基于激光檢測技術(shù)的地鐵限界檢測研究

張 浩，伍箴樹

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

隨著地鐵軌道交通的需求日益增加，對地鐵軌道交通的車輛試驗效率與可靠性提出越來越高的要求[1]。而在眾多試驗檢查項目中，地鐵車輛限界是保證城市地鐵安全的極為重要的指標(biāo)。目前，國內(nèi)地鐵限界檢測的方法基本采用接觸式測量。在接觸式測量中，應(yīng)用最廣的是限界規(guī)龍門架檢測。該檢測方式通過在支架上安裝的限界檢測模板，將車輛緩緩從龍門架中間推過，人工識別車輛是否與模板產(chǎn)生干涉，以達到檢測目的。該方法檢測設(shè)備須單獨定制，且不可重復(fù)使用，安裝制作過程存在誤差，另外操作繁瑣，檢測不精準(zhǔn)，且每次使用之前需要進行變形檢測，以免測量誤差帶來的誤檢[2]。此種檢測方法周期長，難以避免人為誤差，對于超限的部位只能定性判斷，而無法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析，最終影響整車的限界檢測。

區(qū)別于傳統(tǒng)的限界規(guī)模板檢測方式，三維激光掃描限界檢測技術(shù)具有以下特點：①工作快捷高效，無需提前定制模板及輔助設(shè)備，基本無檢測成本。②可進行批量化連續(xù)測量，直接獲取高精度、高密度車輛斷面點云，獲取的數(shù)據(jù)為車輛所有橫截面的點集合。③可避免人員因素的干擾，同時避免限界規(guī)可能對車輛造成的損傷。

目前，基于三維激光掃描技術(shù)的限界測量分析軟件已實際應(yīng)用，針對傳統(tǒng)限界檢測手段存在的測量不精確、測量不全面、檢測效率低等問題，本文基于激光掃描技術(shù)提出高效的地鐵限界檢測方案。

2 激光限界檢測的原理及流程

2.1 激光檢測原理

目前激光限界檢測的原理基于激光相位測距法或激光脈沖測距法，本文利用的激光原理為相位測距法，其基本的原理如下。

假設(shè)激光經(jīng)往返距離L產(chǎn)生的相位變化為φ，則激光由發(fā)射器到接受目標(biāo)所用的時間t為:

t=φ/ω=φ/2πf

其中ω——調(diào)制后激光的角頻率，ω=2πf

將以上公式帶入距離計算公式：

L=(c/2)φ/2πf

其中c——光速

當(dāng)波長λ>2L時，φ=Δφ；

當(dāng)波長λ≤2L時，φ=Δφ+2nπ

其中n——波動的數(shù)量；

綜上整理得出：

L=(λ/2)(n+△φ/2π)

激光測距裝置將激光源調(diào)制成固定頻率f的交變光源，通過被測目標(biāo)發(fā)射后由光電探測器接受，通過測量調(diào)制光往返的相位變化，從而換算得出距離[3]。

2.2 激光檢測裝置介紹

激光限界檢測裝置由測量裝置、數(shù)據(jù)處理單元、帶升降結(jié)構(gòu)龍門框架組成。通過實時獲取激光測距儀和車的距離，作為系統(tǒng)測量開始及測量結(jié)束的判斷依據(jù)，測量過程中實時記錄車輛距離用于超限輔助定位。

激光測量裝置由12臺激光3d檢測儀組成，主要實現(xiàn)整車點云數(shù)據(jù)的采集，3d檢測儀安裝在帶升降結(jié)構(gòu)的龍門框架上，整體由龍門框架、步進電機、減速單元、垂直運動單元構(gòu)成。龍門架橫梁可以通過軟件控制進行自由多模式上下運動，滿足不同高度車輛的測試需求。

限界數(shù)據(jù)處理單元由2臺工控機組成，主要對各個單元進行指令控制、功能實現(xiàn)及數(shù)據(jù)計算處理，工作模式為連續(xù)測量模式，數(shù)據(jù)采集速度為5萬點/s，單點測量精度為±1 mm，滿足限界測量的精度要求。檢測系統(tǒng)主要組件如圖1、圖2所示。

圖1 激光限界檢測裝置圖示

圖2 激光測距儀圖示

3 激光限界檢測流程

3.1 檢測流程

激光限界檢測操作方法簡單，只需在限界檢測軟件中創(chuàng)建工程文件，進行項目名稱編輯、預(yù)構(gòu)車輛輪廓、車輛限界、設(shè)備限界等操作，并將工程文件載入檢測系統(tǒng)，即可開始限界檢測，操作流程如圖3所示。

