激光掃描技術(shù)在軌道施工質(zhì)量自檢中的應(yīng)用研究

白楊軍，段曉峰

(1.中鐵一局集團(tuán)有限公司，西安 710054;2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070)

1 概述

軌道平順性控制是軌道管理的核心問題和技術(shù)關(guān)鍵問題，直接影響鐵路運(yùn)行安全、高速及舒適度，因此，需從設(shè)計(jì)、施工、維修管理等方面進(jìn)行嚴(yán)格控制和規(guī)范管理。由于軌道不平順具有“記憶”特征，初始不平順好的軌道，維修周期長，養(yǎng)護(hù)維修工作量小，能長期保持良好的平順狀態(tài);初始不平順差的軌道，不僅維修周期縮短，即使增加維修作業(yè)次數(shù)也難以改變軌道初期先天不良水平，所以初始不平順是運(yùn)營后各種軌道不平順發(fā)生、發(fā)展、惡化的根源，這就需要在建設(shè)過程中嚴(yán)格控制軌道初始不平順。

鐵路軌道工程施工自檢是軌道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收前的必須環(huán)節(jié)，作為主要檢查內(nèi)容的軌道幾何形位檢查是獲取軌道不平順指標(biāo)(主要有軌距、水平、高低、軌向、復(fù)合不平順及連續(xù)不平順等)的技術(shù)途徑。現(xiàn)有技術(shù)條件下，依照檢查方式的不同分為手工靜態(tài)檢查和檢查車動(dòng)態(tài)檢查。軌道幾何尺寸靜態(tài)檢查，主要利用道尺、弦繩及板尺等檢查工具沿線路按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)逐點(diǎn)進(jìn)行，線路幾何尺寸檢查的主要項(xiàng)目有軌距、水平、軌向、高低及軌底坡。軌道幾何尺寸動(dòng)態(tài)檢查主要設(shè)備是軌檢車，如我國的GJ-5、日本的East-i，德國的OMWE，奧地利Plasser公司的EM250等，檢測項(xiàng)目主要包括軌距、水平、三角坑、高低、軌向、車體垂向加速度、車體橫向加速度、軌距變化率、曲率變化率、橫向加速度變化率等。這種傳統(tǒng)的軌道幾何形位檢測方式一靜一動(dòng)，得到的數(shù)據(jù)一粗一細(xì)，基本可滿足現(xiàn)場需要。但這種數(shù)據(jù)檢測方式人多、效率低，且靜態(tài)數(shù)據(jù)多為抽檢，數(shù)據(jù)離散，與真實(shí)線路形位有較大偏差，軌檢車動(dòng)態(tài)檢測結(jié)果現(xiàn)場施工指導(dǎo)性不足。隨著提速鐵路高平順性和高舒適性要求的提出，軌道初始不平順檢測作業(yè)項(xiàng)目增多且標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，如何改進(jìn)軌道施工自檢功效，進(jìn)而改善軌道初始不平順狀態(tài)，提升軌道施工質(zhì)量是目前施工單位適應(yīng)鐵路建設(shè)新形勢下要主動(dòng)解決的一個(gè)難題。三維激光掃描技術(shù)是最新的測量技術(shù)，我們嘗試以此為問題解決的切入點(diǎn)。

三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，源于逆向工程，是從單點(diǎn)測量進(jìn)化到面測量的革命性技術(shù)突破，具有采集效率高、數(shù)據(jù)連續(xù)、實(shí)時(shí)三維、非接觸性等獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)優(yōu)勢。按照載體的不同，三維激光掃描系統(tǒng)又可分為機(jī)載、車載、地面和手持型幾類。三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云(point cloud)數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的物體表面模型。在我國鐵路建設(shè)領(lǐng)域，主要應(yīng)用涉及測量工程領(lǐng)域和結(jié)構(gòu)測量領(lǐng)域，目前已取得的研究成果包括:利用機(jī)載激光掃描技術(shù)獲取三維點(diǎn)云信息建立數(shù)字地形模型，進(jìn)行初測階段帶狀等高線地形圖的應(yīng)用研究和定測階段橫縱斷面測量的應(yīng)用研究［1］;隧道斷面測量及變形監(jiān)測應(yīng)用［2，3］;在既有鐵路勘測中，已就地面激光掃描儀的數(shù)據(jù)采集方法展開初步研究［4］，正試圖擴(kuò)展激光掃描技術(shù)在結(jié)構(gòu)測量領(lǐng)域的應(yīng)用［5］，相關(guān)的數(shù)據(jù)處理方法基本處于技術(shù)探索階段。

