陳偉，李東柏，劉耀強(qiáng)，朱志輝, 3

基于多傳感器集成的地鐵限界及軌道幾何狀態(tài)檢測應(yīng)用研究

陳偉1，李東柏1，劉耀強(qiáng)2，朱志輝1, 3

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 中鐵一局集團(tuán) 新運(yùn)工程有限公司，陜西 咸陽 712000；3. 中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075)

對地鐵限界及軌道幾何狀態(tài)進(jìn)行檢測是地鐵運(yùn)營維護(hù)的重要工作，采用人工檢測既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，運(yùn)用大型軌檢車的費(fèi)用太高。為了便攜快捷地檢測地鐵限界及軌道幾何狀態(tài)，基于多傳感器集成開發(fā)一種便攜檢測裝置，進(jìn)行檢測應(yīng)用研究。通過將激光掃描儀、軌距傳感器、里程計(jì)和傾角儀等傳感器集成到軌檢小車上，設(shè)計(jì)配套的軟件系統(tǒng)，構(gòu)造了限界檢測、軌距計(jì)算、超高計(jì)算、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和里程計(jì)標(biāo)定等板塊。應(yīng)用該便攜裝置對長沙地鐵三號線侯家塘站至四方坪站進(jìn)行檢測，分析和驗(yàn)證了檢測結(jié)果，檢測裝置最終實(shí)現(xiàn)了超限報(bào)警、圖形及超限數(shù)據(jù)自動(dòng)錄入、軌枕自動(dòng)識別及軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)自動(dòng)采集等多項(xiàng)功能。

地鐵限界；軌道幾何狀態(tài)；檢測裝置；激光掃描儀；軌距傳感器

在地鐵的運(yùn)營維護(hù)工作中，對于限界侵限情況的排查和軌道幾何狀態(tài)的檢測是兩項(xiàng)重要的工作[1?3]。國外對隧道形變檢測技術(shù)的研究較早，從最開始的接觸式檢測法逐步發(fā)展到非接觸式檢測法。瑞士安伯格公司在傳統(tǒng)軌檢小車的基礎(chǔ)上開發(fā)了裝有PROFILER100斷面儀的GRP3000和裝有Leica HDS4500三維激光掃描儀的GRP5000軌檢車，GRP系列的軌檢小車使用傾角傳感器獲取車體姿態(tài)信息，通過棱鏡獲取車體在絕對坐標(biāo)，能夠得到在絕對坐標(biāo)系下的點(diǎn)云坐標(biāo)[4]。史增峰[5]將9個(gè)激光測距儀裝在隧道檢測車上，并且使用了傾角傳感器、高精度旋轉(zhuǎn)臺、光電編碼器、plc控制器和無線通信器，對隧道動(dòng)態(tài)斷面測量進(jìn)行了探索。熊仕勇等[6]提出一種基于激光攝像檢測的軌距計(jì)算新算法。我國地鐵運(yùn)營維護(hù)面臨著很多困難和限制，比如天窗時(shí)間短，供軌道檢查和維護(hù)的時(shí)間有限；檢測的作業(yè)環(huán)境比較惡劣；采用人工作業(yè)，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力[7]，而采用大型軌檢車成本較高。因此，本團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中鐵一局集團(tuán)新運(yùn)工程有限公司開發(fā)了便攜式地鐵限界及軌道幾何狀態(tài)檢測裝置，應(yīng)用于長沙地鐵3號線，如圖1所示。本文將介紹該裝置的研發(fā)情況、相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算原理，以及該裝置的應(yīng)用情況。

1 裝置原理

檢測裝置由T型軌檢小車、車架、激光掃描儀、里程計(jì)、角度傳感器、軌距傳感器、單片機(jī)芯片等裝置組成。如圖1所示，其中激光掃描儀采用的是德國 SICK 公司生產(chǎn)的二維激光斷面儀，型號為LMS111?10100，里程計(jì)通過接觸式開關(guān)傳感器與可編程單片機(jī)結(jié)合的方式構(gòu)建，單片機(jī)采用意法半導(dǎo)體(ST Micro Electronics, ST)公司生產(chǎn)的STM32F103RB型芯片，角度傳感器采用上海航海儀器廠生產(chǎn)定制的超高精度傳感器，軌距傳感器采用意大利公司G系列GH型MTS電阻式位移傳 感器。

