高速鐵路隧道限界及斷面檢測(cè)技術(shù)的研究

楊赫

（沈陽鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽 110013）

1 引言

動(dòng)車組的到來標(biāo)志著中國鐵路正進(jìn)入突飛猛進(jìn)的高速發(fā)展時(shí)代。高速鐵路的發(fā)展對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步起到了積極的推動(dòng)作用。為人們提供了一種全新的、舒適、快捷的生活方式。同時(shí)，在高速運(yùn)行的條件下，對(duì)隧道限界檢測(cè)技術(shù)的要求與既有線運(yùn)營隧道也有所不同。

現(xiàn)行鐵路隧道限界標(biāo)準(zhǔn)是在機(jī)車車輛限界基礎(chǔ)上，考慮各種因素用增加安全余量的辦法確定的。而在列車高速運(yùn)行情況下，確定這個(gè)安全余量的概念與中、低速時(shí)有所不同，在隧道內(nèi)，因空氣動(dòng)力效應(yīng)產(chǎn)生的一系列問題，成為制定隧道限界的控制因素，這主要有旅客及作業(yè)人員的安全避讓距離、允許最大側(cè)向風(fēng)速、隧道內(nèi)瞬變空氣壓力場(chǎng)的影響、列車風(fēng)及隧道阻塞比等，因此對(duì)隧道限界和斷面積的測(cè)量與計(jì)算對(duì)高鐵運(yùn)營具有重要意義。

目前我國運(yùn)營隧道限界檢測(cè)手段主要有手工測(cè)量和隧道限界檢測(cè)車兩種。前者不僅速度慢、誤差大，而且安全系數(shù)低，已不能滿足現(xiàn)代化鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的需要；后者由于受研發(fā)時(shí)期條件限制，主要針對(duì)運(yùn)營中、低速列車的線路進(jìn)行隧道限界測(cè)量，并且不支持?jǐn)嗝娣e計(jì)算。高鐵列車運(yùn)行速度的大幅提高及相應(yīng)的隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的變化，使得隧道檢測(cè)方法必須隨之改進(jìn)。本文設(shè)計(jì)了一種符合高鐵隧道檢測(cè)要求的方案以實(shí)現(xiàn)在不影響高鐵列車正常運(yùn)行的情況下對(duì)隧道限界和斷面積進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。此項(xiàng)研究已于2010年列為鐵道部重點(diǎn)課題，合同編號(hào)2010G007-M。

2 系統(tǒng)的工作原理及組成

高速鐵路隧道凈空大，斷面積的檢測(cè)難度大。難點(diǎn)在于同一時(shí)刻檢測(cè)同一斷面上所有點(diǎn)的數(shù)值。常規(guī)的激光或雷達(dá)掃描測(cè)量，均存在螺旋弧軌跡及測(cè)量點(diǎn)間距過大問題，計(jì)算不出隧道斷面積。所以，考慮研制一套能夠在同一時(shí)刻快速檢測(cè)隧道同一斷面上的各點(diǎn)尺寸的裝置，將其安裝在能夠在高速鐵路上行駛的車體內(nèi)，組成限界及斷面積檢測(cè)車。該檢測(cè)車可以用高速線路維修車牽引，能在列車變速行進(jìn)中進(jìn)行測(cè)量，符合我國高速鐵路管理模式，避免影響列車正常運(yùn)行。

2.1 系統(tǒng)的檢測(cè)原理是

應(yīng)用激光擴(kuò)束技術(shù)，將大功率激光點(diǎn)光源擴(kuò)束為弧線，照射在隧道洞壁上，形成一條高亮度的光帶，作為檢測(cè)基準(zhǔn)。選取高速攝像機(jī)瞬間將隧道斷面全部攝錄下來，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)計(jì)算隧道限界尺寸及斷面積，從而解決高速鐵路隧道限界和斷面積的檢測(cè)問題。

2.2 三角形測(cè)量原理

圖1

隧道檢測(cè)車對(duì)隧道斷面的尺寸測(cè)量應(yīng)用三角形測(cè)量原理。即激光照射平面、隧道洞壁和CCD攝像鏡頭構(gòu)成三角形關(guān)系如圖（1）。CCD相機(jī)光路成像圖如圖（2）所示；

圖2中，投光平面與CCD相機(jī)鏡頭軸線兩者之間的垂直距離為物距用“L”表示，投光平面與隧道洞壁相交取一點(diǎn)為A，鏡頭軸線與投光平面交點(diǎn)為B。F、F'為透鏡焦點(diǎn)，A'為A點(diǎn)在CCD光敏面上所成的像。三角形ΔABC與三角形ΔA'B'C相似，則X/L=ΔX/ ΔL，由于L，ΔL為定值，ΔX可通過A'點(diǎn)在CCD光敏面上的坐標(biāo)求得，則X的值可由公式:X=L/ΔL×ΔX求出，即求得光帶的幾何尺寸。

