城市軌道交通限界檢測系統(tǒng)的動態(tài)補(bǔ)償方法研究

李 威，戴源廷，劉斐然，王雨泰，魏志恒

（1. 北京市地鐵運(yùn)營有限公司運(yùn)營四分公司，北京 100020；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心，北京 100081）

1 引言

城市軌道交通限界用于保障列車安全運(yùn)行，限制車輛斷面尺寸，限制沿線設(shè)備安裝尺寸及確定建筑結(jié)構(gòu)有效凈空尺寸，根據(jù)不同的功能要求分為車輛限界、設(shè)備限界和建筑限界等。限界以垂直于直線軌道線路中心線的二維平面直角為坐標(biāo)，橫坐標(biāo)軸（X軸）與設(shè)計軌頂平面相切，縱坐標(biāo)軸（Y軸）垂直于軌頂平面，該基準(zhǔn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為軌距中心點(diǎn)。

目前，主要使用限界檢查車進(jìn)行接觸式測量，采用此種測量方法，測量設(shè)備會隨著車輛晃動，造成限界基準(zhǔn)點(diǎn)的偏移，無法計算出被測物距限界點(diǎn)的具體距離，且只能在開通前使用軌道車進(jìn)行低速測量，作業(yè)效率低，無法及時發(fā)現(xiàn)橋隧限界變化和相應(yīng)的安全隱患。

隨著城市軌道交通智能化發(fā)展及運(yùn)營單位對掌握運(yùn)營期間限界情況的實(shí)際需求的增長，限界檢測手段開始向電客車上裝載激光掃描裝置的非接觸式方向發(fā)展，其主要原理是通過360°激光掃描傳感器內(nèi)置的旋轉(zhuǎn)鏡頭在高速旋轉(zhuǎn)過程中對目標(biāo)物體發(fā)射激光脈沖進(jìn)行距離測量，通過速度傳感器進(jìn)行里程定位。

此方法在進(jìn)行良好的動態(tài)補(bǔ)償后，可以保證在動態(tài)測量中限界基準(zhǔn)點(diǎn)不變并高效的測量出限界的具體數(shù)值，若在運(yùn)營中實(shí)時監(jiān)測，可動態(tài)監(jiān)控橋梁及隧道限界變化。

2 動態(tài)限界檢測系統(tǒng)簡介

2.1 傳統(tǒng)系統(tǒng)測量誤差分析及解決方案

電客列車在運(yùn)行中會產(chǎn)生6個方向的振動（伸縮、橫擺、沉浮、俯仰、搖頭、側(cè)滾）如圖1所示，一般情況下，每種基本振型不會單獨(dú)出現(xiàn)，尤其橫擺、沉浮、側(cè)滾3種振動同時發(fā)生會加大測量設(shè)備坐標(biāo)系與限界基準(zhǔn)坐標(biāo)系的偏移，對掃描后的限界精度產(chǎn)生較大影響，彎道時誤差可達(dá)到30 mm以上。

針對該問題，目前主流的解決方法包括拉線式位移傳感器測量、貫組測量、點(diǎn)式激光傳感器測量、計算機(jī)視覺檢測等方法。但拉線式位置位移傳感器為接觸式測量，不便于安裝及在運(yùn)營中使用，且只能獲得車體相對于轉(zhuǎn)向架的位移變化，貫組測量設(shè)備采購成本高，點(diǎn)式激光測距傳感器無法實(shí)時追蹤固定位置，計算機(jī)視覺檢測的標(biāo)定方法復(fù)雜且操作不便 。

因此，鑒于在列車運(yùn)行過程中兩根鋼軌相對限界基準(zhǔn)坐標(biāo)系位置不變，本文提出一種在識別到斷面數(shù)據(jù)中鋼軌標(biāo)準(zhǔn)特征點(diǎn)后，計算出限界基準(zhǔn)坐標(biāo)系，進(jìn)而得到實(shí)際限界數(shù)據(jù)的非接觸式動態(tài)補(bǔ)償方法。

此外，為提高數(shù)據(jù)精度，首先使用2臺高精度線激光傳感器同步采集左、右鋼軌輪廓數(shù)據(jù)，再通過軟件進(jìn)行手動標(biāo)定，修正360°激光傳感器與線激光傳感器中左、右鋼軌的安裝誤差。隨后對2 臺線激光鋼軌數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波后，通過輪廓數(shù)據(jù)提取到鋼軌特征，并根據(jù)帶約束的最小二乘法計算出鋼軌軌頭特征點(diǎn)，找出鋼軌平面及鋼軌平面中點(diǎn)，即確定限界基準(zhǔn)坐標(biāo)系。最終，計算出實(shí)測限界數(shù)據(jù)限界中的位置。