圖1 便攜式地鐵限界及軌道幾何狀態(tài)檢測裝置

1.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是決定整個(gè)系統(tǒng)是否能滿足預(yù)期目標(biāo)的關(guān)鍵。檢測裝置是一個(gè)實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，輸入的數(shù)據(jù)是從裝置及其軟件系統(tǒng)得來的，輸出的數(shù)據(jù)是控制顯示器等外部硬件的數(shù)據(jù)。

檢測裝置在Visual Studio 2005平臺使用C++開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)、傳感器的數(shù)據(jù)文件格式的設(shè)計(jì)。該裝置的整套標(biāo)定參數(shù)、特征點(diǎn)坐標(biāo)、軌道平豎曲線數(shù)據(jù)都保存在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，作為檢測項(xiàng)目所需的全部參數(shù)，采用C++數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體的方式定義配置參數(shù)或測量數(shù)據(jù)。

檢測裝置具有多個(gè)傳感器，不同的傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有所不同。激光掃描儀采集的原始數(shù)據(jù)是包含距離觀測值、掃描儀角度和回波強(qiáng)度信息的十六進(jìn)制文件，所以需要通過解碼計(jì)算才能得到激光掃描儀在坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。斷面數(shù)據(jù)用于限界檢測與斷面收斂分析。里程計(jì)的數(shù)據(jù)文件格式比較簡單，一行對應(yīng)2個(gè)數(shù)據(jù)，分別為數(shù)據(jù)接收時(shí)系統(tǒng)時(shí)間和里程值。軌距傳感器通過單片機(jī)與工控機(jī)進(jìn)行連接，通過工控機(jī)發(fā)送命令讀取軌距傳感器測量數(shù)據(jù)。程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 限界檢測

在地鐵運(yùn)營階段的檢測中，主要針對車輛限界進(jìn)行檢測，車輛限界檢測的主要目的是保證隧道中沒有設(shè)備侵入到車輛的輪廓線內(nèi)，保證地鐵車輛的運(yùn)行安全。限界輪廓是由多個(gè)特征點(diǎn)構(gòu)成的，各點(diǎn)坐標(biāo)值均是以軌面坐標(biāo)系進(jìn)行設(shè)計(jì)的。長沙地鐵3號線運(yùn)行的B2型車輛的限界輪廓如圖3所示，圖3中用數(shù)字或字母表示的點(diǎn)在車輛輪廓線、車輛限界和設(shè)備限界上，這些點(diǎn)的坐標(biāo)值按照《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50157—2013》的規(guī)定選取。

生成的斷面點(diǎn)云成果為各時(shí)刻車體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，需要轉(zhuǎn)換到軌面坐標(biāo)系才能進(jìn)行限界檢測，軌道的模型如圖4所示。小車左輪底車體坐標(biāo)為(?0.555，?0.072，?0.2) m，軌道高程基準(zhǔn)為1 500 mm，設(shè)計(jì)軌距為1 435 mm。經(jīng)過平移與旋轉(zhuǎn)，就可得到軌面坐標(biāo)系下斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)[8]。

判斷某個(gè)斷面數(shù)據(jù)是否存在侵限，相當(dāng)于判斷此斷面中是否有掃描點(diǎn)位于限界標(biāo)準(zhǔn)輪廓內(nèi)。采用射線判別法，根據(jù)該點(diǎn)的水平線和多邊形的交點(diǎn)個(gè)數(shù)來判斷，如果交點(diǎn)數(shù)為奇數(shù)，則該點(diǎn)位于多邊形內(nèi)，如果為偶數(shù)，則點(diǎn)位于多邊形外[9]。如圖5所示，點(diǎn)出發(fā)的直線與多邊形有1個(gè)交點(diǎn)，位于多邊形內(nèi)，點(diǎn)出發(fā)的直線有2個(gè)交點(diǎn)，位于多邊 形外。

