激光掃描技術(shù)在鐵路限界檢測中的應(yīng)用研究

段培勇，薛 峰，謝錦妹，潘 振，金 花

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

鐵路建筑限界是一個垂直于線路中心線的橫斷面，在此斷面內(nèi)，除機(jī)車車輛和與機(jī)車車輛作業(yè)相關(guān)的設(shè)備(車輛減速器，路簽授受器，接觸電線及其他)外，其他設(shè)備或建筑物均不得侵入［1］。限界檢查是對線路周邊建筑和設(shè)施進(jìn)行檢測，以確定是否存在侵限。本文結(jié)合聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗，以大量的測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對2D激光掃描技術(shù)在鐵路限界檢測領(lǐng)域的使用進(jìn)行了深入研究。

1 2D激光掃描限界檢測技術(shù)

目前鐵路限界檢測主要是采用限界軌道檢測車和人工定點測量相結(jié)合的方式進(jìn)行［2］。限界檢測車的主體為固定安裝在平板車上的限界框架，由內(nèi)燃機(jī)車牽引，對全線逐段進(jìn)行檢測［3］，人工定點測量主要在限界檢測車不能檢測時采用，一般使用水平尺、卷尺、吊錘、經(jīng)緯儀等工具進(jìn)行測量。其中，限界檢測車上的框架必須根據(jù)不同的限界標(biāo)準(zhǔn)斷面制作為可伸縮的，檢測過程中根據(jù)線路限界標(biāo)準(zhǔn)的變化實時調(diào)整限界框架的大小，這就造成了限界檢測的不連續(xù)性;人工定點測量方式存在著測量精度低、速度慢、工作量大、效率低等缺陷;且上述傳統(tǒng)限界檢測方式的局限性決定了其測量結(jié)果并不能詳盡描述整條線路的凈空狀態(tài)。

基于2D激光掃描技術(shù)的車載式鐵路限界檢查測試系統(tǒng)提供了一種安裝簡單、自動化程度高、檢測范圍全面、測試精度高的限界檢測方法，克服了原有檢測方法存在的缺陷。

1.1 檢測原理

限界檢測系統(tǒng)利用2D激光掃描傳感器來實時獲取線路橫斷面的輪廓，同時利用速度傳感器獲取車輛在前進(jìn)方向移動的距離，從而實現(xiàn)對鐵路限界的高速檢測。

2D激光掃描傳感器是基于激光漫反射原理進(jìn)行目標(biāo)物體距離測量的［4］;首先，傳感器內(nèi)置的旋轉(zhuǎn)鏡頭在高速旋轉(zhuǎn)過程中對目標(biāo)物體發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)物體反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間，即可測定傳感器掃描中心距目標(biāo)物體的距離。

2D激光掃描傳感器將掃描的斷面數(shù)據(jù)實時傳輸至計算機(jī)，檢測軟件對接收到的斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)鋼軌特征識別出鋼軌坐標(biāo)位置后，將斷面數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換為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軸的線路橫斷面數(shù)據(jù)。

速度傳感器發(fā)出的脈沖信息經(jīng)過里程記錄模塊轉(zhuǎn)碼為速度、里程信息，傳輸至計算機(jī)，檢測軟件將接收到的里程信息同步至激光掃描斷面數(shù)據(jù);至此，鐵路線路周圍的實際建筑物體輪廓便可以三維立體圖像方式再現(xiàn)出來。

1.2 檢測系統(tǒng)的組成

基于2D激光掃描技術(shù)的車載式鐵路限界檢查測試系統(tǒng)由2D激光掃描傳感器、速度傳感器、里程模塊、處理主機(jī)、供電模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 檢測系統(tǒng)的安裝

在軌道車車頭的車鉤前端安裝2D激光掃描傳感器，如圖2所示。傳感器安裝支架保證了2D激光掃描傳感器的掃描斷面垂直于軌道，且軌道車自身部件不會對傳感器測量形成遮擋。

圖1 限界檢查測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 2D激光掃描傳感器安裝實例

2 檢測數(shù)據(jù)分析方法

限界檢測軟件采用Visual C++編制，使用通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實時接收2D激光掃描傳感器掃描斷面數(shù)據(jù);使用串口協(xié)議實時接收速度傳感器產(chǎn)生的脈沖信號，轉(zhuǎn)碼為速度里程信息，同步至掃描斷面信息。在處理主機(jī)硬件配置滿足要求的前提下，檢測軟件可以實現(xiàn)掃描斷面數(shù)據(jù)的實時存儲、分析處理以及實時展示。

