跨座式單軌交通軌道梁檢測分析軟件開發研究

王 磊 鄭倫英 張銀虎

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式單軌交通是一種中等運量的軌道系統,其特點是適應性強、噪聲低、轉彎半徑小、爬坡能力強。另外,相較于地鐵,跨座式單軌交通還具有投資少、周期短,智能環保、適用性強等優勢。國內許多城市將要開展跨座式單軌交通建設,其軌道梁結構形式也逐步趨于多樣化。

關于跨座式軌道梁檢測與相關數據處理方法,已有學者開展相關研究,李小果介紹預制成品軌道梁的檢查與驗收測量方法[1-2];張杰認為,跨座式單軌PC軌道梁線形的精細化調整可以有效解決車輛運行時產生顛簸問題,使車輛平穩安全地在軌道上行駛[3];張銀虎提出基于“軌道梁基礎控制網”的軌道梁定位測量和線形檢測新方法,提高了軌道梁的架設安裝及線形控制精度[4]。但在成品軌道梁檢測分析與架設后的軌道梁檢測分析方面,仍然存在以下不足:①缺乏相應軟件計算各項指標,人工計算效率低且容易出錯;②以往研究主要針對簡支PC 軌道梁,缺少對連續剛構PC 軌道梁的技術要求;③軌道梁相關檢測指標缺失不全面,且部分指標定義不明確。

依托蕪湖軌道交通項目連續剛構PC 軌道梁進行相關研究工作,分別結合成品軌道梁與軌道梁既有設計參數,推導基于三維激光掃描點云進行軌道梁檢測的相關算法,選取微軟公司的Visual Studio 2019 C#編程技術進行軟件的開發,對成品軌道梁與架設后軌道梁線形進行多維、全面的分析評價,進一步完善和優化成品軌道梁檢測及架設后的軌道梁線形檢測內容和精度,最終提高成橋后軌道梁的線形平順性。

2 軟件研發思路

跨座式單軌交通軌道梁檢測分析軟件(Straddle Type Monorail track Beam Detection and Analysis Software,簡稱STMB_DAS)是在消化吸收國家規范對成品軌道梁檢測與軌道梁線形檢測的各項檢測內容、指標限差及技術要求的基礎上[5-6],針對常規測量方法作業效率低[7]、實施難度大、檢測數據不全面等問題,對跨座式單軌軌道梁制作、架設調整以及軌道梁線形控制施工方法進行技術調研[8],基于智能型全站儀、高精度三維激光掃描儀進行成品軌道梁檢測、軌道梁架設調整以及軌道梁線形檢測的新技術方案,為了滿足連續剛構PC 軌道梁體系的工程應用需求進行研發的一款產品。

跨座式單軌交通軌道梁檢測分析軟件(STMB_DAS)總體研發思路如下。

(1)對成品軌道梁檢測時,根據《軌道梁制作工法指導書》生成成品軌道梁設計文件,設計文件包含梁長、梁寬、導向面、穩定面、走行面整體線形偏差設計值;導入成品軌道梁點云數據,進行分析處理后,得到各個檢測斷面檢測點的三維坐標,再根據三維坐標判斷首尾與左右偏等空間姿態,計算檢測點相對于不同弦線的矢距值,進而分析成品軌道梁工作面線形、縱向平整度;通過檢測斷面檢測點的三維坐標可計算出梁長(弦長)、梁寬、梁高、跨度、走行面垂直度、端面傾斜度、兩端面中心線夾角、指形板座與梁表面高差等相關檢測內容。

(2)對架設后軌道梁進行分析時,根據線路設計平曲線、豎曲線及軌道梁結構設計參數,計算出每個檢測斷面7 個檢測點對應的線路中線設計三維坐標和設計里程,再根據三維坐標計算檢測點相對于設計線路的平面偏差和高程偏差[9];根據里程和平面偏差或高程偏差,推導數學模型,計算各個檢測點到基于偏差值建立不同長度弦線的矢距值,進而分析工作面線形、縱向平整度、平面線形矢高(軌道梁銜接處)、豎向線形矢高(軌道梁銜接處)、軌道梁側面距離中心的偏差、梁端軌面橫坡、走行面垂直度等相關檢測內容;根據左右線三維坐標計算相對于設計平曲線的中線偏差值,再計算得到左右線的線間距。