圖5 射線判別法示意圖

利用C++中Region類的IsVisible方法實(shí)現(xiàn)上述射線法檢測算法，能夠完成點(diǎn)是否在限界輪廓內(nèi)的判斷，實(shí)現(xiàn)侵限檢測功能。如圖6(a)中，內(nèi)圈為精確的車輛限界輪廓，外圈曲線為當(dāng)前里程對應(yīng)的軌面坐標(biāo)系下地鐵構(gòu)筑物輪廓的坐標(biāo)，可以看出斷面點(diǎn)均在內(nèi)圈輪廓外，侵限情況不存在。當(dāng)斷面點(diǎn)云發(fā)生侵限情況時(shí)，系統(tǒng)會進(jìn)行警告提醒并記錄侵限里程，可以對現(xiàn)場調(diào)整進(jìn)行指導(dǎo)，如圖6(b)所示。如果不存在侵限情況，依次判斷軌面原點(diǎn)到斷面點(diǎn)云的線段1與限界相鄰輪廓點(diǎn)組成的線段2是否相交，若相交則繼續(xù)求出交點(diǎn)，并求出距離差，對所有距離差進(jìn)行排序，求得距離差最小的點(diǎn)，并且在界面上用箭頭指出，則該點(diǎn)為距限界最近點(diǎn)，較容易侵限，效果如圖6(c)所示，其中上方突出部分為電線，屬于較容易侵限的部位，其距限界的距離為0.086 m。

1.3 軌距計(jì)算

檢測裝置的軌距傳感器能夠?qū)壘噙M(jìn)行檢測，可以輸出具有里程信息的軌距數(shù)據(jù)，可得出對應(yīng)里程下的軌距曲線。在里程0～48 m的試驗(yàn)段對軌距進(jìn)行3次檢測，結(jié)果如圖7(a)所示。由于數(shù)據(jù)量較大且不易統(tǒng)計(jì)誤差，按照0.25 m的間隔進(jìn)行3次樣條插值處理，得到更直觀的軌距曲線，如圖7(b)所示。對相同里程處的軌距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以第一套數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)作差，得到差值絕對值的平均值為0.14 mm，最大值為0.3 mm，最小值為0 mm，均符合規(guī)范要求，因此該裝置能夠滿足軌距檢測的需求，可以根據(jù)軌距成果指導(dǎo)現(xiàn)場軌道精調(diào)作業(yè)。

(a)限界檢測示例；(b) 侵限情況示意圖；(c) 最近點(diǎn)檢測

(a) 三次軌距曲線；(b) 三次軌距插值曲線

1.4 超高計(jì)算

檢測裝置能夠?qū)Τ哌M(jìn)行測量。在裝置底部安裝傾角傳感器，其與橫梁底部平行，通過對該裝置的縱向傾角和橫向傾角的測量，再結(jié)合兩軌頂面中心點(diǎn)之間的距離可以求出軌道的超高值。超高值=×sin1，其中為實(shí)測軌距值與一個(gè)鋼軌內(nèi)外側(cè)固定寬度的和值，1為裝置的橫向傾角[10]，如圖4所示。

沿線路的前進(jìn)方向，將左轉(zhuǎn)曲線設(shè)為負(fù)，將右轉(zhuǎn)曲線設(shè)為正，再將得到的軌道實(shí)測值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，判斷超高精度是否符合規(guī)范。

1.5 系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

檢測裝置系統(tǒng)的本質(zhì)是多傳感器的融合，為了在空間上融合系統(tǒng)傳感器測量的數(shù)據(jù)，需要對各個(gè)傳感器之間的相對位置關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，將各個(gè)傳感器的測量結(jié)果統(tǒng)一到車體坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)空間上的集成[11?12]。

