高速鐵路Ⅲ型軌道板尺寸快速檢測技術研究

許　磊

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

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高速鐵路Ⅲ型軌道板尺寸快速檢測技術研究

許磊

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

摘要提出一種基于激光跟蹤和手持激光掃描組合技術的軌道板外觀尺寸快速檢測方法。手持類激光掃描儀可以快速、高精度地獲取軌道板表面激光點云數據，絕對激光跟蹤儀可為手持掃描儀提供高頻、高精度位置和姿態信息，這些信息將用于手持掃描儀實時定位定姿。利用掃描獲取的軌道板激光點云數據，通過點云分類與采樣一致性算法，可實現軌道模型參數的自動提取，將自動提取的模型參數與設計模型進行比較，可實現軌道板外觀尺寸的檢測。

關鍵詞Ⅲ型軌道板尺寸檢測激光掃描點云分類采樣一致性

目前，高速鐵路Ⅲ型軌道板外觀尺寸檢測主要有以下兩種手段。(1)基于馬達驅動型全站儀+特殊裝置的方式:在Ⅱ型軌道板尺寸檢測的基礎上，對裝置進行改進，對全站儀數據采集和分析軟件進行升級，實現Ⅲ型軌道板外觀尺寸檢測。此類方法是目前工程上應用最多的檢測手段，可實現軌道板外觀尺寸的直接檢測，完成一塊軌道板外觀尺寸完整檢測的時間約40 min，效率上很難滿足軌道板廠實際生產需求。(2)基于近景攝影測量+機械驅動方式：基于近景攝影測量系統的自動化檢測系統，通過步進電機驅動攝像機，讓攝像機在軌道板上方沿著設定的路線進行移動攝像。此類方法可以實現軌道板外觀尺寸的快速獲取，再通過分析軟件的處理，實現軌道板外觀尺寸結果的自動生成。此類方法在效率上有很大提高，但需要對檢測現場進行改造，掃描儀運動的機械裝置較為復雜，不能實現靈活的數據獲取方式。

1方法

1.1方法簡介

高速鐵路Ⅲ型板式(Chinese Railway Track Slab，CRTS Ⅲ型)無砟軌道板是我國具有完全自主知識產權的新型軌道板，采用工廠化一次加工成型，無需后期打磨。相比之前其他類型的軌道板，檢測規范對CRTS Ⅲ型加工尺寸的精度要求更加嚴格，檢測項目更多，且必須對每一塊軌道板進行尺寸檢測。利用手持類激光掃描儀快速高精度掃描，獲取軌道板表面點云數據，再利用軌道板表面高密度的激光點云，采用點云分割與模型采樣一致性算法，自動提取軌道板模型參數。

本文提出的CRTS Ⅲ型軌道板檢測流程如圖1所示，主要包含3個部分：(1)建立軌道板局部坐標系，將軌道板掃描數據糾正至此坐標系；(2)對糾正后的軌道板點云進行分類，準確分割承軌臺的承軌面、鉗口面以及預埋套管處激光點云數據；(3)分別采用平面擬合和球形模型擬合的方法，實現承軌面和鉗口面的平面參數以及預埋套管球形參數的提取。最后，利用提取的承軌面、鉗口面平面參數及預埋套管球形參數，參照軌道板設計文件，計算軌道板尺寸偏差。

圖1　基于激光跟蹤和手持激光掃描組合軌道板檢測流程

1.2激光點云坐標系糾正

手持類激光掃描儀自動獲取軌道板激光點云數據一般采用任意坐標系，為了對激光點云進行快速分類，需要將激光點云糾正至軌道板相對坐標系，糾正后的軌道板坐標系如圖2。

圖2　軌道板局部坐標系

1.3激光點云分類

(1)承軌面與鉗口面點云分類

為了實現承軌面與鉗口面平面點云分類，首先采用矩形分割的方法進行平面點云分割，再對分割后點云進行高程濾波，即可分別獲得承軌面與鉗口面平面點云。在進行矩形分割時，根據已知軌道板類型的設計文件，定義承軌面與鉗口面表面分割矩形。在進行高程濾波時，根據設計文件，計算承軌面與鉗口面的高程最大值與最小值，再利用公式(1)，對矩形分割的點云進行高程濾波。承軌面與鉗口面點云分類如圖3及式(1)。

圖3　承軌面與鉗口面點云分類

(1)