本研究利用三維激光掃描系統(tǒng)對鋪砟整道后的新建鐵路軌道施工質(zhì)量進(jìn)行一般項(xiàng)目自檢，結(jié)合線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)特點(diǎn)，通過實(shí)時(shí)連續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析及利用，以期實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、智能化鐵路線路軌道測量，為該技術(shù)在鐵路建設(shè)領(lǐng)域廣泛推廣應(yīng)用進(jìn)行技術(shù)積累。

2 檢測試驗(yàn)

2.1 檢測依托工程概況

中鐵一局集團(tuán)承建的甘泉鐵路(甘其毛都至萬水泉南站)工程，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西北部的包頭市、巴彥淖爾市境內(nèi)，起訖里程DK22+500～DK359+200，線路全長367 km，為國家Ⅰ級單線電氣化鐵路，貨運(yùn)專線，設(shè)計(jì)時(shí)速 120 km，最小曲線半徑:一般地段1 200 m，困難地段800 m;限制坡度:上行6‰，下行13‰;軌道結(jié)構(gòu):重型有砟。

結(jié)合前期研究成果［4］，選用美國 BASIS公司的Surphaser25HSX地面三維激光掃描儀對甘泉鐵路DK126+050～K127+500段線路進(jìn)行檢測。測區(qū)平面示意見圖1。

圖1 檢測試驗(yàn)段平面示意

2.2 檢測內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)

針對鋪砟整道后的軌道工程施工質(zhì)量進(jìn)行自檢，包括:軌道靜態(tài)平順度、軌面高程、軌道中線偏差。對應(yīng)檢測標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 檢測內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)［6］

依據(jù)《鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(TB10413—2003/J284—2004)規(guī)定，采用傳統(tǒng)檢測技術(shù)(觀察檢查、尺量)要求施工單位正線每2 km各項(xiàng)均抽檢10個(gè)測點(diǎn)，但每單位工程至少抽檢1個(gè)曲線10個(gè)測點(diǎn)。本次試驗(yàn)采用地面激光掃描儀，通過采集連續(xù)的點(diǎn)云信息，在內(nèi)業(yè)根據(jù)指標(biāo)特性，利用提取的線路點(diǎn)云內(nèi)/外軌三維數(shù)據(jù)，10 m或20 m弦長取點(diǎn)測量相關(guān)指標(biāo)。

2.3 檢測方案

綜合考慮測量精度與效率的匹配問題，檢測試驗(yàn)中采用了線路中線“一”字形施測(沿線路中心線移站)、“之”字形施測(路基雙側(cè)交替移站)、低地面儀器“一”字形施測(無腳架線路中心移站)3種方案，具體測站布置如圖2所示。

圖2 測站布設(shè)示意(單位:m)

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集中，將三維激光掃描儀掃描密度定為20×20，則點(diǎn)位間隔遞增率為0.8 mm/m，可以滿足數(shù)據(jù)采集密度需要。同時(shí)，在測區(qū)(縱向?yàn)橥黄露?首、中、尾處布置了3對控制點(diǎn)，用全站儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行了控制測量。激光掃描儀外業(yè)作業(yè)僅需2人，1人負(fù)責(zé)儀器，1人配合移動(dòng)標(biāo)靶即可。對應(yīng)的控制測量按常規(guī)作業(yè)需配備6人。

