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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
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(time　of　flight)。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，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，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。
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°，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。
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。
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。