2.2 硬件系統(tǒng)組成

城市軌道交通動態(tài)限界檢測系統(tǒng)硬件部分主要由360°激光傳感器、線激光傳感器、速度傳感器及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成，如圖2所示，其中1臺360°激光傳感器負(fù)責(zé)獲取限界斷面輪廓數(shù)據(jù)，2臺線激光傳感器分別獲取2根鋼軌內(nèi)側(cè)的輪廓數(shù)據(jù)，速度傳感器負(fù)責(zé)獲取里程定位所需數(shù)據(jù)。

2.3 軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)包括傳感器數(shù)據(jù)獲取程序、動態(tài)補(bǔ)償及計算程序以及相應(yīng)的交互顯示程序，如圖3所示。其中數(shù)據(jù)獲取包括360°激光傳感器的限界斷面輪廓獲取。動態(tài)補(bǔ)償及計算程序包括用于動態(tài)補(bǔ)償?shù)匿撥壸R別程序、鋼軌標(biāo)定程序、限界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序、無效數(shù)據(jù)濾波程序。交互顯示程序包括基礎(chǔ)信息錄入、操作交互定、實(shí)時顯示判斷、數(shù)據(jù)保存及報告生成。主要系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

3 動態(tài)補(bǔ)償方案設(shè)計

針對車體在運(yùn)動過程中存在振動情況，考慮到限界系統(tǒng)只掃描某一截面數(shù)據(jù)，搖頭、伸縮、俯仰振動在計算時不會對標(biāo)準(zhǔn)限界坐標(biāo)系原點(diǎn)產(chǎn)生位移且車體運(yùn)動時振幅較小。因此至少要對橫擺、沉浮、側(cè)滾3種振動情況進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，振動示意如圖5所示。此過程中，左右2根鋼軌相對車體處于靜止?fàn)顟B(tài)。對線激光傳感器所輸出的鋼軌輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定、特征點(diǎn)識別及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后可完成動態(tài)補(bǔ)償。

3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)定

在檢測設(shè)備安裝完成后，3個傳感器存在一個固定的距離，如圖6所示，造成所成圖像不在一個坐標(biāo)系中，如圖7所示，需進(jìn)行線傳感器鋼軌輪廓數(shù)據(jù)與360°激光傳感器鋼軌輪廓數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)標(biāo)定工作。標(biāo)定后可得到2 臺線激光傳感器在360°激光傳感器坐標(biāo)系偏移量，分別為（Xbl，Ybl，θbl）、（Xbr，Ybr，θbr）， 如圖 8 所示。其中，（Xbl，Ybl，θbl）為L坐標(biāo)系標(biāo)定后原點(diǎn)在A坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)及兩坐標(biāo)X軸夾角；（Xbr，Ybr，θbr）為R坐標(biāo)系標(biāo)定后原點(diǎn)在A坐標(biāo)系中的坐標(biāo)及兩坐標(biāo)X軸夾角。

3.2 鋼軌識別

在鋼軌識別過程中，首先通過中值濾波將線激光數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線平滑，便于后續(xù)識別計算。

其次根據(jù)鋼軌特征，在圖像中提取到軌頭數(shù)據(jù)，如圖9所示，再通過帶約束的最小二乘法計算出鋼軌軌頭特征點(diǎn) ，即軌頭內(nèi)側(cè)輪廓延長線與軌頭頂點(diǎn)的垂直交點(diǎn)，得到左、右鋼軌標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)（Xscl，Yscl）、（Xscr，Yscr），如圖10所示。其中，（Xscl，Yscl）為左鋼軌頂面在L坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；（Xscr，Yscr）為右鋼軌頂面在R坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

3.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算

通過左右鋼軌軌頭特征點(diǎn)（Xscl，Yscl）、（Xscr，Yscr）和運(yùn)算，進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后得出（Xl，Yl）、（Xr，Yr）坐標(biāo)，計算公式為：

式（1）、式（2）中，（Xl，Yl）、（Xr，Yr）分別為左、右鋼軌頂面自L坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至A坐標(biāo)系后坐標(biāo)。

（XAn，YAn）為360°激光傳感器輸出坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式計算出點(diǎn)（XAn，YAn）在標(biāo)準(zhǔn)限界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，計算公式為：

式（3）中，n為360°傳感器在同一斷面內(nèi)所獲取的第n點(diǎn)；（XAn，YAn）為第n點(diǎn)在A坐標(biāo)系中坐標(biāo)；（Xon，Yon）為第n點(diǎn)自A坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至O坐標(biāo)系后坐標(biāo)，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意如圖11所示。

