CN112363178B - 一种接触网隧道吊柱的动态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道列车接触网检测技术领域，具体涉及一种接触网隧道吊柱的动态测量方法，该测量方法利用激光雷达扫描的点云数据，结合光电编码器测出的里程、直线位移传感器测出的轨距，构建隧道吊柱的三维模型数据，对不同设计规格、不同场景的隧道吊柱进行模型训练学习，得出不同设计规格隧道吊柱的计算阀值，进而快速、准确检测隧道吊柱。

Description

一种接触网隧道吊柱的动态测量方法

技术领域

本发明涉及轨道列车接触网检测技术领域，具体涉及一种接触网隧道吊柱的动态测量方法。

背景技术

接触网隧道吊柱是接触网关键组成部分，对列车能否高速行驶和安全提速非常重要，隧道吊柱导高、拉出过小会影响列车行驶安全，需要在线路验收和定期对隧道吊柱巡检测量，过大则安装空间不够。目前铁路相关部门对接触网隧道吊柱的检测大多采用激光测量的方式完成，这种方式效率低、工作强度大，测量容易出现偏差。因此，目前亟需一种测量准确高效的接触网隧道吊柱测量方法。

本发明对要测量的目标物体建立点云数据模型，使用高性能激光雷达对隧道和接触网进行扫描数据，对目标模型训练学习，不断提高识别准确率，并重构隧道吊柱底部曲面，提高测量精度。本方法在黔张常高铁、六安线、广州外绕线等使用都达到较好效果，具备测量准确、精度高、测量速度快等特点。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明公开一种基于点云模型的接触网隧道吊柱的动态测量方法，该测量方法利用激光雷达扫描的点云数据，结合光电编码器测出的里程、直线位移传感器测出的轨距，构建隧道吊柱的三维模型数据，对不同设计规格、不同场景的隧道吊柱进行模型训练学习，得出不同设计规格隧道吊柱的计算阀值，进而快速、准确检测隧道吊柱。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明的技术方案包括以下步骤(如图1)：

