蔣 海

(中鐵十一局集團電務(wù)工程有限公司 湖北武漢 430071)

1 國內(nèi)外限界檢測現(xiàn)狀

隨著大量軌道交通投入運營，線路行車密度大、養(yǎng)護維修標準高、檢修作業(yè)時間短的特點對線路的檢測手段、處理方法等方面提出更高要求。軌道限界檢測是軌道開通運營及運維過程中關(guān)注的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的軌道限界檢測采用模擬的限界框的接觸式測量[1]，在竣工驗收中安裝標定工作量大，安全性低；運維中傳統(tǒng)“限界儀”限界檢測模式[2]需要較長時間，限界檢測儀測量數(shù)據(jù)處理方面較限界檢測框測量模式有顯著改善，但在縮短檢測時間、減少外業(yè)工作強度等方面效果不明顯，且安全性低、數(shù)據(jù)采集效率不高。一種能夠適用于隧道、高架、站臺等不同場景的智能化、數(shù)據(jù)化限界檢測方法，成為當今發(fā)展的急切需求。

為了進一步提高我國限界檢測的技術(shù)水平、效率，建立數(shù)字化、信息化、智能化的檢測體系，項目組利用三維激光測量獲取數(shù)據(jù)的方式[3]，研發(fā)高效、安全、對運營低干擾或零干擾的限界檢測技術(shù)。高質(zhì)量、高精度的限界檢測方法既可以有效提高施工竣工驗收限界檢測水平，也可在日常養(yǎng)護維修、軌道狀態(tài)檢查中發(fā)揮重要作用，為提升鐵路客運專線的安全性提供技術(shù)支撐。

2 基于激光測量掃描技術(shù)的自動化限界檢測設(shè)備

采用動態(tài)移動測量方式、多傳感器高精度測量軌道360°空間范圍方法，研制出集激光掃描設(shè)備、高清影像設(shè)備、里程計等多類傳感器于一體的軌道小車多傳感器動態(tài)精密測量裝置，提出基于高清影像數(shù)據(jù)的軌道斷面高精度、高密度數(shù)據(jù)采集方法，針對不同的應(yīng)用場景采集不同的空間信息，實現(xiàn)全方位覆蓋軌道斷面環(huán)境的數(shù)據(jù)[4]，為后續(xù)軌道侵限檢測判定技術(shù)研究提供數(shù)據(jù)支持。

2.1 三維激光掃描技術(shù)

軌道侵限智能檢測儀通過三維激光掃描[5]設(shè)備固定在載體上，掃描儀360°高速旋轉(zhuǎn)，實時獲取線路橫斷面內(nèi)的構(gòu)筑物點云數(shù)據(jù)信息，同時計軸器同步里程信息實時更新掃描點位里程信息，從而完成軌道限界輪廓數(shù)據(jù)和里程的同步采集。

三維激光掃描技術(shù)主要由高速精確的激光測距儀和反射棱鏡同步獲取掃描點的三維相對坐標。激光測距儀主動發(fā)射激光，同時接受線路構(gòu)筑物表面反射的信號從而進行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標[6]。如果測站的空間坐標是已知的，那么可以求得每一個掃描點的三維坐標。

點云坐標測量原理如圖1所示。被測點云的三維坐標在三維激光掃描儀確定的左手坐標系中定義，XY面為橫向掃描面，Z軸與橫向掃描面垂直。

每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值為α，縱向掃描角度觀測值為θ，測點到被測點云距離為S，因此任意一個被測云點P相對于測站的三維坐標為：

由于限界檢測時以線路橫斷面二維平面判斷構(gòu)筑物是否侵限，故只需以軌平面中心為坐標原點建立二維坐標系，軌平面中心到測點距離為S1，故被測點相對于軌平面中心坐標為：

三維激光掃描技術(shù)利用激光測量技術(shù)在動態(tài)條件下對軌道進行連續(xù)、無縫、高密度、高精度斷面數(shù)據(jù)采樣，結(jié)合高精度的測量定位技術(shù)，完成三維點云數(shù)據(jù)的獲取，最終生成高密度軌道斷面的激光點云，從激光點云中檢測軌道入侵情況并確定具體位置。

2.2 數(shù)據(jù)提取及處理技術(shù)

