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        激光掃描技術(shù)在鐵路限界檢測(cè)中的應(yīng)用研究

        2013-11-27 03:19:24段培勇謝錦妹
        鐵道建筑 2013年8期
        關(guān)鍵詞:限界多邊形里程

        段培勇,薛 峰,謝錦妹,潘 振,金 花

        (中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所,北京 100081)

        鐵路建筑限界是一個(gè)垂直于線路中心線的橫斷面,在此斷面內(nèi),除機(jī)車車輛和與機(jī)車車輛作業(yè)相關(guān)的設(shè)備(車輛減速器,路簽授受器,接觸電線及其他)外,其他設(shè)備或建筑物均不得侵入[1]。限界檢查是對(duì)線路周邊建筑和設(shè)施進(jìn)行檢測(cè),以確定是否存在侵限。本文結(jié)合聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗(yàn),以大量的測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)2D激光掃描技術(shù)在鐵路限界檢測(cè)領(lǐng)域的使用進(jìn)行了深入研究。

        1 2D激光掃描限界檢測(cè)技術(shù)

        目前鐵路限界檢測(cè)主要是采用限界軌道檢測(cè)車和人工定點(diǎn)測(cè)量相結(jié)合的方式進(jìn)行[2]。限界檢測(cè)車的主體為固定安裝在平板車上的限界框架,由內(nèi)燃機(jī)車牽引,對(duì)全線逐段進(jìn)行檢測(cè)[3],人工定點(diǎn)測(cè)量主要在限界檢測(cè)車不能檢測(cè)時(shí)采用,一般使用水平尺、卷尺、吊錘、經(jīng)緯儀等工具進(jìn)行測(cè)量。其中,限界檢測(cè)車上的框架必須根據(jù)不同的限界標(biāo)準(zhǔn)斷面制作為可伸縮的,檢測(cè)過程中根據(jù)線路限界標(biāo)準(zhǔn)的變化實(shí)時(shí)調(diào)整限界框架的大小,這就造成了限界檢測(cè)的不連續(xù)性;人工定點(diǎn)測(cè)量方式存在著測(cè)量精度低、速度慢、工作量大、效率低等缺陷;且上述傳統(tǒng)限界檢測(cè)方式的局限性決定了其測(cè)量結(jié)果并不能詳盡描述整條線路的凈空狀態(tài)。

        基于2D激光掃描技術(shù)的車載式鐵路限界檢查測(cè)試系統(tǒng)提供了一種安裝簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、檢測(cè)范圍全面、測(cè)試精度高的限界檢測(cè)方法,克服了原有檢測(cè)方法存在的缺陷。

        1.1 檢測(cè)原理

        限界檢測(cè)系統(tǒng)利用2D激光掃描傳感器來實(shí)時(shí)獲取線路橫斷面的輪廓,同時(shí)利用速度傳感器獲取車輛在前進(jìn)方向移動(dòng)的距離,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路限界的高速檢測(cè)。

        2D激光掃描傳感器是基于激光漫反射原理進(jìn)行目標(biāo)物體距離測(cè)量的[4];首先,傳感器內(nèi)置的旋轉(zhuǎn)鏡頭在高速旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)目標(biāo)物體發(fā)射激光脈沖,經(jīng)目標(biāo)物體反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器,記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間,即可測(cè)定傳感器掃描中心距目標(biāo)物體的距離。

        2D激光掃描傳感器將掃描的斷面數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī),檢測(cè)軟件對(duì)接收到的斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,根據(jù)鋼軌特征識(shí)別出鋼軌坐標(biāo)位置后,將斷面數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為以鋼軌頂面連線中點(diǎn)為原點(diǎn),以鋼軌頂面連線為X軸,以垂直于鋼軌頂面連線為Y軸的線路橫斷面數(shù)據(jù)。

        速度傳感器發(fā)出的脈沖信息經(jīng)過里程記錄模塊轉(zhuǎn)碼為速度、里程信息,傳輸至計(jì)算機(jī),檢測(cè)軟件將接收到的里程信息同步至激光掃描斷面數(shù)據(jù);至此,鐵路線路周圍的實(shí)際建筑物體輪廓便可以三維立體圖像方式再現(xiàn)出來。

