激光掃描在軌道限界檢測(cè)中的應(yīng)用

1、激光掃描在軌道限界檢測(cè)中的應(yīng)用        摘 要：介紹了檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、檢測(cè)結(jié)果。該系統(tǒng)對(duì)保障不斷的軌道運(yùn)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(guó)客運(yùn)專線的建設(shè)，對(duì)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(cè)的要求。目前我國(guó)僅有的輛隧道檢測(cè)車，只能用于隧道檢測(cè)，不能檢測(cè)其他限界，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用的靜態(tài)限界檢測(cè)設(shè)備，一般多為三角架方式的定點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)一個(gè)斷面需要幾分鐘

2、甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。如果能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)對(duì)限界狀況進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，就能夠?qū)崟r(shí)掌握限界變化，及時(shí)消除影響運(yùn)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(cè)量列車、接觸網(wǎng)、線路、橋梁、隧道、站臺(tái)、道床斷面等限界數(shù)據(jù)的檢測(cè)設(shè)備，以滿足不斷發(fā)展的軌道交通安全運(yùn)輸?shù)男枰? 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)      采用傳統(tǒng)的激光測(cè)距技術(shù)測(cè)量限界，精度很高，但效率低，適用于施工驗(yàn)收等對(duì)精度要求較高等情況。對(duì)于日常檢查，則精度要求相對(duì)較低，但要求檢測(cè)效率高、速度快。通過對(duì)相關(guān)檢測(cè)技術(shù)的調(diào)查研究和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用激光掃描技術(shù)，可以大大提高

3、檢測(cè)速度，實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)檢測(cè)的要求，而且可以應(yīng)用在線路的任何位置。      激光掃描檢測(cè)的基本原理是采用時(shí)間法測(cè)量距離。測(cè)量啟動(dòng)時(shí)，發(fā)射激光，計(jì)時(shí)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(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束，用光束發(fā)射到接收所花費(fèi)的時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離值，這樣就完成一次測(cè)量,這種測(cè)試簡(jiǎn)稱為TOF(timeofflight)。鏡子按某一固定的速度360°旋轉(zhuǎn)，完成各個(gè)角度的測(cè)量。數(shù)據(jù)以極坐標(biāo)的形式存儲(chǔ)在傳感器的存儲(chǔ)器中，由接口電路發(fā)送給上位計(jì)算機(jī)。      檢測(cè)系統(tǒng)

4、設(shè)計(jì)為便攜式連續(xù)測(cè)量方式。要實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，需要有里程定位裝置，實(shí)現(xiàn)里程的自動(dòng)累加（減），并可按照固定的采樣間隔進(jìn)行測(cè)量。由于測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)設(shè)備能夠安裝在可折疊的移動(dòng)小車上，采用人工推行的方式檢測(cè)（圖），也可固定在移動(dòng)車輛上實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成框圖見圖。計(jì)算機(jī)可采用小型工控機(jī)或筆記本進(jìn)行處理，由于測(cè)量的主要處理能夠在傳感器的處理芯片中進(jìn)行，系統(tǒng)可采用掌上電腦記錄和處理。2.2 系統(tǒng)驗(yàn)證      為試驗(yàn)激光掃描檢測(cè)隧道限界的可行性，我們?cè)诒本┌诉_(dá)嶺公路隧道進(jìn)行了可行性試驗(yàn)，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(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。圖為八達(dá)嶺隧道的測(cè)試數(shù)據(jù)的三維展示。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用這種方式進(jìn)行檢測(cè)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(gè)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(cè)中，坐標(biāo)原點(diǎn)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(gè)傳感器勢(shì)必重量和體積都變得很大，不符合便攜檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)原則。因此，要實(shí)現(xiàn)隧道和線路斷面的限界檢測(cè)，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(cè)系統(tǒng)經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)和公路隧道中進(jìn)行的試驗(yàn)后，在對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，要使測(cè)試設(shè)備能夠滿足實(shí)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(jì)算機(jī)從傳感器接收到的數(shù)據(jù)，是以傳感器為原點(diǎn)，垂直于傳感器平面的極坐標(biāo)值，因此，必須轉(zhuǎn)換為實(shí)際的應(yīng)用坐標(biāo)。在軌道交通界限檢測(cè)中，坐標(biāo)原點(diǎn)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(cè)斷面與軌道中心線的夾角，才能得到檢測(cè)斷面的實(shí)際數(shù)據(jù)。安裝在行

7、進(jìn)車輛上進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，需由慣性平臺(tái)提供的車輛運(yùn)行姿態(tài)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，才能得到準(zhǔn)確的限界數(shù)據(jù)。3.2 輔助測(cè)量系統(tǒng)      我們?cè)谌斯ね菩械臏y(cè)量小車這一輔助測(cè)量系統(tǒng)中，采用機(jī)械裝置使測(cè)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(jìn)方向，傳感器的安裝平面垂直于由2個(gè)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(cè)量值修正后得到。因此，實(shí)際的測(cè)量小車具有距離定位和軌距測(cè)量功能。1        

8、; 4 檢測(cè)系統(tǒng)的功能      我們研制完成后的檢測(cè)系統(tǒng)具有限界檢測(cè)、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(chǔ)存，提供侵入限界的具體位置和坐標(biāo)。由于數(shù)字化存儲(chǔ)，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(yùn)輸安全提供限界數(shù)據(jù)。      圖為在一鐵路線路上進(jìn)行的測(cè)試情況。圖中能夠清晰地看到所檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)的隧道斷面圖，圖中的紅色線為內(nèi)燃機(jī)車牽引線路的建筑接近限界和隧道限界，藍(lán)色線為實(shí)測(cè)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(cè)系統(tǒng)的實(shí)