高精度复原技术在营业线施工中的应用

庞永亮，吴巨恒，庄启明，田怀谦

（中铁电气化局集团第一工程有限公司，北京 100070）

1 引言

随着营业线施工中既有设备复杂程度的不断提高，为了保证运营安全，对既有设备的改造和升级过程的要求越来越严苛。设备的改造和升级往往动一发而牵全身，需要各系统相互支撑、互为保障，如变电所改造需要对基础、缆沟、接地、设备等各方面进行全面考虑，因此，必须对既有设备、设施进行完整、准确地测绘和测量，在完整精确数据的支持下对实施方案进行模拟、研究和评判。然而，以往营业线施工中的测量和测绘的技术只是通过二维平面图、安装图进行分析、演示与评判，往往由于信息表示方法的局限、信息的不准确或不完整以及识图人员的综合素养，不能完整、综合分析设备的现状，进而影响改造实施方案的顺利制定[1]。

为了满足项目需求，基于高精度激光雷达点云数据、高分辨率可见光影像、定位数据实现精准的变电所以及隧道、车站等复杂既有线环境的数字化镜像及全景测量（数字孪生）；融合数字孪生技术、既有设备图纸与安装图纸等多源数据，采用建模软件构建营业线施工现场的地形地貌、单体设备、组合设备等比例三维模型，实现施工现场环境及设施设备的高精度还原；以数字孪生技术还原的铁路营业线精细三维模型为载体建立三维分析应用平台，对施工方案模拟、关键工序衔接、安全管理、人员配备、物料跟踪等信息进行综合分析，用严格的数学模型指导设备的改造和升级。

2 多源数据融合

融合激光LiDAR、GNSS、倾斜摄影等多源数据，将数字孪生技术贯穿于铁路营业线施工改造全过程。工作流程如图1所示。

2.1 点云数据采集

使用RIEGL VZ-1000三维激光扫描系统根据施工改造进度多次对一改造车站进行数据采集，施工改造前数据采集主要为既有设施设备情况进行高精度复原，施工过程中数据采集则为施工改造预期与改造成果进行对比。RIEGL VZ-1000三维激光扫描系统最大测量距离1400m，点频为30万点/秒，对于重点区域进行加密测量的方法，同时分别在测量区域端点和中点进行控制测量，保证测量的精度与足够点密度。外业测量如图2所示。对采集的多个站点数据进行平差，平均误差控制在6mm以内，并对获取的点云数据进行纹理映射，如图3、4所示。

图2 VZ-1000

图3 锦和站点云数据

图4 锦和变电所点云数据

2.2 无人机倾斜摄影测量

采用自主研制的ARC524倾斜摄影系统专门为轻型无人机所设计，主要安装于多旋翼无人机、固定翼无人机上[2]。该系统主要用于高分辨率倾斜摄影，其由E1.8/50 OSS蔡司五镜头组成，一次飞行即可获取地面目标五个方向影像，大大提高了工作效率。它的主要特点是重量轻、分辨率高、便于携带、易于挂装，如图5所示。将ARC524倾斜摄影系统搭载与大疆M600无人机对锦和车站进行航测，如图6所示，共飞行15架次，将获取的高分辨率影像进行空三加密和点云滤波等处理，得到精度优于3cm的倾斜影像。

图5 锦和站倾斜模型

图6 锦和站倾斜模型

3 高精度复原

融合高精度点云数据、倾斜摄影三维模型数据、既有设备图纸等多源数据，使用主流建模软件3ds max、Revit对锦和车站进行三维重建。为了达到高精度建模需求，在重建之前对接触网每个零部件进行精细建模，将多种不同尺寸零部件按点云实测值或新建线路施工图纸要求进行组装，最终得到锦和车站施工改造过程中的精细三维模型改造后模型，如图7所示，改造前后对比如图8所示。

图7 改造后模型

图8 改造前后对比

4 施工管理平台

为了更好地将高精度复原技术应用于铁路营业线改造施工中，研制既有线改造施工管理平台，该平台可对既有线施工改造过程中的施工资料进行统一管理；可实现营业线精细三维场景的快速可视化，通过与数据库连接，实现各设备位置信息和属性信息的快速查询，如图9、10所示；实现三维场所内设备拆卸、安装、检修等操作，将改造过程中的各项施工要素进行整合，包括精细化改造方案、过程衔接、安全把控、天窗点内时间控制、施工组织设计等，使营业线设备的改造升级过程与运行状态的反馈与真实改造过程高度一致，使最终的运行情况达成运维高度。

图9 三维空间量测

图10 三维属性信息展示

5 结论

基于多源技术融合的方法能够对铁路营业线施工改造现场地形地貌及设施设备进行高精度复原，复原结果可直接在三维平台中进行信息提取，较传统方法获取的信息更加全面，该技术为既有线施工改造提供原始数据外，还为线路改扩建提供高精度基础数据。在高精度三维模型基础上搭建综合管理平台对模型进行属性编辑，施工资料管理，实现对一些重大及复杂山区地段改造的施工方案模拟、重要工序衔接、安全管理、人员配备、物料跟踪等信息进行分析，有助于提高施工质量，提升施工效率。