铁路建筑限界检测系统及应用

孙淑杰，王凡，赵鑫欣，刘维桢，赵彦平

（1. 中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081；2. 北京铁科英迈技术有限公司，北京 100081）

铁路建筑限界检测系统及应用

孙淑杰1，王凡1，赵鑫欣1，刘维桢1，赵彦平2

（1. 中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081；2. 北京铁科英迈技术有限公司，北京 100081）

论述横断面法、综合断面法和轨迹法等铁路建筑限界早期检测技术，分析已在线路运营维护中应用的激光扫描和断面摄像检测技术和原理。铁路建筑限界检测系统以激光扫描技术为基础，由数据采集模块、数据分析模块和数据管理模块组成，阐述并分析各模块组成和功能。通过现场实际运用，铁路建筑限界检测系统安装快捷方便、运用可靠稳定，能够快速高效地检测铁路建筑限界状态，为铁路运营维护单位提供准确、可靠的限界状态数据，具有广阔的应用前景。

铁路建筑限界；检测系统；应用；激光扫描；侵限

1 概述

铁路建筑限界[1-3]可保障列车有足够的行驶空间和行驶安全，是一条以钢轨顶面为基准，在水平直线上垂直于铁路中心线，用于限制建筑物和设备在任何情况下均不得侵入横断面轮廓尺寸的控制线。在实际测量中，可划分为铁路建筑实际限界和综合最小建筑限界[4-5]。铁路建筑实际限界是指建筑物和设备在距轨面不同高度处最接近线路中心线的点，其共同构成横断面轮廓，在实际应用中主要关注铁路周边建筑物或设备的限界接近（侵限）状态；综合最小建筑限界是指在规定范围内，建筑物和设备所有检测横断面轮廓的综合最小尺寸，在实际应用中主要为超限货物的运输提供基础控制数据。

随着我国高速铁路和重载铁路的发展，“四纵四横”的高速铁路骨架网已基本建成，重载货运网和快速集装箱运输网已初具规模，铁路网的运营和维护至关重要，准确的限界数据关系到铁路运输安全和效率。我国地域广阔，铁路的地理环境复杂，在电气化改造、救灾、施工、日常维修与养护、超限货物运输等方面都需了解限界状况，但现有的检测车辆和手段已远远不能满足建筑限界检测和管理的需要，应对铁路建筑限界检测系统及应用开展进一步研究。

2 限界检测技术

铁路建筑限界早期检测技术主要有横断面法、综合断面法和轨迹法等。横断面法需要停车手工测量，是一种定位测量断面法；综合断面法属定高测宽法，动车时检查架开屏测量；轨迹法要求定向连续测距，动车量测，通过捕捉测绘触手外端点的运动轨迹进行测量。目前，基于综合断面法的简易限界检测车主要在工程施工中使用。

随着激光和摄像技术的进步，出现了激光扫描和断面摄像检测技术，目前已在线路运营维护中应用。

断面摄像技术的基本原理是通过激光器与摄像机同步配合对建筑限界进行检测，通常由多台线性激光器统一将激光投射到被测建筑物上，得到建筑物断面轮廓线，多台摄像机布置在检测车的外围轮廓上，从不同角度拍摄激光轮廓线。图片的处理量大，需多台计算机同时处理，合成得到建筑限界数据，经过后期图像处理，判读换算出建筑物的实际位置尺寸。此技术能够获取完整的限界断面图，通过分析及汇总处理形成综合最小建筑限界尺寸图，但受检测原理的限制，受环境光干扰时无法进行检测，只能用于隧道内部检测，而对隧道以外的建筑限界检测比较困难。多台摄像机需精准同步和标定，否则拍摄断面不完整，但由于受摄像机的频率限制，检测速度较低和断面间距较大。

激光扫描技术的基本原理是在车辆上安装激光扫描传感器，在车辆运行中连续不断地测量铁路周边建筑物的空间距离信息，经空间坐标变换建立基于轨道坐标系的建筑物二维断面图，与标准建筑限界图进行比对，自动识别建筑物侵限状态。同时通过多断面汇总模型形成综合最小建筑限界尺寸图，实现铁路建筑限界快速自动检测。激光扫描技术检测原理见图1。国外的建筑限界检测中广泛采用激光扫描技术，其具有快速、实时、准确、可靠的特点，同时受外界光的干扰少，能够在复杂环境中使用。

