有砟軌道道床斷面檢測(cè)系統(tǒng)的研制

孫淑杰;王凡;戴鵬;趙鑫欣【摘要】Tomeettheneedofefficientmaintenanceandrepairofrailwayballasttrackbed,asetofdetectionsystemforballasttrackbedcrosssectionbasedonlaserscantechnologywasdeveloped.Thesystemwasequippedwithhighprecisionlaserscanningsensor.Itcanacquirereal-timehighprecisionpointcloudinformationwithintherailwayballastbedareawhenthetrainisinhighspeed.The3Dmodelsofballastbedwiththebasisoftrackcoordinatesystemwasestablishedbyusingmulti-coordinatetransformationandspacemappingmethod.Finally,basedonconvexsettheoryandspatialanalysisalgorithmmodelafastautomaticdetectionforcross-sectiondefectsofballasttrackbedandtheamountofsurplus/lackballastwasarchieved.Railwaytestresultsshowthatthesystemcanefficientlydetectthestateofballasttrackbed,andprovideaccurateandreliabletrackbeddataforthemaintenanceoftrackbed.%為滿足鐵路現(xiàn)場(chǎng)有砟軌道道床高效養(yǎng)護(hù)維修的需要，研制了一套基于激光掃描技術(shù)的有砟軌道道床斷面檢測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)配備高精度激光掃描傳感器，在車輛高速運(yùn)行的狀態(tài)下實(shí)時(shí)獲取有砟軌道道床區(qū)域的高精度點(diǎn)云信息，并通過多坐標(biāo)系變換進(jìn)行空間映射從而建立基于軌道坐標(biāo)系的道床三維模型，最后基于凸集理論和空間分析算法模型實(shí)現(xiàn)了有砟軌道道床斷面缺陷和盈/欠砟量的快速自動(dòng)檢測(cè).鐵路線路試驗(yàn)表明該系統(tǒng)能夠快速高效地檢測(cè)有砟軌道道床狀態(tài)，為鐵路有砟軌道道床養(yǎng)護(hù)維修提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù).【期刊名稱】《鐵道建筑》【年(勤期】2017(000)002【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P133-136)【關(guān)鍵詞】鐵路線路;養(yǎng)護(hù)維修;有砟軌道;盈/欠砟量;激光掃描;點(diǎn)云;道床;坐標(biāo)轉(zhuǎn)換【作者】孫淑杰;王凡;戴鵬;趙鑫欣【作者單位】中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京100081;中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京100081;中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京100081;中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京100081【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】U213.7U216.3軌道道床是均勻傳遞荷載、提供軌道縱橫向阻力和彈性的軌道框架基礎(chǔ)，道床狀態(tài)的好壞直接關(guān)系著線路軌面狀態(tài)的穩(wěn)定和鐵路行車的平穩(wěn)、安全。目前運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)的既有線鐵路出現(xiàn)了較多的道床臟污板結(jié)、翻漿冒泥、不均勻沉降等有砟軌道道床病害。這些病害大部分都是由人工發(fā)現(xiàn)，作業(yè)效率低、偏差大且不能及時(shí)掌握整體線路的道床狀態(tài)。伴隨著大量高速鐵路有砟軌道新線路的修建與開通運(yùn)營(yíng)，對(duì)有砟軌道道床的檢測(cè)和維修提出了更高要求［1-3］。除了現(xiàn)有的病害之外，有砟軌道道床的頂面位置、砟肩寬度和堆高的狀態(tài)如果不滿足規(guī)范的要求可能會(huì)造成無縫線路脹軌、軌枕橫向阻力減弱、道砟飛濺等危害，將會(huì)給高速列車的運(yùn)行安全帶來巨大的安全隱患。