高精度復原技術(shù)在營業(yè)線施工中的應用

龐永亮　吳巨恒　莊啟明　田懷謙

【摘 要】融合高精度激光LiDAR技術(shù)、高分辨率可見光影像、高精度定位技術(shù)、既有設備圖紙與安裝圖紙等多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建營業(yè)線施工現(xiàn)場地形地貌及各種設備精細三維模型，實現(xiàn)施工現(xiàn)場環(huán)境及設施設備的高精度還原。通過對既有設備和新增設備設施的模型重建，將不同系統(tǒng)、不同專業(yè)及既有設施設備的整體情況進行綜合展示，避免或減少交叉作業(yè)，最大限度地提高整體施工效率。

【Abstract】By integrating multi-source data such as high precision laser LiDAR technology， high-resolution visible light image， high-precision positioning technology， existing equipment drawings and installation drawings， the business line construction site topography and fine three-dimensional models of various equipment are constructed to achieve high-precision restoration of the construction site environment and facilities and equipment. Through the model reconstruction of existing equipment and new equipment and facilities， the overall situation of different systems， different disciplines and existing facilities and equipment will be comprehensively displayed to avoid or reduce cross operation and maximize the overall construction efficiency.

【關鍵詞】鐵路營業(yè)線;激光LiDAR;傾斜攝影;數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin）;施工管理平臺

【Keywords】 railway business line; laser LiDAR; tilt photography; digital twinning technology （Digital Twin）; construction management platform

【中圖分類號】U212.24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）10-0195-02

1 引言

隨著營業(yè)線施工中既有設備復雜程度的不斷提高，為了保證運營安全，對既有設備的改造和升級過程的要求越來越嚴苛。設備的改造和升級往往動一發(fā)而牽全身，需要各系統(tǒng)相互支撐、互為保障，如變電所改造需要對基礎、纜溝、接地、設備等各方面進行全面考慮，因此，必須對既有設備、設施進行完整、準確地測繪和測量，在完整精確數(shù)據(jù)的支持下對實施方案進行模擬、研究和評判。然而，以往營業(yè)線施工中的測量和測繪的技術(shù)只是通過二維平面圖、安裝圖進行分析、演示與評判，往往由于信息表示方法的局限、信息的不準確或不完整以及識圖人員的綜合素養(yǎng)，不能完整、綜合分析設備的現(xiàn)狀，進而影響改造實施方案的順利制定[1]。

為了滿足項目需求，基于高精度激光雷達點云數(shù)據(jù)、高分辨率可見光影像、定位數(shù)據(jù)實現(xiàn)精準的變電所以及隧道、車站等復雜既有線環(huán)境的數(shù)字化鏡像及全景測量（數(shù)字孿生）;融合數(shù)字孿生技術(shù)、既有設備圖紙與安裝圖紙等多源數(shù)據(jù)，采用建模軟件構(gòu)建營業(yè)線施工現(xiàn)場的地形地貌、單體設備、組合設備等比例三維模型，實現(xiàn)施工現(xiàn)場環(huán)境及設施設備的高精度還原;以數(shù)字孿生技術(shù)還原的鐵路營業(yè)線精細三維模型為載體建立三維分析應用平臺，對施工方案模擬、關鍵工序銜接、安全管理、人員配備、物料跟蹤等信息進行綜合分析，用嚴格的數(shù)學模型指導設備的改造和升級。

2 多源數(shù)據(jù)融合

融合激光LiDAR、GNSS、傾斜攝影等多源數(shù)據(jù)，將數(shù)字孿生技術(shù)貫穿于鐵路營業(yè)線施工改造全過程。工作流程如圖1所示。

