)合軌道和接觸網(wǎng)(或接觸軌)的相關(guān)條件,并考慮設(shè)備和安裝誤差,按規(guī)定的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的。地鐵限界分為車輛限界、設(shè)備限界、建筑限界。收稿日期: 2007 - 06 - 12 修回日期: 2007 - 08 - 21作者簡(jiǎn)介: 李儒英,女,碩士研究生,從事接觸網(wǎng)理論與技術(shù)的研究,liruying2000s ina. c om吳積欽,男,高級(jí)工程師,碩士生導(dǎo)師車輛限界是車輛在正常狀態(tài)下形成的最大動(dòng)態(tài)包絡(luò)線,設(shè)備限界是用以限制設(shè)備安裝的控制線,建筑限界是在設(shè)備限界基礎(chǔ)上、考慮了設(shè)備和管線安裝尺寸后的最小有效斷面。受電弓限界或受流器限界是車輛限界的組成部分,接觸軌限界屬于設(shè)備限界的輔助限界。為了確保列車在隧道中行駛時(shí)有足夠的空間和行駛安全,在限界內(nèi),除了機(jī)車車輛及其有相互作用的建筑物和設(shè)備外,其他建筑物和設(shè)備不得侵入 3 。2總體設(shè)計(jì)思路根據(jù)實(shí)際情況的要求,地鐵限界檢測(cè)系統(tǒng)可以進(jìn)行地鐵建筑限界、設(shè)備限界的竣工驗(yàn)收和日常運(yùn)行維護(hù),而且應(yīng)該快速準(zhǔn)確。在檢測(cè)過(guò)程中,要求完成地鐵限界檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、傳輸,并快速給出相應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果。該系統(tǒng)采用LMS型激光測(cè)量系統(tǒng),對(duì)隧道斷面進(jìn)行快速精確的檢測(cè)。利用Borland公司開(kāi)發(fā)的C + +Builder語(yǔ)言設(shè)計(jì)一套控制軟件,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行操作和控制,完成測(cè)量任務(wù);將掃描結(jié)果與預(yù)先保存在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)限界數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如果有物體侵入限界,系統(tǒng)發(fā)出聲音報(bào)警,同時(shí)檢測(cè)的結(jié)果保存在檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi),檢測(cè)結(jié)束后可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行查詢。3地鐵檢測(cè)系統(tǒng)的組成3. 1 硬件部分地鐵限界檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成部分如圖1所示。圖1地鐵檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖3. 1. 1 LMS激光測(cè)量系統(tǒng)(LMS)是工業(yè)測(cè)量中一種重要的非接觸性測(cè)量手段,是基于激光雷達(dá)測(cè)距原理、將激光相07 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 基于激光測(cè)量的地鐵限界檢測(cè)系統(tǒng)URBAN RAPID RA IL TRANSIT位測(cè)距裝置與光學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置集成的儀器統(tǒng)稱,能對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行二維掃描并且記錄,具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快的優(yōu)點(diǎn) 4 。地鐵限界檢測(cè)系統(tǒng)采用的是德國(guó)SICK公司生產(chǎn)的LMS200,其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。表1LMS200的主要技術(shù)參數(shù)系統(tǒng)誤差/mm 6統(tǒng)計(jì)誤差/mm 4激光波長(zhǎng)/nm 可見(jiàn)光 = 650作業(yè)距離/mm 最大80響應(yīng)時(shí)間/mm 53, 26, 13接口RS232或RS422電源電壓/V 直流24 ( 15% )作業(yè)溫度/ 050可選擇的波特率/Kbp s 9 600, 19 200, 38 400, 500是否具備霧氣改正功能不具備LMS200的工作原理是:依據(jù)激光雷達(dá)測(cè)距原理,即利用脈沖激光器對(duì)目標(biāo)發(fā)射一束光脈沖,測(cè)量光脈沖到達(dá)目標(biāo)并由目標(biāo)返回到接收機(jī)的時(shí)間,由此計(jì)算出目標(biāo)的距離。LMS200的工作過(guò)程是: 首先啟動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān),復(fù)原電路給出復(fù)位信號(hào),使整機(jī)復(fù)位,準(zhǔn)備進(jìn)行測(cè)量;同時(shí)觸發(fā)激光發(fā)生器,產(chǎn)生激光脈沖。