王 磊 鄭倫英 張銀虎

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式單軌交通是一種中等運(yùn)量的軌道系統(tǒng),其特點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)、噪聲低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)。另外,相較于地鐵,跨座式單軌交通還具有投資少、周期短,智能環(huán)保、適用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)許多城市將要開展跨座式單軌交通建設(shè),其軌道梁結(jié)構(gòu)形式也逐步趨于多樣化。

關(guān)于跨座式軌道梁檢測(cè)與相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法,已有學(xué)者開展相關(guān)研究,李小果介紹預(yù)制成品軌道梁的檢查與驗(yàn)收測(cè)量方法[1-2];張杰認(rèn)為,跨座式單軌PC軌道梁線形的精細(xì)化調(diào)整可以有效解決車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生顛簸問題,使車輛平穩(wěn)安全地在軌道上行駛[3];張銀虎提出基于“軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)”的軌道梁定位測(cè)量和線形檢測(cè)新方法,提高了軌道梁的架設(shè)安裝及線形控制精度[4]。但在成品軌道梁檢測(cè)分析與架設(shè)后的軌道梁檢測(cè)分析方面,仍然存在以下不足:①缺乏相應(yīng)軟件計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo),人工計(jì)算效率低且容易出錯(cuò);②以往研究主要針對(duì)簡(jiǎn)支PC 軌道梁,缺少對(duì)連續(xù)剛構(gòu)PC 軌道梁的技術(shù)要求;③軌道梁相關(guān)檢測(cè)指標(biāo)缺失不全面,且部分指標(biāo)定義不明確。

依托蕪湖軌道交通項(xiàng)目連續(xù)剛構(gòu)PC 軌道梁進(jìn)行相關(guān)研究工作,分別結(jié)合成品軌道梁與軌道梁既有設(shè)計(jì)參數(shù),推導(dǎo)基于三維激光掃描點(diǎn)云進(jìn)行軌道梁檢測(cè)的相關(guān)算法,選取微軟公司的Visual Studio 2019 C#編程技術(shù)進(jìn)行軟件的開發(fā),對(duì)成品軌道梁與架設(shè)后軌道梁線形進(jìn)行多維、全面的分析評(píng)價(jià),進(jìn)一步完善和優(yōu)化成品軌道梁檢測(cè)及架設(shè)后的軌道梁線形檢測(cè)內(nèi)容和精度,最終提高成橋后軌道梁的線形平順性。

2 軟件研發(fā)思路

跨座式單軌交通軌道梁檢測(cè)分析軟件(Straddle Type Monorail track Beam Detection and Analysis Software,簡(jiǎn)稱STMB_DAS)是在消化吸收國(guó)家規(guī)范對(duì)成品軌道梁檢測(cè)與軌道梁線形檢測(cè)的各項(xiàng)檢測(cè)內(nèi)容、指標(biāo)限差及技術(shù)要求的基礎(chǔ)上[5-6],針對(duì)常規(guī)測(cè)量方法作業(yè)效率低[7]、實(shí)施難度大、檢測(cè)數(shù)據(jù)不全面等問題,對(duì)跨座式單軌軌道梁制作、架設(shè)調(diào)整以及軌道梁線形控制施工方法進(jìn)行技術(shù)調(diào)研[8],基于智能型全站儀、高精度三維激光掃描儀進(jìn)行成品軌道梁檢測(cè)、軌道梁架設(shè)調(diào)整以及軌道梁線形檢測(cè)的新技術(shù)方案,為了滿足連續(xù)剛構(gòu)PC 軌道梁體系的工程應(yīng)用需求進(jìn)行研發(fā)的一款產(chǎn)品。

跨座式單軌交通軌道梁檢測(cè)分析軟件(STMB_DAS)總體研發(fā)思路如下。

(1)對(duì)成品軌道梁檢測(cè)時(shí),根據(jù)《軌道梁制作工法指導(dǎo)書》生成成品軌道梁設(shè)計(jì)文件,設(shè)計(jì)文件包含梁長(zhǎng)、梁寬、導(dǎo)向面、穩(wěn)定面、走行面整體線形偏差設(shè)計(jì)值;導(dǎo)入成品軌道梁點(diǎn)云數(shù)據(jù),進(jìn)行分析處理后,得到各個(gè)檢測(cè)斷面檢測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo),再根據(jù)三維坐標(biāo)判斷首尾與左右偏等空間姿態(tài),計(jì)算檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)于不同弦線的矢距值,進(jìn)而分析成品軌道梁工作面線形、縱向平整度;通過檢測(cè)斷面檢測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)可計(jì)算出梁長(zhǎng)(弦長(zhǎng))、梁寬、梁高、跨度、走行面垂直度、端面傾斜度、兩端面中心線夾角、指形板座與梁表面高差等相關(guān)檢測(cè)內(nèi)容。