2.1 斷面數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

鐵路限界標(biāo)準(zhǔn)是一個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軸的直角坐標(biāo)系中的封閉曲線，而2D激光掃描傳感器的原始掃描數(shù)據(jù)是以激光傳感器的掃描中心點為原點的斷面數(shù)據(jù)，為了判斷斷面數(shù)據(jù)是否侵入限界標(biāo)準(zhǔn)，首要的工作是對原始斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

如圖3所示，設(shè)原始斷面數(shù)據(jù)以{O;X，Y}為直角坐標(biāo)系，根據(jù)鋼軌斷面幾何特征識別出軌面頂點和軌距點后，得出軌道中心點的坐標(biāo)為O'(a，b)，根據(jù)直角坐標(biāo)系平移變換公式，將直角坐標(biāo)系{O;X，Y}變換為{O';X'，Y'}?？紤]到檢測過程中軌道車車體側(cè)滾的影響，軌面頂點連線和X'軸可能存在一定的角度θ，根據(jù)直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換公式，將直角坐標(biāo)系{O';X'，Y'}變換為{O';X″，Y″}。

2.2 散點過濾

圖3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意

在測試過程中，當(dāng)遇到金屬體反光、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)律的、離散的掃描點，稱之為散點。這種散點處于限界標(biāo)準(zhǔn)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;由于這種散點和其他掃描數(shù)據(jù)存在較大的偏差，限界檢測程序采用中值濾波算法［5］，將連續(xù)采樣的奇數(shù)個數(shù)據(jù)進(jìn)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。

2.3 判斷是否侵限

判斷某個斷面數(shù)據(jù)是否存在侵限，等同于判斷此斷面中有沒有掃描點處于限界標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。由于鐵路限界標(biāo)準(zhǔn)是一個封閉的曲線，可以將判斷是否侵限抽象為“點是否在多邊形內(nèi)”。限界檢測程序采用水平射線算法［6-7］，求解通過該點的水平線與多邊形各邊的交點個數(shù)，如果單邊交點為奇數(shù)，則該點處于多邊形內(nèi);如果單邊交點為偶數(shù)，則該點處于多邊形外。對于點在多邊形邊上以及通過點的射線與多邊形頂點相交的情況，需要進(jìn)行特殊處理。圖4中展示了一個不規(guī)則的多邊形以及A、B兩個點，根據(jù)上述算法思想，通過A、B兩點，各畫出一條單方向的水平射線。其中，通過A的射線與多邊形各邊有3個交點，為奇數(shù)，則點A處于多邊形內(nèi);通過B的射線與多邊形各邊有2個交點，為偶數(shù)，則點B處于多邊形外。圖5展示了射線判別法的算法流程。

圖4 射線判別法示意

圖5 射線判別法流程

通過計算，限界檢測程序?qū)嗝鏀?shù)據(jù)各個掃描點進(jìn)行侵限判斷，如果掃描點處于限界標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，則視之為侵限點，并得出掃描點距限界標(biāo)準(zhǔn)的水平距離，即侵限值。

2.4 統(tǒng)計侵限信息

限界檢測程序在實時獲取激光掃描斷面數(shù)據(jù)的同時，也在實時獲取里程信息，使得每個斷面數(shù)據(jù)均配有精確的里程信息。根據(jù)里程信息可以統(tǒng)計出某一段距離內(nèi)(如每1 m內(nèi))各個斷面數(shù)據(jù)是否存在侵限，如有侵限，則可以得出此段距離內(nèi)的最大侵限值以及侵限點的坐標(biāo)位置。

2.5 實時展示

圖6 限界檢測程序?qū)崟r展示界面

在處理主機(jī)CPU運算能力滿足要求的情況下，限界檢測程序在實時接收、分析判斷的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)斷面數(shù)據(jù)的實時展示。圖6展示了限界檢測程序的工作界面，其中左側(cè)圖像為斷面數(shù)據(jù)的2D展示，封閉曲線為限界標(biāo)準(zhǔn)，線條為斷面數(shù)據(jù)的各個掃描點，處于限界標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的視為侵限點;右側(cè)立體圖像為某段距離內(nèi)斷面數(shù)據(jù)的3D展示，黑色區(qū)域即為侵入限界標(biāo)準(zhǔn)的物體輪廓。兩種展示圖像相結(jié)合，可以清晰地獲得被測區(qū)間的限界狀態(tài)。

