地鐵隧道形變檢測定位系統(tǒng)實現(xiàn)

王星

（北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044）

地鐵隧道形變檢測定位系統(tǒng)實現(xiàn)

王星

（北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044）

檢測地鐵隧道是否發(fā)生形變關(guān)系到列車行車安全。近年來，基于激光掃描測量原理的車載式隧道形變檢測系統(tǒng)有了長足發(fā)展，但仍然存在相對定位精度不高的問題，導(dǎo)致最終的形變檢測精度受限。本文設(shè)計了基于多傳感器融合的地鐵隧道形變檢測定位系統(tǒng)，能夠?qū)⑼痪€路同一位置多次檢測的數(shù)據(jù)匹配，快速定位隧道位置，利于建立隧道模型。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效進(jìn)行相對定位，精度可達(dá)±10cm，具有一定的工程應(yīng)用價值。

多傳感器融合；相對定位；地鐵隧道；形變檢測

地鐵隧道在長期運營過程中，由于車輛通行、地面建筑施工以及土層壓力等綜合因素，可能導(dǎo)致隧道產(chǎn)生局部形變，威脅到列車行車安全[1-2]。隨著城市軌道交通的發(fā)展，基于激光掃描測量原理的車載式隧道形變檢測系統(tǒng)取得了長足的發(fā)展[3-4]。

基于激光掃描測量原理的車載式隧道掃描系統(tǒng)的代表有德國Spacetec公司生產(chǎn)的TS3型系統(tǒng)和意大利Mermec公司研制T？SIGHT 100型系統(tǒng)。TS3型系統(tǒng)掃描頻率可達(dá)到300 Hz，掃描范圍為360°，檢測車度可達(dá)100 km/h[5]；T·SIGHT 100型系統(tǒng)掃描頻率為100 Hz，精度可達(dá)3 mm[6]。國內(nèi)對隧道形變檢測研究起步較晚，車載式檢測系統(tǒng)尚無相對成熟產(chǎn)品[7]。

基于激光掃描測量原理的車載式隧道形變檢測系統(tǒng)在高速測量的情況下需要多次測量，以采集足夠隧道信息[8-9]，由于轉(zhuǎn)速傳感器獲得的公里標(biāo)累計誤差較大，導(dǎo)致定位精度不高[10-11]，無法使得多次檢測的數(shù)據(jù)匹配，導(dǎo)致建立隧道模型存在難度，精度受限。文中設(shè)計了一種多傳感器融合的地鐵隧道形變檢測定位系統(tǒng)，克服了同一線路同一位置多次測量后數(shù)據(jù)不匹配的問題，實現(xiàn)快速定位隧道位置的功能，為后續(xù)形變分析提供保障。

1　多傳感器融合定位原理

車載系統(tǒng)的里程標(biāo)記是由固定在輪轂上的轉(zhuǎn)速傳感器實現(xiàn)，累計誤差較大[12-13]，導(dǎo)致同一位置多次檢測數(shù)據(jù)無法匹配，因此利用車載系統(tǒng)已有傳感器，在不增加成本的前提下，采用多傳感器信息融合技術(shù)，通過激光掃描測距儀、轉(zhuǎn)速傳感器及激光位移傳感器進(jìn)行組合，利用各傳感器之間的優(yōu)劣互補(bǔ)，提高整個系統(tǒng)的容錯性和可靠性[14-15]，實現(xiàn)基于隧道及軌道特征的高可靠性、高精度的相對定位，解決同一線路同一位置多次檢測數(shù)據(jù)不匹配的問題。

各傳感器定位信息如表1所示。列車對同一線路多次檢測獲取線路狀態(tài)數(shù)據(jù)。首先通過轉(zhuǎn)速傳感器對列車進(jìn)行里程定位，獲得線路公里標(biāo)，選擇公里標(biāo)誤差最小的一次檢測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)作為被校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。然后通過激光掃描測距儀對列車進(jìn)行粗校準(zhǔn)定位，利用激光掃描儀獲取隧道特征，識別站臺區(qū)間、洞體區(qū)間及區(qū)間分界點。將被校準(zhǔn)的區(qū)間分界點對應(yīng)的公里標(biāo)與基準(zhǔn)公里標(biāo)進(jìn)行對比校準(zhǔn)，從而實現(xiàn)每一個隧道區(qū)間內(nèi)列車的粗校準(zhǔn)里程定位。最后通過激光位移傳感器對各隧道區(qū)間進(jìn)行細(xì)校準(zhǔn)定位，利用激光位移傳感器獲取軌道特征，識別鋼軌扣件。將被校準(zhǔn)隧道區(qū)間內(nèi)每一個扣件公里標(biāo)與扣件基準(zhǔn)公里標(biāo)進(jìn)行對比校準(zhǔn)，從而實現(xiàn)隧道區(qū)間內(nèi)列車的細(xì)校準(zhǔn)里程定位。