(2)對(duì)架設(shè)后軌道梁進(jìn)行分析時(shí),根據(jù)線路設(shè)計(jì)平曲線、豎曲線及軌道梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù),計(jì)算出每個(gè)檢測(cè)斷面7 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的線路中線設(shè)計(jì)三維坐標(biāo)和設(shè)計(jì)里程,再根據(jù)三維坐標(biāo)計(jì)算檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)于設(shè)計(jì)線路的平面偏差和高程偏差[9];根據(jù)里程和平面偏差或高程偏差,推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型,計(jì)算各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)到基于偏差值建立不同長(zhǎng)度弦線的矢距值,進(jìn)而分析工作面線形、縱向平整度、平面線形矢高(軌道梁銜接處)、豎向線形矢高(軌道梁銜接處)、軌道梁側(cè)面距離中心的偏差、梁端軌面橫坡、走行面垂直度等相關(guān)檢測(cè)內(nèi)容;根據(jù)左右線三維坐標(biāo)計(jì)算相對(duì)于設(shè)計(jì)平曲線的中線偏差值,再計(jì)算得到左右線的線間距。

3 軟件系統(tǒng)主要功能

該軟件系統(tǒng)是基于成品軌道梁與架設(shè)后軌道梁外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)開發(fā)的分析軟件,系統(tǒng)主要功能如下。

(1)軌道梁點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理功能

導(dǎo)入軌道梁點(diǎn)云數(shù)據(jù),進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,分別進(jìn)行點(diǎn)云精處理、設(shè)計(jì)斷面計(jì)算、單一斷面計(jì)算、批量斷面計(jì)算。

(2)成品軌道梁檢測(cè)數(shù)據(jù)分析計(jì)算功能

成品軌道梁檢測(cè)參數(shù)設(shè)置、讀取成品軌道梁設(shè)計(jì)文件、導(dǎo)入成品軌道梁檢測(cè)數(shù)據(jù)分析計(jì)算。

(3)軌道梁線形檢測(cè)數(shù)據(jù)分析計(jì)算功能

讀取平曲線設(shè)計(jì)文件、讀取豎曲線設(shè)計(jì)文件、讀取軌道梁設(shè)計(jì)參數(shù)、軌道梁線形檢測(cè)參數(shù)設(shè)置、軌道梁線形檢測(cè)數(shù)據(jù)分析計(jì)算、軌道梁左右線間距計(jì)算等。

結(jié)合上述各功能模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo),該軟件基本流程如圖1 所示。

圖1 軟件基本流程

4 軟件主要數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

通過三維激光掃描儀得到成品軌道梁的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),首先提取并計(jì)算出軌道梁檢測(cè)斷面及檢測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo),主要包括軌道梁三維點(diǎn)云預(yù)處理、點(diǎn)云精處理、檢測(cè)斷面中心點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算、斷面提取與檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算[10]、檢測(cè)點(diǎn)成果輸出等技術(shù)環(huán)節(jié);其次結(jié)合《工法指導(dǎo)書》中軌道梁各個(gè)斷面設(shè)計(jì)參數(shù),對(duì)軌道梁走行面、導(dǎo)向面、穩(wěn)定面線形進(jìn)行檢測(cè)分析。

成品軌道梁檢測(cè)斷面依據(jù)《軌道梁制作工法指導(dǎo)書》中千斤頂位置確定,在每個(gè)千斤頂位置布設(shè)一個(gè)檢測(cè)斷面。每個(gè)軌道梁檢測(cè)斷面布設(shè)7 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)(軌道梁頂面布設(shè)3 個(gè)點(diǎn)及內(nèi)外側(cè)面分別布設(shè)2 個(gè)點(diǎn),如圖2 所示)。檢測(cè)點(diǎn)編號(hào)規(guī)則為:梁號(hào)+斷面編號(hào)+檢測(cè)點(diǎn)號(hào)(如IY21704J501,表示“IY217-04 梁J5 斷面01 號(hào)檢測(cè)點(diǎn)”)。

圖2 成品軌道梁檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)

在得到成品軌道梁每個(gè)檢測(cè)斷面7 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)(x,y,h)后,利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算成品軌道梁檢測(cè)相應(yīng)指標(biāo)。

