盧建軍 黃小斌 吳 勇 鄭佳佳 鮑 艷

(1.浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司, 310014, 杭州; 2.杭州杭港地鐵有限公司, 310018, 杭州;3.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室, 100124, 北京)

接觸網(wǎng)導(dǎo)高是保證列車正常受電的重要參數(shù)。若導(dǎo)高過高,則會使電弓離線產(chǎn)生電弧,進而燒損接觸導(dǎo)線和受電弓; 若導(dǎo)高過低,則會危及人員和超限貨物的安全?？梢?當(dāng)接觸導(dǎo)線坡度變化過大時,易因?qū)Ц哌^高而產(chǎn)生電弧,從而影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量,加大滑板的接觸導(dǎo)線的磨損。因此,需要定期進行導(dǎo)高檢測[1]。

導(dǎo)高檢測分為接觸式檢測和非接觸式檢測兩種。接觸式檢測的常用方式為吊桿式法及檢測車法;非接觸式檢測的常用方式為光學(xué)法法超聲波法、激光法和攝像法。接觸式檢測的檢測工具須和輸電高壓線接觸,在檢測過程中存在安全隱患,且其過程繁瑣、精度低。目前較先進的接觸網(wǎng)導(dǎo)高檢測多采用超聲波法及激光法。其中超聲波法檢測受外界干擾影響大,誤差大。三維激光掃描技術(shù)具有抗外界干擾強、檢測精度高等優(yōu)點,能實時自動監(jiān)控,實現(xiàn)對接觸網(wǎng)導(dǎo)高的動態(tài)測量[2]。對此,本文提出基于移動三維激光掃描技術(shù)的地鐵隧道接觸網(wǎng)導(dǎo)高檢測新方法。

1 導(dǎo)高檢測新方法

1.1 模型構(gòu)建

掃描設(shè)備為Amberg GRP5000移動式三維激光掃描儀(以下簡稱“掃描儀”),其采用線掃描模式進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集,掃描速度為100 r/s,移動速度為0.5 m/s。推動掃描儀沿隧道中線前行,即可得到整個隧道的三維點云模型。由線掃描模式進行數(shù)據(jù)采集,隧道結(jié)構(gòu)及附屬物同掃描系統(tǒng)的距離相對穩(wěn)定,所以點云模型的點云密度相對均勻,從而保證了點云模型的整體精度。

地鐵隧道中的接觸網(wǎng)大部分屬于剛性接觸網(wǎng),接觸導(dǎo)線被匯流排牽引,整體結(jié)構(gòu)比較明顯。通過三維激光掃描獲取隧道結(jié)構(gòu)點云模型(見圖1)的同時,也包含了接觸網(wǎng)等附屬結(jié)構(gòu)的點云信息。接觸網(wǎng)實景照片見圖2。通過數(shù)據(jù)裁剪可得到接觸網(wǎng)部分的點云模型(見圖3),基于接觸網(wǎng)點云模型可進行導(dǎo)高及拉出值的檢測。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)點云模型

圖2 接觸網(wǎng)實景照片

圖3 接觸網(wǎng)點云模型

1.2 相對坐標(biāo)系統(tǒng)

在基于移動式三維激光掃描技術(shù)獲取點云的原始數(shù)據(jù)中,有兩套相對坐標(biāo)系統(tǒng)——UTC(超高改正)坐標(biāo)系統(tǒng), CTC(無超高改正)坐標(biāo)系統(tǒng)。如圖4所示:UTC坐標(biāo)系統(tǒng)的X、Y坐標(biāo)軸分別為水平方向和豎直方向,坐標(biāo)軸朝向不隨掃描系統(tǒng)的傾斜角度變化而變化;CTC坐標(biāo)系統(tǒng)的x軸平行于軌面朝向隧道壁,y軸垂直于軌面朝向隧道頂部。兩套系統(tǒng)的坐標(biāo)原點O都在軌面連線的中點。進行導(dǎo)高檢測時采用CTC坐標(biāo)系統(tǒng),接觸網(wǎng)點云模型中任意點i的縱坐標(biāo)值yi即為接觸網(wǎng)導(dǎo)高,橫坐標(biāo)值xi即為拉出值。

