欧洲铁路基础设施数字化管理—— 基于无人机载激光雷达测量 +BIM 技术

意大利铁路线路网络公司（RFI）米兰分公司与德国Vossloh公司合作，对连接意大利米兰及其外围地区的铁路线路区段Triplo Bivio Seveso进行现代化改造，以提高其基础设施的性能、安全性和可靠性，其中包括为其开发新一代的道岔。该线路区段长约3 km，是意大利北部铁路网络的重要枢纽，承担着铁路区域客运、高速铁路客运和铁路货运多重任务，6条铁路线在这里汇合。为在尽可能减少改造措施对铁路运输影响的前提下，获取精确的实际线路参数并实现对铁路基础设施的数字化管理，Vossloh公司创新性地采用了无人机载激光雷达测量（以下简称“无人机测量”）+BIM技术解决方案，即利用无人机上安装的激光雷达（LiDAR）系统对铁路基础设施进行扫描和测量，并将测量结果用建筑信息模型（BIM）表达出来（图1）。

图1 对于Triplo Bivio Seveso线路区段的测量

1 无人机测量

为精细测量现有线路基础设施参数，以支持其新一代道岔的开发，Vossloh公司用无人机测量代替了传统测量方式。这既可省去人工线路测量，降低测量成本，以及确保测量时人员的安全性，又不会对线路运营产生影响，可保证线路的可用性。为实现全面、高精度的线路数字化测量，该公司在无人机上安装了以下系统（图2）：①YellowScan LiDAR，即法国YellowScan公司生产的最新机载激光雷达；②数字正射影像（DOP）系统。为进一步提高定位精度，上述2种系统都采用实时运动学（RTK）惯性导航装置（以下简称“RTK装置”）。RTK装置使用美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯全球卫星导航系统（GLONASS）或者中国的北斗卫星导航系统等著名的卫星导航系统，并以特殊的固定接收器作为参考点，将定位精度提高到约2.5 cm。这些技术的综合利用可实现对3D数据的快速、轻松采集，而且获取的数据具有非常高的精度和分辨率。

图2 采用最新技术的无人机

（1）YellowScan LiDAR。其工作原理是利用脉冲激光束对环境进行扫描，并测量信号从物体反射回检测器所需的时间。这种飞行时间（TOF）光学测距方法适用于1 m至数千米的距离范围。为增加LiDAR的测量范围，该系统使用不可见的近红外（NIR）短波激光脉冲。其电磁光谱范围为780 nm～3 μm，包含了波长更长的可见光，涵盖IR-A和IR-B两个光谱范围。如果无人机以1 m/s的速度飞行，则该系统的分辨率将达到80 000 线/m2。通过数百万次地重复此扫描过程，YellowScan LiDAR将各个距离点汇集到一个点云中，并从中计算出环境的3D图像（图3）。通过扫描结果的重叠，该系统可实现约1 cm的精度。Vossloh公司还使用专业软件对其采集的点云进行实时的信息提取、处理和显示，并创建LAS数据集。

图3 YellowScan LiDAR采集的原始3D数据

（2）DOP系统。DOP实质上是航拍照片，其拍摄的物象无变形且可按比例缩放（图4）。DOP系统可从500～600张航拍照片中生成1个DOP，生成的DOP可直接与地图或其他数据组合使用。在系统处理航拍照片的过程中，预先测量的、具有已知地理位置的控制点（即地面控制点）可为其提供正确的地理配准，从而使系统能够以几毫米的精度对齐照片。此外，与载人飞机的机载摄像系统相比，无人机摄像系统的优势是其地面分辨率更高，原因在于无人机可在25 m的低空飞行，此时其分辨率可达到毫米级，这意味着图像中的每个像素将对应几平方毫米的区域。

图4 具有良好缩放质量的DOP

2 BIM 技术

从无人机测量数据中可以获取线路的实时信息，这些信息将用于后续相关产品和方案的开发。这一点是通过BIM技术实现的。通过将无人机测量数据导入BIM软件，可以在创建的BIM模型中显示新建线路与现有基础设施及环境之间的交互作用，以此确定最佳线路布设方案，并评估新建线路对现有基础设施和附近环境的影响。在此基础上，可根据项目要求对设计方案进行调整。

以道岔设计为例，在确定新道岔的初步设计时，首先利用DOP实现新道岔与现有线路线形的初始对准（图5）；然后利用测量数据生成3D模型，并将其导入BIM设计软件中，实现对道岔、交叉口等新基础设施详细信息的可视化展示（图6），这些信息是沿现有线路叠加显示的；再对新道岔设计与现有线路线形进行100%匹配，并提交铁路运营商的技术部门进行验证，以消除可能的线形干扰；最后利用BIM技术评估道岔最终设计的测试-投入使用报告。

图5 利用DOP实现新道岔与现有线路线形的对准

图6 新基础设施在BIM软件中的效果图

此外，BIM技术对于铁路基础设施的数字化管理还可发挥以下三大功能。

（1）可支持对最佳解决方案的评估，并有助于合理规划实施该解决方案所需的工作步骤，以保证在安装阶段最大程度地降低对线路正常运营的影响。例如，可在BIM软件中通过颜色编码模拟各基础设施组件的安装顺序（图7）。

图7 BIM软件中模拟各基础设施组件的安装顺序

（2）全程辅助铁路运营商进行决策，即何时以何种方式更换现有道岔和钢轨。

（3）为评估线路设计调整方案及确定接触网高度和位置等提供技术支持（图8）。

图8 BIM软件中辅助计算接触网位置的动态仿真

在2020年5月底——首次对Triplo Bivio Seveso区段进行无人机测量后1年，Vossloh公司完成了米兰北部铁路网络关键区域里全部5个接轨道岔中2个的更换（图9），其余的3个于2020年11月中旬更换完成。在每个施工阶段，均保证有2条线路双向通行。在整个区段施工期间，只有在更换由铸锰钢制成的中央交分道岔时进行了2个晚上的线路封闭。所有道岔组件都在10 km外的仓库中进行了预组装，然后与混凝土轨枕一起运输到相应的施工现场。在每个施工阶段结束时，Vossloh公司都会利用无人机对新基础设施进行测量，并将相关数据全部移交给铁路运营商，使铁路运营商能够在未来根据这些基础设施的使用寿命和实时状况对其进行更换。实践证明，新解决方案在提高铁路基础设施设计质量和装配精度的同时，还可降低其后期维护成本，增强其性能、安全性和可靠性。

图9 道岔的安装工作