高速鐵路隧道限界及斷面檢測技術的研究

楊赫

（沈陽鐵路局科學技術研究所，遼寧 沈陽 110013）

1 引言

動車組的到來標志著中國鐵路正進入突飛猛進的高速發展時代。高速鐵路的發展對社會經濟的進步起到了積極的推動作用。為人們提供了一種全新的、舒適、快捷的生活方式。同時，在高速運行的條件下，對隧道限界檢測技術的要求與既有線運營隧道也有所不同。

現行鐵路隧道限界標準是在機車車輛限界基礎上，考慮各種因素用增加安全余量的辦法確定的。而在列車高速運行情況下，確定這個安全余量的概念與中、低速時有所不同，在隧道內，因空氣動力效應產生的一系列問題，成為制定隧道限界的控制因素，這主要有旅客及作業人員的安全避讓距離、允許最大側向風速、隧道內瞬變空氣壓力場的影響、列車風及隧道阻塞比等，因此對隧道限界和斷面積的測量與計算對高鐵運營具有重要意義。

目前我國運營隧道限界檢測手段主要有手工測量和隧道限界檢測車兩種。前者不僅速度慢、誤差大，而且安全系數低，已不能滿足現代化鐵路運輸生產的需要；后者由于受研發時期條件限制，主要針對運營中、低速列車的線路進行隧道限界測量，并且不支持斷面積計算。高鐵列車運行速度的大幅提高及相應的隧道技術標準的變化，使得隧道檢測方法必須隨之改進。本文設計了一種符合高鐵隧道檢測要求的方案以實現在不影響高鐵列車正常運行的情況下對隧道限界和斷面積進行動態檢測。此項研究已于2010年列為鐵道部重點課題，合同編號2010G007-M。

2 系統的工作原理及組成

高速鐵路隧道凈空大，斷面積的檢測難度大。難點在于同一時刻檢測同一斷面上所有點的數值。常規的激光或雷達掃描測量，均存在螺旋弧軌跡及測量點間距過大問題，計算不出隧道斷面積。所以，考慮研制一套能夠在同一時刻快速檢測隧道同一斷面上的各點尺寸的裝置，將其安裝在能夠在高速鐵路上行駛的車體內，組成限界及斷面積檢測車。該檢測車可以用高速線路維修車牽引，能在列車變速行進中進行測量，符合我國高速鐵路管理模式，避免影響列車正常運行。

2.1 系統的檢測原理是

應用激光擴束技術，將大功率激光點光源擴束為弧線，照射在隧道洞壁上，形成一條高亮度的光帶，作為檢測基準。選取高速攝像機瞬間將隧道斷面全部攝錄下來，利用計算機圖像處理技術計算隧道限界尺寸及斷面積，從而解決高速鐵路隧道限界和斷面積的檢測問題。

2.2 三角形測量原理

圖1

隧道檢測車對隧道斷面的尺寸測量應用三角形測量原理。即激光照射平面、隧道洞壁和CCD攝像鏡頭構成三角形關系如圖（1）。CCD相機光路成像圖如圖（2）所示；

圖2中，投光平面與CCD相機鏡頭軸線兩者之間的垂直距離為物距用“L”表示，投光平面與隧道洞壁相交取一點為A，鏡頭軸線與投光平面交點為B。F、F'為透鏡焦點，A'為A點在CCD光敏面上所成的像。三角形ΔABC與三角形ΔA'B'C相似，則X/L=ΔX/ ΔL，由于L，ΔL為定值，ΔX可通過A'點在CCD光敏面上的坐標求得，則X的值可由公式:X=L/ΔL×ΔX求出，即求得光帶的幾何尺寸。

2.3 隧道斷面積計算方法

由于隧道斷面屬于不規則圖形（如圖3中實線所示），所以不能套用固有的圖形計算公式求其面積。需采用積分的方法求算，具體思路如下：

（1）設a為橫坐標的最小值即a=min x;b為橫坐標的最大值即b=max x；當y=0時，x1=a'，x2=b'，a'＜b'；

（2）分割[a，b]區間，取點x1……xn-1分割[a，b]區間，得到n個區間；a= x0＜x1＜x2……＜xn-1＜xn=b;在每個小區間任取一點ξi，i=1……n，則i所對應的y值為f（ξi），而這個小區間的面積可近似看為小長方形的面積。

（3）求斷面積，由a，b為端點圍成圖形的面積公式為：

圖2

圖3

2.4 系統主要由大功率激光準直機構、高速CCD數字攝像設備、走行定位裝置和網絡計算機組成。

3 系統硬件設計

系統硬件部分主要完成圖像采集工作，這部分由大功率激光準直機構和高速CCD數字攝像設備組成[5](如圖4)。

激光準直機構利用擴束技術，將大功率激光點光源擴束為弧線，若干條弧線照射在隧道洞壁上，形成一條完整的高亮度光帶，作為檢測隧道斷面的源圖像。CCD相機以25幅/秒的速度攝錄光帶圖像，以保證系統實時采集到隧道徑向斷面尺寸。這相當于沿隧道軸線以25Hz的頻率對隧道的采樣，也就是將隧道切割成若干個斷面并記錄各斷面在隧道內的準確位置，進而求得隧道斷面的實際尺寸。

對于鋼軌的測定也采用相同的方法，在攝錄隧道斷面的同時，也將車體相對于鋼軌的位置一并采集處理，從而求得隧道斷面距鋼軌中心線的精確位置。隧道入口位置的確定由紅外光電開關給出。測速測距采用霍爾轉速傳感器，通過計算車輛相應的運行速度和運行時間求出每一斷面在隧道中的準確位置。

圖4

4 系統軟件設計

本檢測系統的軟件設計采用了自頂向下的設計思想，在整體框架內對于不同功能按照層次進行劃分，以模塊化的功能設計方法使復雜問題簡單化，以便降低開發難度，提高工作效率。

根據隧道限界檢測系統的功能要求，以人性化操作為基礎，將檢測時涉及到的相關信息，如車輛運行速度、行進里程、隧道名稱、隧道中心里程和長度等顯示在界面上。便于操作者實時了解系統運行情況。

圖5

系統軟件部分的工作流程如圖5所示。當系統運行后，首先對采集卡等硬件進行初始參數設置，接著載入待檢測隧道信息，然后使用者可以對初始里程進行設定，軟件會自動進行累計，之后系統等待采集指令，當收到采集指令后程序以25幀/秒的速度采集并保存隧道圖像。采集到的圖像經過幾何變換、去噪校正、圖像插值、拼接等處理[6]，得出實際尺寸，最后再利用前面提出的斷面積算法求得隧道斷面積的大小。

結束語

高速鐵路隧道限界及斷面積是高速鐵路的重要基礎標準之一，它關系到列車在線路上能否高速、安全的運行，也關系到與隧道相關設備和人員的安全，對高鐵發展具有重要意義。本文提出的通過圖像采集和圖像處理對高鐵隧道限界和斷面積進行求值的方法為解決這一難題提供了一個操作方便、高穩定性、高精度的可行方案。

[1]劉統畏，何寧.鐵路隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，1995.

[2]陳豪雄，殷杰.隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，1995.

[3]鐵道部第二勘探設計院.鐵路工程技術手冊，隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1995.

[4]王慶有，孫學珠.CCD應用技術[M].天津：天津大學出版社，1993.

[5]于英民.計算機接口技術[M].北京：電子工業出版社，1996.

[6]楊枝靈，王開等.Visual C++數字圖像獲取處理及實踐應用[M].北京：人民郵電出版社，2003.