依靠傳統(tǒng)的檢測(cè)維修方式已無法滿足現(xiàn)實(shí)的需要，但目前尚無有效的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方式來進(jìn)行快速檢測(cè)評(píng)估。為此需要加強(qiáng)有砟軌道道床斷面檢測(cè)技術(shù)的研究，開發(fā)有砟軌道道床斷面動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，安裝在既有檢測(cè)車輛上對(duì)線路進(jìn)行定期巡檢，實(shí)現(xiàn)有砟軌道道床狀態(tài)的快速動(dòng)態(tài)檢測(cè)評(píng)估，為線路維修部門提供準(zhǔn)確可靠的線路有砟軌道道床狀態(tài)信息，及時(shí)組織整修維護(hù)，保證行車安全。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)或公司已開展了相關(guān)的研究。其中德國(guó)FraunhoferIPM的RTS系統(tǒng)、俄羅斯TVEMA的超高速掃描系統(tǒng)和意大利Mermec的T.SIGHT5000系統(tǒng)均具備有砟軌道道床斷面輪廓檢測(cè)功能。目前國(guó)內(nèi)日常檢測(cè)運(yùn)營(yíng)領(lǐng)域還沒有專用于有砟軌道道床斷面動(dòng)態(tài)檢測(cè)的裝備，現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)的DPZ440配砟車上安裝的中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所研制的道床輪廓測(cè)量系統(tǒng)(BPD)主要在配砟車低速施工時(shí)使用，無法滿足高速動(dòng)態(tài)檢測(cè)的需要。國(guó)內(nèi)外卜檢測(cè)系統(tǒng)除了意大利Mermec的T.SIGHT5000采用攝像技術(shù)外，均采用激光掃描技術(shù)來實(shí)時(shí)獲取道床斷面數(shù)據(jù)。激光掃描技術(shù)是伴隨著激光測(cè)距技術(shù)的發(fā)展而形成的一種新型測(cè)量技術(shù)［4-5］。它的巨大優(yōu)勢(shì)在于可以快速掃描被測(cè)物體，不需反射棱鏡就可快速、直接地獲取目標(biāo)物的高精度空間數(shù)據(jù)，非常適合建筑物表面、三維空間和斷面輪廓的測(cè)量，具有快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的特點(diǎn)。此外激光掃描技術(shù)受外界光的干擾少，能夠在復(fù)雜的環(huán)境下使用。有砟軌道道床斷面檢測(cè)系統(tǒng)采用激光掃描技術(shù)作為道床斷面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取方式。通過設(shè)計(jì)精密機(jī)械結(jié)構(gòu)將高精度激光掃描傳感器安裝到專用檢測(cè)車輛上，在車輛運(yùn)行過程中連續(xù)不斷地測(cè)量有砟軌道道床區(qū)域的空間距離信息。經(jīng)空間坐標(biāo)變換將距離信息轉(zhuǎn)換成二維空間坐標(biāo)信息，通過基準(zhǔn)捕捉和坐標(biāo)修正算法形成基于軌道坐標(biāo)系的有砟軌道道床斷面輪廓圖。將之與標(biāo)準(zhǔn)道床斷面輪廓圖進(jìn)行比對(duì)來自動(dòng)識(shí)別道床缺陷位置，基于算法模型自動(dòng)識(shí)別軌枕并進(jìn)行道床盈/欠砟量統(tǒng)計(jì)分析，輸出相關(guān)數(shù)據(jù)及報(bào)表。檢測(cè)系統(tǒng)主要由高精度激光掃描傳感器組件、供電控制單元、數(shù)據(jù)采集與分析服務(wù)器、里程定位同步單元和軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。2.1硬件組成高精度激光掃描傳感器組件由高精度激光掃描傳感器和安裝支架組成。該組件安裝在車頭專用平臺(tái)上，平臺(tái)距軌面高度約1.5m，承重＜20kg,采用由兩級(jí)氣缸聯(lián)動(dòng)控制的可伸縮精密滑軌結(jié)構(gòu)，保證在車輛高速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生顫動(dòng)和變形。平臺(tái)的伸縮可通過車內(nèi)控制器遠(yuǎn)程操控，操作簡(jiǎn)單方便。電氣布線采用可伸縮式絞鏈防止線纜損傷。平臺(tái)不用時(shí)縮回到車頭內(nèi)部，采用IP68級(jí)別的密封裝置進(jìn)行防護(hù);使用時(shí)伸出到車鉤前端，保證傳感器掃描斷面不受任何遮擋。