基于點云信息的既有鐵路狀態(tài)檢測與評估技術(shù)研究.pdf

1、隨著鐵路提速和客運專線建設需求，在軌道動靜態(tài)檢測方面新技術(shù)應用越來越廣泛，從傳統(tǒng)的“軌距尺+人工目視”的靜態(tài)檢測方法轉(zhuǎn)變到軌檢車檢測手段，并采取定期軌檢車檢查模式。但由于我國鐵路線路延展里程長，線路結(jié)構(gòu)類型、行車密度等不盡相同，尤其是既有鐵路行車密度較大，天窗作業(yè)時間很短，需要非接觸式外業(yè)測量方法，同時為適應鐵路建設BIM化的要求，收集線路沿線的三維信息也是一個非常重要的研究課題。當列車速度提高后，經(jīng)常會出現(xiàn)軌道不平順靜態(tài)管理值和動態(tài)管

2、理值的沖突問題，會出現(xiàn)靜態(tài)檢查曲線正矢仍符合《修規(guī)》規(guī)定條件下，動態(tài)檢查曲線內(nèi)水平加速度Ⅱ、Ⅲ級扣分現(xiàn)象，主要是由于新的軌道動態(tài)管理暫行試驗標準增加的若干項軌道動態(tài)不平順檢測指標與傳統(tǒng)的靜態(tài)檢測指標不配套。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，如何引進新的軌道靜態(tài)檢測技術(shù)滿足提速線路高平順性要求是亟需解決的問題。
　　而三維激光掃描在鐵路上的應用可以有效解決上述問題，尤其是其獲取的點云數(shù)據(jù)，可以提供線路檢測需要詳細信息，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)檢測及評估中的應用為研究課題，主要完成了設備選型、作業(yè)模式、數(shù)據(jù)處理、軌道特征提取、點云數(shù)據(jù)曲率分析及曲線整正等方面的研究工作，同時對結(jié)構(gòu)較為復雜的道岔系統(tǒng)進行施測方案分析，研究問題具有重要的理論意義和實用價值。完成的工作主要有:
　　(1)完成既有線勘測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這兩種型號的掃描儀分別在道路、鐵路工程中完成初始實驗，分析數(shù)據(jù)采集精度及應用可行性。分析影響精度因素及提高措施，并通過實地試驗及數(shù)據(jù)分析為三維激光掃描儀的現(xiàn)場應用提供了參考方案作業(yè)模式，即采用相位式激光掃描設備“之”字型設站，采用球形標靶且一般掃描半徑以不大于30m。
　　(2)研究適合鐵路線路特點的線路點云數(shù)據(jù)處理流程及應用方法
　　結(jié)合線路專業(yè)技術(shù)特點，研究線路點云數(shù)據(jù)后處理方法，分析線路點

5、云數(shù)據(jù)配準及球形標靶中心擬合算法，在完成點云數(shù)據(jù)噪聲去除、冗余消除等基礎上，實現(xiàn)利用三維軟件完成既有鐵路三維建模，為既有鐵路設備三維數(shù)據(jù)管理提供基礎數(shù)據(jù);以點云為線路CAD上游模型，以軌向和道床斷面為例進行了線、面、體設計特征的初步提取，同時根據(jù)曲面建模進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模型使用，對具體工程進行的檢測與評估與現(xiàn)場具有較高的吻合度。利用點云數(shù)據(jù)的連續(xù)性，通過研究提出了基于單位基長曲率變化率的5m

6、間距線路靜態(tài)軌向不平順檢測方法，彌補了既有線曲率變化率超限點作業(yè)技術(shù)盲區(qū)，同時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)研究基于點云數(shù)據(jù)的既有曲線整正方法
　　為適應列車提速后高平順性與高舒適性的需要，對激光掃描技術(shù)獲取的連續(xù)點云數(shù)據(jù)信息進行深入的數(shù)據(jù)挖掘。從坐標→曲率→曲率變化率的思路出發(fā)，介紹了基于點云數(shù)據(jù)的坐標法曲線整正方法，分析了基于軌檢車檢測數(shù)據(jù)的曲線整正算法，提出了基于點云信息

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)的通過某種撥距量組合形式最小為目標函數(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。其特點是直接面向?qū)ο?，直接以曲率變化率超限指標為紅線，超限者回歸可行域即可，符合車軌一體化養(yǎng)護維修要求，整正線路具有更好的軌道幾何形位，也能與列車的運動特性更加吻合。
　　(4)形成三維激光掃描在道岔檢測中的應用方案
　　針對道岔幾何形位檢查要求高，檢測項目多的特點，將激光

8、掃描技術(shù)引入道岔軌道幾何尺寸檢測是適應現(xiàn)代化工務運營干擾少、操作簡便、全數(shù)據(jù)獲取趨勢的有益探索。論文從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)識別及數(shù)據(jù)利用上進行了系統(tǒng)的試驗研究。試驗中，充分考慮到道岔結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)檢測的特殊性（多點、多指標），通過反演，在外業(yè)單站測量時進行儀器整平，進而提高單站數(shù)據(jù)的可操作性及精度，通過截面或特征面的構(gòu)造完成幾何線位數(shù)據(jù)提取。但是，由于點云數(shù)據(jù)體量龐大，在其專業(yè)化的應用過程中還需要進一步優(yōu)化外業(yè)數(shù)據(jù)采集方案，加強線面重