CN103852011A - 基于激光雷达的铁路接触网几何参数分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于激光雷达的铁路接触网几何参数分析方法，步骤为：1）采用单线激光雷达进行扫描，在扫描范围内获得多个连续的扫描数据，将扫描数据转换为空间直角坐标系数据；2）将空间直角坐标系数据按时间顺序或位移顺序进行排序，选取导高和拉出值处于预设范围内的数据；3）查找有效数据的每行数据中最小导高值对应的点，得到火车运行时受电弓和接触线的接触位置；将有效数据按照距离进行分类，计算每一类数据中拉出值的极值点，得到支柱所在位置。本发明具有测量值连续、检测效率高、能够对激光雷达扫描的连续数据进行快速、有效的处理并智能识别接触线及支柱位置的优点。

Description

基于激光雷达的铁路接触网几何参数分析方法

技术领域

本发明涉及接触网几何参数检测领域，尤其涉及一种基于激光雷达的铁路或地铁接触网几何参数分析方法。 

背景技术

铁路或地铁中，为保证接触网供电的安全可靠，需要周期性的对接触网几何参数进行检测，以保证行车安全。接触网几何参数参数包括接触线高度（以下简称为导高）、接触线拉出值（以下简称为拉出值）、侧面限界等，其中导高和拉出值是以两铁轨中心点为原点的空间直角坐标系数据，支柱位置为侧面限界的重要指标。 

现有检测技术中，对于铁路或地铁接触网几何参数的检测，例如导高和拉出值等，一种方法为采用摄像头进行检测，通过摄像头的测距来确定接触网的空间位置，然而由于采用了摄像头，检测所需的成本较高、图像处理数据量较大，且其测量结果受光线影响较为严重；另一种是采用激光测量仪（例如DJJ-8激光测量仪）进行人工检测，通常是由人工利用激光进行单点对准并进行测距，每次只能测量一个点数据，且由于无法准确对准接触线的最低端，人工对准的精度较低，因此此类方案测量效率较低、采样数据量较少且测量值不连续，造成分析结果误差较大，从检测数据中施工方或验收方无法直观的了解接触线的空间位置。 

采用基于激光雷达连续扫描以实时检测接触网几何参数的方法，由激光雷达每扫描一次返回一行数据，一次测量能够获得连续的多个扫描数据，能够有效提高测量的效率及精度。扫描的这些数据是在以激光雷达为原点，垂直于铁轨延伸方向的平面中极坐标距离数据，每行数据还包括时间（精确到毫秒）和激光雷达的位移，其中时间可以通过电脑的时间确定、位移数据需要一个和雷达固定在一起的位移计采集。 

如图1、2所示，采用激光雷达扫描检测接触线几何参数原理，假设接触线极坐标长度变量为x，则满足下式： 

H=H₀+h=H₀+xcosα 

z=xsinα 

其中式中：H—接触线高度 

h—接触线至激光发射点所在水平面的距离 

z—拉出值 

H₀—激光雷达扫描点距轨面高度 

α—激光雷达中心轴线同扫描激光束的夹角。 

激光雷达进行连续数据扫描时，扫描方向平面垂直于铁轨延伸方向同时沿铁轨方向运动，并保持与铁轨的高度和偏移量不变。由于铁路或地铁接触网高度一般在4-7米范围内，激光雷达扫描角度分辨率小于0.1度，接触线直径10-20毫米，理想的情况是激光雷达能在接触线上扫描到3-5个点，因此激光雷达角度分辨率越小越好，否则在4-7米的距离无法扫描到接触线。激光雷达扫描频率应与其沿铁轨方向运动速度相关，速度越快，扫描频率也要越高，理想的情况是保证每米位移能扫描10次。 

采用激光雷达进行连续扫能够获得多个连续的扫描数据，解决单点检测效率低等问题，然而通过获得的连续数据并不能直接获得接触网的侧面限界等几何参数，施工方或验收方也无法直观的了解接触线的空间位置，因此要获取接触网几何参数，还需要对测量数据进行分析处理。直接处理检测得到的大量连续数据会导致检测速度及效率的下降，且扫描获得的数据中还存在大量的非有效数据，增加不必要的数据处理量的同时影响检测的准确性。 