供電控制單元安裝在車內(nèi)機(jī)柜里，用于遠(yuǎn)程控制高精度激光掃描傳感器組件的供電和大容量數(shù)據(jù)傳輸。它集成了工業(yè)級(jí)電源、控制電路、工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)模塊、脈沖分配器等設(shè)備。里程定位同步單元由GPS、射頻標(biāo)簽閱讀器、軸頭編碼器、控制電路等組成，能夠?qū)崟r(shí)獲取高精度的里程定位信息，同時(shí)為各系統(tǒng)提供高精度的里程修正信息。數(shù)據(jù)采集與分析服務(wù)器由數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)分析軟件、計(jì)數(shù)板卡、串口卡、高速數(shù)據(jù)網(wǎng)卡等組成，能夠?qū)崟r(shí)獲取里程定位同步單元發(fā)送的修正信息，進(jìn)行里程修正;接收軸頭編碼器發(fā)送的脈沖信號(hào)，累加計(jì)算線路里程;通過數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)有砟軌道道床斷面數(shù)據(jù);通過數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理、展示和報(bào)表打印控制。2.2軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程見圖2，包含數(shù)據(jù)采集軟件和分析軟件兩部分，基于VS2012開發(fā)環(huán)境，采用了模塊化和分層的開發(fā)理念，架構(gòu)健壯，實(shí)時(shí)性高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，具備較好的移植性，能夠在不同的windows操作系統(tǒng)環(huán)境下正常運(yùn)行，軟件界面簡(jiǎn)潔友好，操作方便快捷，功能簡(jiǎn)單實(shí)用。數(shù)據(jù)采集軟件用于實(shí)現(xiàn)在檢測(cè)車高速運(yùn)行狀態(tài)下的有砟軌道道床斷面原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)，集成了傳感器、計(jì)數(shù)板卡、串口卡、高速數(shù)據(jù)網(wǎng)卡等多種硬件設(shè)備，綜合運(yùn)用了多線程交互、虛擬內(nèi)存映射、文件快速索弓I和數(shù)據(jù)同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大容量數(shù)據(jù)的同步實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)，具備設(shè)備標(biāo)定、參數(shù)配置、里程速度接收計(jì)算、二維和三維顯示控制、區(qū)段采集等功能。數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集軟件存儲(chǔ)的大文件數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;運(yùn)用并行處理、虛擬內(nèi)存映射、特征識(shí)別、點(diǎn)云建模、快速圖像處理等技術(shù)快速重繪基于軌道坐標(biāo)系的有砟軌道道床斷面輪廓;依靠快速的數(shù)據(jù)分析算法模型進(jìn)行精細(xì)的分析處理，自動(dòng)輸出有砟軌道道床斷面缺陷數(shù)據(jù)及道床不同區(qū)域的盈/欠砟量數(shù)據(jù);基于三維點(diǎn)云建模技術(shù)生成道床三維立體圖，能夠形象展示有砟軌道道床的三維輪廓;能夠?qū)θ毕輸?shù)據(jù)和盈/欠砟量數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽、檢索、編輯和歸類管理，并按照特定格式打印生成相關(guān)報(bào)表。檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)人員可以很方便地根據(jù)報(bào)表內(nèi)容指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)維修。2.3算法分析有砟軌道道床標(biāo)準(zhǔn)剖面劃分為中間、左外側(cè)和右外側(cè)3個(gè)區(qū)域。基于點(diǎn)云處理、特征識(shí)別和圖像處理技術(shù)，依據(jù)不同區(qū)段的道床特征建立軌枕智能識(shí)別、有砟軌道道床斷面輪廓缺陷分析和道砟盈/欠砟量統(tǒng)計(jì)分析算法模型，自動(dòng)對(duì)道床區(qū)域進(jìn)行缺陷分析和砟量評(píng)估。