數(shù)據(jù)提取及處理技術(shù)包括激光數(shù)據(jù)處理模塊、圖像采集模塊、DMI數(shù)據(jù)采集模塊，以及針對采集回來的數(shù)據(jù)進行融合與分析軟件模塊，得到成果數(shù)據(jù)并進行參數(shù)的設(shè)定及模型的搭建。將激光掃描設(shè)備斷面內(nèi)的點云實時繪制，點云數(shù)據(jù)與設(shè)備限界標準數(shù)據(jù)分析對比，判定此位置是否侵限。

2.2.1 點云獲取預(yù)處理

掃描儀獲取的點云表面參差不齊，會嚴重影響限界的精度，因此在對點云進行獲取時，先對點云進行過濾，剔除點云周圍的毛刺點。原始點云的坐標為極坐標，可以采用卡爾曼濾波方法對點云進行過濾，最后將極坐標轉(zhuǎn)換成平面坐標以便進行后續(xù)分析。

(1)卡爾曼濾波

Kalman濾波器考慮用如下狀態(tài)空間模型描述動態(tài)系統(tǒng)：

式中，k為離散時間，系統(tǒng)在時刻k的狀態(tài)為X(k)∈Rm；Y(k)∈Rm為對應(yīng)狀態(tài)的觀測信號；W(k)∈Rr為輸入的白噪聲；V(k)∈Rm為觀測噪聲；Φ為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；Г為噪聲驅(qū)動矩陣；H為觀測矩陣。

式(1)為狀態(tài)方程，式(2)為觀測方程。

通過卡爾曼濾波可以計算出單幀點云數(shù)據(jù)中所有點相對于該幀點云中心的距離D。

(2)極坐標轉(zhuǎn)平面坐標

式中，A為點的天頂角；A1為點的天頂角弧度值；V為點的方位角，V1為點的方位角弧度值；D為點到該幀點云中心的距離；X為平面坐標系中該點X坐標值；Y為平面坐標系中該點Y坐標值。

其中式(3)、(4)分別計算點的天頂角和方位角的弧度值，式(5)計算點的平面坐標X值，式(6)計算點的平面坐標Y值。

2.2.2 點云軌道模型配準

(1)點云過濾

提取左右軌道點云，通過對軌道點云的分析后發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)備精度、操作者經(jīng)驗、環(huán)境因素帶來的影響以及電磁波的衍射特性與被測物體表面性質(zhì)變化和數(shù)據(jù)拼接配準操作過程的影響，軌道點云數(shù)據(jù)中不可避免地出現(xiàn)一些噪點。在點云軌道模型匹配過程中濾波處理作為預(yù)處理的第一步，對后續(xù)的影響比較大，只有在濾波預(yù)處理中將噪點、離群點濾除，才能夠更好地進行配準以及限界檢測分析。

根據(jù)獲取地鐵點云數(shù)據(jù)的特點，采用了基于半徑聚類的方式對離散噪點進行濾除。該算法遍歷點云內(nèi)每個點，如果在該點半徑r內(nèi)的點數(shù)小于設(shè)定的閾值T，則將該點視為噪點。如圖2所示，如果閾值T=1，則左側(cè)圓心點的會被刪除，如果閾值T=2則左右側(cè)圓心兩個點都將被刪除。

圖2 濾波處理示意

(2)軌道模型匹配

針對軌道模型匹配

采用ICP算法。ICP算法是一種基于純粹幾何模型的3D對象對齊算法，其本質(zhì)是基于最小二乘法的最優(yōu)匹配算法，首先通過確定具有相應(yīng)關(guān)系的集合，然后計算最優(yōu)的剛性變換，重復(fù)這個過程直到滿足正確匹配的收斂準則，從而找出目標點集P到參考點集Q的旋轉(zhuǎn)變換量R和平移變換T。在本技術(shù)方案中，目標點集即為濾波后的軌頭點云數(shù)據(jù)，而參考點集即為標準的軌頭模型點集。

將經(jīng)過數(shù)據(jù)提取和去雜后的點云實時繪制，可以形成現(xiàn)場真三維點云場景數(shù)據(jù)模型圖。

3 軌道侵限系統(tǒng)