2.1 點云數(shù)據(jù)采集

使用RIEGL VZ-1000三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)施工改造進度多次對一改造車站進行數(shù)據(jù)采集，施工改造前數(shù)據(jù)采集主要為既有設施設備情況進行高精度復原，施工過程中數(shù)據(jù)采集則為施工改造預期與改造成果進行對比。RIEGL VZ-1000三維激光掃描系統(tǒng)最大測量距離1400m，點頻為30萬點/秒，對于重點區(qū)域進行加密測量的方法，同時分別在測量區(qū)域端點和中點進行控制測量，保證測量的精度與足夠點密度。外業(yè)測量如圖2所示。對采集的多個站點數(shù)據(jù)進行平差，平均誤差控制在6mm以內(nèi)，并對獲取的點云數(shù)據(jù)進行紋理映射，如圖3、4所示。

2.2 無人機傾斜攝影測量

采用自主研制的ARC524傾斜攝影系統(tǒng)專門為輕型無人機所設計，主要安裝于多旋翼無人機、固定翼無人機上[2]。該系統(tǒng)主要用于高分辨率傾斜攝影，其由E1.8/50 OSS蔡司五鏡頭組成，一次飛行即可獲取地面目標五個方向影像，大大提高了工作效率。它的主要特點是重量輕、分辨率高、便于攜帶、易于掛裝，如圖5所示。將ARC524傾斜攝影系統(tǒng)搭載與大疆M600無人機對錦和車站進行航測，如圖6所示，共飛行15架次，將獲取的高分辨率影像進行空三加密和點云濾波等處理，得到精度優(yōu)于3cm的傾斜影像。

3 高精度復原

融合高精度點云數(shù)據(jù)、傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)、既有設備圖紙等多源數(shù)據(jù)，使用主流建模軟件3ds max、Revit對錦和車站進行三維重建。為了達到高精度建模需求，在重建之前對接觸網(wǎng)每個零部件進行精細建模，將多種不同尺寸零部件按點云實測值或新建線路施工圖紙要求進行組裝，最終得到錦和車站施工改造過程中的精細三維模型改造后模型，如圖7所示，改造前后對比如圖8所示。

4 施工管理平臺

為了更好地將高精度復原技術(shù)應用于鐵路營業(yè)線改造施工中，研制既有線改造施工管理平臺，該平臺可對既有線施工改造過程中的施工資料進行統(tǒng)一管理;可實現(xiàn)營業(yè)線精細三維場景的快速可視化，通過與數(shù)據(jù)庫連接，實現(xiàn)各設備位置信息和屬性信息的快速查詢，如圖9、10所示;實現(xiàn)三維場所內(nèi)設備拆卸、安裝、檢修等操作，將改造過程中的各項施工要素進行整合，包括精細化改造方案、過程銜接、安全把控、天窗點內(nèi)時間控制、施工組織設計等，使營業(yè)線設備的改造升級過程與運行狀態(tài)的反饋與真實改造過程高度一致，使最終的運行情況達成運維高度。

5 結(jié)論

基于多源技術(shù)融合的方法能夠?qū)﹁F路營業(yè)線施工改造現(xiàn)場地形地貌及設施設備進行高精度復原，復原結(jié)果可直接在三維平臺中進行信息提取，較傳統(tǒng)方法獲取的信息更加全面，該技術(shù)為既有線施工改造提供原始數(shù)據(jù)外，還為線路改擴建提供高精度基礎數(shù)據(jù)。在高精度三維模型基礎上搭建綜合管理平臺對模型進行屬性編輯，施工資料管理，實現(xiàn)對一些重大及復雜山區(qū)地段改造的施工方案模擬、重要工序銜接、安全管理、人員配備、物料跟蹤等信息進行分析，有助于提高施工質(zhì)量，提升施工效率。

【參考文獻】

【1】劉孟涵.BIM地形建模技術(shù)在高速鐵路測繪中的應用[J].鐵道勘察，2019，45（03）：9-12.

【2】吳俁，葉澤田，楊長強，等.車載三維激光掃描系統(tǒng)在鐵路沿線景觀建模中的應用[J].工程勘察，2009，37（11）：61-66.