依照現(xiàn)場掃描結(jié)果(圖3～圖5)，3種施測方案其對應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

圖3～圖5顯示了不同施測方案局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后的效果。

圖4 采用“之”字形施測點(diǎn)云處理效果圖

圖5 采用低地面儀器“一”字形施測點(diǎn)云處理效果圖

表2 施測方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

3 檢測數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

對外業(yè)采集回來的散亂的點(diǎn)云信息需在內(nèi)業(yè)結(jié)合專業(yè)軟件的處理才能得以工程應(yīng)用，具體包括線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理與線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取。原始采集點(diǎn)云見圖6。

3.1.1 線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

因線路結(jié)構(gòu)的長帶狀、松散性、材料異性等自身屬性，使其預(yù)處理過程明顯有別于普通逆向工程技術(shù)流程［7］，線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理關(guān)鍵技術(shù)主要包括多視拼合、噪聲去除、數(shù)據(jù)簡化和網(wǎng)格化。

多視拼合是指用磁性覘標(biāo)控制點(diǎn)法進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)，將所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個(gè)共同的參考坐標(biāo)系統(tǒng)，以取得統(tǒng)一的相對坐標(biāo)，并進(jìn)一步結(jié)合控制網(wǎng)坐標(biāo)，將點(diǎn)云回歸絕對坐標(biāo)。在具體操作過程中，同名點(diǎn)(即標(biāo)靶)注冊后，嚴(yán)格控制審核誤差，若誤差大于要求范圍，需重新選點(diǎn)，拼接。

噪聲去除用于減少在掃描過程中產(chǎn)生的一些噪聲點(diǎn)數(shù)據(jù)，所謂的噪聲點(diǎn)是指模型表面粗糙的、非均勻的外表點(diǎn)云，掃描過程中由于掃描儀器的輕微抖動(dòng)等原因產(chǎn)生。減噪處理可以使數(shù)據(jù)平滑，降低模型的這些偏差點(diǎn)的偏差值，因此在操作過程中需結(jié)合線路不同設(shè)備特征，進(jìn)行自由曲面和平滑級別的各自處理。

最后根據(jù)所要解決的工程實(shí)際對數(shù)據(jù)采集密度的要求，進(jìn)行數(shù)據(jù)簡化，刪除冗余數(shù)據(jù)，進(jìn)行封裝(圖7)，構(gòu)建多邊形三角面片模型，根據(jù)需要可利用后處理軟件的曲線處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多邊形網(wǎng)格的規(guī)則化，作為上游數(shù)據(jù)為CAD正向設(shè)計(jì)提供支持。

圖6 原始采集點(diǎn)云

圖7 封裝后的點(diǎn)云

3.1.2 線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取

點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取即線路點(diǎn)云模型重構(gòu)是激光掃描技術(shù)專業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，是指以已有的物理模型為上游數(shù)據(jù)，產(chǎn)生正向CAD設(shè)計(jì)特征模型的過程，包含離散測點(diǎn)的網(wǎng)格化、特征提取、表面分片和曲面生成等。在具體的應(yīng)用中結(jié)合軌道施工質(zhì)量自檢指標(biāo)的特點(diǎn)，以特征面(圖8)的構(gòu)建為關(guān)鍵進(jìn)行了線路軌向及道床斷面數(shù)據(jù)的提取。提取后的軌向數(shù)據(jù)同時(shí)包括內(nèi)/外軌數(shù)據(jù)，最小點(diǎn)位間隔為1 m，并可據(jù)此進(jìn)行實(shí)測線路中心線位的提取。將這些數(shù)據(jù)另存為DXF格式導(dǎo)入CAD便于靜態(tài)幾何形位等指標(biāo)的具體量測與分析，如軌距的量測見圖9。

3.2 線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析

3.2.1 軌道中線

根據(jù)提取線路中心線位置，將其和設(shè)計(jì)線路中樁進(jìn)行對比分析，三維比較標(biāo)準(zhǔn)偏差0.173 m，最大上偏差0.365 m，最大下偏差 0.500 m，在±0.145 m 以內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)占到55.26%，具體偏差分分布見圖10。