1) 坐標(biāo)系統(tǒng)

在本系統(tǒng)中涉及以下5種坐標(biāo)系，分別為掃描儀坐標(biāo)系C，車體坐標(biāo)系C，全站儀坐標(biāo)系C，工程坐標(biāo)系C，軌面坐標(biāo)系C，坐標(biāo)系如圖8 所示。

2) 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

檢測裝置檢測時(shí)產(chǎn)生的車體振動(dòng)會造成相對軌面的5個(gè)自由度的不確定性，分別為沿著3個(gè)坐標(biāo)軸產(chǎn)生的偏移量和繞3個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)量即俯仰角、偏航角和側(cè)滾角[13]。坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

(a) 掃描儀坐標(biāo)系；(b) 車體坐標(biāo)系；(c) 軌面坐標(biāo)系

由于裝置運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生坐標(biāo)對軌面的3個(gè)自由度俯仰角、偏航角和側(cè)滾角可由上面公式可推導(dǎo) 出來：

可得：

1.6 里程計(jì)標(biāo)定

檢測裝置采用的里程計(jì)為一對經(jīng)過二次集成開發(fā)的接近開關(guān)傳感器，在已知左輪設(shè)計(jì)半徑5 cm的情況下，根據(jù)里程計(jì)記錄的角度反映輪子滾過的周長，作為小車前進(jìn)的里程。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于里程計(jì)本身的誤差、小車震動(dòng)、輪子磨損、鋼軌接縫等原因[14]，往往無法得到準(zhǔn)確的里程，需要一個(gè)較為準(zhǔn)確的里程參考，將里程計(jì)盡可能的標(biāo)定準(zhǔn)確。

現(xiàn)場架設(shè)徠卡全站儀，經(jīng)過自由設(shè)站后，用花桿棱鏡分別放在之前做好的標(biāo)記處，用全站儀測量實(shí)際坐標(biāo)，通過線性計(jì)算軟件，解算出里程，進(jìn)一步算出兩點(diǎn)位置的里程差，即小車行走的真實(shí)距離。測量時(shí)盡量將小車安置在直線段的某一根軌枕處，使用全站儀測量標(biāo)志坐標(biāo)，與里程計(jì)測量的結(jié)果進(jìn)行比較。

按照上述實(shí)驗(yàn)流程分別測量得到75組拉車數(shù)據(jù)與140組推車數(shù)據(jù)，對這2種數(shù)據(jù)分別結(jié)合全站儀數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到里程計(jì)數(shù)據(jù)改正倍數(shù)：KK=全站儀數(shù)據(jù)/里程計(jì)數(shù)據(jù)。通過圖9(a)可以發(fā)現(xiàn)里程計(jì)在前進(jìn)與后退時(shí)對里程的測量分別呈現(xiàn)2種不同的修正倍數(shù)，且推車時(shí)里程計(jì)表現(xiàn)比較穩(wěn)定，這與推車時(shí)車體震動(dòng)較小的實(shí)際情況也是相吻合的。分別對推車與拉車的修正倍數(shù)求平均值，可以得到車體前進(jìn)時(shí)的修正倍數(shù)為 0.999 328，車體后退時(shí)的修正倍數(shù)為1.010 194。采用新的修正倍數(shù)對小車?yán)锍逃?jì)測量得到的里程進(jìn)行修正，重新采集一組數(shù)據(jù)，將采用修正參數(shù)與不采用修正參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以得到圖9(b)。可以看出，使用上述標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行修正后，里程計(jì)在5 m內(nèi)可以達(dá)到5 mm以內(nèi)的精度，在15 m內(nèi)仍然可以達(dá)到1 cm內(nèi)的精度，而未經(jīng)標(biāo)定的里程計(jì)只能在5 m內(nèi)達(dá)到1 cm內(nèi)的精度。因此，采用上述里程計(jì)標(biāo)定方法進(jìn)行標(biāo)定后，里程計(jì)可以在一定里程范圍內(nèi)達(dá)到所需的精度。

