基于激光掃描技術(shù)的鐵路限界檢測(cè)系統(tǒng)

■ 劉維楨 孫淑杰

鐵路限界包括機(jī)車車輛限界和建筑接近限界，均需符合GB 146.l—1983和GB 146.2—1983的規(guī)定。建筑接近限界是一個(gè)以鋼軌頂面為基準(zhǔn)，在水平直線上垂直于鐵路中心線、接近機(jī)車車輛限界的特定尺寸橫斷面輪廓。在此輪廓內(nèi)，除了機(jī)車車輛和與機(jī)車車輛有相互作用的建筑物和設(shè)備（站臺(tái)、車輛減速器、路簽接受器、接觸網(wǎng)等）外，其他建筑物和設(shè)備不得侵入。

鐵路的發(fā)展使線路和設(shè)施不斷的改進(jìn)與更新，很多高站臺(tái)的改造、修建，隧道的整修等都出現(xiàn)了不符合標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路限界規(guī)范的施工情況，極大影響行車安全，尤其是客貨混運(yùn)的線路矛盾更為突出。為實(shí)現(xiàn)在運(yùn)輸繁忙干線上不中斷行車的條件下完成鐵路限界檢測(cè)，確保列車有足夠的行駛空間和行駛安全，需對(duì)鐵路線路進(jìn)行準(zhǔn)確、快速檢測(cè)，及時(shí)排查安全隱患，迫切需要一種能夠快速、連續(xù)、準(zhǔn)確測(cè)量鐵路橋梁、隧道、站臺(tái)、雨棚、建筑物等限界情況的動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備，以滿足快速發(fā)展的軌道交通安全運(yùn)輸需要。鐵路限界檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1 鐵路限界檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 限界檢測(cè)方法

目前，建筑物接近限界的檢測(cè)方法有：橫斷面法、綜合斷面法、軌跡法、斷面攝像法、激光掃描法等。

橫斷面法需停車測(cè)量，是一種定位測(cè)量斷面法，即先選定施測(cè)橫斷面位置，逐個(gè)測(cè)出橋隧的凈空輪廓，然后綜合全橋或全隧道各橫斷面的最小內(nèi)輪廓點(diǎn)（包括附屬設(shè)備突出點(diǎn)），構(gòu)成綜合最小限界的方法。通常采用凈空檢查尺或凈空檢查架來(lái)實(shí)施。凈空檢查尺可直接測(cè)量得到各點(diǎn)縱橫坐標(biāo)值，測(cè)量結(jié)果的整理比較簡(jiǎn)單，但工作效率低，只適用個(gè)別斷面的測(cè)量，靠近隧道拱頂處的寬度不便檢查，因此精度不高。

綜合斷面法是一種定高測(cè)寬法，可以車動(dòng)測(cè)量，直接測(cè)出距軌面不同高度處的左右側(cè)寬高。通常采用開屏式限界檢查車和橋隧凈空檢查車。開屏式限界檢查車系統(tǒng)在平車上組立檢查架，檢查架外圍裝設(shè)測(cè)量觸手，觸手位置和方向固定，一般按橫斷面法中的測(cè)點(diǎn)要求布置，觸手量測(cè)斷面受阻時(shí)可自動(dòng)偏轉(zhuǎn)通過(guò)，但不會(huì)自動(dòng)復(fù)位，用軌道車或機(jī)車牽引通過(guò)橋隧時(shí)即可得到各觸手的讀數(shù)。

軌跡法的特點(diǎn)是定向連續(xù)測(cè)距，動(dòng)車量測(cè)，通過(guò)測(cè)繪觸手外端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以得到：當(dāng)觸手位于車體豎軸上端并與之夾角為0°時(shí)，直接得到隧道凈空的變化線；當(dāng)觸手位于距軌面不同高度，而與車體豎軸垂直時(shí)，直接得出不同高度處左、右側(cè)凈寬的變化線；當(dāng)觸手位于軌距面不同高度，而與車體豎軸夾角為0°～90°時(shí)，通過(guò)換算可得出不同高度處凈寬的變化線。