图1 激光扫描技术检测原理

3 系统架构及组成

铁路建筑限界检测系统以激光扫描技术为基础，主要由数据采集模块、数据分析模块和数据管理模块组成，其总体结构示意见图2。数据采集模块用于实现在高速运行状态下的线路周边建筑物断面轮廓数据的实时采集与存储；数据分析模块主要实现建筑物断面轮廓数据的分析、处理和展示；数据管理模块主要用于限界数据的浏览、查询、编辑和报表打印输出。

图2 铁路建筑限界检测系统结构示意图

3.1 数据采集模块

数据采集模块的硬件部分由供电与传输控制单元、传感器集成组件和数据采集与分析服务器组成。供电与传输控制单元用于设备的电气供电和数据传输控制；传感器集成组件封装激光扫描传感器，小型化设计，配备专用箱保存，使用时悬挂于车体或车头专用安装平台上，采用快速卡紧装置进行固定，并保证传感器的扫描断面伸出至车钩前端，不受任何遮挡；数据采集与分析服务器由高性能工控机、计数卡、串口卡和高速数据采集卡等组成，用于操控传感器和里程定位同步设备，实现数据的实时采集存储。

数据采集模块的软件采用多线程交互及虚拟内存映射技术，专门设计了大容量数据处理与存储模块，可同步整合速度、里程等信息，能够保证列车高速运行情况下的大容量数据实时采集与存储。

3.2 数据分析模块

数据分析模块针对数据采集模块整合存储的大文件数据进行预处理，运用坐标变换与空间映射、特征提取与识别、点云滤波与建模、快速图像处理等技术，快速重绘基于轨面基准坐标系的线路周边建筑物或设备断面轮廓，依靠快速数据分析算法模型进行精细分析处理，自动输出建筑物侵限数据、断面轮廓数据和综合最小建筑限界数据等，并按特定格式将数据输送到数据库中进行存储；基于三维点云建模技术生成三维立体图，能够形象展示线路周边建筑物的三维轮廓。轨面基准坐标系、车辆坐标系与激光扫描坐标系示意见图3。

图3 轨面基准坐标系、车辆坐标系与激光扫描坐标系示意图

3.2.1 多坐标系转换与运动补偿模型

铁路建筑限界的检测涉及到的坐标系有轨面基准坐标系、车辆坐标系和激光扫描坐标系。多坐标系转换与补偿模型的建立以轨面基准坐标系为基础，以车辆坐标系为桥梁和纽带，通过捕捉钢轨顶面位置，计算车辆坐标系相对于轨面基准坐标系的动态偏移量与动态偏移角，反算传感器原点坐标，然后根据传感器原点及采集到的矢径与测量角计算得到采集数据点基于轨面基准坐标系的实际坐标信息。

3.2.2 建筑物侵限自动识别算法

基于凸集理论，以二维离散点的分布特征为基础，通过空间投影比对算法，自动计算二维离散点在标准限界模型中的分布位置，实现建筑物侵限的自动识别；侵限位置以红色标注，不侵限位置以绿色显示，并将侵限数据输出。

3.2.3 综合最小建筑限界分析算法

建立综合最小建筑限界统计分析模型，以控制点为基准，建立控制区域，通过坐标系统的比对，统计分析综合最小建筑限界尺寸，并对曲线区域进行折减操作，形成综合最小建筑限界尺寸表和接近图。

3.3 数据管理模块

数据管理模块接收数据分析模块的分析处理结果，建立限界数据管理机制，能够对侵限数据、断面轮廓数据和综合最小建筑限界数据进行浏览、检索、编辑、合并和归类管理等，对关联的限界及原始数据进行二维或三维回放显示，按照特定格式打印生成相关报表，检测及现场相关人员可根据报表内容指导现场养护与维修。

4 现场应用及试验

4.1 重复性精度评估

在国家铁道试验中心环行铁道试验线的直线段和曲线段分别设置限界测试靶标（高500 mm、宽450 mm），靶标与线路方向平行，检测车以160 km/h的速度往返运行至少5次，采集现场数据后进行分析，分别统计靶标距线路中心线的距离和靶标的高度，重复性精度评估数据记录见表1。