該激光脈沖有一小部分能量由參考信號(hào)取樣器直接送到接收系統(tǒng),作為計(jì)時(shí)的起始點(diǎn),大部分光脈沖能量射向待測(cè)目標(biāo)。由目標(biāo)反射回測(cè)距儀的光脈沖能量被接收系統(tǒng)接收,這就是回波信號(hào)。參考信號(hào)(主波信號(hào))和回波信號(hào)先后由光電探測(cè)器變換為電脈沖,并加以放大和整形。整形后的參考信號(hào)使T觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),控制計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)晶體振蕩器發(fā)出的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。整形后的回波信號(hào)使T觸發(fā)器的輸出翻轉(zhuǎn)為無(wú)效,從而使計(jì)數(shù)器停止工作。這樣,根據(jù)計(jì)數(shù)器的輸出即可計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)的距離。LMS200主要由脈沖激光發(fā)射器、接收器、門控電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器及計(jì)數(shù)顯示電路組成,除此之外還有一獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)反射鏡。從脈沖激光器中發(fā)射出的激光束被旋轉(zhuǎn)反射鏡改變軌道,形成自然的圓周,隨著距離的增大,圓周直徑也增大。LMS型激光測(cè)量系統(tǒng)有明確的長(zhǎng)度和角度識(shí)別能力,對(duì)距離的處理是由內(nèi)部附加的計(jì)算器自動(dòng)計(jì)算的。3. 1. 2 接口LMS200通過(guò)RS232與PC機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,RS232的每一個(gè)引腳都有其功能和信號(hào)流動(dòng)的方向。引腳2,簡(jiǎn)寫為RXD ( receive) ,表示接受字符;引腳3,簡(jiǎn)寫為TXD ( transmit) ,表示發(fā)送字符;引腳5,簡(jiǎn)寫為GND ( ground) , 表示地線。在地鐵限界檢測(cè)系統(tǒng)中,LMS200與PC機(jī)之間的引腳連接情況如表2所示。將RS232的線材做必要的跳線(第2 腳和第3 腳對(duì)調(diào)) ,其目的在于將LMS200串行通信口的接收引腳連接上PC機(jī)的發(fā)送引腳,一方是發(fā)送,另一方必是接收,形成一個(gè)完整的回路。3. 2 數(shù)據(jù)傳輸LMS200支持最小分度為1、0. 5和0. 25的角度測(cè)量,并將測(cè)量值按照一定的數(shù)據(jù)格式,通過(guò)串行通信端口RS232與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。3. 2. 1 檢測(cè)數(shù)據(jù)的輸出檢測(cè)系統(tǒng)從LMS200處得到檢測(cè)數(shù)據(jù)的報(bào)文格式,如表3所示。表3 檢測(cè)數(shù)據(jù)的報(bào)文格式名稱位數(shù)備注STX 8 起始字節(jié)ADR 8 用戶地址,一般是81 HLen 16LMS輸出數(shù)據(jù)流的總長(zhǎng)度,接下來(lái)輸出的是數(shù)據(jù)流的字節(jié)數(shù)(檢查值除外)CMD 8 命令字節(jié),這里指不斷地輸出數(shù)據(jù)的命令DataLen 16 測(cè)量值字節(jié)的數(shù)目(取決于測(cè)量方法)Data 16n 測(cè)量距離值(每個(gè)2個(gè)字節(jié))Status 8重要字節(jié),指示系統(tǒng)錯(cuò)誤、病毒等,參考電報(bào)表找準(zhǔn)確信息CRC 16 檢查值注: 串行端口所發(fā)送的數(shù)據(jù)是使用ASC字符碼,即8 位形成一個(gè)字節(jié)。表格中報(bào)文傳輸是自上而下的順序。n的大小取決于測(cè)量模式:選擇最小分度為1時(shí), n =181; 選擇最小分度為0. 5時(shí),n =361。17 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 都市快軌交通第20卷第5期2007年10月URBAN RAPID RA IL TRANSIT串行端口接收的每個(gè)角度(0, 0. 5, 1, 1. 5, )的距離值都是用一個(gè)高8位和一個(gè)低8位的組合表示的。該角度測(cè)得的實(shí)際距離distance = dist_L + dist_H 256,其中dist_L和dist_H的值是通過(guò)對(duì)接收的二進(jìn)制值進(jìn)行右移位運(yùn)算再累加得來(lái)的。3. 2. 2 數(shù)據(jù)傳輸速度LMS200的默認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸速度是9 600 bp s。為了使用高速的激光測(cè)量系統(tǒng),需要一塊SICK公司提供的MOXA接口板。MOXA接口板是一塊基于PC的超高速板卡,安裝在標(biāo)準(zhǔn)的PC機(jī)中,可直接插入PCI插槽。這樣, LMS200型激光測(cè)量系統(tǒng)每秒能完成75 次180的掃描任務(wù)(例如, 0, 1, 2, , 179, 180,或者0. 5,1. 5, , 179. 