4 試驗(yàn)及測試結(jié)果

4.1 試驗(yàn)及測試方案

為驗(yàn)證系統(tǒng)精度，將檢測設(shè)備安裝在軌道小車上，通過人工手推的方式移動檢測設(shè)備，獲取斷面數(shù)據(jù)。與此同時，根據(jù)設(shè)備測量結(jié)果，使用激光尺或接觸網(wǎng)測量儀進(jìn)行人工復(fù)測后對比誤差，確定系統(tǒng)測量精度。

使用電客列車在正線或試車線進(jìn)行動態(tài)測試后，將同一數(shù)據(jù)手動調(diào)整到限界基準(zhǔn)坐標(biāo)系后，分別開啟動態(tài)補(bǔ)償及關(guān)閉動態(tài)補(bǔ)償后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對數(shù)據(jù)中最高點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，確定補(bǔ)償效果。

4.2 靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

將檢測設(shè)備安裝在可進(jìn)行升降、平移、旋轉(zhuǎn)的手動軌道小車上進(jìn)行靜態(tài)測試，實(shí)測數(shù)據(jù)與人工復(fù)測結(jié)果相比最大誤差在5 mm以內(nèi)，如表1所示。

表1 靜態(tài)測量對比 mm

4.3 動態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

使用電客列車在運(yùn)營線中進(jìn)行動態(tài)測試，關(guān)閉動態(tài)補(bǔ)償并進(jìn)行靜態(tài)手動鋼軌標(biāo)定至標(biāo)準(zhǔn)限界，與開啟動態(tài)補(bǔ)償后直線段垂向數(shù)據(jù)相差在10 mm以內(nèi)，到達(dá)1 500 m曲線半徑彎道時，最大補(bǔ)償值超過20 mm，如圖12所示。同路段橫向補(bǔ)償值在12 mm以內(nèi)，如圖13所示。二維補(bǔ)償前后對比如圖14所示。

圖15為某隧道最高點(diǎn)補(bǔ)償前后對比，從圖中可以看出，補(bǔ)償后數(shù)據(jù)更為平滑。測試中，發(fā)現(xiàn)某線路若通過其他線路列車時，上方線纜會出現(xiàn)侵限情況，如圖16所示，侵限最低點(diǎn)測量值距軌面3 777.8 mm ，現(xiàn)場人工復(fù)測數(shù)據(jù)為3 778.56 mm。

相同線路數(shù)據(jù)使用動態(tài)補(bǔ)償和關(guān)閉動態(tài)補(bǔ)償后差距明顯，到達(dá)彎道時，誤差可大于30 mm。由靜、動態(tài)測試后可知，在進(jìn)行限界檢測時，增加此動態(tài)補(bǔ)償方法后，可將傳統(tǒng)測量大于10 mm的測量精度提升至5 mm以內(nèi)。

5 結(jié)論與展望

目前，傳統(tǒng)的限界檢測方式主要優(yōu)點(diǎn)在于可通過人工操作準(zhǔn)確測量限界數(shù)據(jù)，或通過接觸板方式全面測量線路是否存在超限情況。但此方法存在作業(yè)時間長、人工成本高、無法在運(yùn)營期間檢測、檢測設(shè)備利用率較低、運(yùn)營單位無法實(shí)時監(jiān)控并管理線路異物侵限等問題。而可搭載在電客列車上并在載客期間自動不間斷掃描的激光式限界檢測系統(tǒng)可彌補(bǔ)既有人工或接觸式檢測方法的不足。未來，隨著激光掃描頻率及數(shù)據(jù)處理速度的不斷提升，激光式掃描限界系統(tǒng)可真正實(shí)現(xiàn)全線路的檢測監(jiān)測及實(shí)時報警，并逐步替代傳統(tǒng)的測量手段。但若不增加動態(tài)補(bǔ)償功能，從本次的試驗(yàn)結(jié)果看，其測量精度將無法滿足運(yùn)營單位實(shí)際需求。為此，本文提出一種通過激光掃描鋼軌輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ蛇M(jìn)一步提高激光掃描式限界測量系統(tǒng)精度，保證限界數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

與高速鐵路相比，城市軌道交通線路橋隧情況復(fù)雜，空間狹小，客流密集，異物侵限的可能性及帶來的影響較大，且隨著全國各城市軌道交通線路運(yùn)營時間的增加，線路限界情況也在不斷變化，運(yùn)營單位僅靠運(yùn)營前的限界測量結(jié)果已無法全面掌控既有的限界情況。因此，在運(yùn)營期間利用精確的限界檢測數(shù)據(jù)，可以在一定程度上分析、掌握異物侵限、橋隧變化等情況，讓運(yùn)營單位更加全面了解線路狀況，保證運(yùn)營安全。此外，限界也是部分城市地方標(biāo)準(zhǔn)如DB11/T 1714-2020《城市軌道交通工程動態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》所要求的檢測項(xiàng)目，后續(xù)運(yùn)營單位在城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)維過程中對限界的檢測將更加重視。