4.1 梁長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型

成品軌道梁梁長(zhǎng)指梁體兩側(cè)的上下部4 個(gè)長(zhǎng)度值,曲線梁外側(cè)弧長(zhǎng)內(nèi)側(cè)弦長(zhǎng)梁長(zhǎng)檢測(cè)限差為±10 mm,如圖3 所示。

圖3 梁長(zhǎng)檢測(cè)示意

其中R為曲線半徑。

4.2 成品軌道梁工作面整體線形數(shù)學(xué)模型

成品軌道梁工作面整體線形指連接成品軌道梁首尾兩端的檢測(cè)點(diǎn)建立一條弦線S1S2,計(jì)算出各個(gè)斷面檢測(cè)點(diǎn)J9到弦線的矢距(走行面為垂向矢距,導(dǎo)向面為橫向矢距),即為整體線形偏差實(shí)測(cè)值ΔhJ9實(shí)測(cè),推導(dǎo)走行面基于高程偏差值計(jì)算矢距的公式為

再與《軌道梁制作工法指導(dǎo)書》中的工作面整體線形偏差設(shè)計(jì)值ΔhJ9設(shè)計(jì)作差,即為工作面上檢測(cè)點(diǎn)的整體線形檢測(cè)值ΔhJ9(見圖4),檢測(cè)限差為±S1S2/2 000 mm,計(jì)算公式為

圖4 工作面整體線形計(jì)算示意

4.3 成品軌道梁工作面局部線形數(shù)學(xué)模型

成品軌道梁工作面局部線形指在計(jì)算得到整體線形檢測(cè)值后,在檢測(cè)點(diǎn)兩側(cè)建立長(zhǎng)度為4 m 的弦線S0S4,之后計(jì)算各個(gè)斷面檢測(cè)點(diǎn)到基于整體線形檢測(cè)值弦線的矢距即為工作面上檢測(cè)點(diǎn)的局部線形ΔΔhJ9,檢測(cè)限差為±3 mm。檢測(cè)點(diǎn)的局部線形ΔΔhJ9計(jì)算公式為

對(duì)架設(shè)后軌道梁檢測(cè)分析時(shí),根據(jù)3 類既有設(shè)計(jì)文件[11],計(jì)算出斷面檢測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)三維坐標(biāo)、設(shè)計(jì)里程[12]、平面偏差、高程偏差[13],推導(dǎo)得到相應(yīng)數(shù)學(xué)模型,計(jì)算各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)到基于偏差值建立的不同長(zhǎng)度弦線的矢距值[14],分析得到相關(guān)檢測(cè)內(nèi)容[15]。

4.4 線路高程偏差數(shù)學(xué)模型

根據(jù)軌道梁設(shè)計(jì)豎曲線,計(jì)算三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)高程h實(shí)測(cè)與對(duì)應(yīng)豎曲線上的設(shè)計(jì)高程h設(shè)計(jì)差值記為ΔH′,有

因連續(xù)剛構(gòu)PC 軌道梁,架設(shè)后需進(jìn)行梁上二次張拉,故對(duì)架設(shè)后軌道梁,需考慮“軌道梁變形上拱值(γ),則連續(xù)剛構(gòu)PC 軌道梁線路高程偏差ΔH為檢測(cè)點(diǎn)高程差值減去軌道梁變形上拱值,具體有走行面線路中線點(diǎn)、左右側(cè)檢測(cè)點(diǎn)的高程偏差值,檢測(cè)限差為-15～+30 mm。線路高程偏差ΔH計(jì)算公式為

其中:γ=;L為連續(xù)剛構(gòu)PC 軌道梁梁長(zhǎng);Δ為軌道梁梁中變形上供設(shè)計(jì)值;l為檢測(cè)點(diǎn)到連續(xù)剛構(gòu)PC 軌道梁梁端的距離。

4.5 走行面整體線形數(shù)學(xué)模型

走行面整體線形根據(jù)走行面左右側(cè)檢測(cè)點(diǎn)的高程偏差,在單片軌道梁的兩端建立一條基于高程偏差的弦線OL,計(jì)算出各個(gè)斷面檢測(cè)點(diǎn)J1到弦線的垂向矢距即為整體線形值,檢測(cè)限差為±OL/2 000 mm,如圖5 所示。

圖5 走行面整體線形計(jì)算示意

4.6 走行面局部線形計(jì)算方法

根據(jù)走行面左右側(cè)檢測(cè)點(diǎn)的高程偏差,在檢測(cè)點(diǎn)的兩端建立一條基于高程偏差的4 m 弦線(弦線不跨梁),計(jì)算出各個(gè)斷面檢測(cè)點(diǎn)J1到弦線的垂向矢距即為局部線形值其計(jì)算公式同整體線形值,檢測(cè)限差為±3 mm。

