轨道交通线路几何安全状态动态检测技术研究

论文摘要

铁路作为我国最重要的交通运输基础设施,其高效安全的运营对国民经济的发展和人民生命财产的安全具有重要意义。历史数据表明,线路几何尺寸是表征轨道交通安全状态最为重要的参数。随着轨道交通向高速、高密度方向发展,车载式动态检测技术已成为线路几何参数的主要检测手段,其核心是非接触式检测技术和高精度动态测量基准技术。本论文以线路全断面动态检测为例,详细论述了线路几何安全状态的非接触式动态检测和高精度动态测量基准获取的原理方法,为解决轨道交通基础设施线路几何安全状态的动态检测奠定了基础,具有重要的理论和工程实践意义。论文提出了一种新的基于车路振动模型的惯性基准算法,此算法充分利用了线路、车辆、陀螺仪和加速度计的已知特性,通过KF/UKF滤波算法,大大提高了传统惯性基准的测量精度。仿真数据表明,这种新算法具有收敛性好、实时性高等优点。同时,提出了一种地面辅助的瞬时位置姿态测量方法,此方法利用地面定点固定的反射镜组和车载的激光器及成像检测设备,定点测量出运动车辆相对于地面基准的瞬时位置和角度。基于以上两种新方法,论文提出了车载惯性基准与地面辅助瞬时位置姿态测量相融合的动态基准测量方案,定点修正了传统惯性基准测量随时间漂移的累计误差问题。最后,论文论述了非接触式的基于光传播时问原理的旋转激光扫描测距传感器应用于线路全断面车载动态测量的基本原理及方法,提出了一种新的基于一维坐标的高精度标定方法,其精度比常规的三维坐标法大大提高。同时,利用文中提出的新惯性基准算法及地面辅助的瞬时位置姿态测量方法,实现了对轨道交通基础设施全断面的高精度动态检测,并在北京地铁5号线、10号线、机场线和京津城际客运专线的全断面限界检测验收工作中得到了应用,取得了较好的效果。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 轨道交通线路几何安全状态检测的必要性
• 1.1.1 线路几何状态对铁路运营安全影响的分析
• 1.1.2 线路几何状态对地铁运营安全影响的分析
• 1.2 轨道交通线路几何安全状态检测技术
• 1.2.1 轨道几何检测技术
• 1.2.2 线路全断面检测技术
• 1.2.3 动态基准测量技术
• 1.3 线路几何车载动态测量系统方案
• 1.4 本论文主要研究内容
• 2 基于车路振动模型的惯性基准测量
• 2.1 基于惯性基准的动态测量补偿原理
• 2.2 惯性基准测量系统模型的分析与建立
• 2.2.1 车辆振动模型的建立
• 2.2.2 线路激励模型的建立
• 2.2.3 传感器模型的建立
• 2.2.4 惯性基准测量系统模型的建立
• 2.3 惯性基准的线性滤波算法
• 2.3.1 卡尔曼滤波（KF）原理
• 2.3.2 KF算法设计
• 2.3.3 仿真数据分析
• 2.4 惯性基准的非线性滤波算法
• 2.4.1 无迹卡尔曼滤波（UKF）原理
• 2.4.2 UKF算法设计
• 2.4.3 仿真数据分析
• 2.5 KF与UFK滤波算法的对比分析
• 3 基于定点瞬时位置姿态测量的惯性基准修正
• 3.1 物体位置姿态测量的方法
• 3.1.1 基于传统传感器的多自由度测量方法
• 3.1.2 基于干涉技术的多自由度测量方法
• 3.1.3 多CCD的视觉测量方法
• 3.1.4 基于衍射技术的多自由度测量方法
• 3.1.5 多种技术混合使用的多自由度测量方法
• 3.2 轨道车辆瞬时位置姿态的定点测量方法
• 3.2.1 车辆瞬时位置姿态测量方案
• 3.2.2 测量模型的建立
• 3.3 数据处理算法、仿真与实测数据分析
• 3.3.1 数据处理算法
• 3.3.2 仿真与实测数据
• 4 线路全断面动态检测系统的静态标定
• 4.1 系统模型
• 4.2 三维坐标法原理与误差分析
• 4.3 一维坐标法原理与误差分析
• 4.4 数学仿真结果
• 5 线路全断面动态检测系统应用
• 5.1 限界动态检测系统
• 5.1.1 检测原理
• 5.1.2 系统结构
• 5.1.3 系统测量精度
• 5.1.4 运用模式
• 5.2 线路变形动态检测系统
• 5.2.1 检测原理
• 5.2.2 系统结构
• 5.2.3 系统测量精度
• 5.2.4 运用模式
• 5.3 工程应用实例
• 5.3.1 北京地铁5号线冷滑实验
• 5.3.2 北京地铁10号线冷滑实验
• 5.3.3 参与京津城际客运专线联调联试
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集