斷面攝像法通常由線型激光投射到被測(cè)建筑物上，從而得到建筑物斷面輪廓線，檢查車上裝有固定攝像機(jī)，并對(duì)該輪廓的光帶進(jìn)行拍攝，經(jīng)過(guò)圖像處理后，判讀換算出建筑物的實(shí)際位置尺寸。該方法操作簡(jiǎn)便，使用安全，運(yùn)用范圍廣，可與客、貨車連掛，對(duì)運(yùn)輸干擾少，檢測(cè)精度較高，大范圍的限界檢測(cè)多采用此法。但對(duì)于隧道外建筑限界檢測(cè)易受陽(yáng)光干擾，系統(tǒng)可靠性較低。

激光掃描法主要是以目前比較流行的激光測(cè)量系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)一臺(tái)或多臺(tái)激光掃描設(shè)備連續(xù)不斷地測(cè)量周圍建筑物的距離信息，形成建筑物限界剖面圖。它是伴隨激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展而形成的一種新興的限界測(cè)量方法，具有快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的特點(diǎn)，同時(shí)設(shè)備受外界陽(yáng)光干擾少，能夠在復(fù)雜環(huán)境下使用。

以上幾種檢測(cè)方法中，除斷面攝像法和激光掃描法外，其他多為人工操作，在對(duì)站臺(tái)、房屋、雨棚等建筑物和設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)時(shí)還靠原始手工檢測(cè)，效率低、工作量大、可靠性差、準(zhǔn)確性不高?；跀嗝鏀z像法的自動(dòng)化程度較高的隧道限界檢測(cè)車也僅能對(duì)隧道進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)隧道外的回流線、通信線路和電力線無(wú)法檢測(cè)，并受光的干擾較大。因此，確定激光掃描法為限界測(cè)量的基本方法。

1.2 測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)車輛橫向振動(dòng)偏移量應(yīng)以雙軌所在平面為基準(zhǔn)，在曲線路段外軌超高和線路坡度將會(huì)導(dǎo)致基準(zhǔn)面與當(dāng)?shù)厮矫娌恢睾?，為了以雙軌所在平面為基準(zhǔn)完成車輛限界和建筑限界的檢測(cè)，涉及到的坐標(biāo)系有軌面基準(zhǔn)坐標(biāo)系、車輛坐標(biāo)系和激光掃描坐標(biāo)系（見圖1）。

軌面基準(zhǔn)坐標(biāo)系：O-XYZ，O為軌距中心點(diǎn)，OXZ與鋼軌基準(zhǔn)面重合，OX軸指向列車前進(jìn)方向，OY軸垂直于鋼軌基準(zhǔn)面向上。直線運(yùn)行時(shí)鋼軌基準(zhǔn)面與當(dāng)?shù)厮矫嬷睾?，車輛通過(guò)曲線路段或坡度路段時(shí)由于外軌超高和坡度影響鋼軌基準(zhǔn)面偏離大地水平面。

車輛坐標(biāo)系：o-xyz與車廂固連，具有彈簧懸掛裝置的鐵路車輛是一個(gè)多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，這時(shí)車輛坐標(biāo)系o-xyz相對(duì)于軌面坐標(biāo)系O-XYZ會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。車輛相對(duì)于軌面的運(yùn)動(dòng)可用車輛坐標(biāo)系o-xyz相對(duì)于軌面基準(zhǔn)坐標(biāo)系O-XYZ的運(yùn)動(dòng)來(lái)描述，可以分解為沿3個(gè)坐標(biāo)軸的平移運(yùn)動(dòng)和繞3個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

激光掃描坐標(biāo)系R（θ）：主要指激光掃描傳感器所在的測(cè)量坐標(biāo)系，屬于極坐標(biāo)系，按照激光測(cè)距原理每隔一定角度θ測(cè)量徑矢R，安裝于車輛上，用于測(cè)量建筑物接近位置，其相對(duì)車輛坐標(biāo)系o-xyz作勻速旋轉(zhuǎn)掃描運(yùn)動(dòng)。