        1.2 檢測(cè)系統(tǒng)的組成

        基于2D激光掃描技術(shù)的車載式鐵路限界檢查測(cè)試系統(tǒng)由2D激光掃描傳感器、速度傳感器、里程模塊、處理主機(jī)、供電模塊等組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        1.3 檢測(cè)系統(tǒng)的安裝

        在軌道車車頭的車鉤前端安裝2D激光掃描傳感器,如圖2所示。傳感器安裝支架保證了2D激光掃描傳感器的掃描斷面垂直于軌道,且軌道車自身部件不會(huì)對(duì)傳感器測(cè)量形成遮擋。

        圖1 限界檢查測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        圖2 2D激光掃描傳感器安裝實(shí)例

        2 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析方法

        限界檢測(cè)軟件采用Visual C++編制,使用通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)時(shí)接收2D激光掃描傳感器掃描斷面數(shù)據(jù);使用串口協(xié)議實(shí)時(shí)接收速度傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào),轉(zhuǎn)碼為速度里程信息,同步至掃描斷面信息。在處理主機(jī)硬件配置滿足要求的前提下,檢測(cè)軟件可以實(shí)現(xiàn)掃描斷面數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、分析處理以及實(shí)時(shí)展示。

        2.1 斷面數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

        鐵路限界標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)以鋼軌頂面連線中點(diǎn)為原點(diǎn)、以鋼軌頂面連線為X軸、以垂直于鋼軌頂面連線為Y軸的直角坐標(biāo)系中的封閉曲線,而2D激光掃描傳感器的原始掃描數(shù)據(jù)是以激光傳感器的掃描中心點(diǎn)為原點(diǎn)的斷面數(shù)據(jù),為了判斷斷面數(shù)據(jù)是否侵入限界標(biāo)準(zhǔn),首要的工作是對(duì)原始斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

        如圖3所示,設(shè)原始斷面數(shù)據(jù)以{O;X,Y}為直角坐標(biāo)系,根據(jù)鋼軌斷面幾何特征識(shí)別出軌面頂點(diǎn)和軌距點(diǎn)后,得出軌道中心點(diǎn)的坐標(biāo)為O'(a,b),根據(jù)直角坐標(biāo)系平移變換公式,將直角坐標(biāo)系{O;X,Y}變換為{O';X',Y'}??紤]到檢測(cè)過程中軌道車車體側(cè)滾的影響,軌面頂點(diǎn)連線和X'軸可能存在一定的角度θ,根據(jù)直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換公式,將直角坐標(biāo)系{O';X',Y'}變換為{O';X″,Y″}。

        2.2 散點(diǎn)過濾

        圖3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意

        在測(cè)試過程中,當(dāng)遇到金屬體反光、風(fēng)沙揚(yáng)塵等現(xiàn)象時(shí),激光掃描傳感器可能會(huì)產(chǎn)生無規(guī)律的、離散的掃描點(diǎn),稱之為散點(diǎn)。這種散點(diǎn)處于限界標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),如果把此類型的散點(diǎn)判斷為侵限點(diǎn),將對(duì)最終結(jié)果造成較大的偏差;由于這種散點(diǎn)和其他掃描數(shù)據(jù)存在較大的偏差,限界檢測(cè)程序采用中值濾波算法[5],將連續(xù)采樣的奇數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,取中間值為濾波后的數(shù)據(jù),能很好地過濾掉散點(diǎn)干擾,降低了散點(diǎn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成的偏差。

        2.3 判斷是否侵限

        判斷某個(gè)斷面數(shù)據(jù)是否存在侵限,等同于判斷此斷面中有沒有掃描點(diǎn)處于限界標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。由于鐵路限界標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)封閉的曲線,可以將判斷是否侵限抽象為“點(diǎn)是否在多邊形內(nèi)”。限界檢測(cè)程序采用水平射線算法[6-7],求解通過該點(diǎn)的水平線與多邊形各邊的交點(diǎn)個(gè)數(shù),如果單邊交點(diǎn)為奇數(shù),則該點(diǎn)處于多邊形內(nèi);如果單邊交點(diǎn)為偶數(shù),則該點(diǎn)處于多邊形外。對(duì)于點(diǎn)在多邊形邊上以及通過點(diǎn)的射線與多邊形頂點(diǎn)相交的情況,需要進(jìn)行特殊處理。圖4中展示了一個(gè)不規(guī)則的多邊形以及A、B兩個(gè)點(diǎn),根據(jù)上述算法思想,通過A、B兩點(diǎn),各畫出一條單方向的水平射線。其中,通過A的射線與多邊形各邊有3個(gè)交點(diǎn),為奇數(shù),則點(diǎn)A處于多邊形內(nèi);通過B的射線與多邊形各邊有2個(gè)交點(diǎn),為偶數(shù),則點(diǎn)B處于多邊形外。圖5展示了射線判別法的算法流程。

