鐵路建筑限界檢測系統(tǒng)及應(yīng)用

孫淑杰，王凡，趙鑫欣，劉維楨，趙彥平

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2. 北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京 100081）

鐵路建筑限界檢測系統(tǒng)及應(yīng)用

孫淑杰1，王凡1，趙鑫欣1，劉維楨1，趙彥平2

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2. 北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京 100081）

論述橫斷面法、綜合斷面法和軌跡法等鐵路建筑限界早期檢測技術(shù)，分析已在線路運營維護中應(yīng)用的激光掃描和斷面攝像檢測技術(shù)和原理。鐵路建筑限界檢測系統(tǒng)以激光掃描技術(shù)為基礎(chǔ)，由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)管理模塊組成，闡述并分析各模塊組成和功能。通過現(xiàn)場實際運用，鐵路建筑限界檢測系統(tǒng)安裝快捷方便、運用可靠穩(wěn)定，能夠快速高效地檢測鐵路建筑限界狀態(tài)，為鐵路運營維護單位提供準(zhǔn)確、可靠的限界狀態(tài)數(shù)據(jù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

鐵路建筑限界；檢測系統(tǒng)；應(yīng)用；激光掃描；侵限

1 概述

鐵路建筑限界[1-3]可保障列車有足夠的行駛空間和行駛安全，是一條以鋼軌頂面為基準(zhǔn)，在水平直線上垂直于鐵路中心線，用于限制建筑物和設(shè)備在任何情況下均不得侵入橫斷面輪廓尺寸的控制線。在實際測量中，可劃分為鐵路建筑實際限界和綜合最小建筑限界[4-5]。鐵路建筑實際限界是指建筑物和設(shè)備在距軌面不同高度處最接近線路中心線的點，其共同構(gòu)成橫斷面輪廓，在實際應(yīng)用中主要關(guān)注鐵路周邊建筑物或設(shè)備的限界接近（侵限）狀態(tài)；綜合最小建筑限界是指在規(guī)定范圍內(nèi)，建筑物和設(shè)備所有檢測橫斷面輪廓的綜合最小尺寸，在實際應(yīng)用中主要為超限貨物的運輸提供基礎(chǔ)控制數(shù)據(jù)。

隨著我國高速鐵路和重載鐵路的發(fā)展，“四縱四橫”的高速鐵路骨架網(wǎng)已基本建成，重載貨運網(wǎng)和快速集裝箱運輸網(wǎng)已初具規(guī)模，鐵路網(wǎng)的運營和維護至關(guān)重要，準(zhǔn)確的限界數(shù)據(jù)關(guān)系到鐵路運輸安全和效率。我國地域廣闊，鐵路的地理環(huán)境復(fù)雜，在電氣化改造、救災(zāi)、施工、日常維修與養(yǎng)護、超限貨物運輸?shù)确矫娑夹枇私庀藿鐮顩r，但現(xiàn)有的檢測車輛和手段已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足建筑限界檢測和管理的需要，應(yīng)對鐵路建筑限界檢測系統(tǒng)及應(yīng)用開展進一步研究。

2 限界檢測技術(shù)

鐵路建筑限界早期檢測技術(shù)主要有橫斷面法、綜合斷面法和軌跡法等。橫斷面法需要停車手工測量，是一種定位測量斷面法；綜合斷面法屬定高測寬法，動車時檢查架開屏測量；軌跡法要求定向連續(xù)測距，動車量測，通過捕捉測繪觸手外端點的運動軌跡進行測量。目前，基于綜合斷面法的簡易限界檢測車主要在工程施工中使用。