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、测量值连续、检测效率高、能够对激光雷达扫描的连续数据进行快速、有效的处理并智能识别接触线及支柱位置的基于激光雷达的铁路接触网几何参数检测方法。 

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为： 

一种基于激光雷达的铁路接触网几何参数检测方法，其特征在于，步骤为： 

（1）采用单线激光雷达进行扫描，在扫描范围内获得多个连续的扫描数据并将所述扫描数据转换为空间直角坐标系数据； 

（2）将所述空间直角坐标系数据按时间顺序或位移顺序进行排序，选取导高和拉出值处于预设范围内的数据，得到检测的有效数据； 

（3）查找所述有效数据的每行数据中最小导高值对应的数据点，得到列车运行时受电弓和接触线的接触位置；将有效数据按照数据间的距离进行分类并计算分类后每一类数据中拉出值的极值点，查找所述极值点对应的数据点，得到支柱所在位置。 

作为本发明的进一步改进，所述步骤（1）中将所述扫描数据转换为空间直角坐标系数据的具体步骤为： 

（1.1）输入所述扫描数据作为原始极坐标数据，根据相邻数据之间的相关性去除数据中的冗余数据，得到化简后的极坐标数据； 

（1.2）将化简后的极坐标数据转化为空间直角坐标系数据，并加上激光雷达相对于铁轨的高度和偏移量，得到转换后的空间直角坐标系数据。 

作为本发明的进一步改进：所述步骤（2）中导高和拉出值预设范围的具体设置方法为： 拉出值预设范围为-600mm～600mm，当为高速铁路时，导高预设范围为5000mm～5800mm；当为普速铁路时，导高预设范围为5800mm～6600mm；当为架空地铁时，导高预设范围为3600mm～4400mm。 

作为本发明的进一步改进：所述步骤（2）中还包括选取导高和拉出值处于预设范围内的数据流程后的数据化简流程，其具体实施步骤为： 

（2.1）数据合并：当数据为按位移顺序排序时，将预设位移范围内的数据合并为一个数据；当数据为按时间顺序排序时，将预设位移范围对应的时间间隔内的数据合并为一个数据； 

（2.2）滤波：对合并后的数据进行滤波，去除连续突变的数据后输出。 

作为本发明的进一步改进：所述步骤（2.1）中预设位移范围为1m。 

作为本发明的进一步改进：所述步骤（2.2）中滤波采用均值滤波。 

作为本发明的进一步改进：所述步骤（3）中分类流程后、计算极值点流程前还包括最优估计流程，具体实施方法为：对分类后的数据采用卡尔曼滤波进行最优估计，输出每类数据的最优估计。 

与现有技术相比，本发明的优点在于： 

（1）本发明通过采用单线雷达进行扫描，只需要固定雷达扫描范围，不需要进行人工对准，雷达扫描频率可以满足数据量的采样要求，能够得到连续的测量数据、检测效率高且测量精度高。 

（2）本发明通过对激光雷达扫描得到的数据进行处理，将接触网的导高、拉出值以位移或者时间的顺序进行直观的显示，使施工方或验收方能够直观的观测到接触网的几何参数数据，便于进行分析判断；通过去除冗余度、合并临近点以及滤波等对扫描的数据进行化简处理，去除不必要的分析数据，大大减少了数据处理量，从而提高数据处理速度及检测效率。 

（3）本发明通过对获得的连续的导高、拉出值进行分析，查找出火车运行时受电弓和接触线接触的位置以及支柱所在的位置，实现智能识别接触线的空间位置，使施工方或验收方能够直观的了解到接触线空间位置信息，保障列车供电及行车安全。 

附图说明

图1是采用激光雷达检测接触线几何参数中直线区段检测原理示意图。 

图2是采用激光雷达检测接触线几何参数中曲线区段检测原理示意图。 

图3是本实施例基于激光雷达的铁路接触网几何参数分析方法流程示意图。 

图4是本发明具体实施例中基于激光雷达的铁路接触网几何参数分析方法流程示意图。 

图5是本实施例中几何参数以位移方式显示的数据结果示意图。 

图6是本实施例中几何参数以时间方式显示的数据结果示意图。 

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。 

如图3所示，本实施例基于激光雷达的铁路接触网几何参数分析方法流程，步骤为： 

（1）采用单线激光雷达进行扫描，在扫描范围内获得多个连续的扫描数据并将所述扫描数据转换为空间直角坐标系数据； 

（2）将所述空间直角坐标系数据按时间顺序或位移顺序进行排序，选取导高和拉出值处于预设范围内的数据，得到检测的有效数据； 

（3）查找所述有效数据的每行数据中最小导高值对应的数据点，得到列车运行时受电弓和接触线的接触位置；将所述有效数据按照数据间的距离进行分类并计算分类后每一类数据中拉出值的极值点，查找所述极值点对应的数据点，得到支柱所在位置。 

