高精度復原技術在營業線施工中的應用

龐永亮，吳巨恒，莊啟明，田懷謙

（中鐵電氣化局集團第一工程有限公司，北京 100070）

1 引言

隨著營業線施工中既有設備復雜程度的不斷提高，為了保證運營安全，對既有設備的改造和升級過程的要求越來越嚴苛。設備的改造和升級往往動一發而牽全身，需要各系統相互支撐、互為保障，如變電所改造需要對基礎、纜溝、接地、設備等各方面進行全面考慮，因此，必須對既有設備、設施進行完整、準確地測繪和測量，在完整精確數據的支持下對實施方案進行模擬、研究和評判。然而，以往營業線施工中的測量和測繪的技術只是通過二維平面圖、安裝圖進行分析、演示與評判，往往由于信息表示方法的局限、信息的不準確或不完整以及識圖人員的綜合素養，不能完整、綜合分析設備的現狀，進而影響改造實施方案的順利制定[1]。

為了滿足項目需求，基于高精度激光雷達點云數據、高分辨率可見光影像、定位數據實現精準的變電所以及隧道、車站等復雜既有線環境的數字化鏡像及全景測量（數字孿生）；融合數字孿生技術、既有設備圖紙與安裝圖紙等多源數據，采用建模軟件構建營業線施工現場的地形地貌、單體設備、組合設備等比例三維模型，實現施工現場環境及設施設備的高精度還原；以數字孿生技術還原的鐵路營業線精細三維模型為載體建立三維分析應用平臺，對施工方案模擬、關鍵工序銜接、安全管理、人員配備、物料跟蹤等信息進行綜合分析，用嚴格的數學模型指導設備的改造和升級。

2 多源數據融合

融合激光LiDAR、GNSS、傾斜攝影等多源數據，將數字孿生技術貫穿于鐵路營業線施工改造全過程。工作流程如圖1所示。

2.1 點云數據采集

使用RIEGL VZ-1000三維激光掃描系統根據施工改造進度多次對一改造車站進行數據采集，施工改造前數據采集主要為既有設施設備情況進行高精度復原，施工過程中數據采集則為施工改造預期與改造成果進行對比。RIEGL VZ-1000三維激光掃描系統最大測量距離1400m，點頻為30萬點/秒，對于重點區域進行加密測量的方法，同時分別在測量區域端點和中點進行控制測量，保證測量的精度與足夠點密度。外業測量如圖2所示。對采集的多個站點數據進行平差，平均誤差控制在6mm以內，并對獲取的點云數據進行紋理映射，如圖3、4所示。

圖2 VZ-1000

圖3 錦和站點云數據

圖4 錦和變電所點云數據

2.2 無人機傾斜攝影測量

采用自主研制的ARC524傾斜攝影系統專門為輕型無人機所設計，主要安裝于多旋翼無人機、固定翼無人機上[2]。該系統主要用于高分辨率傾斜攝影，其由E1.8/50 OSS蔡司五鏡頭組成，一次飛行即可獲取地面目標五個方向影像，大大提高了工作效率。它的主要特點是重量輕、分辨率高、便于攜帶、易于掛裝，如圖5所示。將ARC524傾斜攝影系統搭載與大疆M600無人機對錦和車站進行航測，如圖6所示，共飛行15架次，將獲取的高分辨率影像進行空三加密和點云濾波等處理，得到精度優于3cm的傾斜影像。

圖5 錦和站傾斜模型

圖6 錦和站傾斜模型

3 高精度復原

融合高精度點云數據、傾斜攝影三維模型數據、既有設備圖紙等多源數據，使用主流建模軟件3ds max、Revit對錦和車站進行三維重建。為了達到高精度建模需求，在重建之前對接觸網每個零部件進行精細建模，將多種不同尺寸零部件按點云實測值或新建線路施工圖紙要求進行組裝，最終得到錦和車站施工改造過程中的精細三維模型改造后模型，如圖7所示，改造前后對比如圖8所示。

圖7 改造后模型

圖8 改造前后對比

4 施工管理平臺

為了更好地將高精度復原技術應用于鐵路營業線改造施工中，研制既有線改造施工管理平臺，該平臺可對既有線施工改造過程中的施工資料進行統一管理；可實現營業線精細三維場景的快速可視化，通過與數據庫連接，實現各設備位置信息和屬性信息的快速查詢，如圖9、10所示；實現三維場所內設備拆卸、安裝、檢修等操作，將改造過程中的各項施工要素進行整合，包括精細化改造方案、過程銜接、安全把控、天窗點內時間控制、施工組織設計等，使營業線設備的改造升級過程與運行狀態的反饋與真實改造過程高度一致，使最終的運行情況達成運維高度。

圖9 三維空間量測

圖10 三維屬性信息展示

5 結論

基于多源技術融合的方法能夠對鐵路營業線施工改造現場地形地貌及設施設備進行高精度復原，復原結果可直接在三維平臺中進行信息提取，較傳統方法獲取的信息更加全面，該技術為既有線施工改造提供原始數據外，還為線路改擴建提供高精度基礎數據。在高精度三維模型基礎上搭建綜合管理平臺對模型進行屬性編輯，施工資料管理，實現對一些重大及復雜山區地段改造的施工方案模擬、重要工序銜接、安全管理、人員配備、物料跟蹤等信息進行分析，有助于提高施工質量，提升施工效率。