(a) 里程計(jì)修正倍數(shù)；(b) 里程計(jì)修正結(jié)果

1.7 軌距傳感器標(biāo)定

為了驗(yàn)證軌距傳感器獲取的軌距的靜態(tài)穩(wěn)定性與重復(fù)性以及絕對精度，進(jìn)行了靜態(tài)穩(wěn)定性測試和DGJC型軌檢尺測量對比測試。

1.7.1 靜態(tài)穩(wěn)定性測試

測量過程中，將檢測裝置安置到軌道上，然后分別設(shè)置頻率為1，10和50 Hz采集軌距數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)所獲取的軌距的標(biāo)準(zhǔn)差與極差，結(jié)果如表1 所示。

表1 靜態(tài)重復(fù)測量結(jié)果

從表1可以看出，裝置的軌距標(biāo)準(zhǔn)差在 0.01 mm 之下，重復(fù)測量極差在0.13 mm 之下，根據(jù)《客運(yùn)專線軌道幾何狀態(tài)測量儀暫行技術(shù)條件》(科技基[2008]86號)規(guī)定，軌距測量重復(fù)性的示值范圍是±0.15 mm，滿足要求，可以進(jìn)行軌距檢測。

1.7.2 軌距加常數(shù)計(jì)算

由于位移傳感器測量的軌距是位移傳感器的相對位移，因此實(shí)際軌距是在此相對值基礎(chǔ)上加上一個(gè)軌距加常數(shù)，作為軌距測量補(bǔ)償值，這個(gè)常數(shù)可以通過與軌檢尺的對比中獲得。使用 DGJC 型軌檢尺與軌檢小車測量軌道某一區(qū)段 15 根軌枕，計(jì)算軌檢尺與軌距傳感器測量的軌距偏差。原始軌距和軌檢尺軌距如圖10所示，經(jīng)過檢校，由原始軌距和軌檢尺軌距計(jì)算出位移傳感器的軌距測量加常數(shù)為?101.798 mm，位移傳感器與軌檢尺軌距示值誤差平均值為0.073 mm，最大值為0.23 mm?！稑?biāo)準(zhǔn)軌距鐵路軌距尺》所要求的軌距允許的最大誤差是0.25 mm，軌距示值誤差滿足要求。經(jīng)過此加常數(shù)矯正，位移傳感器可以實(shí)現(xiàn)軌距檢測功能。

(a)原始軌距和軌檢尺軌距；(b) 軌檢尺軌距和補(bǔ)償后軌距

2 應(yīng)用情況

在長沙地鐵3號線(侯家塘站至四方坪站，共9站8區(qū)間，均為地下線，整體道床18.814 km，里程范圍DK18+430?DK27+641，單開道岔12組)進(jìn)行了試驗(yàn)。

使用便攜式地鐵限界及軌道幾何狀態(tài)檢測裝置對長沙地體3號線侯家塘左線的部分軌距和超高值數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并使用萬能道尺對相同地段的部分軌距和超高值數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，結(jié)果如圖11所示。通過檢測裝置測量和萬能道尺測量的軌距最大相差0.4 mm，超高最大相差0.5 mm，通過對比驗(yàn)證，檢測裝置精度很高，能夠快速準(zhǔn)確地采集軌道幾何狀態(tài)信息。侯家塘站—四方坪站右線站臺板實(shí)際測量結(jié)果如圖12所示，實(shí)測值小于設(shè)計(jì)值的部分存在侵限情況，可以看出站臺板侵限情況普遍存在，在朝陽村站最為突出，其中侵限最大值位于朝陽村站站臺板施工模板處，達(dá)到135 mm。站臺板侵限的主要原因在于施工時(shí)沒有注意站臺板邊緣平面位置，站臺板侵限對安全運(yùn)營存在潛在威脅，需要結(jié)合檢測儀器對部分侵限位置進(jìn)行維修整理。線路的軌距和超高測量結(jié)果如圖13所示，里程K19+ 585.896?K19+640.564的軌距出現(xiàn)了一定的波動(dòng)，最大軌距達(dá)到1.441 3 m，最小軌距為1.429 3 m，該段屬于直線地段，這種異常情況是由軌縫引起的[15]。超高最大值為0.120 3 m，位于緩和曲線地段，屬于正常的曲線超高。