表1　傳感器定位信息

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

地鐵隧道車載形變檢測定位系統(tǒng)方案如圖1所示。采用激光掃描測距儀實時連續(xù)采集隧道輪廓信息；以位移計為列車姿態(tài)修正工具，補(bǔ)償列車在不平穩(wěn)狀態(tài)下激光掃描測距儀所測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差；轉(zhuǎn)速傳感器對列車測速定位，獲得公里標(biāo)，實現(xiàn)檢測斷面與里程的匹配；同時需要同步信號系統(tǒng)實現(xiàn)同一里程的所有采樣數(shù)據(jù)在同一時鐘存儲，以保證斷面測量的精度。采用FPGA作為中央處理器，對以上傳感器信號進(jìn)行采集處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、緩存，同步信號的添加等，并通過USB接口芯片上傳給PC機(jī)。同時，激光位移傳感器高速采集軌道特征通過PCI上傳給PC機(jī)。

圖1　車載形變檢測定位系統(tǒng)框圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)分為粗校準(zhǔn)定位和細(xì)校準(zhǔn)定位兩部分，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

3.1確定基準(zhǔn)數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)速傳感器獲取線路公里標(biāo)，第n個脈沖對應(yīng)的公里標(biāo)：

式中，d為車輪直徑，m為轉(zhuǎn)速傳感器每周輸出的脈沖數(shù)，S0為起始公里標(biāo)。由于每次檢測產(chǎn)生的誤差大小不一致，需要將各次檢測得到的公里標(biāo)數(shù)據(jù)與地鐵公司提供的原始數(shù)據(jù)對比，以公里標(biāo)誤差最小的檢測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

3.2粗校準(zhǔn)定位

粗校準(zhǔn)定位是將隧道以區(qū)間劃分，由激光掃描測距儀獲取的隧道二維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征識別，識別洞體區(qū)間、站臺區(qū)間及隧道區(qū)間分界斷面。首先將被校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)對應(yīng)隧道區(qū)間分界斷面的公里標(biāo)進(jìn)行精確校準(zhǔn)匹配，然后假設(shè)隧道區(qū)間誤差是在區(qū)間內(nèi)均勻產(chǎn)生，因此可將區(qū)間內(nèi)斷面數(shù)據(jù)對應(yīng)的公里標(biāo)以數(shù)據(jù)壓縮形式進(jìn)行校準(zhǔn)匹配。該校準(zhǔn)方法可用下式表示：

式中，Si表示被校準(zhǔn)數(shù)據(jù)粗校準(zhǔn)后第i個斷面數(shù)據(jù)對應(yīng)的公里標(biāo)，Si（D-1）表示基準(zhǔn)數(shù)據(jù)當(dāng)前隧道區(qū)間D與上一隧道區(qū)間分界斷面的公里標(biāo)，SiD表示基準(zhǔn)數(shù)據(jù)當(dāng)前隧道區(qū)間D與下一隧道區(qū)間分界斷面的公里標(biāo)，同理，S′i、S′i（D-1）、S′iD表示被校準(zhǔn)數(shù)據(jù)相應(yīng)的公里標(biāo)，不再贅述。粗校準(zhǔn)完成后，可將定位誤差減小到30cm以內(nèi)。

3.3細(xì)校準(zhǔn)定位

由于激光位移傳感器的采樣頻率遠(yuǎn)高于激光掃描測距儀頻率，因此粗校準(zhǔn)定位完成后，各隧道區(qū)間可利用激光位移傳感器進(jìn)行細(xì)校準(zhǔn)定位。激光位移傳感器識別出隧道區(qū)間內(nèi)每個扣件，將該隧道區(qū)間劃分為更小的扣件區(qū)間。軌道扣件間隔60 cm循環(huán)出現(xiàn)，粗校準(zhǔn)定位后誤差已減小到30 cm以內(nèi)，因此可確定基準(zhǔn)隧道區(qū)間與被校準(zhǔn)隧道區(qū)間扣件的一一對應(yīng)關(guān)系，該校準(zhǔn)方法可用下式表示：