(2)預埋套管處球形點云分類

為了檢測預埋套管相關的尺寸加工偏差，需要準確測量預埋套管中心位置。借助自歸心球形棱鏡，采用間接方式獲取預埋套管中心位置。

自歸心球棱鏡安放于預埋套管處，掃描儀獲取球棱鏡表面激光點云。經過坐標系糾正的軌道板點云各預埋套管的位置基本固定。自歸心球形棱鏡球半徑和球心至自歸心裝置底部的高度已知，可以準確計算球形棱鏡中心的理論位置，再利用公式(2)所示的半徑搜索算法進行半徑搜索，可實現自歸心球棱鏡表面激光點云自動分類。

(2)

1.4激光點云模型采樣

(1)承軌面與鉗口面平面模型采樣

對經過分類的承軌面與鉗口面激光點云采用平面模型采樣一致性算法，獲得平面模型參數，如圖4。

圖4　承軌面與鉗口面平面采樣一致性

(2)預埋套管處球形模型提取

對經過分類的球形棱鏡表面點云采用球形模型采樣一致性算法，獲得球形模型參數，如圖5。

圖5　自歸心球棱鏡球形采樣一致性

1.5軌道板幾何尺寸計算

鐵總科技[2013]162文件中詳細列舉了CRTS Ⅲ型軌道板外觀尺寸偏差及檢驗要求，主要包含軌道板外觀尺寸、預埋套管、承軌臺、扣件間距、板頂面平整度等偏差要求。根據1.4中提取的模型參數，可以計算相應的尺寸值，再與設計值進行比較，即可獲得軌道板各部件加工尺寸偏差值。這里只列舉其中相對重要的項目，如承軌臺預埋套管中心距離，可根據模型擬合的球形模型中球形中心坐標，計算螺栓孔中心實際距離，再與標準值進行比較(設計值為233.3 mm)，即可計算螺栓孔中心的加工偏差。再如，單個承軌臺鉗口距離，可根據模型擬合的平面模型參數，將承軌面模型沿Z軸平行向上移動28 mm，向上移動的承軌面與鉗口面的相交為平行線，兩條平行交線的空間距離，即為單個承軌臺鉗口(小鉗口)距離。

2實驗及分析

2.1數據描述

為了評價本文方法的可靠性與精度，在某客專板廠進行掃描實驗。該線采用CRTSⅢ型軌道板，目前的檢測方法主要是采用自動馬達型全站儀+特殊裝置來實現。選擇瑞士徠卡測量系統的激光跟蹤儀、手持掃描儀進行現場數據采集。絕對激光跟蹤儀的型號為Leica AT960，位置精度為：Ux，y，z=0.015 mm+0.006 mm/m。手持激光掃描儀型號為Leica T-Scan 5，精度為0.060 mm，最大測量速率為210 000點/s。激光跟蹤儀設站在待檢測軌道板附近區域，手持掃描儀至激光跟蹤儀距離控制在10 m范圍內。

2.2檢測結果

將掃描儀獲取的軌道板表面激光點云數據導入軌道板點云數據處理軟件，經過簡單的交互操作，即可生成規范中要求的軌道板外觀尺寸檢測內容。圖6所示的螺栓孔距離只是成果中的一項內容，其他各檢測項也生成類似的表格。由于激光特性和采用的自歸心裝置的局限性，規范中要求的螺栓孔歪斜和凸起高度，以及保護層厚度3項指標無法測量，可借助其他裝置輔助測量。

圖6　掃描儀測量的同一承軌臺兩相鄰套管中心距

2.3精度分析

為了驗證本文提出檢測方法的可靠性，將從兩個方面進行精度評定。首先分析模型擬合的精度，球形擬合的標準差為0.13 mm，平面擬合的標準差為0.06 mm。其次，采用傳統全站儀檢測方法，測量螺栓孔距離，結果如表1。由于采用不同的設備，所以全站儀和掃描儀精度不完全一致，但是偏差值基本一致。

表1　全站儀測量的同一承軌臺兩相鄰套管中心距

注：偏差絕對值最大值：0.9 mm。

3結論

采用激光跟蹤儀+手持掃描儀技術，可以實現軌道板表面點云的快速高精度獲取。針對軌道板檢測規范要求的檢測項目，編寫激光點云數據處理軟件，通過點云分類和采樣一致性算法，提取軌道板部件模型，再與設計文件進行比較，可以自動實現軌道板外觀尺寸檢測。后期，可將掃描儀安置在機械臂上，實現在線自動化掃描與數據分析。

參考文獻

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收稿日期：2016-05-20

作者簡介：許磊(1983—)，男，2009年畢業于武漢大學攝影測量與遙感專業，碩士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0005-04

中圖分類號：P225

文獻標識碼：A

Research on Quick Detection Track Slab of High Speed Railway

XU Lei