高精度復(fù)原技術(shù)在營(yíng)業(yè)線施工中的應(yīng)用

龐永亮，吳巨恒，莊啟明，田懷謙

（中鐵電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 100070）

1 引言

隨著營(yíng)業(yè)線施工中既有設(shè)備復(fù)雜程度的不斷提高，為了保證運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)既有設(shè)備的改造和升級(jí)過(guò)程的要求越來(lái)越嚴(yán)苛。設(shè)備的改造和升級(jí)往往動(dòng)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(duì)基礎(chǔ)、纜溝、接地、設(shè)備等各方面進(jìn)行全面考慮，因此，必須對(duì)既有設(shè)備、設(shè)施進(jìn)行完整、準(zhǔn)確地測(cè)繪和測(cè)量，在完整精確數(shù)據(jù)的支持下對(duì)實(shí)施方案進(jìn)行模擬、研究和評(píng)判。然而，以往營(yíng)業(yè)線施工中的測(cè)量和測(cè)繪的技術(shù)只是通過(guò)二維平面圖、安裝圖進(jìn)行分析、演示與評(píng)判，往往由于信息表示方法的局限、信息的不準(zhǔn)確或不完整以及識(shí)圖人員的綜合素養(yǎng)，不能完整、綜合分析設(shè)備的現(xiàn)狀，進(jìn)而影響改造實(shí)施方案的順利制定[1]。

為了滿足項(xiàng)目需求，基于高精度激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)、高分辨率可見光影像、定位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的變電所以及隧道、車站等復(fù)雜既有線環(huán)境的數(shù)字化鏡像及全景測(cè)量（數(shù)字孿生）；融合數(shù)字孿生技術(shù)、既有設(shè)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(yíng)業(yè)線施工現(xiàn)場(chǎng)的地形地貌、單體設(shè)備、組合設(shè)備等比例三維模型，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及設(shè)施設(shè)備的高精度還原；以數(shù)字孿生技術(shù)還原的鐵路營(yíng)業(yè)線精細(xì)三維模型為載體建立三維分析應(yīng)用平臺(tái)，對(duì)施工方案模擬、關(guān)鍵工序銜接、安全管理、人員配備、物料跟蹤等信息進(jìn)行綜合分析，用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)設(shè)備的改造和升級(jí)。

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(yíng)業(yè)線施工改造全過(guò)程。工作流程如圖1所示。

2.1 點(diǎn)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(jìn)度多次對(duì)一改造車站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，施工改造前數(shù)據(jù)采集主要為既有設(shè)施設(shè)備情況進(jìn)行高精度復(fù)原，施工過(guò)程中數(shù)據(jù)采集則為施工改造預(yù)期與改造成果進(jìn)行對(duì)比。RIEGL VZ-1000三維激光掃描系統(tǒng)最大測(cè)量距離1400m，點(diǎn)頻為30萬(wàn)點(diǎn)/秒，對(duì)于重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行加密測(cè)量的方法，同時(shí)分別在測(cè)量區(qū)域端點(diǎn)和中點(diǎn)進(jìn)行控制測(cè)量，保證測(cè)量的精度與足夠點(diǎn)密度。外業(yè)測(cè)量如圖2所示。對(duì)采集的多個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，平均誤差控制在6mm以內(nèi)，并對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行紋理映射，如圖3、4所示。

圖2 VZ-1000

圖3 錦和站點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 錦和變電所點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

采用自主研制的ARC524傾斜攝影系統(tǒng)專門為輕型無(wú)人機(jī)所設(shè)計(jì)，主要安裝于多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)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(biāo)五個(gè)方向影像，大大提高了工作效率。它的主要特點(diǎn)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(wú)人機(jī)對(duì)錦和車站進(jìn)行航測(cè)，如圖6所示，共飛行15架次，將獲取的高分辨率影像進(jìn)行空三加密和點(diǎn)云濾波等處理，得到精度優(yōu)于3cm的傾斜影像。

圖5 錦和站傾斜模型

圖6 錦和站傾斜模型

3 高精度復(fù)原

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

圖7 改造后模型

圖8 改造前后對(duì)比

4 施工管理平臺(tái)

為了更好地將高精度復(fù)原技術(shù)應(yīng)用于鐵路營(yíng)業(yè)線改造施工中，研制既有線改造施工管理平臺(tái)，該平臺(tái)可對(duì)既有線施工改造過(guò)程中的施工資料進(jìn)行統(tǒng)一管理；可實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)線精細(xì)三維場(chǎng)景的快速可視化，通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備位置信息和屬性信息的快速查詢，如圖9、10所示；實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)所內(nèi)設(shè)備拆卸、安裝、檢修等操作，將改造過(guò)程中的各項(xiàng)施工要素進(jìn)行整合，包括精細(xì)化改造方案、過(guò)程銜接、安全把控、天窗點(diǎn)內(nèi)時(shí)間控制、施工組織設(shè)計(jì)等，使?fàn)I業(yè)線設(shè)備的改造升級(jí)過(guò)程與運(yùn)行狀態(tài)的反饋與真實(shí)改造過(guò)程高度一致，使最終的運(yùn)行情況達(dá)成運(yùn)維高度。

圖9 三維空間量測(cè)

圖10 三維屬性信息展示

5 結(jié)論

基于多源技術(shù)融合的方法能夠?qū)﹁F路營(yíng)業(yè)線施工改造現(xiàn)場(chǎng)地形地貌及設(shè)施設(shè)備進(jìn)行高精度復(fù)原，復(fù)原結(jié)果可直接在三維平臺(tái)中進(jìn)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(kuò)建提供高精度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在高精度三維模型基礎(chǔ)上搭建綜合管理平臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行屬性編輯，施工資料管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)一些重大及復(fù)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(jìn)行分析，有助于提高施工質(zhì)量，提升施工效率。