式中，Sr表示被校準(zhǔn)數(shù)據(jù)細(xì)校準(zhǔn)后第r個激光點數(shù)據(jù)對應(yīng)的公里標(biāo)，Sr（E-1）表示基準(zhǔn)數(shù)據(jù)當(dāng)前扣件區(qū)間E與上一扣件區(qū)間分界點的公里標(biāo)，SrE表示基準(zhǔn)數(shù)據(jù)當(dāng)前扣件區(qū)間E與下一扣件區(qū)間分界點的公里標(biāo)，同理，S′r、S′r（E-1）、S′rE表示被校準(zhǔn)數(shù)據(jù)細(xì)校準(zhǔn)相應(yīng)公里標(biāo)，不再贅述。

激光位移傳感器對應(yīng)的公里標(biāo)細(xì)校準(zhǔn)定位完成后，根據(jù)扣件區(qū)間分界點公里標(biāo)確定其對應(yīng)的隧道斷面公里標(biāo)，按式（3）方式對隧道斷面公里標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)校準(zhǔn)定位，獲得最終隧道斷面數(shù)據(jù)對應(yīng)的公里標(biāo)。細(xì)校準(zhǔn)完成后，可將定位誤差減小到10cm以內(nèi)。

4　系統(tǒng)驗證與分析

為驗證該地鐵隧道形變檢測定位系統(tǒng)的可行性，在地鐵環(huán)境進(jìn)行了實驗。將車載系統(tǒng)安裝于檢測車，沿同一線路重復(fù)檢測了7次，其中1次誤差最小的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，校準(zhǔn)其余6次數(shù)據(jù)。

基準(zhǔn)數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)同一隧道區(qū)間分界斷面臨近位置粗校準(zhǔn)前后隧道輪廓對比如圖3所示，由圖3（a）可知，原始校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)均有不同程度的偏移，分界斷面全部錯位，由圖3（b）可知，粗校準(zhǔn)后校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)基本重合，分界斷面完全重合。為驗證粗校準(zhǔn)定位精度，從6次被校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)中提取了24個特征斷面進(jìn)行精度驗證，誤差結(jié)果如表2所示，平均誤差為10.7 cm，誤差均小于30 cm，滿足粗校準(zhǔn)定位精度要求。

圖3　粗校準(zhǔn)前后隧道輪廓圖

表2　粗校準(zhǔn)定位誤差

基準(zhǔn)數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)同一隧道區(qū)間分界斷面對應(yīng)軌道位置細(xì)校準(zhǔn)前后軌道特征對比如圖4所示，由圖4（a）可知，原始校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)存在較大偏差，各扣件完全錯位；由圖4（b）可知，經(jīng)過粗校準(zhǔn)定位，各扣件錯位程度減小到30cm以內(nèi)；由圖4（c）可知，經(jīng)過細(xì)校準(zhǔn)定位，各扣件尖端已完全重合，并且錯位程度進(jìn)一步減小，均小于10 cm，滿足最終定位要求。細(xì)校準(zhǔn)后的24個隧道特征斷面公里標(biāo)誤差結(jié)果如表3所示，平均誤差為4.1cm，均小于10 cm，滿足多傳感器定位算法精度要求。

圖4　細(xì)校準(zhǔn)前后扣件特征對比圖

表3　細(xì)校準(zhǔn)定位誤差

5　結(jié)　論

文中基于多傳感器融合技術(shù)，設(shè)計了地鐵隧道形變檢測定位系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)硬件設(shè)計、軟件設(shè)計，并在地鐵環(huán)境進(jìn)行驗證。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)⑼痪€路同一位置多次檢測的隧道輪廓數(shù)據(jù)匹配，實現(xiàn)快速定位，定位精度為±10 cm，為隧道模型可靠性提供保障。下一步將研究隧道模型建立方法，進(jìn)行隧道形變分析。

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Realization of deformation detection positioning system in metro tunnel

WANG Xing
（School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiao-tong University，Beijing 100044，China）

Deformation detection of the metro tunnel is related to the subway driving safety.In recent years，the vehiclemounted tunnel deformation detection system based on laser scanning measurement principle has developed a lot，but the relative positioning accuracy is still not high，which leads to the limitation on the ultimate deformation detection accuracy.In this paper，the deformation detection and positioning system based on multi-sensor data fusion is designed，which can match the multiple metrical data of the same line at the same position and position the tunnel quickly to help building the tunnel model.Experimental results indicate that the system can effectively carry out the relative positioning，with the accuracy of± 10cm.Therefore，this system has a certain engineering application value.

multi-sensor data fusion；relative positioning；metro tunnel；deformation detection

TN98

A

1674－6236（2016）21-0147-03

2015-11-16稿件編號：201511153

王 星（1990—），女，四川成都人，碩士研究生。研究方向：軌道交通安全檢測。