本发明通过采用单线雷达进行扫描，只需要固定雷达扫描范围，不需要进行人工对准，雷达扫描频率可以按照采样要求进行设置并得到连续的测量数据，使得检测效率高且测量精度高。 

本发明通过对激光雷达扫描得到的数据进行处理，将接触网的导高、拉出值以位移或者时间的顺序进行直观的显示，使施工方或验收方能够直观的观测到接触网的几何参数数据，便于进行分析判断。 

本发明通过对获得的连续的导高、拉出值进行分析，查找出火车运行时受电弓和接触线接触的位置以及支柱所在的位置，实现智能识别接触线的空间位置，保障列车供电及行车安全。 

如图4所示，本发明具体实施例中基于激光雷达的铁路接触网几何参数分析方法流程，步骤为： 

（1）化简原始极坐标数据：采用单线雷达进行扫描，固定扫描范围并在扫描范围内获得多个连续的扫描数据，将扫描数据进行去除冗余度化简。 

激光雷达扫描获得的扫描数据即为原始极坐标数据，由于激光雷达扫描的角度比较小，对同一个物体的扫描也会返回一连串的数据，这些数据的特点是数据相邻并且数据差值较小，因此可以根据这些数据之间的相关性将雷达扫描的原始数据进行化简，去除冗余数据以减少数据量。 

本发明采用单线雷达进行数据扫描，能够实现计算机自动、实时连续、高精度、快速的检测电气化铁路接触网各项参数，工作效率是单点测距的10倍以上、工作精度为单点测距的2倍以上。 

（2）空间直角坐标系的转换：将化简后的扫描数据转化为空间直角坐标系数据，并加上激光雷达相对于铁轨的高度和偏移量，即承载激光雷达的小车相对于铁轨的高度和偏移量。 

激光雷达每次扫描的数据是以激光雷达为原点的极坐标数据，铁路（或者为地铁）接触网检测导高和拉出值是以两铁轨中心点为原点的空间直角坐标系数据，其X轴对应铁轨延伸方向，Y轴平行于地平面垂直于铁轨延伸方向，Z轴垂直于地平面并指向天空。因此需要将扫描获得的数据转化为空间直角坐标系数据，并加上激光雷达相对于铁轨的高度和偏移量。（3）数据排序：将空间直角坐标系数据按时间顺序或位移顺序进行排序。 

本实施例中，可以将转换为空间直角坐标系的数据按位移方式或时间方式进行排序，连续的显示每个数据点对应的导高值以及拉出值。 

按照位移方式呈现数据时，现场人员能够实时掌握接触网的几何参数情况，便于及时调整和复测，以X轴数据是位移量，Y轴数据是接触线拉出值，Z轴数据是接触线高度。按照时间方式呈现数据时，以X轴数据是时间，Y轴数据是接触线拉出值，Z轴数据是接触线高度。在激光雷达沿铁轨方向匀速运动的情况下，两种方式呈现的数据轨迹是相似的。 

由于激光雷达输出的数据是按照时间顺序输出的，因此按时间方式呈现数据时，不需要进行再排序。而由于雷达运动速度是可变的，运动方向甚至可以变化为与原运动方向相反的方向，若雷达一开始沿X轴正向运动，运动一段时间后也可以沿X轴反方向运动，因此按位移方式呈现数据需要将位移数据按升序进行排列。 

（4）窗口范围设置：设置接触线的导高和拉出值的窗口范围，选取排序后处于预设范围内的数据。 

按照施工标准，一段铁路或地铁接触线的导高和拉出值处于一个固定范围内，范围以外的数据位激光雷达扫描到的非接触线的障碍物数据或是严重不符合施工标准的接触线数据。 

本实施例中，设置高速铁路导高范围为5000mm～5800mm，普速铁路导高范围为5800mm～6600mm，架空地铁导高范围为3600mm～4400mm，拉出值的范围则均为-600mm～600mm。根据实际工况选取每行扫描数据中预设范围窗口内的数据进行分析，窗口以外的数据不做分析。 