3 軟件系統主要功能

該軟件系統是基于成品軌道梁與架設后軌道梁外業測量數據開發的分析軟件,系統主要功能如下。

(1)軌道梁點云數據處理功能

導入軌道梁點云數據,進行參數設置,分別進行點云精處理、設計斷面計算、單一斷面計算、批量斷面計算。

(2)成品軌道梁檢測數據分析計算功能

成品軌道梁檢測參數設置、讀取成品軌道梁設計文件、導入成品軌道梁檢測數據分析計算。

(3)軌道梁線形檢測數據分析計算功能

讀取平曲線設計文件、讀取豎曲線設計文件、讀取軌道梁設計參數、軌道梁線形檢測參數設置、軌道梁線形檢測數據分析計算、軌道梁左右線間距計算等。

結合上述各功能模塊的設計目標,該軟件基本流程如圖1 所示。

圖1 軟件基本流程

4 軟件主要數學模型及計算方法

通過三維激光掃描儀得到成品軌道梁的三維點云數據,首先提取并計算出軌道梁檢測斷面及檢測點三維坐標,主要包括軌道梁三維點云預處理、點云精處理、檢測斷面中心點坐標計算、斷面提取與檢測點坐標計算[10]、檢測點成果輸出等技術環節;其次結合《工法指導書》中軌道梁各個斷面設計參數,對軌道梁走行面、導向面、穩定面線形進行檢測分析。

成品軌道梁檢測斷面依據《軌道梁制作工法指導書》中千斤頂位置確定,在每個千斤頂位置布設一個檢測斷面。每個軌道梁檢測斷面布設7 個檢測點(軌道梁頂面布設3 個點及內外側面分別布設2 個點,如圖2 所示)。檢測點編號規則為:梁號+斷面編號+檢測點號(如IY21704J501,表示“IY217-04 梁J5 斷面01 號檢測點”)。

圖2 成品軌道梁檢測點布設

在得到成品軌道梁每個檢測斷面7 個檢測點的三維坐標(x,y,h)后,利用數學模型計算成品軌道梁檢測相應指標。

4.1 梁長數學模型

成品軌道梁梁長指梁體兩側的上下部4 個長度值,曲線梁外側弧長內側弦長梁長檢測限差為±10 mm,如圖3 所示。

圖3 梁長檢測示意

其中R為曲線半徑。

4.2 成品軌道梁工作面整體線形數學模型

成品軌道梁工作面整體線形指連接成品軌道梁首尾兩端的檢測點建立一條弦線S1S2,計算出各個斷面檢測點J9到弦線的矢距(走行面為垂向矢距,導向面為橫向矢距),即為整體線形偏差實測值ΔhJ9實測,推導走行面基于高程偏差值計算矢距的公式為

再與《軌道梁制作工法指導書》中的工作面整體線形偏差設計值ΔhJ9設計作差,即為工作面上檢測點的整體線形檢測值ΔhJ9(見圖4),檢測限差為±S1S2/2 000 mm,計算公式為

圖4 工作面整體線形計算示意

4.3 成品軌道梁工作面局部線形數學模型

成品軌道梁工作面局部線形指在計算得到整體線形檢測值后,在檢測點兩側建立長度為4 m 的弦線S0S4,之后計算各個斷面檢測點到基于整體線形檢測值弦線的矢距即為工作面上檢測點的局部線形ΔΔhJ9,檢測限差為±3 mm。檢測點的局部線形ΔΔhJ9計算公式為

對架設后軌道梁檢測分析時,根據3 類既有設計文件[11],計算出斷面檢測點的設計三維坐標、設計里程[12]、平面偏差、高程偏差[13],推導得到相應數學模型,計算各個檢測點到基于偏差值建立的不同長度弦線的矢距值[14],分析得到相關檢測內容[15]。

4.4 線路高程偏差數學模型

根據軌道梁設計豎曲線,計算三維點云數據檢測點實測高程h實測與對應豎曲線上的設計高程h設計差值記為ΔH′,有

因連續剛構PC 軌道梁,架設后需進行梁上二次張拉,故對架設后軌道梁,需考慮“軌道梁變形上拱值(γ),則連續剛構PC 軌道梁線路高程偏差ΔH為檢測點高程差值減去軌道梁變形上拱值,具體有走行面線路中線點、左右側檢測點的高程偏差值,檢測限差為-15～+30 mm。線路高程偏差ΔH計算公式為