圖8 特征面構(gòu)建

圖9 CAD軌距測量(單位:m)

圖10 檢測試驗(yàn)三維偏差分布示意

3.2.2 軌面高程

對三維線路中心線縱向投影，高差分布見圖11，軌面高程合格率98%。

圖11 高差分布示意

3.2.3 軌道靜態(tài)平順度

根據(jù)提取的內(nèi)/外軌三維線條，在AutoCAD中根據(jù)指標(biāo)特性，10 m或20 m弦長取點(diǎn)測量，詳見表3。

參照檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可知，軌距合格率16.2%;軌面高低合格率89.8%;軌向合格率:直線段50%，緩和曲線段30%，圓曲線段32%。

軌距超限原因主要有扣件松動(dòng);鋼軌硬彎或焊接鋼軌時(shí)沒有對正;曲線地段軌道加強(qiáng)設(shè)備不足或超高設(shè)置不當(dāng)。軌向方向不良大多數(shù)是由于鋼軌存在硬彎、碎彎造成的，該檢測試驗(yàn)段主要位于曲線，由于彎度大，容易出現(xiàn)接頭支嘴，也是出現(xiàn)方向不良的一個(gè)原因。

這里曲線頭尾的幾何偏差很大，而這往往是列車曲線脫軌的重要原因，這種幾何偏差實(shí)質(zhì)上是一種軌道超高和曲率不匹配的嚴(yán)重復(fù)合不平順，將使車輛產(chǎn)生劇烈搖晃，脫軌系數(shù)和減載率側(cè)向力均顯著增加。為了進(jìn)一步辨識(shí)軌向不良帶來的連鎖反應(yīng)，結(jié)合既有線點(diǎn)云整正方法研究［5］，進(jìn)行了改試驗(yàn)段的部分曲率變化率分析，如圖12所示。

圖12 實(shí)測5 m間距點(diǎn)曲率變化率

曲率變化率分析數(shù)據(jù)顯示在 DK126+823.57，DK126+838.57，軌向嚴(yán)重不良，與現(xiàn)場圓曲線正是最大最小值差所在位置檢測結(jié)果吻合。

基于上述軌道檢測結(jié)果進(jìn)行了線路調(diào)整，線路不平順得以改觀，Ⅱ級超限點(diǎn)基本消除，極大地改善了線路初始不平順狀態(tài)。

4 結(jié)語

本次檢測試驗(yàn)研究以軌道施工自檢為依托，采用激光掃描技術(shù)對鐵路線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、處理、分析及利用進(jìn)行了探索，獲得了有益的技術(shù)積累，主要結(jié)論如下。

表3 檢測記錄mm

(1)明確線路勘測地面激光掃描技術(shù)作業(yè)模式。包括儀器選型、控制網(wǎng)布設(shè)、標(biāo)靶布置、施測流程等具體要求。

(2)提出線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法。結(jié)合線路專業(yè)技術(shù)特點(diǎn)，提出線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理方法和線路點(diǎn)云線、面、體設(shè)計(jì)特征的初步提取方法，基于此可一次性完成軌道中線、軌面高程、軌道靜態(tài)平順度等軌道設(shè)備尺寸檢查，極大地降低了外業(yè)作業(yè)強(qiáng)度，提高了工作效率。

海量的線路點(diǎn)云信息對現(xiàn)場進(jìn)行了實(shí)景復(fù)制，可根據(jù)不同用戶需要進(jìn)行三維設(shè)備線、面、體的查詢和管理，豐富了數(shù)據(jù)管理手段。與此同時(shí)，由于鐵路建設(shè)需要的復(fù)雜性，激光掃描技術(shù)在其專業(yè)應(yīng)用推廣中需進(jìn)一步處理好精度、效率、智能化的匹配問題。

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