圖4 坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖

1.3 導(dǎo)高檢測

三維激光掃描獲取得到的隧道結(jié)構(gòu)點云模型中包含接觸網(wǎng)等設(shè)備設(shè)施信息。通過點云截取可單獨提取出接觸網(wǎng)點云模型。接觸網(wǎng)點云模型中包含接觸導(dǎo)線、匯流排、絕緣子、懸吊槽鋼、化學(xué)錨栓等結(jié)構(gòu)。其中有效信息是沿隧道延伸的接觸網(wǎng)中接觸導(dǎo)線最低點的高度及拉出值。由于CTC坐標(biāo)系統(tǒng)中yi值即為導(dǎo)高,因此在點云模型中找到y(tǒng)i最小值,然后提取該位置里程即拉出值即可。

根據(jù)地鐵隧道的環(huán)境特性(以一環(huán)一環(huán)管片拼裝構(gòu)成),因此為了數(shù)據(jù)的全面性及更好的定位,每一環(huán)管片生成找到y(tǒng)i值最小值,并提取出該位置的拉出值及里程信息,加上該位置環(huán)號信息。導(dǎo)高有設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)高,一般為40～50 mm,可根據(jù)實測導(dǎo)高值與設(shè)計值對比得到導(dǎo)高差異量。整個隧道接觸網(wǎng)系統(tǒng)是由一根根錨段組成,為了保證受電弓能從一根錨段順利平滑過渡到另一根錨段,在兩根錨段銜接部位有一定重疊,通常涉及四環(huán)管片,在導(dǎo)高測量時兩根錨段的高度都需要測量,故導(dǎo)高成果表中應(yīng)包含錨段關(guān)節(jié)的信息。杭州某地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道采用掃描儀得到的導(dǎo)高檢測結(jié)果(部分)見表1。

表1 杭州某地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道采用掃描儀得到的導(dǎo)高檢測結(jié)果(部分)

1.4 誤差來源分析

在進行處理導(dǎo)高檢測結(jié)果時發(fā)現(xiàn),隧道斷面點云模型中存在毛刺,如圖5所示。接觸網(wǎng)點云模型中的毛刺會直接影響導(dǎo)高檢測精度。

圖5 隧道斷面點云模型中的毛刺

經(jīng)研究,接觸導(dǎo)線及匯流排因同受電弓長期接觸摩擦,其表面光滑且反射率較高,故而形成激光腳點(單個激光脈沖在物體表面的反射區(qū)域)。這些激光腳點在垂直入射接觸網(wǎng)時會發(fā)生散射和漫反射,進而產(chǎn)生毛刺等噪點。為了減少激光的散射和漫反射,本文嘗試采用改變激光入射角度來降噪。

2 降噪策略

2.1 改變掃描儀激光線入射角度

原掃描儀的激光掃描平面垂直于隧道中線,掃描激光線也垂直入射接觸網(wǎng)。原掃描儀的掃描激光線入射示意圖如圖6所示。原掃描儀由多個傳感器剛性連接,具有組裝靈活且穩(wěn)定的特點?；诖?為了降低激光腳點散射和漫反射,本研究采用預(yù)制固定傾斜角度的剛性傾斜組件來改變掃描儀的激光線入射角度,之后根據(jù)激光線入射角度對點云模型的坐標(biāo)進行投影轉(zhuǎn)換,即可得到真實的接觸網(wǎng)點云模型。

圖6 原掃描儀的掃描激光線入射示意圖

剛性傾斜組件樣式如圖7所示。剛性傾斜組件通過8個螺栓孔和中間卡槽,通過掃描儀的運載部件同掃描儀連接。剛性傾斜組件底面平整,表面傾斜。其傾斜的表面會使掃描儀產(chǎn)生傾角,進而改變掃描激光線的入射角度。

圖7 剛性傾斜組件示意圖

加裝剛性傾斜組件后,改進的掃描儀掃描激光線入射示意圖如圖8所示。經(jīng)試驗驗證,此項改進可減弱激光腳點散射和漫反射。

圖8 改進的掃描儀掃描激光線入射示意圖

2.2 點云投影模型

由于掃描儀采用線掃描模式進行數(shù)據(jù)采集,點云模型是由無數(shù)掃描斷面拼接而成,因此當(dāng)掃描斷面不垂直于隧道中線時,掃描斷面為圖9中的虛線橢圓,而非隧道真實結(jié)構(gòu)。欲得到隧道真實點云模型,需要對實測斷面進行等角蘭勃特投影。改進掃描儀后,隧道掃描斷面的等角蘭勃特投影斷面如圖9所示。由于剛性傾斜組件的傾斜角度是預(yù)先設(shè)定的,故可根據(jù)已知傾斜角度對掃描斷面進行投影。