5) ,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)500 Kbp s。3. 2. 3 測(cè)量模式LMS200提供了1 cm和1 mm兩種長(zhǎng)度制式,前者適合距離更大( 80 m)的粗略測(cè)量,本系統(tǒng)采用后者。LMS200還提供了兩種適合限界檢測(cè)的角度測(cè)量模式,如表4所示?？紤]本系統(tǒng)的實(shí)際情況,選用第二種測(cè)量模式(最小分度為0. 5) 。表4 限界檢測(cè)的測(cè)量模式LMS測(cè)量模式角度范圍最小分度測(cè)量值輸出報(bào)文的角度排列順序測(cè)量值個(gè)數(shù)0180 1 0, 1, 2, , 179, 180 1810180 0. 5 0, 0. 5, 1, 1. 5, , 179, 179. 5, 180 3613. 3 軟件設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)與功能就是決定整個(gè)系統(tǒng)是否能符合設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵。系統(tǒng)選用Borland公司開(kāi)發(fā)的C + +Builder語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)這套軟件系統(tǒng)。C + + Builder本身并不提供單獨(dú)的串行通信組建,必須使用一些WindowsAPI的函數(shù)來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。Windows API是由操作系統(tǒng)所提供的函數(shù),具有相當(dāng)多的執(zhí)行功能。由于C + +Builder已經(jīng)將Win32 API均聲明進(jìn)去了,因此在其里面使用API時(shí)只要直接引用即可 5 。地鐵限界檢測(cè)系統(tǒng)引用的API函數(shù)列在表5中。根據(jù)地鐵限界檢測(cè)系統(tǒng)的功能要求,考慮友好的人機(jī)對(duì)話,將標(biāo)準(zhǔn)限界圖和掃描結(jié)果輪廓圖繪制在同一界面上;使用者對(duì)初始里程進(jìn)行限定,軟件自動(dòng)進(jìn)行里程跟進(jìn);檢測(cè)結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù),并設(shè)計(jì)查詢系統(tǒng)。該系統(tǒng)軟件包括打開(kāi)串行通信端口、檢測(cè)參數(shù)設(shè)置、標(biāo)準(zhǔn)表5 系統(tǒng)引用的AP I函數(shù)名稱位數(shù)備注STX 8 起始字節(jié)ADR 8 用戶地址,一般是81 HLen 16 LMS輸出數(shù)據(jù)流的總長(zhǎng)度(檢查值除外)CMD 8 命令字節(jié),這里指不斷的輸出數(shù)據(jù)的命令DataLen 16 測(cè)量值字節(jié)的數(shù)目(取決于測(cè)量方法)Data 16 n 測(cè)量距離值Status 8 狀態(tài),指示系統(tǒng)錯(cuò)誤、病毒等。CRC 16 檢查值限界圖繪制模塊、掃描結(jié)果輪廓圖繪制模塊、超限判斷并統(tǒng)計(jì)超限數(shù)據(jù)模塊、檢測(cè)結(jié)果查詢模塊,以及標(biāo)準(zhǔn)限界數(shù)據(jù)庫(kù)和掃描結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù),主程序流程見(jiàn)圖2。圖2檢測(cè)主程序流程曲線地段限界應(yīng)按平面幾何偏移量、過(guò)超高(或欠超高)引起的限界加寬和加高量、曲線軌道參數(shù)及車輛參數(shù)變化引起的限界加寬量來(lái)計(jì)算確定。因此,針對(duì)實(shí)際情況,需要設(shè)立幾種不同曲線半徑所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限界圖和標(biāo)準(zhǔn)限界數(shù)據(jù)庫(kù),以方便調(diào)用。直線段和曲線段之間的切換,可通過(guò)軟件來(lái)完成操作。4實(shí)測(cè)情況在內(nèi)燃機(jī)車前面,盡可能靠近軌平面處,搭一個(gè)框架放置LMS200。以軌平面中心線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),測(cè)出LMS200安裝處的具體坐標(biāo),隨后連接PC機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。27 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 基于激光測(cè)量的地鐵限界檢測(cè)系統(tǒng)URBAN RAPID RA IL TRANSIT圖3限界檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果圖3為限界檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)的地鐵隧道斷面圖,其中藍(lán)色曲線按設(shè)備限界設(shè)計(jì)值繪制,黑色曲線為實(shí)測(cè)隧道空間圖形的某個(gè)斷面,可以看出該處沒(méi)有超限。5結(jié)語(yǔ)基于LMS的地鐵限界檢測(cè)系統(tǒng),是集機(jī)、電、光于一體的智能化檢測(cè)設(shè)備,運(yùn)行速度為20 km /h左右。