文 献 综 述
一、限界检测技术的意义
目前铁路运输正成为我国交通网中的命脉，我国铁路在经过几次提速后对线路、设施的要求不断提高，货物运输数量、客运人数随着经济发展不断增多，为保证铁路货物运输、客运的安全运行，必须保证轨旁设备始终在规定限界外。而列车的高速行驶带来的巨大吸引力，会导致轨旁设备缓慢地靠近轨道，列车在运行过程中对铁路的冲击，铁路的不断整修和养护，路线和设施的不断改进与更新，路线周围山体树木的变动和建筑物的修建都会使得铁路运行的环境出现改变，因此必须有对轨旁设备是否侵限的动态监测，保证轨旁设备不会对列车正常运行造成不利的影响。目前对露天轨道旁设备的限界监测的研究较少，而对隧道的限界监测研究较多，我们可以从对隧道的限界监测研究中得到启发。保证列车运行安全，提高铁路运营能力，促进铁路信息化建设，让铁路更好地为国家的发展服务就成为了我国铁路可持续发展中的非常重要的问题。铁路的限界检测十分的必要，只有准确地掌握线路的运行环境，才能保证铁路运行的安全。
铁路设备限界早期检测技术主要有轨迹法、横断面法和综合断面法等。轨迹法要求定向连续测距，动车量测，通过捕捉测绘触手外端点的运动轨迹进行测量。综合断面法属定高测宽法，动车时检查架开屏测量；横断面法需要停车手工测量，是一种定位测量断面法；目前，基于综合断面法的简易限界检测车主要在工程施工中使用。随着激光和摄像技术的进步，出现了激光扫描和断面摄像检测技术，目前已在线路运营维护中应用。激光扫描技术的基本原理是在车辆上安装激光扫描传感器，在车辆运行中连续不断地测量铁路周边建筑物的空间距离信息，经空间坐标变换建立基于轨道坐标系的建筑物二维断面图，与标准建筑限界图进行比对，自动识别建筑物侵限状态。这种检测方法在技术上比较成熟，但在铁路限界监测方面的应用才刚刚起步，因此研究这方面的硬件、软件的应用不仅是对激光监测技术的延伸、拓展，而且还是其在我国铁路限界监测方面研究的重点，对保证铁路高效、安全的运行环境和提高我国铁路的运营能力，以及促进我国铁路的发展都有重要意义。
二、限界监测技术国内外的发展现状
随着信息技术，无线通信技术的发展，铁路信息化建设的完善，接触式和非接触式测量相结合的方法逐步取代了完全接触式测量。在以前，我国铁路局主要使用接触式的限界检测设备进行限界检测，人工使用触杆、水平尺、吊锤等接触式的测量工具对铁路环境进行测量，通过对比限界模型标准数据来确定是否存在限界侵限。这种方法受到时代条件的制约，有十分明显的缺点，就是检测速度慢，工作量大，人力物力需求量大，测量精度低，自动化程度低，检测效率低下。目前我国有成熟的激光测距技术，有成熟的步进电机控制技术，能有效地利用激光设备和运动控制设备对隧道、轨道旁设备进行测距，将得到的数据放入单片机进行适当的数据分析，输出当前轨道旁设备与轨道之间的距离，以此作为轨旁设备是否侵限的参考。
中南大学交通运输工程学院，轨道交通安全国际合作实验室研发了以STM32为主控单元、步进电机为运动控制单元、DLS-C15激光测距传感器为数据采集单元的铁路隧道动态检测系统。该系统能系统地还原测量目标的限界信息和墙面附属物特征，结果准确可靠，显著提高了铁路隧道监测的效率和精度，可为优化铁路隧道限界监测和超限运输方案提供依据。STM32系列处理器单片机，拥有功耗低、性能高、成本低的特点，其对应型号STM32F103ZET6适合电机控制、物联网等应用，符合设计的需要。对得到的数据进行分组曲线拟合，再整体曲面重建，得到整体三维图和限界信息，采用拉格朗日插值法、最小二乘多项式法、Bezier曲线法、B样条插值法等，将数据可视化。虽然其实验没有在铁路隧道现场试验，选了环境较为相似的走廊进行试验，但其实验仍能表明该系统能准确完成隧道限界的动态检测，满足隧道监测精度要求，与传统隧道限界监测方法相比，具有明显的优势。
北京交通大学，杨柯，在基于激光点云数据的铁路限界检测关键技术研究一文中，针对限界模型的生成和点云数据的三维实时绘制两个关键技术展开工作，并有针对性地提出了一种基于CUDA和OpenGL互操作的方法。讨论了对激光测距技术得到的初始数据进行可视化处理、分析的实用方法。山西长治长治学院，贾鑫，在基于GPS的计算机数据采集处理系统分析一文中，针对GPS数据收集庞杂，数据处理繁复且不精准的问题，提出通过采用MSP430F149型号单片机，并且以 PL2302芯片模块设置虚拟串口，完成基于GPS的计算机数据采集处理系统设计。通过嵌入式系统进行GPS相应的数据采集和地形测量工作，以MSP430F149单片机以及计 算机为硬件基础，同时进行相应人机交互界面的设计，对相关地理信息进行详细显示，以实现更好的计算机数据信息采集。中国汽车技术研究中心，李鑫慧，郭蓬等在激光雷达技术研究现状及其应用一文中，概述了国内外激光雷达的研究现状，分析并对比了三角测距和TOF两种激光雷达的原理，讨论了目前主流厂商的测试标准，介绍了激光雷达技术在气象观测、城市建设、交通运输的主要应用。河北农业大学，张清，彭博涵等在基于GT-U7 GPS模块的卫星定位系统中，建立了基于STM32单片机和GPS模块设计的一款卫星定位系统。该系统可以准确的获得物体所在位置的经度、纬度、海拔高度、日期等信息，再利用LCD屏幕进行显示。
在国外，早期的限界检测多使用接触式测量的方法。以前，在英国，铁路建筑限界采用的工具有木制的建筑物限界架、车载触手式测量系统等。在上个世纪八十年末，铁路有的区段实现了电气化，为了解决对该区段的限界检测，限界检测的方式需实现非接触式的测量方法，为此，许多国家研制出了非接触式的测量车。国外对测量技术的研究比较前沿，约菲研究所，Alexey Toropov和Tatiana Shubina在Plasmonic effects in metal-semiconductor nanostructs 一文中，讨论了金属-半导体纳米结构中的等离子体效应在激光测距技术中的意义。海德堡出版社，Axel Donges和Reinhard Noll在Laser measure Technology: fundamentals and applications 一文中，激光测距技术的基础和应用，作者清楚地说明了激光和普通光的区别，介绍了激光机量技术以及相关方法。PLASSER公司研发了一台GCM-10限界测量车。该车使用激光雷达进行测距，通过发射和接收激光脉冲的时间间隔，结合光速来计算测量距离，由于激光发射器旋转频率的限制，该测量车的测量速度较慢。国外比较先进的激光测距技术，以及其在铁路限界检测方面的应用值得我们深入学习并加以改进。
[1]、贾鑫.基于GPS的计算机数据采集处理系统设计[J].现代电子技术,2020,43(21):147-150 155.
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