■ 劉維楨 李連東 孫淑杰

我國(guó)幅員遼闊、且多山區(qū)，為了克服地形不利因素或高程障礙物，縮短鐵路里程、提高行車(chē)速度、節(jié)省時(shí)間、提高運(yùn)輸效率，在山嶺地區(qū)修建鐵路隧道的數(shù)量日益增加。利用相關(guān)設(shè)備連續(xù)對(duì)隧道襯砌表面?zhèn)麚p情況進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)保存起來(lái)進(jìn)行分析判斷，可有效掌握隧道表面?zhèn)麚p的變化情況，及時(shí)消除影響運(yùn)輸安全的隱患。車(chē)載激光掃描式鐵路隧道成像系統(tǒng)正是在此需求基礎(chǔ)上研發(fā)的。

1 車(chē)載激光掃描成像技術(shù)

激光掃描是依據(jù)數(shù)據(jù)采樣密度和空間分布要求，通過(guò)機(jī)械和光學(xué)掃描方式將激光測(cè)量光束按采樣要求精確投射到被測(cè)物體表面，并利用回波探測(cè)器探測(cè)目標(biāo)物的反射波，通過(guò)對(duì)反射波的信號(hào)處理獲取目標(biāo)物體信息的新型探測(cè)成像技術(shù)。車(chē)載激光掃描成像是以激光作為有源照射的主動(dòng)遙感方式，這種方式較少受環(huán)境、氣候、目標(biāo)光照和對(duì)比度的影響，可以全天候工作，且由于激光的高亮度、高方向性和相干性，車(chē)載激光掃描成像可以獲得很高的空間分辨率。

激光測(cè)距是激光掃描技術(shù)的重要組成部分之一，其對(duì)激光掃描的定位和場(chǎng)景空間信息的獲取具有十分重要的作用。隧道成像系統(tǒng)利用激光掃描測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)，判斷是否有物體侵入隧道的建筑限界，即完成了對(duì)隧道限界的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)檢測(cè)。

車(chē)載激光掃描儀在獲取位置坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)的同時(shí)，大都會(huì)記錄下各激光腳點(diǎn)反射的回波信號(hào)強(qiáng)度。由于不同物質(zhì)是不同的介質(zhì)組成，而不同介質(zhì)表面的反射系數(shù)也不同，決定了激光回波能量的多少。激光回波能量決定了回波強(qiáng)度信息的大小，轉(zhuǎn)換為灰度圖像，就會(huì)表現(xiàn)為不同灰度值。這樣，根據(jù)灰度值的不同，將不同的物質(zhì)區(qū)分開(kāi)來(lái)。激光掃描成像就是基于此原理。

2 鐵路隧道成像系統(tǒng)

基于車(chē)載激光掃描技術(shù)的鐵路隧道成像系統(tǒng)主要由軌道小車(chē)、激光掃描傳感器、測(cè)量專用計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

軌道小車(chē)是激光掃描傳感器的載具平臺(tái)，為激光掃描傳感器供電，并為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供距離采樣脈沖和速度、里程等信息；激光掃描傳感器通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)固定于軌道小車(chē)電池箱上，隨軌道小車(chē)的移動(dòng)對(duì)隧道表面形成螺旋式的連續(xù)掃描采樣；測(cè)量專用計(jì)算機(jī)由專用的堅(jiān)固型筆記本固定架固定于軌道小車(chē)上，與軌道小車(chē)、激光掃描儀連接；數(shù)據(jù)處理服務(wù)器是后端數(shù)據(jù)處理、分析的平臺(tái)。

圖1 鐵路隧道成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括前端數(shù)據(jù)采集軟件和后端數(shù)據(jù)分析軟件。前端數(shù)據(jù)采集軟件用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、快速整合和存儲(chǔ)；后端數(shù)據(jù)處理和分析軟件提取數(shù)據(jù)采集軟件采集的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析重組，形成二維、三維全息圖，同時(shí)進(jìn)行侵限判斷及相關(guān)報(bào)表的生成。軟件架構(gòu)見(jiàn)圖2。