隨著激光和攝像技術(shù)的進步，出現(xiàn)了激光掃描和斷面攝像檢測技術(shù)，目前已在線路運營維護中應(yīng)用。

斷面攝像技術(shù)的基本原理是通過激光器與攝像機同步配合對建筑限界進行檢測，通常由多臺線性激光器統(tǒng)一將激光投射到被測建筑物上，得到建筑物斷面輪廓線，多臺攝像機布置在檢測車的外圍輪廓上，從不同角度拍攝激光輪廓線。圖片的處理量大，需多臺計算機同時處理，合成得到建筑限界數(shù)據(jù)，經(jīng)過后期圖像處理，判讀換算出建筑物的實際位置尺寸。此技術(shù)能夠獲取完整的限界斷面圖，通過分析及匯總處理形成綜合最小建筑限界尺寸圖，但受檢測原理的限制，受環(huán)境光干擾時無法進行檢測，只能用于隧道內(nèi)部檢測，而對隧道以外的建筑限界檢測比較困難。多臺攝像機需精準(zhǔn)同步和標(biāo)定，否則拍攝斷面不完整，但由于受攝像機的頻率限制，檢測速度較低和斷面間距較大。

激光掃描技術(shù)的基本原理是在車輛上安裝激光掃描傳感器，在車輛運行中連續(xù)不斷地測量鐵路周邊建筑物的空間距離信息，經(jīng)空間坐標(biāo)變換建立基于軌道坐標(biāo)系的建筑物二維斷面圖，與標(biāo)準(zhǔn)建筑限界圖進行比對，自動識別建筑物侵限狀態(tài)。同時通過多斷面匯總模型形成綜合最小建筑限界尺寸圖，實現(xiàn)鐵路建筑限界快速自動檢測。激光掃描技術(shù)檢測原理見圖1。國外的建筑限界檢測中廣泛采用激光掃描技術(shù)，其具有快速、實時、準(zhǔn)確、可靠的特點，同時受外界光的干擾少，能夠在復(fù)雜環(huán)境中使用。

圖1 激光掃描技術(shù)檢測原理

3 系統(tǒng)架構(gòu)及組成

鐵路建筑限界檢測系統(tǒng)以激光掃描技術(shù)為基礎(chǔ)，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)管理模塊組成，其總體結(jié)構(gòu)示意見圖2。數(shù)據(jù)采集模塊用于實現(xiàn)在高速運行狀態(tài)下的線路周邊建筑物斷面輪廓數(shù)據(jù)的實時采集與存儲；數(shù)據(jù)分析模塊主要實現(xiàn)建筑物斷面輪廓數(shù)據(jù)的分析、處理和展示；數(shù)據(jù)管理模塊主要用于限界數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢、編輯和報表打印輸出。

圖2 鐵路建筑限界檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的硬件部分由供電與傳輸控制單元、傳感器集成組件和數(shù)據(jù)采集與分析服務(wù)器組成。供電與傳輸控制單元用于設(shè)備的電氣供電和數(shù)據(jù)傳輸控制；傳感器集成組件封裝激光掃描傳感器，小型化設(shè)計，配備專用箱保存，使用時懸掛于車體或車頭專用安裝平臺上，采用快速卡緊裝置進行固定，并保證傳感器的掃描斷面伸出至車鉤前端，不受任何遮擋；數(shù)據(jù)采集與分析服務(wù)器由高性能工控機、計數(shù)卡、串口卡和高速數(shù)據(jù)采集卡等組成，用于操控傳感器和里程定位同步設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集存儲。

數(shù)據(jù)采集模塊的軟件采用多線程交互及虛擬內(nèi)存映射技術(shù)，專門設(shè)計了大容量數(shù)據(jù)處理與存儲模塊，可同步整合速度、里程等信息，能夠保證列車高速運行情況下的大容量數(shù)據(jù)實時采集與存儲。

3.2 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊針對數(shù)據(jù)采集模塊整合存儲的大文件數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，運用坐標(biāo)變換與空間映射、特征提取與識別、點云濾波與建模、快速圖像處理等技術(shù)，快速重繪基于軌面基準(zhǔn)坐標(biāo)系的線路周邊建筑物或設(shè)備斷面輪廓，依靠快速數(shù)據(jù)分析算法模型進行精細(xì)分析處理，自動輸出建筑物侵限數(shù)據(jù)、斷面輪廓數(shù)據(jù)和綜合最小建筑限界數(shù)據(jù)等，并按特定格式將數(shù)據(jù)輸送到數(shù)據(jù)庫中進行存儲；基于三維點云建模技術(shù)生成三維立體圖，能夠形象展示線路周邊建筑物的三維輪廓。軌面基準(zhǔn)坐標(biāo)系、車輛坐標(biāo)系與激光掃描坐標(biāo)系示意見圖3。