        圖4 射線判別法示意

        圖5 射線判別法流程

        通過計(jì)算,限界檢測(cè)程序?qū)嗝鏀?shù)據(jù)各個(gè)掃描點(diǎn)進(jìn)行侵限判斷,如果掃描點(diǎn)處于限界標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),則視之為侵限點(diǎn),并得出掃描點(diǎn)距限界標(biāo)準(zhǔn)的水平距離,即侵限值。

        2.4 統(tǒng)計(jì)侵限信息

        限界檢測(cè)程序在實(shí)時(shí)獲取激光掃描斷面數(shù)據(jù)的同時(shí),也在實(shí)時(shí)獲取里程信息,使得每個(gè)斷面數(shù)據(jù)均配有精確的里程信息。根據(jù)里程信息可以統(tǒng)計(jì)出某一段距離內(nèi)(如每1 m內(nèi))各個(gè)斷面數(shù)據(jù)是否存在侵限,如有侵限,則可以得出此段距離內(nèi)的最大侵限值以及侵限點(diǎn)的坐標(biāo)位置。

        2.5 實(shí)時(shí)展示

        圖6 限界檢測(cè)程序?qū)崟r(shí)展示界面

        在處理主機(jī)CPU運(yùn)算能力滿足要求的情況下,限界檢測(cè)程序在實(shí)時(shí)接收、分析判斷的基礎(chǔ)上,可以實(shí)現(xiàn)斷面數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示。圖6展示了限界檢測(cè)程序的工作界面,其中左側(cè)圖像為斷面數(shù)據(jù)的2D展示,封閉曲線為限界標(biāo)準(zhǔn),線條為斷面數(shù)據(jù)的各個(gè)掃描點(diǎn),處于限界標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的視為侵限點(diǎn);右側(cè)立體圖像為某段距離內(nèi)斷面數(shù)據(jù)的3D展示,黑色區(qū)域即為侵入限界標(biāo)準(zhǔn)的物體輪廓。兩種展示圖像相結(jié)合,可以清晰地獲得被測(cè)區(qū)間的限界狀態(tài)。

        3 某輕軌鐵路限界檢查關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

        3.1 限界標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換與里程標(biāo)定

        某輕軌鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試限界檢測(cè)所依據(jù)的限界評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是測(cè)試結(jié)果能否正確指導(dǎo)工程驗(yàn)收的關(guān)鍵所在。輕軌鐵路正線長(zhǎng)度為18 km,其中包括直線段以及多種曲線半徑的曲線段,設(shè)計(jì)單位為直線段和各個(gè)曲線段提供了各自對(duì)應(yīng)的限界評(píng)判標(biāo)準(zhǔn);為了確保測(cè)試過程的連續(xù)性,限界檢測(cè)程序必須做到根據(jù)里程信息自動(dòng)切換限界評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。因此,實(shí)際檢測(cè)工作中要確保里程信息的準(zhǔn)確度。

        車載式限界檢測(cè)系統(tǒng)采用光電式速度傳感器來獲取里程信息,為了降低里程信息的誤差,必須獲得軌道車的實(shí)際輪徑值,標(biāo)定公式為D=L×D1/L1,其中,D為軌道車的實(shí)際輪徑值,L為軌道車行駛的實(shí)際距離,D1為軌道車的出廠輪徑值,現(xiàn)場(chǎng)軌道車出廠輪徑值為840 mm,L1為以出廠輪徑值為參數(shù),限界檢測(cè)程序得出的行駛距離。

