基于激光检测技术的地铁限界检测研究

张 浩，伍箴树

(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

随着地铁轨道交通的需求日益增加，对地铁轨道交通的车辆试验效率与可靠性提出越来越高的要求[1]。而在众多试验检查项目中，地铁车辆限界是保证城市地铁安全的极为重要的指标。目前，国内地铁限界检测的方法基本采用接触式测量。在接触式测量中，应用最广的是限界规龙门架检测。该检测方式通过在支架上安装的限界检测模板，将车辆缓缓从龙门架中间推过，人工识别车辆是否与模板产生干涉，以达到检测目的。该方法检测设备须单独定制，且不可重复使用，安装制作过程存在误差，另外操作繁琐，检测不精准，且每次使用之前需要进行变形检测，以免测量误差带来的误检[2]。此种检测方法周期长，难以避免人为误差，对于超限的部位只能定性判断，而无法得到准确的数据分析，最终影响整车的限界检测。

区别于传统的限界规模板检测方式，三维激光扫描限界检测技术具有以下特点：①工作快捷高效，无需提前定制模板及辅助设备，基本无检测成本。②可进行批量化连续测量，直接获取高精度、高密度车辆断面点云，获取的数据为车辆所有横截面的点集合。③可避免人员因素的干扰，同时避免限界规可能对车辆造成的损伤。

目前，基于三维激光扫描技术的限界测量分析软件已实际应用，针对传统限界检测手段存在的测量不精确、测量不全面、检测效率低等问题，本文基于激光扫描技术提出高效的地铁限界检测方案。

2 激光限界检测的原理及流程

2.1 激光检测原理

目前激光限界检测的原理基于激光相位测距法或激光脉冲测距法，本文利用的激光原理为相位测距法，其基本的原理如下。

假设激光经往返距离L产生的相位变化为φ，则激光由发射器到接受目标所用的时间t为:

t=φ/ω=φ/2πf

其中ω——调制后激光的角频率，ω=2πf

将以上公式带入距离计算公式：

L=(c/2)φ/2πf

其中c——光速

当波长λ>2L时，φ=Δφ；

当波长λ≤2L时，φ=Δφ+2nπ

其中n——波动的数量；

综上整理得出：

L=(λ/2)(n+△φ/2π)

激光测距装置将激光源调制成固定频率f的交变光源，通过被测目标发射后由光电探测器接受，通过测量调制光往返的相位变化，从而换算得出距离[3]。

2.2 激光检测装置介绍

激光限界检测装置由测量装置、数据处理单元、带升降结构龙门框架组成。通过实时获取激光测距仪和车的距离，作为系统测量开始及测量结束的判断依据，测量过程中实时记录车辆距离用于超限辅助定位。

激光测量装置由12台激光3d检测仪组成，主要实现整车点云数据的采集，3d检测仪安装在带升降结构的龙门框架上，整体由龙门框架、步进电机、减速单元、垂直运动单元构成。龙门架横梁可以通过软件控制进行自由多模式上下运动，满足不同高度车辆的测试需求。

限界数据处理单元由2台工控机组成，主要对各个单元进行指令控制、功能实现及数据计算处理，工作模式为连续测量模式，数据采集速度为5万点/s，单点测量精度为±1 mm，满足限界测量的精度要求。检测系统主要组件如图1、图2所示。

图1 激光限界检测装置图示

图2 激光测距仪图示

3 激光限界检测流程

3.1 检测流程

激光限界检测操作方法简单，只需在限界检测软件中创建工程文件，进行项目名称编辑、预构车辆轮廓、车辆限界、设备限界等操作，并将工程文件载入检测系统，即可开始限界检测，操作流程如图3所示。

图3 激光检测流程

3.2 数据采集

数据采集采用连续测量工作模式，激光扫描仪将对车辆断面进行不间断测量，获取的点云数据无需进行坐标转换和拼接，从而避免了数据在累加过程中造成的误差[4]。数据采集的结果为车辆的3d轮廓模块。激光限界检测系统通过安置在地面远端定制的测距仪进行车辆的里程数据检测，里程分辨率为0.5 mm，测量误差小于0.3%。虽然海量点云数据的管理算法已不断优化，但点云处理过程中，消耗时间和点云数量仍呈线性相关，因此，在实际的限界检测数据采集时，每间隔1 mm自动测量1个车辆断面，但对于需要重点校核的车辆部位，可根据实际条件，选择合适的断面间隔进行测量。

3.3 点云降噪

由于检测装置采集数据速度快，造成获得的数据中冗余的点云成分大，影响工作效率，需要对其进行降噪简化，但是同时需要保留车辆鲜明的几何特征。本文采用统一采样法对数据进行压缩，该方法可减少平坦区域内的点数，但保留高曲率区域内的点以保留细节。点云降噪效果如图4、图5所示。

图4 点云数据去噪前

图5 点云数据去噪后

4 限界检测分析

4.1 最大轮廓横断面提取分析

地铁车辆限界测量的分析对象为车辆的准静态包络线与车辆限界，所需提取的横断面包括车辆所有的轮廓断面的集合，最终完成最大车辆准静态包络线的提取[5]。本文使用的专业限界分析软件能够根据点云数据集完整提取所需最大横断面，并以车辆限界为基础，自动测量横断面距车辆限界节点最近的点间距。如图6所示，将车辆限界导入软件中进行叠加分析，通过软件计算得到车辆限界的检测结果。

图6 限界检测图像

4.2 限界检测分析及报告生成

在车辆的限界检测过程中，须推动车辆通过限界检测装置，车辆的运动可能会造成车辆与轨道之间的不对中，从而造成车辆的检测出现误检测，但激光扫描检测可根据车辆实际中心线距轨道中心轴线的常数定值，结合实测数据自动计算车辆横断面的轨道基准点，同时车辆限界与隧道横断面根据所得轨道基准点进行叠加。以实际轨道位置为基准，以车辆动态轮廓节点为检测对象，测量与之最近的车辆限界点间距，相较于以往限界规只能粗略定性判断车辆是否存在超限更加直观准确，基于激光原理的全面精确的限界检测更符合限界分析需求。

限界测量分析完毕，软件支持一键生成图表检测报告。书面报告内容包括测量单位、测量状态、轨距、测量数据、测量结果及其他测量信息，如图7所示。

图7 限界检测报告

5 结语

本文提出的激光限界检测技术已经用于实际地铁车辆限界检测项目，为地铁车辆的限界检测以及超限分析提供了高效可靠的检测和分析手段，区别于以往测量方案，本文提出的激光限界测量方案实现了检测结果二维和三维展示，获取的车辆限界信息也更加精确详实。总结来说，该解决方案利用三维激光扫描仪，结合点云数据处理软件及专业的车辆限界分析软件，在提高可靠性和作业效率的同时，更为直观地展现限界测量情况，并可快速生成图表一体的限界检测报告，为地铁车辆的限界检测提供了解决方案。