（5）数据处理：将处于预设范围内的数据进行合并化简，并将合并化简后的数据进行滤波，去除连续变化的数据后输出。 

接触线是刚性材料且按照施工标准的约束，短距离内接触线的导高和拉出值一般不会发生突变，基于此可以进行数据化简。 

本实施例中，设置位移范围为1m，若按位移方式呈现数据，在YZ平面上将1m位移内的临近的数据点合并化简为一个点；若按时间方式呈现数据，根据雷达的运动速度估算出1m 位移的时间间隔，在YZ平面上将估算得出的时间间隔内临近的数据点合并化简为一个点。 

铁轨上方一般只有一根接触线，而只有在两个接触线交汇的地方，才会出现两根接触线。因此，在短距离内接触线的数量并不会发生连续变化。据此可以对合并化简后的数据进行进一步滤波处理，去除数量连续突变的数据。 

本实施例中，对合并化简后的数据进行均值滤波，去除数量连续突变的数据。 

本发明通过去除冗余度、合并临近的数据点以及滤波对由激光雷达扫描获得的数据进行化简，去除不必要分析的数据，大大减少了实际需要处理的数据量，有效的提高了数据处理速度及检测效率。 

（6）数据分类：将经过处理后的数据按照距离进行分类，每一类表示一根接触线。 

本实施例中，将在空间直角坐标系中距离不大于100mm的临近点归为一类，即表示一根接触线。 

（7）优化处理：对得到的每一类数据进行卡尔曼滤波，得到最优的数据估计。 

本实施例中，将得到的每一类数据进行卡尔曼滤波，得到最优的数据估计并将每一类数据以图像形式呈现出来，使施工方或验收方能够直观的了解接触线的空间位置。 

（8）空间位置的确定：查找出优化处理后的每行数据中最小导高值对应的数据点，即为火车运行时受电弓和接触线接触的位置，求出相邻最小导高值对应点的高差；计算每一类数据中拉出值的极值点，极值点对应的数据点即为支柱所在位置。 

本实施例中，受电弓和接触线接触的位置以柱状图形式进行呈现，根据得到的支柱所在位置标注相应的支柱编号以及对应的导高和拉出值，使施工方或验收方能够直观的了解到接触线空间位置信息，当然在其他实施例中接触线空间位置信息也可以采用其他呈现方式。 

本发明检测得到的接触网几何参数包括：导高、拉出值、相邻定位点高差、相邻吊线点高差以及支柱位置，并将各几何参数通过图形形式进行显示，使施工方或验收方能够直观的了解到接触线空间位置信息。 

如图5所示，本实施例中几何参数以位移方式显示的结果，结果图形由上到下分为3部分，第一部分为接触线高度（导高），第二部分为拉出值信息，第三部分为相邻接触线高差信息，单位均为mm；X坐标为距离，单位为m。第一部分横坐标中100#、102#......114#为支柱标号，根据结果可以进一步的得到接触线所有的几何参数信息和超限信息，超限信息即为超过预定范围的几何参数信息。 

如图6所示，本实施例中几何参数以时间方式显示的结果，结果图形由上到下分为3部分，第一部分为接触线高度（导高），第二部分为拉出值信息，第三部分为相邻接触线高差信息，单位均为mm；X坐标为时间且精确到ms，图中时间表示格式为：时：分：秒.毫秒。 第一部分横坐标中100#、102#......114#为支柱标号，根据几何参数结果可以进一步的得到接触线所有的几何参数信息和超限信息。 

本实施例中，通过对X轴的比例调整，可以观察接触线整体走势以及相邻点的高差大小，使施工方或验收方能够了解到更为全面的接触线空间位置。对于特殊的支柱，可以通过手动添加、删除或自定义非连续的标杆编号处理，保证数据的准确性。 