(a) 軌距測量結(jié)果；(b) 超高測量結(jié)果

圖12 侯家塘站?四方坪站右線實(shí)際測量結(jié)果

(a) 軌距數(shù)據(jù)；(b) 超高數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1) 研制了基于多傳感器集成的便攜檢測裝置，實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警、圖形及超限數(shù)據(jù)自動(dòng)錄入、軌枕自動(dòng)識別及軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)自動(dòng)采集等多項(xiàng)功能，做到了可見即可測，數(shù)據(jù)更新快，信息表達(dá)完整，且同步反饋，為地鐵運(yùn)營的安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保提供技術(shù)支持。

2) 激光掃描儀的使用改變了傳統(tǒng)的限界檢測方式，并極大地簡化了檢測操作步驟，減少人工操作的誤差；檢測裝置通過軌距傳感器、里程計(jì)和軟件系統(tǒng)能夠測量每根軌枕處的軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)，并能做到自動(dòng)判斷和記錄限界測量數(shù)據(jù)，解決了人工檢測軌道時(shí)不能連續(xù)動(dòng)態(tài)測量的難題，實(shí)現(xiàn)了市場上軌檢設(shè)備的技術(shù)突破。

3) 基于多傳感器集成的地鐵限界及軌道幾何狀態(tài)檢測裝置尚有升級的空間，系統(tǒng)軟硬件預(yù)留了功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)板塊，即軌道平順性及舒適度檢測系統(tǒng)，未來可以實(shí)現(xiàn)對軌道傷損的檢測，比如檢測鋼軌表面磨耗及波磨等。

[1] 劉儒宏, 劉成龍, 何金學(xué), 等. 慣導(dǎo)型軌檢儀軌道測量精度檢測方法研討[J]. 測繪通報(bào), 2020(4): 76?80. LIU Ruhong, LIU Chenglong, HE Jinxue, et al. Discussion on detection method of the measurement accuracy about inertial navigation track detector[J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 2020(4):76?80.

[2] 李甍, 于龍, 張冬凱. 基于激光攝像技術(shù)的設(shè)備限界檢測與圖像融合拼接[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015, 12(6): 1485?1492. LI Meng, YU Long, ZHANG Dongkai. Metro equipment gauge detection and image fusion and splicing based on laser video camera technique[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2015, 12(6): 1485?1492.

[3] YAO Lianbi, SUN Haili, WANG Xuan, et al. Detection of track static regularities based on a laser tracker[J]. Journal of Surveying Engineering, 2017, 143(2): 1?13.

[4] 李寅. 路軌兩棲綜合檢測車精確定位與綜合同步系統(tǒng)研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2011. LI Yin. Research on accurate positioning and comprehensive synchronization system of road and rail amphibious comprehensive detection vehicle[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2011.

[5] 史增峰. 基于移動(dòng)激光掃描技術(shù)的隧道限界檢測研究[D]. 上海: 上海工程技術(shù)大學(xué), 2016. SHI Zengfeng. Research on tunnel limit detection based on mobile laser scanning technology[D]. Shanghai: Shanghai University of Engineering Science, 2016.

[6] 熊仕勇, 陳春俊, 王鋒, 等. 一種新的軌距動(dòng)態(tài)檢測方法研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2018, 15(7): 1825? 1831. XIONG Shiyong, CHEN Chunjun, WANG Feng, et al. A new method for dynamic measurement of track gauge[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2018, 15(7): 1825?1831.

[7] 李甍, 于龍, 張冬凱. 地鐵設(shè)備限界隨機(jī)因素分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015, 12(3): 657?662. LI Meng, YU Long, ZHANG Dongkai. An analysis of metro equipment gauge random factors[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2015, 12(3): 657?662.

