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基于点云信息的既有铁路状态检测与评估技术研究

韩峰  
【摘要】:随着铁路提速和客运专线建设需求,在轨道动静态检测方面新技术应用越来越广泛,从传统的“轨距尺+人工目视”的静态检测方法转变到轨检车检测手段,并采取定期轨检车检查模式。但由于我国铁路线路延展里程长,线路结构类型、行车密度等不尽相同,尤其是既有铁路行车密度较大,天窗作业时间很短,需要非接触式外业测量方法,同时为适应铁路建设BIM化的要求,收集线路沿线的三维信息也是一个非常重要的研究课题。当列车速度提高后,经常会出现轨道不平顺静态管理值和动态管理值的冲突问题,会出现静态检查曲线正矢仍符合《修规》规定条件下,动态检查曲线内水平加速度Ⅱ、Ⅲ级扣分现象,主要是由于新的轨道动态管理暂行试验标准增加的若干项轨道动态不平顺检测指标与传统的静态检测指标不配套。在目前依然是人工静态检查为主的养修作业模式下,如何引进新的轨道静态检测技术满足提速线路高平顺性要求是亟需解决的问题。而三维激光扫描在铁路上的应用可以有效解决上述问题,尤其是其获取的点云数据,可以提供线路检测需要详细信息,并为三维建模提供支撑。鉴于此,论文以三维激光扫描技术在既有铁路状态检测及评估中的应用为研究课题,主要完成了设备选型、作业模式、数据处理、轨道特征提取、点云数据曲率分析及曲线整正等方面的研究工作,同时对结构较为复杂的道岔系统进行施测方案分析,研究问题具有重要的理论意义和实用价值。完成的工作主要有:(1)完成既有线勘测地面激光扫描仪技术作业模式研究根据三维激光扫描仪的工作原理,选取精度较高的Surphaser25HSX、Z+F IMAGER 5010C这两种型号的扫描仪分别在道路、铁路工程中完成初始实验,分析数据采集精度及应用可行性。分析影响精度因素及提高措施,并通过实地试验及数据分析为三维激光扫描仪的现场应用提供了参考方案作业模式,即采用相位式激光扫描设备“之”字型设站,采用球形标靶且一般扫描半径以不大于30m。(2)研究适合铁路线路特点的线路点云数据处理流程及应用方法结合线路专业技术特点,研究线路点云数据后处理方法,分析线路点云数据配准及球形标靶中心拟合算法,在完成点云数据噪声去除、冗余消除等基础上,实现利用三维软件完成既有铁路三维建模,为既有铁路设备三维数据管理提供基础数据;以点云为线路CAD上游模型,以轨向和道床断面为例进行了线、面、体设计特征的初步提取,同时根据曲面建模进行了线路横断面道床体积及尺寸的获取,可作为铁路改建工程的基础模型使用,对具体工程进行的检测与评估与现场具有较高的吻合度。利用点云数据的连续性,通过研究提出了基于单位基长曲率变化率的5m间距线路静态轨向不平顺检测方法,弥补了既有线曲率变化率超限点作业技术盲区,同时亦可用于新建铁路轨道施工质量控制方面以利于改善轨道初始不平顺状态。(3)研究基于点云数据的既有曲线整正方法为适应列车提速后高平顺性与高舒适性的需要,对激光扫描技术获取的连续点云数据信息进行深入的数据挖掘。从坐标→曲率→曲率变化率的思路出发,介绍了基于点云数据的坐标法曲线整正方法,分析了基于轨检车检测数据的曲线整正算法,提出了基于点云信息的既有线曲率变化率超限整正方法。该方法有别于传统的通过某种拨距量组合形式最小为目标函数寻找最优半径,求取全曲线理想圆顺位置,从而求取拨距量的曲线整正思路。其特点是直接面向对象,直接以曲率变化率超限指标为红线,超限者回归可行域即可,符合车轨一体化养护维修要求,整正线路具有更好的轨道几何形位,也能与列车的运动特性更加吻合。(4)形成三维激光扫描在道岔检测中的应用方案针对道岔几何形位检查要求高,检测项目多的特点,将激光扫描技术引入道岔轨道几何尺寸检测是适应现代化工务运营干扰少、操作简便、全数据获取趋势的有益探索。论文从数据采集、数据处理、数据识别及数据利用上进行了系统的试验研究。试验中,充分考虑到道岔结构几何形态检测的特殊性(多点、多指标),通过反演,在外业单站测量时进行仪器整平,进而提高单站数据的可操作性及精度,通过截面或特征面的构造完成几何线位数据提取。但是,由于点云数据体量庞大,在其专业化的应用过程中还需要进一步优化外业数据采集方案,加强线面重构过程中的模型抽析与CAD上游模型重构问题。


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