3 某輕軌鐵路限界檢查關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

3.1 限界標(biāo)準(zhǔn)的自動轉(zhuǎn)換與里程標(biāo)定

某輕軌鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試限界檢測所依據(jù)的限界評判標(biāo)準(zhǔn)是測試結(jié)果能否正確指導(dǎo)工程驗收的關(guān)鍵所在。輕軌鐵路正線長度為18 km，其中包括直線段以及多種曲線半徑的曲線段，設(shè)計單位為直線段和各個曲線段提供了各自對應(yīng)的限界評判標(biāo)準(zhǔn);為了確保測試過程的連續(xù)性，限界檢測程序必須做到根據(jù)里程信息自動切換限界評判標(biāo)準(zhǔn)。因此，實際檢測工作中要確保里程信息的準(zhǔn)確度。

車載式限界檢測系統(tǒng)采用光電式速度傳感器來獲取里程信息，為了降低里程信息的誤差，必須獲得軌道車的實際輪徑值，標(biāo)定公式為D=L×D1/L1，其中，D為軌道車的實際輪徑值，L為軌道車行駛的實際距離，D1為軌道車的出廠輪徑值，現(xiàn)場軌道車出廠輪徑值為840 mm，L1為以出廠輪徑值為參數(shù)，限界檢測程序得出的行駛距離。

3.2 緩和曲線段限界標(biāo)準(zhǔn)的自動生成

某輕軌鐵路兩個車站內(nèi)各有長度為40 m的緩和曲線段，由于設(shè)計單位并沒有提供緩和曲線段的限界評判標(biāo)準(zhǔn)，實際檢測過程中出現(xiàn)了一個問題:如果采用曲線段的限界標(biāo)準(zhǔn)評判緩和曲線段，會出現(xiàn)一定的侵限，勢必給已然緊張的工期帶來困難;如果采用直線段的限界標(biāo)準(zhǔn)來評判，正常運營后可能存在一定的安全隱患。

為了解決緩和曲線段的限界評判標(biāo)準(zhǔn)問題，研究確認(rèn)了“車站范圍內(nèi)的緩和曲線段限界標(biāo)準(zhǔn)，采用從直線段限界標(biāo)準(zhǔn)至圓曲線限界標(biāo)準(zhǔn)的線性過渡插取作為評價依據(jù)”檢測方案，這就要求緩和曲線段內(nèi)檢測到的每一個斷面數(shù)據(jù)必須根據(jù)其里程信息自動生成各自的限界評判標(biāo)準(zhǔn)。

為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，限界檢測程序采用以下算法:設(shè)直緩點里程為CH1，直緩點限界標(biāo)準(zhǔn)為(X1，Y1);緩圓點里程為CH2，緩圓點限界標(biāo)準(zhǔn)為(X2，Y2);根據(jù)線性插值算法，緩和曲線段中里程為CH的某一斷面的站臺限界標(biāo)準(zhǔn)(X，Y)為

至此，改進(jìn)后的限界檢測程序順利地實現(xiàn)了緩和曲線段限界評判標(biāo)準(zhǔn)的自動生成。

3.3 實測結(jié)果示例

以某站內(nèi)限界檢測結(jié)果為例，圖7表明了站臺鋪裝層與屏蔽門底座存在侵限，表1列出了詳細(xì)的侵限數(shù)據(jù)。

圖7 限界檢測結(jié)果示意

表1 某車站上行線北側(cè)站臺侵限結(jié)果

4 結(jié)語

基于2D激光掃描技術(shù)的車載式鐵路限界檢查測試系統(tǒng)，為輕軌鐵路限界檢查測試提供了大量精確的測試數(shù)據(jù)。依據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了工程整改，最大程度上消除了安全隱患，保證了輕軌鐵路的順利開通運營。

實際檢測工作中，在聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作組的大力支持下，限界檢測小組利用激光掃描技術(shù)和計算機(jī)編程技術(shù)，解決了一系列技術(shù)難題，實現(xiàn)了傳統(tǒng)限界測量方法所不能達(dá)到的目標(biāo)。相對于傳統(tǒng)限界測量方式，本檢測系統(tǒng)具有:用移動自動測量方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工定點測量，大幅度地提高了測試精度和工作效率;激光掃描技術(shù)穩(wěn)定性好、精度高、抗干擾能力強;以三維立體圖像方式實時展現(xiàn)測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果一目了然;根據(jù)直線段、曲線段限界標(biāo)準(zhǔn)的不同，能自動切換評判標(biāo)準(zhǔn);對于緩和曲線段，能根據(jù)里程信息動態(tài)生成評價標(biāo)準(zhǔn);檢測設(shè)備集中化程度高，安裝方便，適用范圍廣。

［1］國家標(biāo)準(zhǔn)局.GB 146.2—83 標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建筑限界［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1983.

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