杜兆宇

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

近年來(lái)，我國(guó)鐵路發(fā)展日新月異，針對(duì)鐵路運(yùn)行出現(xiàn)的新問(wèn)題，采用行之有效的新技術(shù)保證鐵路運(yùn)輸安全，更好地為鐵路運(yùn)輸服務(wù)成為實(shí)現(xiàn)鐵路可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)[1]。

限界是指為了確保機(jī)車(chē)車(chē)輛在鐵路線路上運(yùn)行的安全，防止機(jī)車(chē)車(chē)輛撞擊鄰近線路的建筑物和設(shè)備，而對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛和接近線路的建筑物、設(shè)備所規(guī)定的不允許超越的輪廓尺寸線。鐵路限界包括機(jī)車(chē)車(chē)輛限界和建筑限界，其中建筑限界是為了保證列車(chē)運(yùn)行安全，要求靠近鐵路線路修建的建筑物及設(shè)備，不得侵入規(guī)定的與線路中心線垂直斷面的輪廓尺寸線[2]。

目前廣泛運(yùn)用的鐵路限界測(cè)量方法大體可以分為接觸式和非接觸式兩種。橫斷面法、綜合斷面法和軌跡法都屬于接觸式檢測(cè)，特點(diǎn)是需要人工操作，在對(duì)房屋、站臺(tái)、雨棚等建筑物或設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，主要依靠原始手工測(cè)量，工作量大、效率低下、可靠性低、準(zhǔn)確性低[3- 4]。非接觸式方法包括斷面攝像法和激光掃描法?；跀嗝鏀z像法的限界檢測(cè)車(chē)自動(dòng)化程度較高，但僅能對(duì)隧道進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)隧道外的通信線路、回流線和電力線等無(wú)法檢測(cè)，并受光線的干擾較大[5- 6]。激光掃描法作為鐵路限界測(cè)量的新方法，具有快速、精度高、無(wú)接觸的優(yōu)勢(shì)，近幾年也逐步應(yīng)用于鐵路限界測(cè)量中[7]。

1 研究區(qū)域及測(cè)量方法

1.1 研究區(qū)概況

柳南城際鐵路，又稱(chēng)柳南客運(yùn)專(zhuān)線，是廣西第一條城際高速鐵路，線路起自廣西柳州市，經(jīng)來(lái)賓市、賓陽(yáng)縣，止于南寧市，全長(zhǎng)225.6 km，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km/h。柳南客運(yùn)專(zhuān)線于2009年10月正式開(kāi)工，2013年12月30日建成通車(chē)。本次限界測(cè)量范圍為K0+000～K110+000段，全長(zhǎng)110 km，測(cè)量的限界對(duì)象為上下行線間距、橋梁偏心、隧道限界、接觸網(wǎng)線及接觸網(wǎng)桿限界等。

1.2 測(cè)量方法

移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)的基礎(chǔ)是移動(dòng)三維激光掃描儀和數(shù)據(jù)處理軟件。其中，移動(dòng)三維激光掃描儀是將三維激光掃描設(shè)備、衛(wèi)星定位模塊、慣性測(cè)量裝置、里程計(jì)、360°全景相機(jī)、總成控制模塊和高性能板卡計(jì)算機(jī)集成并封裝于機(jī)車(chē)的剛性平臺(tái)之上。在機(jī)車(chē)移動(dòng)過(guò)程中，可快速獲取高精度定位定姿數(shù)據(jù)、高密度三維點(diǎn)云和高清連續(xù)全景影像數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)一的地理參考和攝影測(cè)量解析處理，實(shí)現(xiàn)無(wú)控制的空間地理信息采集與建庫(kù)。

利用移動(dòng)車(chē)載掃描儀可以快速采集鐵路兩側(cè)幾十至幾百米范圍內(nèi)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其特點(diǎn)是無(wú)接觸、效率高、信息量豐富?；讷@取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取線路中心線，以此線路中心線為基準(zhǔn)線，將車(chē)輛限界的輪廓線加載至激光點(diǎn)云中，分段統(tǒng)計(jì)侵線值，并備注侵線構(gòu)筑物屬性，如圖1所示。

2 基本步驟

2.1 系統(tǒng)檢校標(biāo)定

為了保證移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)長(zhǎng)途運(yùn)輸過(guò)程中的安全，在長(zhǎng)途運(yùn)輸前往往會(huì)將整個(gè)系統(tǒng)拆分裝箱，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)時(shí)再將系統(tǒng)重新組裝。這樣會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，即設(shè)備的原標(biāo)定參數(shù)和設(shè)備在平板車(chē)上安裝之后相對(duì)位置在重新組裝后已經(jīng)失效，需要重新進(jìn)行系統(tǒng)檢校。

(1) 設(shè)備標(biāo)定參數(shù)檢校。將移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)重新組裝至剛性云臺(tái)上，并安裝到專(zhuān)用的越野車(chē)行李架上，系統(tǒng)檢校行駛路線如圖2所示。

沿著檢校場(chǎng)十字路口的兩條道路進(jìn)行掃描，每條道路需要往返兩個(gè)方向。行駛過(guò)程中盡量保持等速行駛和直線行駛，如果轉(zhuǎn)彎，應(yīng)盡量緩和。使用最大掃描頻率及第二高的脈沖發(fā)射頻率。然后通過(guò)LMS進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)的計(jì)算，即可完成系統(tǒng)檢校。