圖9 等角蘭勃特投影斷面

2.3 降噪效果

為了驗證加裝剛性傾斜組件后的掃描儀檢測精度提升效果,采用無傾斜組件的掃描儀和有傾斜組件的掃描儀,分別對同一區(qū)域進行掃描,并對采集數(shù)據(jù)進行處理和比較。加剛性傾斜組件后得到的投影斷面如圖10所示。對比圖5和圖10可見,增加傾斜組件,可有效降低因激光腳點垂直入射接觸網(wǎng)發(fā)生散射和漫反射而產(chǎn)生的毛刺等噪點,進而提高導(dǎo)高檢測精度。

圖10 加剛性傾斜組件時的投影斷面

3 降噪后掃描儀的檢測精度驗證

為了驗證加裝剛性傾斜組件后的掃描儀檢測精度,本研究分別使用導(dǎo)高儀和掃描儀測量,采用導(dǎo)高儀對改進后掃描儀的導(dǎo)高檢測結(jié)果進行驗證,將同一位置處的導(dǎo)高進行對比。

3.1 驗證步驟

為驗證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性,本測試采用固定點測量,保證導(dǎo)高儀和掃描儀嚴(yán)格測量同一位置處的導(dǎo)高值和拉出值。

驗證的具體步驟如下:

步驟1 選取測量位置。測量位置應(yīng)選在地質(zhì)情況比較好的區(qū)間內(nèi),以避免在詳測時因工程地質(zhì)問題發(fā)生較大變動。以每10環(huán)確定一個測量位置,并用石筆標(biāo)記。

步驟2 現(xiàn)場記錄。推動導(dǎo)高儀,按照步驟1選取的測量位置,采用外業(yè)記錄表記錄測量位置里程;推動掃描儀到測量位置,測量導(dǎo)高和拉出值,并用外業(yè)記錄表記錄相應(yīng)測量位置處的里程、環(huán)號、導(dǎo)高、拉出值。

步驟3 內(nèi)業(yè)處理。利用Amberg Rail內(nèi)業(yè)處理軟件提取導(dǎo)高儀測量位置對應(yīng)斷面,并將斷面導(dǎo)入CAD軟件中,利用量距功能量取接觸網(wǎng)導(dǎo)高和拉出值,與掃描儀的測量數(shù)據(jù)進行對比。

3.2 導(dǎo)高檢測結(jié)果

3.2.1 檢測結(jié)果對比

檢測精度驗證共選取69個檢測斷面(第1環(huán)—第680環(huán))的導(dǎo)高和拉出值進行對比測量。不同設(shè)備的導(dǎo)高檢測結(jié)果對比如表2所示。

表2 不同設(shè)備的導(dǎo)高檢測結(jié)果

3.2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

由表2數(shù)據(jù)可得導(dǎo)高差Δ的統(tǒng)計結(jié)果,如表3所示。

表3 Δ的統(tǒng)計結(jié)果

由表3可見,掃描儀的導(dǎo)高檢測精度基本在±3 mm以內(nèi)。根據(jù)GB 50299—2018《地下鐵道工程施工及驗收標(biāo)準(zhǔn)》,地面導(dǎo)高允許偏差為±30 mm,隧道內(nèi)導(dǎo)高允許偏差為±10 mm。對比表1和表3可見,改進后的掃描儀導(dǎo)高檢測精度有所提高,已滿足相關(guān)要求。

4 結(jié)語

本文基于移動掃描儀技術(shù)提出了地鐵隧道接觸網(wǎng)導(dǎo)高檢測的新方法,并分析了誤差來源;通過增加剛性傾斜組件來改變掃描儀激光線入射角度,進而減少掃描斷面毛刺數(shù)量,并采用等角蘭勃特投影來獲取隧道真實點云模型。與導(dǎo)高儀的測量對比結(jié)果表明,改進后的掃描儀精度基本為±3 mm,滿足相關(guān)規(guī)范要求,為實現(xiàn)快速、高精度、不接觸、無盲區(qū)的地鐵隧道導(dǎo)高檢測提供了保障。