激光掃描在軌道限界檢測中的應(yīng)用

1、激光掃描在軌道限界檢測中的應(yīng)用        摘 要：介紹了檢測系統(tǒng)的設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、檢測結(jié)果。該系統(tǒng)對保障不斷的軌道運輸安全有重要意義。關(guān)鍵詞：城市軌道交通；激光掃描；限界 1 引言      隨著我國客運專線的建設(shè)，對限界的要求也更為嚴(yán)格。在城市軌道交通中，也存在大量限界檢測的要求。目前我國僅有的輛隧道檢測車，只能用于隧道檢測，不能檢測其他限界，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際需要。國內(nèi)市場上應(yīng)用的靜態(tài)限界檢測設(shè)備，一般多為三角架方式的定點檢測，檢測一個斷面需要幾分鐘

2、甚至更長的時間。如果能夠?qū)崟r、連續(xù)對限界狀況進行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，就能夠?qū)崟r掌握限界變化，及時消除影響運輸安全的隱患。因此，迫切需要研發(fā)一套能夠快速、連續(xù)測量列車、接觸網(wǎng)、線路、橋梁、隧道、站臺、道床斷面等限界數(shù)據(jù)的檢測設(shè)備，以滿足不斷發(fā)展的軌道交通安全運輸?shù)男枰? 檢測系統(tǒng)設(shè)計及驗證2.1 系統(tǒng)設(shè)計      采用傳統(tǒng)的激光測距技術(shù)測量限界，精度很高，但效率低，適用于施工驗收等對精度要求較高等情況。對于日常檢查，則精度要求相對較低，但要求檢測效率高、速度快。通過對相關(guān)檢測技術(shù)的調(diào)查研究和試驗，發(fā)現(xiàn)采用激光掃描技術(shù)，可以大大提高

3、檢測速度，實現(xiàn)快速連續(xù)檢測的要求，而且可以應(yīng)用在線路的任何位置。      激光掃描檢測的基本原理是采用時間法測量距離。測量啟動時，發(fā)射激光，計時開始，激光經(jīng)鏡子反射打在目標(biāo)物上，漫反射后的接受光束經(jīng)鏡子發(fā)射到成像二極管時，計時結(jié)束，用光束發(fā)射到接收所花費的時間轉(zhuǎn)換為距離值，這樣就完成一次測量,這種測試簡稱為TOF(timeofflight)。鏡子按某一固定的速度360°旋轉(zhuǎn)，完成各個角度的測量。數(shù)據(jù)以極坐標(biāo)的形式存儲在傳感器的存儲器中，由接口電路發(fā)送給上位計算機。      檢測系統(tǒng)

4、設(shè)計為便攜式連續(xù)測量方式。要實現(xiàn)連續(xù)測量，需要有里程定位裝置，實現(xiàn)里程的自動累加（減），并可按照固定的采樣間隔進行測量。由于測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，檢測設(shè)備能夠安裝在可折疊的移動小車上，采用人工推行的方式檢測（圖），也可固定在移動車輛上實現(xiàn)檢測。檢測系統(tǒng)構(gòu)成框圖見圖。計算機可采用小型工控機或筆記本進行處理，由于測量的主要處理能夠在傳感器的處理芯片中進行，系統(tǒng)可采用掌上電腦記錄和處理。2.2 系統(tǒng)驗證      為試驗激光掃描檢測隧道限界的可行性，我們在北京八達(dá)嶺公路隧道進行了可行性試驗，傳感器采用 180°激光掃描傳感器，最小角度分辨為0.

5、25°，將傳感器安裝在汽車的頂部進行測試試驗。圖為八達(dá)嶺隧道的測試數(shù)據(jù)的三維展示。試驗結(jié)果表明，采用這種方式進行檢測具有很高的效率。但這種傳感器的掃描角度為 180°，傳感器安裝部位以下的部分掃描不到，如果要掃到隧道的地角必須采用 2 個以上的傳感器一起工作，將掃描數(shù)據(jù)合成得到隧道斷面。      在鐵路與地鐵隧道斷面檢測中，坐標(biāo)原點為軌道中心線，因此，必須掃描到 2 根鋼軌才能確定掃描斷面。如果采用2個傳感器勢必重量和體積都變得很大，不符合便攜檢測單元的設(shè)計原則。因此，要實現(xiàn)隧道和線路斷面的限界檢測，必須采用掃描角度270

6、°，安裝后能夠直接掃描到鋼軌位置的傳感器。3 數(shù)據(jù)處理      檢測系統(tǒng)經(jīng)室內(nèi)試驗和公路隧道中進行的試驗后，在對檢測數(shù)據(jù)進行分析時發(fā)現(xiàn)，要使測試設(shè)備能夠滿足實際使用，必須要解決坐標(biāo)系的建立問題。3.1 坐標(biāo)系的建立      計算機從傳感器接收到的數(shù)據(jù)，是以傳感器為原點，垂直于傳感器平面的極坐標(biāo)值，因此，必須轉(zhuǎn)換為實際的應(yīng)用坐標(biāo)。在軌道交通界限檢測中，坐標(biāo)原點為軌道中心線。掃描斷面必須首先確定 2 根鋼軌頂面位置，并修正檢測斷面與軌道中心線的夾角，才能得到檢測斷面的實際數(shù)據(jù)。安裝在行

7、進車輛上進行動態(tài)測量時，需由慣性平臺提供的車輛運行姿態(tài)對測試數(shù)據(jù)進行補償，才能得到準(zhǔn)確的限界數(shù)據(jù)。3.2 輔助測量系統(tǒng)      我們在人工推行的測量小車這一輔助測量系統(tǒng)中，采用機械裝置使測量小車的接觸輪與鋼軌保持方向一致，使傳感器的掃描斷面垂直于小車的前進方向，傳感器的安裝平面垂直于由2個接觸輪形成的軌道平面。這樣，一旦傳感器完成安裝，就可確定得到一側(cè)軌道與傳感器的位置關(guān)系，另一側(cè)位置則由軌距測量值修正后得到。因此，實際的測量小車具有距離定位和軌距測量功能。1        

8、; 4 檢測系統(tǒng)的功能      我們研制完成后的檢測系統(tǒng)具有限界檢測、里程定位，并提供軌距和接觸網(wǎng)位置參數(shù)等功能。數(shù)據(jù)可以按距離采樣儲存，提供侵入限界的具體位置和坐標(biāo)。由于數(shù)字化存儲，數(shù)據(jù)可以按任意給定的坐標(biāo)提供數(shù)據(jù)?？梢詫?dǎo)入數(shù)據(jù)庫中管理，按用戶要求提供某一區(qū)段的最小限界，為運輸安全提供限界數(shù)據(jù)。      圖為在一鐵路線路上進行的測試情況。圖中能夠清晰地看到所檢測到的接觸網(wǎng)桿、導(dǎo)線位置、道床斷面、圍墻等軌道周圍的物體形狀。      圖為檢測系統(tǒng)實測的隧道斷面圖，圖中的紅色線為內(nèi)燃機車牽引線路的建筑接近限界和隧道限界，藍(lán)色線為實測隧道斷面。圖中可以看到有明顯限界超限存在。5 結(jié)束語      通過檢測系統(tǒng)的實