(2) 設(shè)備固定至平板車(chē)后的標(biāo)定。移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)安裝至平板車(chē)上之后，需要對(duì)設(shè)備各個(gè)傳感器之間的相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算標(biāo)定參數(shù)，以保證系統(tǒng)采集三維點(diǎn)云的精度。自定義一個(gè)坐標(biāo)系，測(cè)量全站儀測(cè)量慣導(dǎo)中心、GNSS天線中心和DMI中心的坐標(biāo)，通過(guò)它們的相對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定參數(shù)解算，傳感器相對(duì)位置的測(cè)量精度要求誤差在1 mm以?xún)?nèi)。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

將線下CPI點(diǎn)(帶高程)作為GNSS地面基站控制點(diǎn)與移動(dòng)三維掃描設(shè)備配合測(cè)量。本次鐵路測(cè)量線路較長(zhǎng)，為保證全程GNSS信號(hào)穩(wěn)定性與連續(xù)性，沿線路每12 km左右布設(shè)一個(gè)GNSS地面基站。每次掃描前，GNSS地面基站都提前1 h開(kāi)機(jī)，并與移動(dòng)三維掃描系統(tǒng)的POS系統(tǒng)進(jìn)行同步。在正式掃描開(kāi)始前，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，初始化時(shí)間為15 min。列車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中盡量保持勻速，列車(chē)行駛平穩(wěn)后，速度為50～80 km/h。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

(1) 軌跡線解算。基于地面GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)，利用車(chē)載三維激光掃描儀自帶的軟件進(jìn)行軌跡線的解算。

(2) LCP文件更新。LCP文件包括車(chē)載掃描儀兩個(gè)掃描頭及POS之間的相對(duì)位置關(guān)系參數(shù)，根據(jù)檢校場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行解算，將解算的參數(shù)生成LCP文件。

(3) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)糾正?；贚CP文件對(duì)掃描儀原始點(diǎn)云進(jìn)行糾正、去噪，輸出最終需要的LAS格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(4) 各特征數(shù)據(jù)提取。提前收集需要的工務(wù)段臺(tái)賬資料，包括左右線曲線要素表、橋梁表、隧道表、接觸網(wǎng)桿信息等。將LAS格式的軌道點(diǎn)云數(shù)據(jù)及軌跡線導(dǎo)入后處理軟件中，給定起始里程處的左右軌面初值和接觸網(wǎng)初值，可自動(dòng)提取出軌道和接觸網(wǎng)模型。將接觸網(wǎng)桿信息及軌跡線導(dǎo)入軟件中，利用軟件的接觸網(wǎng)桿模型重建功能，手動(dòng)提取各個(gè)接觸網(wǎng)桿的點(diǎn)云，如圖3所示。

2.4 限界分析

將LAS格式點(diǎn)云、接觸網(wǎng)線、接觸網(wǎng)桿導(dǎo)入后處理軟件中，進(jìn)行路基、橋梁段，以及隧道內(nèi)接觸網(wǎng)線、接觸網(wǎng)桿的限界測(cè)量，如圖4、圖5所示。圖中頂部限界點(diǎn)至鐵路中線的垂直距離為接觸網(wǎng)線的限界，即導(dǎo)高限界，左側(cè)限界點(diǎn)至鐵路中線的水平距離為接觸網(wǎng)桿的限界，即水平限界。

橋梁偏心測(cè)量需將LAS格式點(diǎn)云、提取的軌道、接觸網(wǎng)線導(dǎo)入后處理軟件中，進(jìn)行橋梁段左右擋砟墻的限界測(cè)量，左側(cè)限界點(diǎn)至鐵路中線的水平距離規(guī)定為C值，右側(cè)限界點(diǎn)至鐵路中線的水平距離為L(zhǎng)值，則實(shí)測(cè)偏距按下式計(jì)算

(1)

2.5 測(cè)量結(jié)果檢核

為了分析車(chē)載三維激光掃描儀限界測(cè)量成果的精度，將本次接觸網(wǎng)線和接觸網(wǎng)桿限界測(cè)量結(jié)果與全站儀實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比情況見(jiàn)表1。從表1中對(duì)比情況可以看出，車(chē)載三維激光掃描儀限界測(cè)量結(jié)果與全站儀實(shí)測(cè)結(jié)果較差小于20 mm，說(shuō)明本次限界測(cè)量結(jié)果精度能夠滿(mǎn)足鐵路部門(mén)使用的要求。

表1 車(chē)載三維激光掃描儀與全站儀測(cè)量檢核對(duì)比 mm

3 結(jié) 語(yǔ)

鐵路限界測(cè)量對(duì)于保障鐵路機(jī)車(chē)運(yùn)輸安全十分重要。本文將移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)引入鐵路限界測(cè)量中，以柳南客專(zhuān)(K0+000～K110+000段)為例，詳細(xì)說(shuō)明了限界測(cè)量的操作流程，并將接觸網(wǎng)線和接觸網(wǎng)桿限界測(cè)量結(jié)果與全站儀實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其誤差范圍在20 mm內(nèi)，相關(guān)數(shù)據(jù)可為評(píng)估鐵路安全性提供數(shù)據(jù)支持。從本文實(shí)例中可看出移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)外業(yè)測(cè)量效率高，作業(yè)強(qiáng)度低，且精度可靠，系統(tǒng)軟件智能高效地進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，極大地提高了工作效率，可廣泛應(yīng)用于類(lèi)似工程項(xiàng)目中。