從實(shí)測(cè)情況看,檢測(cè)系統(tǒng)能夠完成對(duì)地鐵限界的連續(xù)、快速、準(zhǔn)確的檢測(cè),及時(shí)掌握地鐵限界情況,以確保列車在隧道行駛時(shí)有足夠的空間并且安全。參考文獻(xiàn) 1 劉永中. 地鐵設(shè)備限界的檢測(cè)方法 J . 隧道建設(shè), 2005,25 (4) : 70 - 71. 2 楊鳳春,吳旺青,于國(guó)丞. 激光掃描在軌道限界檢測(cè)中的應(yīng)用 J . 現(xiàn)代城市軌道交通, 2007 (2) : 31 - 32. 3 GB 501572003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范 S. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社, 2003. 4 馮文灝. 工業(yè)測(cè)量M . 武漢:武漢大學(xué)出版社, 2004. 5 范逸之,江文賢,陳立元. 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Samp led data and real time I/Osatisfy the demands of fastmetro clearance detection.Key wo rds: metro clearance; LMS; interface; data transmission2007城市軌道交通關(guān)鍵技術(shù)論壇(第十八屆地鐵學(xué)術(shù)交流會(huì))隆重舉行(本刊訊)由中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)城市軌道交通技術(shù)推廣委員會(huì)主辦、廣州市地下鐵道總公司承辦的2007城市軌道交通關(guān)鍵技術(shù)論壇(第十八屆地鐵學(xué)術(shù)交流會(huì))于2007年10月1213日在廣州隆重舉行。建設(shè)部副部長(zhǎng)黃衛(wèi)、中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)譚慶璉、中國(guó)工程院院士施仲衡、廣州市副市長(zhǎng)蘇澤群等領(lǐng)導(dǎo)到會(huì)并作重要講話,來(lái)自建設(shè)部、中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)、全國(guó)各城市軌道交通建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、設(shè)計(jì)、施工、科研院所、大專院校的領(lǐng)導(dǎo)、專家、工程技術(shù)人員約200人參加了大會(huì)。本次會(huì)議的主題是:發(fā)布首批“建設(shè)部城市軌道交通專項(xiàng)技術(shù)推廣項(xiàng)目”,推出國(guó)家科技支撐計(jì)劃“新型城市軌道交通技術(shù)”初步研究成果,推廣“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、技術(shù)創(chuàng)新型、安全便捷型”城市軌道交通新方法、新設(shè)備和新技術(shù)。黃衛(wèi)副部長(zhǎng)在講話中肯定了近年來(lái)我國(guó)城市軌道交通技術(shù)取得的長(zhǎng)足進(jìn)步,要求認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn),加快軌道交通技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,同時(shí)對(duì)做好城市軌道交通關(guān)鍵技術(shù)的研究與推廣工作提出了具體要求。譚慶璉理事長(zhǎng)從綜合交通規(guī)劃、政策法規(guī)建設(shè)、質(zhì)量安全及風(fēng)險(xiǎn)管理4個(gè)方面,指出了學(xué)會(huì)今后的工作重點(diǎn)。大會(huì)主題演講分別由中國(guó)工程院院士施仲衡、廣州市地下鐵道總公司總工程師陳韶章、南京地下鐵道有限責(zé)任公司黨委書(shū)記陳光主持。主題發(fā)言從不同的角度論述了我國(guó)城市軌道交通的技術(shù)發(fā)展,反映了不同領(lǐng)域的最新技術(shù)成果,內(nèi)容涉及軌道交通規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)、技術(shù)創(chuàng)新、投融資、標(biāo)準(zhǔn)體系、運(yùn)營(yíng)、輕軌系統(tǒng)以及安全管理等方面的關(guān)鍵技術(shù),提出了運(yùn)營(yíng)效率、綜合交通規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、安全風(fēng)險(xiǎn)等熱點(diǎn)話題。本屆會(huì)議推出了中國(guó)城市軌道交通新技術(shù)第二集,收錄了39個(gè)項(xiàng)目,內(nèi)容涉及軌道交通安全、環(huán)保、節(jié)能、創(chuàng)新、國(guó)產(chǎn)化等方面,集中體現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、安全、增效和創(chuàng)新的理念。經(jīng)建設(shè)部科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目立項(xiàng)專家評(píng)審,連同去年首屆城市軌道交通關(guān)鍵技術(shù)論壇推出的中國(guó)城市軌道交通新技術(shù)第一集12個(gè)項(xiàng)目,共有32項(xiàng)被