        3.2 緩和曲線段限界標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)生成

        某輕軌鐵路兩個(gè)車站內(nèi)各有長(zhǎng)度為40 m的緩和曲線段,由于設(shè)計(jì)單位并沒有提供緩和曲線段的限界評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),實(shí)際檢測(cè)過程中出現(xiàn)了一個(gè)問題:如果采用曲線段的限界標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判緩和曲線段,會(huì)出現(xiàn)一定的侵限,勢(shì)必給已然緊張的工期帶來困難;如果采用直線段的限界標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)判,正常運(yùn)營后可能存在一定的安全隱患。

        為了解決緩和曲線段的限界評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)問題,研究確認(rèn)了“車站范圍內(nèi)的緩和曲線段限界標(biāo)準(zhǔn),采用從直線段限界標(biāo)準(zhǔn)至圓曲線限界標(biāo)準(zhǔn)的線性過渡插取作為評(píng)價(jià)依據(jù)”檢測(cè)方案,這就要求緩和曲線段內(nèi)檢測(cè)到的每一個(gè)斷面數(shù)據(jù)必須根據(jù)其里程信息自動(dòng)生成各自的限界評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

        為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),限界檢測(cè)程序采用以下算法:設(shè)直緩點(diǎn)里程為CH1,直緩點(diǎn)限界標(biāo)準(zhǔn)為(X1,Y1);緩圓點(diǎn)里程為CH2,緩圓點(diǎn)限界標(biāo)準(zhǔn)為(X2,Y2);根據(jù)線性插值算法,緩和曲線段中里程為CH的某一斷面的站臺(tái)限界標(biāo)準(zhǔn)(X,Y)為

        至此,改進(jìn)后的限界檢測(cè)程序順利地實(shí)現(xiàn)了緩和曲線段限界評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)生成。

        3.3 實(shí)測(cè)結(jié)果示例

        以某站內(nèi)限界檢測(cè)結(jié)果為例,圖7表明了站臺(tái)鋪裝層與屏蔽門底座存在侵限,表1列出了詳細(xì)的侵限數(shù)據(jù)。

        圖7 限界檢測(cè)結(jié)果示意

        表1 某車站上行線北側(cè)站臺(tái)侵限結(jié)果

        4 結(jié)語

        基于2D激光掃描技術(shù)的車載式鐵路限界檢查測(cè)試系統(tǒng),為輕軌鐵路限界檢查測(cè)試提供了大量精確的測(cè)試數(shù)據(jù)。依據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了工程整改,最大程度上消除了安全隱患,保證了輕軌鐵路的順利開通運(yùn)營。

        實(shí)際檢測(cè)工作中,在聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作組的大力支持下,限界檢測(cè)小組利用激光掃描技術(shù)和計(jì)算機(jī)編程技術(shù),解決了一系列技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)限界測(cè)量方法所不能達(dá)到的目標(biāo)。相對(duì)于傳統(tǒng)限界測(cè)量方式,本檢測(cè)系統(tǒng)具有:用移動(dòng)自動(dòng)測(cè)量方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工定點(diǎn)測(cè)量,大幅度地提高了測(cè)試精度和工作效率;激光掃描技術(shù)穩(wěn)定性好、精度高、抗干擾能力強(qiáng);以三維立體圖像方式實(shí)時(shí)展現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù),測(cè)試結(jié)果一目了然;根據(jù)直線段、曲線段限界標(biāo)準(zhǔn)的不同,能自動(dòng)切換評(píng)判標(biāo)準(zhǔn);對(duì)于緩和曲線段,能根據(jù)里程信息動(dòng)態(tài)生成評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);檢測(cè)設(shè)備集中化程度高,安裝方便,適用范圍廣。

        [1]國家標(biāo)準(zhǔn)局.GB 146.2—83 標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建筑限界[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1983.

        [2]田葆栓.對(duì)鐵路限界的分析與思考[J].鐵道貨運(yùn),2010(8):13-18.

        [3]劉永中.地鐵設(shè)備限界的檢測(cè)方法[J].隧道建設(shè),2005(4):70-71.

        [4]王建波.激光測(cè)距儀原理及應(yīng)用[J].有色設(shè)備,2002(6):15-16.

        [5]王慶河,王慶山.數(shù)據(jù)處理中的幾種常用數(shù)字濾波算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2003(4):53-54.

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        [7]鄒有建,肖龍?chǎng)?,陳?判斷某點(diǎn)是否在任意多邊形內(nèi)兩種算法的比較[J].地礦測(cè)繪,2009(3):28-30.

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