表1 重复性精度评估数据记录 mm

从表1可以看出，最大的均方差σ为4.56 mm，置信系数K取2，最终重复性误差评估为9.12 mm。每次测试均能扫到限界测试靶标2次，断面间距小于225 mm，精度误差和断面间隔远远满足行业标准[4]规定的技术要求。

4.2 现场应用

目前，铁路建筑限界检测系统已发展成手推和车载2个系列，涵盖普速铁路、高速铁路、重载和城市轨道交通等领域，可在新车上安装或在现有车辆上加装，形成多种型号，成为满足现场不同检测需求的系列化产品。现已在轨道检测车、综合检测车、巡检车、探伤车等车辆上推广应用，取得较好的应用效果。

采用铁路建筑限界检测系统对多条高速铁路线路和重载线路进行建筑限界检测，检测出高速铁路树枝侵限（见图4）、隧道壁侵限（见图5）、隧道道砟侵限（见图6）、站台、雨棚等典型侵限；针对特定隧道输出的综合最小建筑接近限界（见图7），通过三维建模生成空旷地带和隧道三维立体图（见图8、图9）。

图4 高速铁路树枝侵限

图5 隧道壁侵限

图6 隧道道砟侵限

图7 综合最小建筑接近限界

通过现场实际运用，铁路建筑限界检测系统安装快捷方便、运用可靠稳定，能够快速获取沿线各类建筑物和设备的接近状态，分析输出建筑物侵限数据和综合最小建筑限界数据，方便运营维护单位及时掌握线路限界状态，并有针对性地开展线路整修和货物运输组织工作。

图8 空旷地带三维立体展示图

图9 隧道三维立体展示图

5 结论与展望

铁路建筑限界检测系统能够快速获取沿线各类设备、建筑物的轮廓及接近状况，为工务部门现场维修工作提供准确的限界基础数据报表，开创限界快速动态检测的全新模式，极大地提高了维修作业效率，节省了大量的人工和材料费用，在组织铁路运输和保障铁路安全运营方面发挥了重大作用。铁路建筑限界检测系统安装方式灵活多样，不受安装平台限制，可在既有车辆上加装，也可在专用检测车上安装，在普速铁路、高速铁路、重载铁路、城市轨道交通等领域均能应用，具有广阔的应用前景。

[1]刘维桢，孙淑杰. 基于激光扫描技术的铁路限界检测系统[J]. 铁路技术创新，2012(1)：56-59.

[2]TG/01—2014 铁路技术管理规程：高速铁路[S].

[3]TG/01—2014 铁路技术管理规程：普速铁路[S].

[4]TB/T 3308—2013 铁路建筑实际限界测量和数据格式[S].

[5]程志全，张重阳，何允烘. 地铁网轨综合检测车接触轨标定工装研制[J]. 中国铁路，2014(10)：88-90.

Railway Structure Clearance Inspection System and Its Application

SUN Shujie1，WANG Fan1，ZHAO Xinxin1，LIU Weizhen1，ZHAO Yanping2
（1. Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. Beijing IMAP Technology Co Ltd，Beijing 100081，China）

Railway structure clearance inspection methods such as the cross-section method, integrated section method, and tracking method used in early days have been discussed and meanwhile analysis has been done on the laser scanning and section imagery inspection technologies applied to railway operation and maintenance and their operation mechanism. Based on the laser scanning technology, the railway structure clearance inspection system consists of the data acquisition module, data analysis module, and data management module. Components and functions of each module have been described and analyzed. Its application on site shows that the railway structure clearance inspection system can be easily installed, reliably and stably applied to inspect railway structure clearance in an effective and quick manner and provide reliable and accurate clearance status data for railway operation and maintenance organizations. Therefore, the system is liable to be widely applied.

railway structure clearance；inspection system；application；laser scanning；intrusion

U456

A

1001-683X（2017）10-0077-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.077

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2015T003-A）

孙淑杰（1982—），男，助理研究员，硕士。E-mail：sjsun@rails.cn

责任编辑 李葳

2017-05-13