基于點(diǎn)云信息的既有鐵路狀態(tài)檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)研究.pdf

1、隨著鐵路提速和客運(yùn)專(zhuān)線建設(shè)需求，在軌道動(dòng)靜態(tài)檢測(cè)方面新技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從傳統(tǒng)的“軌距尺+人工目視”的靜態(tài)檢測(cè)方法轉(zhuǎn)變到軌檢車(chē)檢測(cè)手段，并采取定期軌檢車(chē)檢查模式。但由于我國(guó)鐵路線路延展里程長(zhǎng)，線路結(jié)構(gòu)類(lèi)型、行車(chē)密度等不盡相同，尤其是既有鐵路行車(chē)密度較大，天窗作業(yè)時(shí)間很短，需要非接觸式外業(yè)測(cè)量方法，同時(shí)為適應(yīng)鐵路建設(shè)BIM化的要求，收集線路沿線的三維信息也是一個(gè)非常重要的研究課題。當(dāng)列車(chē)速度提高后，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)軌道不平順靜態(tài)管理值和動(dòng)態(tài)管

2、理值的沖突問(wèn)題，會(huì)出現(xiàn)靜態(tài)檢查曲線正矢仍符合《修規(guī)》規(guī)定條件下，動(dòng)態(tài)檢查曲線內(nèi)水平加速度Ⅱ、Ⅲ級(jí)扣分現(xiàn)象，主要是由于新的軌道動(dòng)態(tài)管理暫行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)增加的若干項(xiàng)軌道動(dòng)態(tài)不平順檢測(cè)指標(biāo)與傳統(tǒng)的靜態(tài)檢測(cè)指標(biāo)不配套。在目前依然是人工靜態(tài)檢查為主的養(yǎng)修作業(yè)模式下，如何引進(jìn)新的軌道靜態(tài)檢測(cè)技術(shù)滿足提速線路高平順性要求是亟需解決的問(wèn)題。
　　而三維激光掃描在鐵路上的應(yīng)用可以有效解決上述問(wèn)題，尤其是其獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以提供線路檢測(cè)需要詳細(xì)信息，并

3、為三維建模提供支撐。鑒于此，論文以三維激光掃描技術(shù)在既有鐵路狀態(tài)檢測(cè)及評(píng)估中的應(yīng)用為研究課題，主要完成了設(shè)備選型、作業(yè)模式、數(shù)據(jù)處理、軌道特征提取、點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲率分析及曲線整正等方面的研究工作，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的道岔系統(tǒng)進(jìn)行施測(cè)方案分析，研究問(wèn)題具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。完成的工作主要有:
　　(1)完成既有線勘測(cè)地面激光掃描儀技術(shù)作業(yè)模式研究
　　根據(jù)三維激光掃描儀的工作原理，選取精度較高的Surphaser25HSX

4、、Z+FIMAGER5010C這兩種型號(hào)的掃描儀分別在道路、鐵路工程中完成初始實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)采集精度及應(yīng)用可行性。分析影響精度因素及提高措施，并通過(guò)實(shí)地試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析為三維激光掃描儀的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了參考方案作業(yè)模式，即采用相位式激光掃描設(shè)備“之”字型設(shè)站，采用球形標(biāo)靶且一般掃描半徑以不大于30m。
　　(2)研究適合鐵路線路特點(diǎn)的線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程及應(yīng)用方法
　　結(jié)合線路專(zhuān)業(yè)技術(shù)特點(diǎn)，研究線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理方法，分析線路點(diǎn)

5、云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)及球形標(biāo)靶中心擬合算法，在完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪聲去除、冗余消除等基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)利用三維軟件完成既有鐵路三維建模，為既有鐵路設(shè)備三維數(shù)據(jù)管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);以點(diǎn)云為線路CAD上游模型，以軌向和道床斷面為例進(jìn)行了線、面、體設(shè)計(jì)特征的初步提取，同時(shí)根據(jù)曲面建模進(jìn)行了線路橫斷面道床體積及尺寸的獲取，可作為鐵路改建工程的基礎(chǔ)模型使用，對(duì)具體工程進(jìn)行的檢測(cè)與評(píng)估與現(xiàn)場(chǎng)具有較高的吻合度。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的連續(xù)性，通過(guò)研究提出了基于單位基長(zhǎng)曲率變化率的5m

6、間距線路靜態(tài)軌向不平順檢測(cè)方法，彌補(bǔ)了既有線曲率變化率超限點(diǎn)作業(yè)技術(shù)盲區(qū)，同時(shí)亦可用于新建鐵路軌道施工質(zhì)量控制方面以利于改善軌道初始不平順狀態(tài)。
　　(3)研究基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的既有曲線整正方法
　　為適應(yīng)列車(chē)提速后高平順性與高舒適性的需要，對(duì)激光掃描技術(shù)獲取的連續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)挖掘。從坐標(biāo)→曲率→曲率變化率的思路出發(fā)，介紹了基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)法曲線整正方法，分析了基于軌檢車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)的曲線整正算法，提出了基于點(diǎn)云信息

7、的既有線曲率變化率超限整正方法。該方法有別于傳統(tǒng)的通過(guò)某種撥距量組合形式最小為目標(biāo)函數(shù)尋找最優(yōu)半徑，求取全曲線理想圓順位置，從而求取撥距量的曲線整正思路。其特點(diǎn)是直接面向?qū)ο?，直接以曲率變化率超限指?biāo)為紅線，超限者回歸可行域即可，符合車(chē)軌一體化養(yǎng)護(hù)維修要求，整正線路具有更好的軌道幾何形位，也能與列車(chē)的運(yùn)動(dòng)特性更加吻合。
　　(4)形成三維激光掃描在道岔檢測(cè)中的應(yīng)用方案
　　針對(duì)道岔幾何形位檢查要求高，檢測(cè)項(xiàng)目多的特點(diǎn)，將激光

8、掃描技術(shù)引入道岔軌道幾何尺寸檢測(cè)是適應(yīng)現(xiàn)代化工務(wù)運(yùn)營(yíng)干擾少、操作簡(jiǎn)便、全數(shù)據(jù)獲取趨勢(shì)的有益探索。論文從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)識(shí)別及數(shù)據(jù)利用上進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中，充分考慮到道岔結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)檢測(cè)的特殊性（多點(diǎn)、多指標(biāo)），通過(guò)反演，在外業(yè)單站測(cè)量時(shí)進(jìn)行儀器整平，進(jìn)而提高單站數(shù)據(jù)的可操作性及精度，通過(guò)截面或特征面的構(gòu)造完成幾何線位數(shù)據(jù)提取。但是，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)體量龐大，在其專(zhuān)業(yè)化的應(yīng)用過(guò)程中還需要進(jìn)一步優(yōu)化外業(yè)數(shù)據(jù)采集方案，加強(qiáng)線面重