圖3 激光檢測流程

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集采用連續(xù)測量工作模式，激光掃描儀將對車輛斷面進行不間斷測量，獲取的點云數(shù)據(jù)無需進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和拼接，從而避免了數(shù)據(jù)在累加過程中造成的誤差[4]。數(shù)據(jù)采集的結(jié)果為車輛的3d輪廓模塊。激光限界檢測系統(tǒng)通過安置在地面遠端定制的測距儀進行車輛的里程數(shù)據(jù)檢測，里程分辨率為0.5 mm，測量誤差小于0.3%。雖然海量點云數(shù)據(jù)的管理算法已不斷優(yōu)化，但點云處理過程中，消耗時間和點云數(shù)量仍呈線性相關(guān)，因此，在實際的限界檢測數(shù)據(jù)采集時，每間隔1 mm自動測量1個車輛斷面，但對于需要重點校核的車輛部位，可根據(jù)實際條件，選擇合適的斷面間隔進行測量。

3.3 點云降噪

由于檢測裝置采集數(shù)據(jù)速度快，造成獲得的數(shù)據(jù)中冗余的點云成分大，影響工作效率，需要對其進行降噪簡化，但是同時需要保留車輛鮮明的幾何特征。本文采用統(tǒng)一采樣法對數(shù)據(jù)進行壓縮，該方法可減少平坦區(qū)域內(nèi)的點數(shù)，但保留高曲率區(qū)域內(nèi)的點以保留細節(jié)。點云降噪效果如圖4、圖5所示。

圖4 點云數(shù)據(jù)去噪前

圖5 點云數(shù)據(jù)去噪后

4 限界檢測分析

4.1 最大輪廓橫斷面提取分析

地鐵車輛限界測量的分析對象為車輛的準(zhǔn)靜態(tài)包絡(luò)線與車輛限界，所需提取的橫斷面包括車輛所有的輪廓斷面的集合，最終完成最大車輛準(zhǔn)靜態(tài)包絡(luò)線的提取[5]。本文使用的專業(yè)限界分析軟件能夠根據(jù)點云數(shù)據(jù)集完整提取所需最大橫斷面，并以車輛限界為基礎(chǔ)，自動測量橫斷面距車輛限界節(jié)點最近的點間距。如圖6所示，將車輛限界導(dǎo)入軟件中進行疊加分析，通過軟件計算得到車輛限界的檢測結(jié)果。

圖6 限界檢測圖像

4.2 限界檢測分析及報告生成

在車輛的限界檢測過程中，須推動車輛通過限界檢測裝置，車輛的運動可能會造成車輛與軌道之間的不對中，從而造成車輛的檢測出現(xiàn)誤檢測，但激光掃描檢測可根據(jù)車輛實際中心線距軌道中心軸線的常數(shù)定值，結(jié)合實測數(shù)據(jù)自動計算車輛橫斷面的軌道基準(zhǔn)點，同時車輛限界與隧道橫斷面根據(jù)所得軌道基準(zhǔn)點進行疊加。以實際軌道位置為基準(zhǔn)，以車輛動態(tài)輪廓節(jié)點為檢測對象，測量與之最近的車輛限界點間距，相較于以往限界規(guī)只能粗略定性判斷車輛是否存在超限更加直觀準(zhǔn)確，基于激光原理的全面精確的限界檢測更符合限界分析需求。

限界測量分析完畢，軟件支持一鍵生成圖表檢測報告。書面報告內(nèi)容包括測量單位、測量狀態(tài)、軌距、測量數(shù)據(jù)、測量結(jié)果及其他測量信息，如圖7所示。

圖7 限界檢測報告

5 結(jié)語

本文提出的激光限界檢測技術(shù)已經(jīng)用于實際地鐵車輛限界檢測項目，為地鐵車輛的限界檢測以及超限分析提供了高效可靠的檢測和分析手段，區(qū)別于以往測量方案，本文提出的激光限界測量方案實現(xiàn)了檢測結(jié)果二維和三維展示，獲取的車輛限界信息也更加精確詳實?？偨Y(jié)來說，該解決方案利用三維激光掃描儀，結(jié)合點云數(shù)據(jù)處理軟件及專業(yè)的車輛限界分析軟件，在提高可靠性和作業(yè)效率的同時，更為直觀地展現(xiàn)限界測量情況，并可快速生成圖表一體的限界檢測報告，為地鐵車輛的限界檢測提供了解決方案。