三大坐標(biāo)系相輔相成，共同組成鐵路限界測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)，檢測(cè)車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生不同方向的振動(dòng)與偏移，所以三大坐標(biāo)系是動(dòng)態(tài)變化的，相互間的關(guān)系也是動(dòng)態(tài)的。為此需要將車輛坐標(biāo)系和激光掃描坐標(biāo)系映射到軌面基準(zhǔn)坐標(biāo)系上，將三大坐標(biāo)系化為統(tǒng)一，同時(shí)設(shè)計(jì)有效的坐標(biāo)修正算法，針對(duì)不同環(huán)境特征，通過(guò)對(duì)采集距離信息進(jìn)行有效分析與處理，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的快速變換與映射。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鐵路限界檢測(cè)系統(tǒng)主要由激光掃描傳感器、設(shè)備采集箱、限界處理服務(wù)器等組成（見圖2）。設(shè)備采集箱密封防水，封裝有數(shù)據(jù)處理、傳輸與供電裝置，用于設(shè)備供電和數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸；激光掃描傳感器安裝于專門設(shè)計(jì)的傳感器固定板和固定件上，并封裝于設(shè)備采集箱上，形成一體化系統(tǒng)，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)與車體固定，能夠保證快裝快卸，節(jié)約人力物力；傳感器掃描區(qū)域應(yīng)無(wú)遮擋，位于同一個(gè)垂直斷面上，保證準(zhǔn)確測(cè)量整個(gè)限界檢測(cè)斷面；限界處理服務(wù)器安裝于車體機(jī)柜里，與設(shè)備采集箱通過(guò)網(wǎng)線連接，內(nèi)部安裝有數(shù)據(jù)采集與分析軟件，能夠?qū)崟r(shí)采集、處理與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以二維和三維圖形方式展示，并能以全息圖的方式形象展示，同時(shí)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、侵限處理及相關(guān)報(bào)表的生成與處理等。

圖1 軌面基準(zhǔn)坐標(biāo)系、車輛坐標(biāo)系與激光掃描坐標(biāo)系

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試平臺(tái)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境里，設(shè)計(jì)高強(qiáng)度承重框架，通過(guò)承重彈簧懸掛鐵路限界檢測(cè)系統(tǒng)，搭建具備6個(gè)自由度的模擬測(cè)試平臺(tái)，模擬車載剛體運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)行相關(guān)理論算法研究和軟件開發(fā)工作。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及試驗(yàn)

鐵路限界檢測(cè)系統(tǒng)加載于檢測(cè)車上進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)際侵限截圖見圖3，隧道三維全息圖見圖4，空曠地帶三維全息圖見圖5，緩坡三維全息圖見圖6，站臺(tái)雨棚三維全息圖見圖7。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)與試運(yùn)行，鐵路限界檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)械安裝簡(jiǎn)捷快速，方便現(xiàn)場(chǎng)操作，固定牢靠，并且?guī)в蟹雷o(hù)鎖鏈，滿足安全防護(hù)要求，檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，軟件界面友好，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)全斷面數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行全息圖展示、侵限與數(shù)據(jù)分析，并生成相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)表，完全達(dá)到限界檢測(cè)的要求。

目前研制的鐵路限界檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在呼和浩特鐵路局軌檢車使用一年多時(shí)間，累積實(shí)際檢測(cè)里程已達(dá)2.3萬(wàn) km，受到用戶的好評(píng)。

圖3 典型侵限圖

圖4 隧道三維全息圖

圖5 空曠地帶三維全息圖

圖6 緩坡三維全息圖

圖7 站臺(tái)雨棚三維全息圖

3 結(jié)束語(yǔ)

鐵路限界檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在繁忙運(yùn)輸干線上不中斷行車條件下準(zhǔn)確快速地完成限界檢測(cè)，及時(shí)排查安全隱患，避免危害行車安全的情況出現(xiàn)。在高速鐵路及城市軌道交通快速發(fā)展的今天，鐵路限界檢測(cè)系統(tǒng)的研制成功必將在檢測(cè)線路周邊建筑物限界、保證行車安全方面發(fā)揮更大作用。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局. GB 146.1—1983 標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界[S]，1983

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局. GB 146.2—1983 標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建筑限界[S]，1983

[3]中華人民共和國(guó)鐵道部. 鐵路技術(shù)管理規(guī)程[M]，北京：中國(guó)鐵道出版社，2006

[4]JJG（鐵道）1997—2008 鐵路隧道限界檢測(cè)裝置檢定規(guī)程[S]

[5]鐵運(yùn)函［2001］277號(hào) 關(guān)于加強(qiáng)限界管理全面檢測(cè)鐵路建筑接近限界的通知