高速铁路隧道限界及断面检测技术的研究

杨赫

（沈阳铁路局科学技术研究所，辽宁 沈阳 110013）

1 引言

动车组的到来标志着中国铁路正进入突飞猛进的高速发展时代。高速铁路的发展对社会经济的进步起到了积极的推动作用。为人们提供了一种全新的、舒适、快捷的生活方式。同时，在高速运行的条件下，对隧道限界检测技术的要求与既有线运营隧道也有所不同。

现行铁路隧道限界标准是在机车车辆限界基础上，考虑各种因素用增加安全余量的办法确定的。而在列车高速运行情况下，确定这个安全余量的概念与中、低速时有所不同，在隧道内，因空气动力效应产生的一系列问题，成为制定隧道限界的控制因素，这主要有旅客及作业人员的安全避让距离、允许最大侧向风速、隧道内瞬变空气压力场的影响、列车风及隧道阻塞比等，因此对隧道限界和断面积的测量与计算对高铁运营具有重要意义。

目前我国运营隧道限界检测手段主要有手工测量和隧道限界检测车两种。前者不仅速度慢、误差大，而且安全系数低，已不能满足现代化铁路运输生产的需要；后者由于受研发时期条件限制，主要针对运营中、低速列车的线路进行隧道限界测量，并且不支持断面积计算。高铁列车运行速度的大幅提高及相应的隧道技术标准的变化，使得隧道检测方法必须随之改进。本文设计了一种符合高铁隧道检测要求的方案以实现在不影响高铁列车正常运行的情况下对隧道限界和断面积进行动态检测。此项研究已于2010年列为铁道部重点课题，合同编号2010G007-M。

2 系统的工作原理及组成

高速铁路隧道净空大，断面积的检测难度大。难点在于同一时刻检测同一断面上所有点的数值。常规的激光或雷达扫描测量，均存在螺旋弧轨迹及测量点间距过大问题，计算不出隧道断面积。所以，考虑研制一套能够在同一时刻快速检测隧道同一断面上的各点尺寸的装置，将其安装在能够在高速铁路上行驶的车体内，组成限界及断面积检测车。该检测车可以用高速线路维修车牵引，能在列车变速行进中进行测量，符合我国高速铁路管理模式，避免影响列车正常运行。

2.1 系统的检测原理是

应用激光扩束技术，将大功率激光点光源扩束为弧线，照射在隧道洞壁上，形成一条高亮度的光带，作为检测基准。选取高速摄像机瞬间将隧道断面全部摄录下来，利用计算机图像处理技术计算隧道限界尺寸及断面积，从而解决高速铁路隧道限界和断面积的检测问题。

2.2 三角形测量原理

图1

隧道检测车对隧道断面的尺寸测量应用三角形测量原理。即激光照射平面、隧道洞壁和CCD摄像镜头构成三角形关系如图（1）。CCD相机光路成像图如图（2）所示；

图2中，投光平面与CCD相机镜头轴线两者之间的垂直距离为物距用“L”表示，投光平面与隧道洞壁相交取一点为A，镜头轴线与投光平面交点为B。F、F'为透镜焦点，A'为A点在CCD光敏面上所成的像。三角形ΔABC与三角形ΔA'B'C相似，则X/L=ΔX/ ΔL，由于L，ΔL为定值，ΔX可通过A'点在CCD光敏面上的坐标求得，则X的值可由公式:X=L/ΔL×ΔX求出，即求得光带的几何尺寸。

2.3 隧道断面积计算方法

由于隧道断面属于不规则图形（如图3中实线所示），所以不能套用固有的图形计算公式求其面积。需采用积分的方法求算，具体思路如下：

（1）设a为横坐标的最小值即a=min x;b为横坐标的最大值即b=max x；当y=0时，x1=a'，x2=b'，a'＜b'；

（2）分割[a，b]区间，取点x1……xn-1分割[a，b]区间，得到n个区间；a= x0＜x1＜x2……＜xn-1＜xn=b;在每个小区间任取一点ξi，i=1……n，则i所对应的y值为f（ξi），而这个小区间的面积可近似看为小长方形的面积。

（3）求断面积，由a，b为端点围成图形的面积公式为：

图2

图3

2.4 系统主要由大功率激光准直机构、高速CCD数字摄像设备、走行定位装置和网络计算机组成。

3 系统硬件设计

系统硬件部分主要完成图像采集工作，这部分由大功率激光准直机构和高速CCD数字摄像设备组成[5](如图4)。

激光准直机构利用扩束技术，将大功率激光点光源扩束为弧线，若干条弧线照射在隧道洞壁上，形成一条完整的高亮度光带，作为检测隧道断面的源图像。CCD相机以25幅/秒的速度摄录光带图像，以保证系统实时采集到隧道径向断面尺寸。这相当于沿隧道轴线以25Hz的频率对隧道的采样，也就是将隧道切割成若干个断面并记录各断面在隧道内的准确位置，进而求得隧道断面的实际尺寸。

对于钢轨的测定也采用相同的方法，在摄录隧道断面的同时，也将车体相对于钢轨的位置一并采集处理，从而求得隧道断面距钢轨中心线的精确位置。隧道入口位置的确定由红外光电开关给出。测速测距采用霍尔转速传感器，通过计算车辆相应的运行速度和运行时间求出每一断面在隧道中的准确位置。

图4

4 系统软件设计

本检测系统的软件设计采用了自顶向下的设计思想，在整体框架内对于不同功能按照层次进行划分，以模块化的功能设计方法使复杂问题简单化，以便降低开发难度，提高工作效率。

根据隧道限界检测系统的功能要求，以人性化操作为基础，将检测时涉及到的相关信息，如车辆运行速度、行进里程、隧道名称、隧道中心里程和长度等显示在界面上。便于操作者实时了解系统运行情况。

图5

系统软件部分的工作流程如图5所示。当系统运行后，首先对采集卡等硬件进行初始参数设置，接着载入待检测隧道信息，然后使用者可以对初始里程进行设定，软件会自动进行累计，之后系统等待采集指令，当收到采集指令后程序以25帧/秒的速度采集并保存隧道图像。采集到的图像经过几何变换、去噪校正、图像插值、拼接等处理[6]，得出实际尺寸，最后再利用前面提出的断面积算法求得隧道断面积的大小。

结束语

高速铁路隧道限界及断面积是高速铁路的重要基础标准之一，它关系到列车在线路上能否高速、安全的运行，也关系到与隧道相关设备和人员的安全，对高铁发展具有重要意义。本文提出的通过图像采集和图像处理对高铁隧道限界和断面积进行求值的方法为解决这一难题提供了一个操作方便、高稳定性、高精度的可行方案。

[1]刘统畏，何宁.铁路隧道工程[M].北京：中国铁道出版社，1995.

[2]陈豪雄，殷杰.隧道工程[M].北京：中国铁道出版社，1995.

[3]铁道部第二勘探设计院.铁路工程技术手册，隧道[M].北京：中国铁道出版社，1995.

[4]王庆有，孙学珠.CCD应用技术[M].天津：天津大学出版社，1993.

[5]于英民.计算机接口技术[M].北京：电子工业出版社，1996.

[6]杨枝灵，王开等.Visual C++数字图像获取处理及实践应用[M].北京：人民邮电出版社，2003.