2.3 隧道斷面積計(jì)算方法

由于隧道斷面屬于不規(guī)則圖形（如圖3中實(shí)線所示），所以不能套用固有的圖形計(jì)算公式求其面積。需采用積分的方法求算，具體思路如下：

（1）設(shè)a為橫坐標(biāo)的最小值即a=min x;b為橫坐標(biāo)的最大值即b=max x；當(dāng)y=0時(shí)，x1=a'，x2=b'，a'＜b'；

（2）分割[a，b]區(qū)間，取點(diǎn)x1……xn-1分割[a，b]區(qū)間，得到n個(gè)區(qū)間；a= x0＜x1＜x2……＜xn-1＜xn=b;在每個(gè)小區(qū)間任取一點(diǎn)ξi，i=1……n，則i所對(duì)應(yīng)的y值為f（ξi），而這個(gè)小區(qū)間的面積可近似看為小長方形的面積。

（3）求斷面積，由a，b為端點(diǎn)圍成圖形的面積公式為：

圖2

圖3

2.4 系統(tǒng)主要由大功率激光準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)、高速CCD數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備、走行定位裝置和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)組成。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要完成圖像采集工作，這部分由大功率激光準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)和高速CCD數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備組成[5](如圖4)。

激光準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)利用擴(kuò)束技術(shù)，將大功率激光點(diǎn)光源擴(kuò)束為弧線，若干條弧線照射在隧道洞壁上，形成一條完整的高亮度光帶，作為檢測(cè)隧道斷面的源圖像。CCD相機(jī)以25幅/秒的速度攝錄光帶圖像，以保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集到隧道徑向斷面尺寸。這相當(dāng)于沿隧道軸線以25Hz的頻率對(duì)隧道的采樣，也就是將隧道切割成若干個(gè)斷面并記錄各斷面在隧道內(nèi)的準(zhǔn)確位置，進(jìn)而求得隧道斷面的實(shí)際尺寸。

對(duì)于鋼軌的測(cè)定也采用相同的方法，在攝錄隧道斷面的同時(shí)，也將車體相對(duì)于鋼軌的位置一并采集處理，從而求得隧道斷面距鋼軌中心線的精確位置。隧道入口位置的確定由紅外光電開關(guān)給出。測(cè)速測(cè)距采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，通過計(jì)算車輛相應(yīng)的運(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)間求出每一斷面在隧道中的準(zhǔn)確位置。

圖4

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用了自頂向下的設(shè)計(jì)思想，在整體框架內(nèi)對(duì)于不同功能按照層次進(jìn)行劃分，以模塊化的功能設(shè)計(jì)方法使復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，以便降低開發(fā)難度，提高工作效率。

根據(jù)隧道限界檢測(cè)系統(tǒng)的功能要求，以人性化操作為基礎(chǔ)，將檢測(cè)時(shí)涉及到的相關(guān)信息，如車輛運(yùn)行速度、行進(jìn)里程、隧道名稱、隧道中心里程和長度等顯示在界面上。便于操作者實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行情況。

圖5

系統(tǒng)軟件部分的工作流程如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，首先對(duì)采集卡等硬件進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)置，接著載入待檢測(cè)隧道信息，然后使用者可以對(duì)初始里程進(jìn)行設(shè)定，軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行累計(jì)，之后系統(tǒng)等待采集指令，當(dāng)收到采集指令后程序以25幀/秒的速度采集并保存隧道圖像。采集到的圖像經(jīng)過幾何變換、去噪校正、圖像插值、拼接等處理[6]，得出實(shí)際尺寸，最后再利用前面提出的斷面積算法求得隧道斷面積的大小。

結(jié)束語

高速鐵路隧道限界及斷面積是高速鐵路的重要基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)之一，它關(guān)系到列車在線路上能否高速、安全的運(yùn)行，也關(guān)系到與隧道相關(guān)設(shè)備和人員的安全，對(duì)高鐵發(fā)展具有重要意義。本文提出的通過圖像采集和圖像處理對(duì)高鐵隧道限界和斷面積進(jìn)行求值的方法為解決這一難題提供了一個(gè)操作方便、高穩(wěn)定性、高精度的可行方案。

[1]劉統(tǒng)畏，何寧.鐵路隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，1995.

[2]陳豪雄，殷杰.隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，1995.

[3]鐵道部第二勘探設(shè)計(jì)院.鐵路工程技術(shù)手冊(cè)，隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1995.

[4]王慶有，孫學(xué)珠.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津：天津大學(xué)出版社，1993.

[5]于英民.計(jì)算機(jī)接口技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1996.

[6]楊枝靈，王開等.Visual C++數(shù)字圖像獲取處理及實(shí)踐應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2003.