1） 軌枕智能識(shí)別鋼軌和軌枕鋪設(shè)在有砟軌道道床上，其中軌枕（B型枕）每公里大約鋪設(shè)1680根。在有砟軌道道床斷面動(dòng)態(tài)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析過程中，軌枕是最主要的干擾源。要保證檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的可靠性，必須有效地識(shí)別這些干擾源并進(jìn)行屏蔽處理。這就是軌枕智能識(shí)別模型的功能。該模型的分析對(duì)象為斷面二維離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過捕捉軌枕識(shí)別區(qū)內(nèi)的二維離散點(diǎn)的分布特征建立特征分類識(shí)別器，自動(dòng)對(duì)符合軌枕特征的斷面進(jìn)行識(shí)別并作屏蔽處理。2） 道床斷面輪廓缺陷分析基于凸集理論，采用空間投影比對(duì)方法，自動(dòng)識(shí)別二維離散點(diǎn)在有砟軌道道床標(biāo)準(zhǔn)斷面模型中的分布位置。對(duì)于缺陷區(qū)域著紅色，正常區(qū)域著綠色，不符合標(biāo)準(zhǔn)輪廓的區(qū)域著藍(lán)色。道床盈/欠砟量統(tǒng)計(jì)分析依據(jù)有砟軌道道床標(biāo)準(zhǔn)剖面數(shù)據(jù)建立標(biāo)準(zhǔn)線性方程F1(x)，F(xiàn)2(x)，…，F(xiàn)N(x)。以實(shí)際采集的連續(xù)點(diǎn)云建立實(shí)測(cè)線性方程f1(x)，f2(x)，…，fN(x)。以連續(xù)的實(shí)測(cè)線性方程的起點(diǎn)和終點(diǎn)為積分起止點(diǎn)，進(jìn)行累加積分運(yùn)算可得盈/欠砟面積，乘以距離值就可得到當(dāng)前位置的盈/欠砟量。有砟軌道道床斷面檢測(cè)系統(tǒng)安裝在綜合巡檢車上，在試驗(yàn)線上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)采集的現(xiàn)場(chǎng)大文件數(shù)據(jù)進(jìn)行道床斷面分析處理，軌枕智能識(shí)別算法能有效地識(shí)別軌枕斷面，如圖3所示。當(dāng)識(shí)別為軌枕時(shí)中間區(qū)域被自動(dòng)屏蔽，顯示綠色。典型的道床缺陷如圖4所示。對(duì)比圖3、圖4可知軌枕斷面與床缺陷斷面特征差異非常明顯。圖4中有2處缺陷區(qū)域，其中中間區(qū)域有道砟越過軌枕中部，右側(cè)砟肩區(qū)域道砟欠砟。道床盈/欠砟量可以從圖5得到，可以依據(jù)不同的壓縮間隔和里程區(qū)段進(jìn)行分析輸出，宏觀掌握整體道床盈/欠砟量狀態(tài)。從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用情況看，有砟軌道道床斷面檢測(cè)系統(tǒng)安裝快捷方便，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，能夠快速獲取線路詳細(xì)的有砟軌道道床斷面輪廓，分析并輸出有砟軌道道床斷面缺陷數(shù)據(jù)和盈/欠砟量數(shù)據(jù)，方便運(yùn)維單位有針對(duì)性地開展線路整修作業(yè)。有砟軌道道床斷面檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)線路有砟軌道道床斷面狀態(tài)的快速動(dòng)態(tài)檢測(cè)評(píng)估，提供了準(zhǔn)確、可量化的有砟軌道道床斷面缺陷數(shù)據(jù)和盈/欠砟量數(shù)據(jù)。工務(wù)部門現(xiàn)場(chǎng)能夠全面地掌握線路不同區(qū)段的道床缺陷狀態(tài)及盈/欠砟量的分布情況。依此可以科學(xué)規(guī)劃現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)方案，精細(xì)計(jì)算配砟量，合理安排運(yùn)砟車輛和作業(yè)人員，顯著提升現(xiàn)場(chǎng)維修作業(yè)的效率，極大地降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，直接創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)安裝方式靈活，不受安裝平臺(tái)限制，可以定期地對(duì)鐵路線路進(jìn)行巡檢，為鐵路道床的精細(xì)化維修作業(yè)提供重要的檢測(cè)設(shè)備?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.TG/GW1