其中:γ=;L為連續剛構PC 軌道梁梁長;Δ為軌道梁梁中變形上供設計值;l為檢測點到連續剛構PC 軌道梁梁端的距離。

4.5 走行面整體線形數學模型

走行面整體線形根據走行面左右側檢測點的高程偏差,在單片軌道梁的兩端建立一條基于高程偏差的弦線OL,計算出各個斷面檢測點J1到弦線的垂向矢距即為整體線形值,檢測限差為±OL/2 000 mm,如圖5 所示。

圖5 走行面整體線形計算示意

4.6 走行面局部線形計算方法

根據走行面左右側檢測點的高程偏差,在檢測點的兩端建立一條基于高程偏差的4 m 弦線(弦線不跨梁),計算出各個斷面檢測點J1到弦線的垂向矢距即為局部線形值其計算公式同整體線形值,檢測限差為±3 mm。

5 軟件技術特點及創新點

5.1 軟件技術特點

跨座式單軌交通軌道梁檢測分析軟件主要技術特點如下。

(1)界面友好,操作簡單

軟件各個功能模塊相對獨立,窗體界面友好,計算流程自上而下,操作簡單,幫助文件詳細易懂,無需培訓即可使用該軟件;軟件計算容錯性能強,可提示并指正操作中出現的錯誤。

(2)功能全面

可進行外業觀測數據質量檢核、軌道梁點云數據處理,軟件對成品軌道梁與架設后軌道梁整體線形進行多維、全面的評價,可加強對架設后軌道梁梁中部的線形檢測和分析精度。

(3)輸入數據格式自由

輸入的文本數據可自由設置分隔符,可自動識別包括空格、逗號、Tab 鍵等組合而成的分隔字段,若文本數據格式有問題,軟件將提示錯誤位置。

(4)輸出成果完整

軌道梁檢測分析計算輸出的成果、報表、各項精度指標內容完整、直觀,便于進行成果分析和報告編制。

(5)基于.net 平臺開發,可跨平臺安裝

軟件基于Visual Studio 2019 平臺使用C#語言開發而成,可在Windows 7/10 操作系統下運行,程序可移植性與跨平臺性強。

5.2 軟件創新點

跨座式單軌交通軌道梁檢測分析軟件研發包含如下創新點。

根據《軌道梁制作工法指導書》生成成品軌道梁設計文件;根據三維坐標判斷首尾與左右偏空間姿態;根據檢測點相對于不同弦線計算矢距值,推導出相關數學模型,再結合既有國家規范提出適合分析連續剛構PC 軌道梁工作面線形、縱向平整度等檢測內容的算法,并對計算結果進行核對。

6 應用案例

選擇蕪湖軌道交通1 號線白馬山梁廠制作完成的成品軌道梁Y217-31,分別利用EXCEL 和跨座式單軌交通軌道梁檢測分析軟件(STMB_DAS)對三維激光掃描方法獲取數據進行計算。兩種計算方式得到的成品軌道梁走行面、導向面、穩定面整體線形檢測成果對比分析如表1～表3 所示。

表1 走行面整體線形檢測成果對比 mm

表2 導向面整體線形檢測成果對比 mm

表3 穩定面整體線形檢測成果對比 mm

由表1～表3 可知,跨座式單軌交通軌道梁檢測分析軟件計算結果與EXCEL 方法獲取的計算結果一致,證明軟件使用的數學模型和計算方法無誤。

7 結語

基于軌道梁檢測分析的三維點云數據,研發一種跨座式單軌交通軌道梁檢測分析軟件,利用推導的數學模型及計算方法,有效地完善和優化連續剛構PC軌道梁檢測分析內容和精度指標,并通過實際項目驗證了算法的正確性。通過對連續剛構PC 軌道梁制作、架設以及驗收檢測過程中的每個階段、每個環節加強控制工作,確保軌道梁的制作和架設安裝精確度,最終提高成橋后軌道梁的線形平順性。跨座式單軌交通軌道梁檢測分析軟件為連續剛構PC 軌道梁檢測分析提供有效的工具支撐。