5 軟件技術(shù)特點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 軟件技術(shù)特點(diǎn)

跨座式單軌交通軌道梁檢測(cè)分析軟件主要技術(shù)特點(diǎn)如下。

(1)界面友好,操作簡(jiǎn)單

軟件各個(gè)功能模塊相對(duì)獨(dú)立,窗體界面友好,計(jì)算流程自上而下,操作簡(jiǎn)單,幫助文件詳細(xì)易懂,無需培訓(xùn)即可使用該軟件;軟件計(jì)算容錯(cuò)性能強(qiáng),可提示并指正操作中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

(2)功能全面

可進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核、軌道梁點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理,軟件對(duì)成品軌道梁與架設(shè)后軌道梁整體線形進(jìn)行多維、全面的評(píng)價(jià),可加強(qiáng)對(duì)架設(shè)后軌道梁梁中部的線形檢測(cè)和分析精度。

(3)輸入數(shù)據(jù)格式自由

輸入的文本數(shù)據(jù)可自由設(shè)置分隔符,可自動(dòng)識(shí)別包括空格、逗號(hào)、Tab 鍵等組合而成的分隔字段,若文本數(shù)據(jù)格式有問題,軟件將提示錯(cuò)誤位置。

(4)輸出成果完整

軌道梁檢測(cè)分析計(jì)算輸出的成果、報(bào)表、各項(xiàng)精度指標(biāo)內(nèi)容完整、直觀,便于進(jìn)行成果分析和報(bào)告編制。

(5)基于.net 平臺(tái)開發(fā),可跨平臺(tái)安裝

軟件基于Visual Studio 2019 平臺(tái)使用C#語言開發(fā)而成,可在Windows 7/10 操作系統(tǒng)下運(yùn)行,程序可移植性與跨平臺(tái)性強(qiáng)。

5.2 軟件創(chuàng)新點(diǎn)

跨座式單軌交通軌道梁檢測(cè)分析軟件研發(fā)包含如下創(chuàng)新點(diǎn)。

根據(jù)《軌道梁制作工法指導(dǎo)書》生成成品軌道梁設(shè)計(jì)文件;根據(jù)三維坐標(biāo)判斷首尾與左右偏空間姿態(tài);根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)于不同弦線計(jì)算矢距值,推導(dǎo)出相關(guān)數(shù)學(xué)模型,再結(jié)合既有國(guó)家規(guī)范提出適合分析連續(xù)剛構(gòu)PC 軌道梁工作面線形、縱向平整度等檢測(cè)內(nèi)容的算法,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行核對(duì)。

6 應(yīng)用案例

選擇蕪湖軌道交通1 號(hào)線白馬山梁廠制作完成的成品軌道梁Y217-31,分別利用EXCEL 和跨座式單軌交通軌道梁檢測(cè)分析軟件(STMB_DAS)對(duì)三維激光掃描方法獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。兩種計(jì)算方式得到的成品軌道梁走行面、導(dǎo)向面、穩(wěn)定面整體線形檢測(cè)成果對(duì)比分析如表1～表3 所示。

表1 走行面整體線形檢測(cè)成果對(duì)比 mm

表2 導(dǎo)向面整體線形檢測(cè)成果對(duì)比 mm

表3 穩(wěn)定面整體線形檢測(cè)成果對(duì)比 mm

由表1～表3 可知,跨座式單軌交通軌道梁檢測(cè)分析軟件計(jì)算結(jié)果與EXCEL 方法獲取的計(jì)算結(jié)果一致,證明軟件使用的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法無誤。

7 結(jié)語

基于軌道梁檢測(cè)分析的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),研發(fā)一種跨座式單軌交通軌道梁檢測(cè)分析軟件,利用推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法,有效地完善和優(yōu)化連續(xù)剛構(gòu)PC軌道梁檢測(cè)分析內(nèi)容和精度指標(biāo),并通過實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證了算法的正確性。通過對(duì)連續(xù)剛構(gòu)PC 軌道梁制作、架設(shè)以及驗(yàn)收檢測(cè)過程中的每個(gè)階段、每個(gè)環(huán)節(jié)加強(qiáng)控制工作,確保軌道梁的制作和架設(shè)安裝精確度,最終提高成橋后軌道梁的線形平順性。跨座式單軌交通軌道梁檢測(cè)分析軟件為連續(xù)剛構(gòu)PC 軌道梁檢測(cè)分析提供有效的工具支撐。