本实施例中，将相邻支柱导高数据和超限数据导出，当数据量比较大的时候，根据几何参数要求可以快速了解整段接触线中存在问题的支柱。判定接触线是否存在问题的方法为：1）判断接触线的平顺性，例如在高铁中要求接触线具有好的平顺性，即接触线的斜率需要满足在千分之三以内，甚至为零。通过几何参数以位移方式或时间显示的结果图可以直观的看出接触线是否平顺，例如按照高铁中的接触线平顺性的要求，图3、图4中的的102#支柱的平顺性不满足要求，需要对其进行重新调整；2）判断拉出值，高铁中接触网拉出值要求在300mm以内，若拉出值超出或者过小需要分析原因并进行调整；3）判断高差，从图3、图4中的高差图可以看出，102#支柱附近的接触线高差明显偏高，其高差接近或者超过10mm，可以判断接触线存在问题。在其他实施例中，还可以根据其他几何参数的要求判断接触线是否存在问题。 

本实施例中，将分析修改后的数据保存成jpg格式的图片，以进行结果的分析及比对。 

本发明通过对激光雷达扫描得到的数据进行处理，将接触网的导高、拉出值以位移或者时间的顺序进行直观的显示，使施工方或验收方能够直观的观测到接触网导高、拉出值、相邻定位点高差、相邻吊线点高差以及支柱位置，根据各几何参数的具体要求可以分析得出接触线的问题；通过对获得的连续的导高、拉出值进行分析，查找出火车运行时受电弓和接触线接触的位置以及支柱所在的位置，实现智能识别接触线的空间位置，使施工方或验收方能够直观的了解到接触线空间位置信息，保障列车供电及行车安全。 

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。 

Claims (7)

1.一种基于激光雷达的铁路接触网几何参数检测方法，其特征在于，步骤为：

（1）采用单线激光雷达进行扫描，在扫描范围内获得多个连续的扫描数据并将所述扫描数据转换为空间直角坐标系数据；

（2）将所述空间直角坐标系数据按时间顺序或位移顺序进行排序，选取导高和拉出值处于预设范围内的数据，得到检测的有效数据；

（3）查找所述有效数据的每行数据中最小导高值对应的数据点，得到列车运行时受电弓和接触线的接触位置；将所述有效数据按照数据间的距离进行分类并计算分类后每一类数据中拉出值的极值点，查找所述极值点对应的数据点，得到支柱所在位置。

2.根据权利要求1所述的铁路接触网几何参数检测方法，其特征在于，所述步骤（1）中将所述扫描数据转换为空间直角坐标系数据的具体步骤为：

（1.1）输入所述扫描数据作为原始极坐标数据，根据相邻数据之间的相关性去除数据中的冗余数据，得到化简后的极坐标数据；

（1.2）将化简后的极坐标数据转化为空间直角坐标系数据，并加上激光雷达相对于铁轨的高度和偏移量，得到转换后的空间直角坐标系数据。

3.根据权利要求2所述的铁路接触网几何参数检测方法，其特征在于，所述步骤（2）中导高和拉出值预设范围的具体设置方法为：拉出值预设范围为-600mm～600mm，当为高速铁路时，导高预设范围为5000mm～5800mm；当为普速铁路时，导高预设范围为5800mm～6600mm；当为架空地铁时，导高预设范围为3600mm～4400mm。

4.根据权利要求2所述的铁路接触网几何参数检测方法，其特征在于，所述步骤（2）中还包括选取导高和拉出值处于预设范围内的数据流程后的数据化简流程，其具体实施步骤为：

（2.1）数据合并：当数据为按位移顺序排序时，将预设位移范围内的数据合并为一个数据；当数据为按时间顺序排序时，将预设位移范围对应的时间间隔内的数据合并为一个数据；

（2.2）滤波：对合并后的数据进行滤波，去除连续突变的数据后输出。

5.根据权利要求4任意一项所述的铁路接触网几何参数检测方法，其特征在于：所述步骤（2.1）中预设位移范围为1m。

6.根据权利要求4所述的铁路接触网几何参数检测方法，其特征在于，所述步骤（2.2）中滤波采用均值滤波。

7.根据权利要求1～5任意一项所述的铁路接触网几何参数检测方法，其特征在于，所述步骤（3）中分类流程后、计算极值点流程前还包括最优估计流程，具体实现方法为：对分类后的数据采用卡尔曼滤波进行最优估计，输出每类数据的最优估计。

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