數(shù)據(jù)采集軟件經(jīng)由傳感器驅(qū)動(dòng)程序?qū)崟r(shí)獲取激光掃描傳感器的數(shù)據(jù)信息，軌道小車(chē)的脈沖信息（位置的準(zhǔn)確定位）、軌距和超高信息，并將數(shù)據(jù)快速合成、存儲(chǔ)。激光掃描儀的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集程序，數(shù)據(jù)包中每個(gè)被測(cè)點(diǎn)用于測(cè)量和成像的數(shù)據(jù)包括坐標(biāo)值數(shù)據(jù)和回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)。掃描儀輸出的數(shù)據(jù)與軌檢小車(chē)輸出的數(shù)據(jù)融合之后，生成一幀斷面掃描及軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)。檢測(cè)數(shù)據(jù)生成流程見(jiàn)圖3。

后端數(shù)據(jù)分析軟件主要用于對(duì)數(shù)據(jù)的綜合分析處理，包含全息展示、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析與報(bào)表生成。其從前端數(shù)據(jù)采集軟件整合存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中提取強(qiáng)度信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)灰度轉(zhuǎn)換，生成隧道內(nèi)表面的全息展示；距離信息經(jīng)過(guò)修正和坐標(biāo)變換，用于判斷被測(cè)點(diǎn)是否侵入限界，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的邏輯分析與運(yùn)算以二維、三維方式展示隧道的輪廓，并生成最終的檢測(cè)報(bào)表。采樣點(diǎn)的回波強(qiáng)度信息數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟的處理后轉(zhuǎn)換為像素灰度圖像：

（1）重采樣。把時(shí)間序列的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)陣列，每一個(gè)像素的灰度值用采樣點(diǎn)的回波強(qiáng)度值代替。

（2）濾波。當(dāng)回波強(qiáng)度低于設(shè)定閾值時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前值無(wú)效。一般無(wú)效數(shù)據(jù)點(diǎn)是由于激光射到天空或是隧道通風(fēng)口等沒(méi)有形成回波造成的。

（3）去除奇異點(diǎn)?；夭◤?qiáng)度數(shù)據(jù)中，有少數(shù)點(diǎn)的強(qiáng)度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他點(diǎn)，屬于噪點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（4）去除奇異點(diǎn)的處理。激光掃描噪聲中的主要成分是脈沖噪聲，對(duì)于這種噪聲，系統(tǒng)采用中值濾波法去除孤立點(diǎn)，并保持圖像的邊緣。

3 系統(tǒng)功能實(shí)測(cè)

鐵路隧道成像系統(tǒng)的實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)選在動(dòng)車(chē)所（見(jiàn)圖4），箭頭方向?yàn)檐壍佬≤?chē)推行方向；動(dòng)車(chē)所內(nèi)全息展示見(jiàn)圖5；三維展示見(jiàn)圖6；限界展示截圖見(jiàn)圖7。由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)不是鐵路隧道，故圖7生成的侵限展示無(wú)法判斷是否侵限，圖中紅色曲線是按標(biāo)準(zhǔn)單向隧道限界繪制，藍(lán)色曲線是在動(dòng)車(chē)庫(kù)中實(shí)測(cè)的建筑物限界，圖中藍(lán)色的點(diǎn)是動(dòng)車(chē)庫(kù)中弓網(wǎng)、金屬支架等建筑物。

圖2 軟件架構(gòu)示意圖

圖3 檢測(cè)數(shù)據(jù)生成流程

圖4 鐵路隧道成像系統(tǒng)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工作情況

圖5 實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)全息圖展示

圖6 實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)三維展示圖

圖7 實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)侵限展示圖

試驗(yàn)過(guò)程中，在鋼軌上平穩(wěn)、勻速推行搭載了激光掃描儀及測(cè)量專用計(jì)算機(jī)的軌檢小車(chē)，實(shí)時(shí)采集周?chē)h(huán)境信息數(shù)據(jù)，并利用后端數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，軟件操作簡(jiǎn)便，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確采集隧道斷面數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行全息圖展示、侵限與數(shù)據(jù)分析，生成相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)表，達(dá)到了隧道表面成像的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路隧道成像系統(tǒng)能夠完成鐵路隧道的連續(xù)、快速、準(zhǔn)確檢測(cè)，生成清晰的隧道斷面圖像。通過(guò)圖像識(shí)別等技術(shù)分析系統(tǒng)生成的圖像，能夠準(zhǔn)確判斷隧道表面?zhèn)麚p的情況及發(fā)展趨勢(shì)，制定有效的維修方案，對(duì)侵入限界的建筑物進(jìn)行整改，消除影響列車(chē)運(yùn)行安全的隱患，保證鐵路運(yùn)輸安全。

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