激光扫描在轨道限界检测中的应用

摘 要：介绍了检测系统的设计、数据处理、检测结果。该系统对保障不断发展的轨道交通运输安全有重要意义。

关键词：城市轨道交通；激光扫描；限界 1 引言 随着我国客运专线的建设，对限界的要求也更为严格。在城市轨道交通中，也存在大量限界检测的要求。目前我国仅有的２辆隧道检测车，只能用于隧道检测，不能检测其他限界，远远不能满足实际需要。国内市场上应用的静态限界检测设备，一般多为三角架方式的定点检测，检测一个断面需要几分钟甚至更长的时间。如果能够实时、连续对限界状况进行检测，并将检测数据存入数据库中，就能够实时掌握限界变化，及时消除影响运输安全的隐患。因此，迫切需要研发一套能够快速、连续测量列车、接触网、线路、桥梁、隧道、站台、道床断面等限界数据的检测设备，以满足不断发展的轨道交通安全运输的需要。 2 检测系统设计及验证 2.1 系统设计 采用传统的激光测距技术测量限界，精度很高，但效率低，适用于施工验收等对精度要求较高等情况。对于日常检查，则精度要求相对较低，但要求检测效率高、速度快。通过对相关检测技术的调查研究和试验，发现采用激光扫描技术，可以大大提高检测速度，实现快速连续检测的要求，而且可以应用在线路的任何位置。 激光扫描检测的基本原理是采用时间计算法测量距离。测量启动时，发射激光，计时开始，激光经镜子反射打在目标物上，漫反射后的接受光束经镜子发射到成像二极管时，计时结束，用光束发射到接收所花费的时间转换为距离值，这样就完成一次测量，这种测试简称为TOF(timeofflight)。镜子按某一固定的速度360°旋转，完成各个角度的测量。数据以极坐标的形式存储在传感器的存储器中，由接口电路发送给上位计算机。 检测系统设计为便携式连续测量方式。要实现连续测量，需要有里程定位装置，实现里程的自动累加（减），并可按照固定的采样间隔进行测量。由于测量系统结构简单，检测设备能够安装在可折叠的移动小车上，采用人工推行的方式检测（图１），也可固定在移动车辆上实现检测。检测系统构成框图见图２。计算机可采用小型工控机或笔记本进行处理，由于测量的主要处理能够在传感器的处理芯片中进行，系统可采用掌上电脑记录和处理。

2.2 系统验证 为试验激光扫描检测隧道限界的可行性，我们在北京八达岭公路隧道进行了可行性试验，传感器采用 180°激光扫描传感器，最小角度分辨为0.25°，将传感器安装在汽车的顶部进行测试试验。图３为八达岭隧道的测试数据的三维展示。试验结果表明，采用这种方式进行检测具有很高的效率。但这种传感器的扫描角度为 180°，传感器安装部位以下的部分扫描不到，如果要扫到隧道的地角必须采用 2 个以上的传感器一起工作，将扫描数据合成得到隧道断面。 在铁路与地铁隧道断面检测中，坐标原点为轨道中心线，因此，必须扫描到 2 根钢轨才能确定扫描断面。如果采用2个传感器势必重量和体积都变得很大，不符合便携检测单元的设计原则。因此，要实现隧道和线路断面的限界检测，必须采用扫描角度＞270°，安装后能够直接扫描到钢轨位置的传感器。

3 数据处理 检测系统经室内试验和公路隧道中进行的试验后，在对检测数据进行分析时发现，要使测试设备能够满足实际使用，必须要解决坐标系的建立问题。 3.1 坐标系的建立 计算机从传感器接收到的数据，是以传感器为原点，垂直于传感器平面的极坐标值，因此，必须转换为实际的应用坐标。在轨道交通界限检测中，坐标原点为轨道中心线。扫描断面必须首先确定 2 根钢轨顶面位置，并修正检测断面与轨道中心线的夹角，才能得到检测断面的实际数据。安装在行进车辆上进行动态测量时，需由惯性平台提供的车辆运行姿态对测试数据进行补偿，才能得到准确的限界数据。 3.2 辅助测量系统 我们在人工推行的测量小车这一辅助测量系统中，采用机械装置使测量小车的接触轮与钢轨保持方向一致，使传感器的扫描断面垂直于小车的前进方向，传感器的安装平面垂直于由2个接触轮形成的轨道平面。这样，一旦传感器完成安装，就可确定得到一侧轨道与传感器的位置关系，另一侧位置则由轨距测量值修正后得到。因此，实际的测量小车具有距离定位和轨距测量功能。

4 检测系统的功能 我们研制完成后的检测系统具有限界检测、里程定位，并提供轨距和接触网位置参数等功能。数据可以按距离采样储存，提供侵入限界的具体位置和坐标。由于数字化存储，数据可以按任意给定的坐标提供数据。可以导入数据库中管理，按用户要求提供某一区段的最小限界，为运输安全提供限界数据。 图４为在一铁路线路上进行的测试情况。图中能够清晰地看到所检测到的接触网杆、导线位置、道床断面、围墙等轨道周围的物体形状。

图５为检测系统实测的隧道断面图，图中的红色线为内燃机车牵引线路的建筑接近限界和隧道限界，蓝色线为实测隧道断面。图中可以看到有明显限界超限存在。 5 结束语 通过检测系统的实测验证，说明采用激光扫描技术可以实现限界的快速连续检测，满足实际需要。实测的数据也表明，经过多年的轨道维修和隧道维修，实际断面与原设计断面发生了较大的变化。应用激光扫描检测技术，能够及时准确地检测限界状况，了解线路、站台、桥梁和隧道的实际状态，保障轨道交通运输安全。