軌道侵限智能檢測系統(tǒng)[7-8]通過對三維激光掃描儀的操控并根據(jù)里程同步模塊的實時里程記錄，將激光掃描設(shè)備斷面內(nèi)的點云實時繪制，點云數(shù)據(jù)與設(shè)備限界標準數(shù)據(jù)進行分析對比，判定此位置的點云是否侵限，以音效預(yù)警，并記錄超限位置的里程、影像及超限信息等，支持數(shù)據(jù)導(dǎo)出形成數(shù)據(jù)報告[9]。

3.1 數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)換及侵限判斷技術(shù)

軌道交通限界是以鋼軌頂面連線中點為原點、以鋼軌頂面連線為X軸、以垂直于鋼軌頂面連線為Y軸建立的直角坐標系中的封閉曲線。3D激光掃描儀原始數(shù)據(jù)是以激光掃描儀為原點坐標，需要根據(jù)檢測原理中坐標轉(zhuǎn)換計算方法，將原始數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換為軌平面坐標，統(tǒng)一坐標系。三維激光掃描儀所采集原始數(shù)據(jù)為無數(shù)從線路兩側(cè)構(gòu)筑物表面反射的點云數(shù)據(jù)，每個點在坐標系中對應(yīng)有數(shù)值關(guān)系。通過程序中坐標轉(zhuǎn)換算法，與設(shè)計設(shè)備限界進行分析對比，判斷所采集點云數(shù)據(jù)是否大量存在于設(shè)備限界內(nèi)，則得出構(gòu)筑物是否侵限[10]，見圖3。

圖3 限界檢測成像

3.2 雜散點去除技術(shù)

在構(gòu)筑物表面進行數(shù)據(jù)采集過程中，當出現(xiàn)金屬體反光、風(fēng)沙揚塵等現(xiàn)象時，激光掃描傳感器可能會產(chǎn)生無規(guī)律、離散的掃描點，稱之為散點。這種散點處于限界標準內(nèi)，如果把此類型的散點判斷為侵限點，將對最終結(jié)果造成較大的偏差。由于這種散點和其它掃描數(shù)據(jù)存在較大的偏差，限界檢測程序采用中值濾波算法，將連續(xù)采樣的奇數(shù)個數(shù)據(jù)進行排序，取中間值為濾波后的數(shù)據(jù)，能很好地過濾掉散點干擾，降低了散點對檢測結(jié)果造成的偏差[11]。

3.3 檢測數(shù)據(jù)顯示及存儲技術(shù)

軌道侵限智能檢測儀在采集構(gòu)筑物數(shù)據(jù)、同步里程數(shù)據(jù)的同時，數(shù)據(jù)同步分析單元也在實時計算所采集數(shù)據(jù)中是否有點云數(shù)據(jù)侵限，將侵限數(shù)值、當前里程、侵限物影像進行存檔，便于整改查看，數(shù)據(jù)模型圖和檢測結(jié)果實時顯示至軟件界面。

3.4 實際檢測結(jié)果示例

以某地鐵一段檢測結(jié)果為例，檢測后自動生成侵限報告，表明疏散平臺處存在侵限，需要進行整改，見表1。

表1 侵限數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

城際鐵路、高速鐵路、城市軌道交通等鐵路[11]雖然制式不同，不同線路類型對限界要求不同，但本技術(shù)采用非觸式自動化檢測方法，對線路類型無局限，只需更改計算軟件中限界參數(shù)即可實現(xiàn)不同制式不同線路類型的限界檢測。因此，此技術(shù)可用于所有鐵路[12]的建設(shè)與維護。

隨著城市軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展，更多的城市大力發(fā)展軌道交通，限界檢測作為必要工序，任何線路竣工開通前及運營維護期間均需要對線路進行限界檢測，防止有異物侵限阻礙列車運行。該技術(shù)針對城市軌道的智能化限界檢測技術(shù)，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、操作簡便、工作效率高的特點，有極大的市場優(yōu)勢。

軌道侵限智能檢測技術(shù)自2017年成功研制以來，已在上海、杭州、長沙、常州、貴陽、無錫等地項目推廣應(yīng)用，完成了近400條線路限界檢測，以良好的性能、超高的效率獲得業(yè)主、設(shè)計及監(jiān)理單位的好評。