圖3 軌面基準(zhǔn)坐標(biāo)系、車輛坐標(biāo)系與激光掃描坐標(biāo)系示意圖

3.2.1 多坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與運動補償模型

鐵路建筑限界的檢測涉及到的坐標(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。多坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與補償模型的建立以軌面基準(zhǔn)坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，以車輛坐標(biāo)系為橋梁和紐帶，通過捕捉鋼軌頂面位置，計算車輛坐標(biāo)系相對于軌面基準(zhǔn)坐標(biāo)系的動態(tài)偏移量與動態(tài)偏移角，反算傳感器原點坐標(biāo)，然后根據(jù)傳感器原點及采集到的矢徑與測量角計算得到采集數(shù)據(jù)點基于軌面基準(zhǔn)坐標(biāo)系的實際坐標(biāo)信息。

3.2.2 建筑物侵限自動識別算法

基于凸集理論，以二維離散點的分布特征為基礎(chǔ)，通過空間投影比對算法，自動計算二維離散點在標(biāo)準(zhǔn)限界模型中的分布位置，實現(xiàn)建筑物侵限的自動識別；侵限位置以紅色標(biāo)注，不侵限位置以綠色顯示，并將侵限數(shù)據(jù)輸出。

3.2.3 綜合最小建筑限界分析算法

建立綜合最小建筑限界統(tǒng)計分析模型，以控制點為基準(zhǔn)，建立控制區(qū)域，通過坐標(biāo)系統(tǒng)的比對，統(tǒng)計分析綜合最小建筑限界尺寸，并對曲線區(qū)域進行折減操作，形成綜合最小建筑限界尺寸表和接近圖。

3.3 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊接收數(shù)據(jù)分析模塊的分析處理結(jié)果，建立限界數(shù)據(jù)管理機制，能夠?qū)η窒迶?shù)據(jù)、斷面輪廓數(shù)據(jù)和綜合最小建筑限界數(shù)據(jù)進行瀏覽、檢索、編輯、合并和歸類管理等，對關(guān)聯(lián)的限界及原始數(shù)據(jù)進行二維或三維回放顯示，按照特定格式打印生成相關(guān)報表，檢測及現(xiàn)場相關(guān)人員可根據(jù)報表內(nèi)容指導(dǎo)現(xiàn)場養(yǎng)護與維修。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及試驗

4.1 重復(fù)性精度評估

在國家鐵道試驗中心環(huán)行鐵道試驗線的直線段和曲線段分別設(shè)置限界測試靶標(biāo)（高500 mm、寬450 mm），靶標(biāo)與線路方向平行，檢測車以160 km/h的速度往返運行至少5次，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)后進行分析，分別統(tǒng)計靶標(biāo)距線路中心線的距離和靶標(biāo)的高度，重復(fù)性精度評估數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 重復(fù)性精度評估數(shù)據(jù)記錄 mm

從表1可以看出，最大的均方差σ為4.56 mm，置信系數(shù)K取2，最終重復(fù)性誤差評估為9.12 mm。每次測試均能掃到限界測試靶標(biāo)2次，斷面間距小于225 mm，精度誤差和斷面間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定的技術(shù)要求。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

目前，鐵路建筑限界檢測系統(tǒng)已發(fā)展成手推和車載2個系列，涵蓋普速鐵路、高速鐵路、重載和城市軌道交通等領(lǐng)域，可在新車上安裝或在現(xiàn)有車輛上加裝，形成多種型號，成為滿足現(xiàn)場不同檢測需求的系列化產(chǎn)品?，F(xiàn)已在軌道檢測車、綜合檢測車、巡檢車、探傷車等車輛上推廣應(yīng)用，取得較好的應(yīng)用效果。