[8] YAO L, SUN H, ZHOU Y, et al. Detection of high speed railway track static regularity with laser trackers[J]. Empire Survey Review, 2015, 47(343): 279?285.

[9] Hormann Kai, Agathos Alexander. The point in polygon problem for arbitrary polygons[J]. Computational Geometry, 2001, 20(3): 131?144.

[10] 洪思敏. 軌道檢測小車測量方法的研究[D]. 廣州: 廣東工業(yè)大學(xué), 2015. HONG Simin. Research on measurement method of track detection vehicle[D]. Guangzhou: Guangdong University of Technology, 2015.

[11] 潘國榮, 周躍寅. 兩種坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換計(jì)算方法的比較[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué), 2011, 31(3): 58?62. PAN Guorong, ZHOU Yueyin. Comparison of two coordinate system conversion calculation methods[J]. Geodesy and Geodynamics, 2011, 31(3): 58?62.

[12] LI Qingquan, CHEN Zhipeng, HU Qingwu, et al. Laser-aided INS and odometer navigation system for subway track irregularity measurement[J]. Journal of Surveying Engineering, 2017, 143(4): 04017014.1? 04017014.9.

[13] 何思婷. 軌道智能巡檢小車動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)測量系統(tǒng)[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2019. HE Siting. Dynamic reference measurement system of track intelligent inspection vehicle[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2019.

[14] YAO L, ZHANG S, WANG Z, et al. Metro gauge inspection system based on mobile laser scanning technology[J]. Survey Review-Directorate of Overseas Surveys, 2020, 52(375): 531?543.

[15] 侯迎團(tuán), 楊衛(wèi)平, 章一洲. 基于Chauvenet準(zhǔn)則的軌距異常值在線處理[J]. 測控技術(shù), 2016, 35(6): 56?59. HOU Yingtuan, YANG Weiping, ZHANG Yizhou. Online processing of gauge outliers based on Chauvenet criterion[J]. Measurement and Control Technology, 2016, 35(6): 56?59.

Application of metro gauge and track geometry detection based on multi-sensor integration

CHEN Wei1, LI Dongbai1, LIU Yaoqiang2, ZHU Zhihui1, 3

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Xinyun Engineering Co., Ltd., of China Railway First Group Co., Ltd., Xianyang 712000, China;3. National Engineering Laboratory for High-Speed Railway Construction, Central South University, Changsha 410075, China)

The detection of metro gauge and track geometry is an important work of metro operation and maintenance. Manual inspection is time-consuming and laborious, and the cost of using large-scale rail inspection vehicle is too high. Therefore, in order to detect the subway gauge and track geometry state conveniently and quickly, a portable detection device based on multi-sensor integration was developed, and the detection application research was carried out. The laser scanner, gauge sensor, odometer and inclinometer were integrated into the track inspection trolley, and the software system was designed. The function blocks of gauge detection, track gauge calculation, super elevation calculation, coordinate system conversion and odometer calibration were realized. The portable device was applied to detect Houjiatang station to Sifangping station of Changsha Metro Line 3, and the detection results were analyzed and verified. Finally, the detection device realizes the functions of gauge intrusion alarm, automatic input of graphics and gauge intrusion data, automatic identification of sleepers and automatic collection of track geometry data.

metro gauge; track geometry; detection device; laser scanner; gauge sensor

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20201099

U216.3；U231.1

A

1672 ? 7029(2021)04 ? 1025 ? 10

2020?11?17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52078498)；湖南省教育廳創(chuàng)新平臺開放基金項(xiàng)目(19K100)；新運(yùn)工程有限公司科技開發(fā)計(jì)劃課題(201736)

陳偉(1985?)，男，湖南益陽人，副教授，博士，從事軌道結(jié)構(gòu)損傷、斷裂損傷力學(xué)研究；E?mail：chenwei.csu@foxmail.com

(編輯 蔣學(xué)東)