采用鐵路建筑限界檢測系統(tǒng)對多條高速鐵路線路和重載線路進行建筑限界檢測，檢測出高速鐵路樹枝侵限（見圖4）、隧道壁侵限（見圖5）、隧道道砟侵限（見圖6）、站臺、雨棚等典型侵限；針對特定隧道輸出的綜合最小建筑接近限界（見圖7），通過三維建模生成空曠地帶和隧道三維立體圖（見圖8、圖9）。

圖4 高速鐵路樹枝侵限

圖5 隧道壁侵限

圖6 隧道道砟侵限

圖7 綜合最小建筑接近限界

通過現(xiàn)場實際運用，鐵路建筑限界檢測系統(tǒng)安裝快捷方便、運用可靠穩(wěn)定，能夠快速獲取沿線各類建筑物和設(shè)備的接近狀態(tài)，分析輸出建筑物侵限數(shù)據(jù)和綜合最小建筑限界數(shù)據(jù)，方便運營維護單位及時掌握線路限界狀態(tài)，并有針對性地開展線路整修和貨物運輸組織工作。

圖8 空曠地帶三維立體展示圖

圖9 隧道三維立體展示圖

5 結(jié)論與展望

鐵路建筑限界檢測系統(tǒng)能夠快速獲取沿線各類設(shè)備、建筑物的輪廓及接近狀況，為工務(wù)部門現(xiàn)場維修工作提供準(zhǔn)確的限界基礎(chǔ)數(shù)據(jù)報表，開創(chuàng)限界快速動態(tài)檢測的全新模式，極大地提高了維修作業(yè)效率，節(jié)省了大量的人工和材料費用，在組織鐵路運輸和保障鐵路安全運營方面發(fā)揮了重大作用。鐵路建筑限界檢測系統(tǒng)安裝方式靈活多樣，不受安裝平臺限制，可在既有車輛上加裝，也可在專用檢測車上安裝，在普速鐵路、高速鐵路、重載鐵路、城市軌道交通等領(lǐng)域均能應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]劉維楨，孫淑杰. 基于激光掃描技術(shù)的鐵路限界檢測系統(tǒng)[J]. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2012(1)：56-59.

[2]TG/01—2014 鐵路技術(shù)管理規(guī)程：高速鐵路[S].

[3]TG/01—2014 鐵路技術(shù)管理規(guī)程：普速鐵路[S].

[4]TB/T 3308—2013 鐵路建筑實際限界測量和數(shù)據(jù)格式[S].

[5]程志全，張重陽，何允烘. 地鐵網(wǎng)軌綜合檢測車接觸軌標(biāo)定工裝研制[J]. 中國鐵路，2014(10)：88-90.

Railway Structure Clearance Inspection System and Its Application

SUN Shujie1，WANG Fan1，ZHAO Xinxin1，LIU Weizhen1，ZHAO Yanping2
（1. Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. Beijing IMAP Technology Co Ltd，Beijing 100081，China）

Railway structure clearance inspection methods such as the cross-section method, integrated section method, and tracking method used in early days have been discussed and meanwhile analysis has been done on the laser scanning and section imagery inspection technologies applied to railway operation and maintenance and their operation mechanism. Based on the laser scanning technology, the railway structure clearance inspection system consists of the data acquisition module, data analysis module, and data management module. Components and functions of each module have been described and analyzed. Its application on site shows that the railway structure clearance inspection system can be easily installed, reliably and stably applied to inspect railway structure clearance in an effective and quick manner and provide reliable and accurate clearance status data for railway operation and maintenance organizations. Therefore, the system is liable to be widely applied.

railway structure clearance；inspection system；application；laser scanning；intrusion

U456

A

1001-683X（2017）10-0077-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.077

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目（2015T003-A）

孫淑杰（1982—），男，助理研究員，碩士。E-mail：sjsun@rails.cn

責(zé)任編輯 李葳

2017-05-13