步骤一：使用动态测量仪持续动态扫描接触线、承力索、定位器、隧道壁、吊柱，获取三维点云数据；

步骤二：去除隧道壁无效干扰数据，用直线算法分割出接触线和承力索，并进一步分割出隧道吊柱三维点云数据；

步骤三：取多个不同规格隧道吊柱作为样本，每个吊柱样本反复动态测量，重复迭代确定隧道吊柱点云数据特征；

步骤四：将隧道吊柱点云数据特征应用于动态检测,并重建吊柱底部截面和侧面，计算出隧道吊柱的导高和拉出值。

结合2至图4所示，在上述步骤一至步骤四的基础上还分别包括以下步骤：

进一步的，在所述步骤一中，使用激光雷达的动态测量仪持续动态扫描接触线、承力索、定位器、隧道壁、吊柱，测量的步骤如下：

S1：将高精度激光安装在检测装置上，并在检测装置上安装光电编码传感器；

S2：检测装置沿着铁轨移动，激光雷达持续扫描隧道、接触线、定位器腕臂、隧道壁、吊柱；

S3：激光雷达持续扫描的测量点数据和光电编码器返回位置数据同步构成测量点的三维点云数据，送到检测装置的数据处理中心。

进一步的，在所述步骤二中，去除隧道壁无效干扰数据，用直线算法分割出接触线和承力索，并进一步分割出隧道吊柱三维点云数据，操作步骤如下：

S1：通过边缘滤波，去除掉隧道壁的点云，排除隧道壁对吊柱测量的干扰

S2：通过RANAC直线随机分割，分割出接触线和承力索；

S3：根据隧道吊柱结构特点和接触线的相对位置关系(如图2)，进行首次特征匹配，分割出隧道吊柱及周边的三维雷达点云。

进一步的，在所述步骤三中，取多个不同规格隧道吊柱作为样本，每个吊柱样本反复动态测量，重复迭代确定隧道吊柱点云数据特征，操作步骤如下：

S1：取普铁隧道吊柱、高铁隧道吊柱各基础样本2×m(m大于10)个，每个样本重复检测n(n大于10)次，则样本数据至少为2×(m×n)份；

S2：根据吊柱结构特征以及和定位器、接触线的位置关系，找到吊柱底部有效的样本点A；

S3：以A为参考点，重复直线迭代拟合，求出上另一参考点B，计算AB两点的有效距离d；

S4：连接AB两点，计算所有落在这条直线附近点分布的离散度λ：

S5：用所有样本数据迭代计算出最小离散λ和有效最大距离d，作为隧道吊柱的判别特征；

S6：将样本数据依次扩大k(k>10)倍，重复迭代，修正特征系数λ和d，并将最后修正验证过的值作为隧道吊柱点云配准特征值。

进一步的，在所述步骤四中，将隧道吊柱点云数据特征应用于动态检测，并重建吊柱底部截面和侧面，计算出隧道吊柱的导高和拉出值，操作步骤如下：

S1：通过特征匹配对隧道吊柱点云进行配准，确定是隧道吊柱后进行下一步处理；

S2：对隧道吊柱进行边沿滤波，进一步去掉干扰数据；

S3：根据隧道吊柱的测量要求，重构隧道吊柱底面和侧面(图3所示)。

S4：取出吊柱底面所有点计算吊柱导高，以及取出侧面所有点计算出吊柱拉出。

本发明的有益效果是：

第一，本发明采用非接触式检测方法通过高精度激光雷达对接触网隧道及吊柱持续扫描测量，快速准确给出检测结果，测量精度优于一般基于图像处理的吊弦检测方法。

第二，本发明采用三维点云训练模型计算出隧道吊柱特征系数，进而快速有效的判断出隧道吊柱，检测速度快，结果准确，不受环境和吊柱设计标准不同的干扰。

附图说明

图1为本发明的隧道吊柱动态测量流程图。

图2为本发明的吊弦安装结构。

图3为本发明的隧道吊柱点云投影图。

图4为本发明的隧道吊柱点云配准及测量流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图或简单示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

此外，若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，一种接触网隧道吊柱的动态测量方法，包括以下步骤：

步骤一：使用动态测量仪持续动态扫描接触线、承力索、定位器、隧道壁、吊柱，获取三维点云数据；

本方法使用的检测装置装配了角分辨率为0.09，扫描频率20Hz，测量范围为0.5米到100米，测量精度3毫米的高精度雷达，以及高精度光电编码器和0.01毫米精度的直线位移传感器，可以保证测量出的隧道吊柱导高、拉出值理论误差在3mm以内：

本检测方法使用的雷达角分辨率为0.09，可以保证有足够的隧道吊柱点云数据供模型训练使用。

本装置采用2GHz双CPU数据处理中心，可以保证实时处理隧道吊柱点云数据的计算性能。

步骤二：去除隧道壁的无效干扰数据，用直线算法分割出接触线和承力索，并进一步分割出隧道吊柱三维点云数据；

根据隧道壁的轮廓特点，先找到点云最高的一点，以该点为参考点进行边缘滤波，去除掉隧道壁的点云，排除隧道壁对吊柱测量的干扰；

再使用RANAC直线分割法，分离出直径14毫米的接触线和承力索；

如图2，根据隧道吊柱的安装位置以及相对接触线的位置关系，在点云中随机找到拉出1500毫米到3000毫米，导高大于4000毫米的一点，垂直向上进行直线拟合。

并设定RANAC运算设置的以下参数：

threshold＝隧道吊柱边长(14毫米)+最大偏离值(30毫米)

closepoints＝1000毫米最少扫到的隧道吊柱点数(1000÷16.5)×(150×20/1000)≈180

当满足该条件时，转入步骤三(动态快速测量时，则直接转入步骤四)，否则进一步迭代。

步骤三：取多个不同规格隧道吊柱作为样本，每个吊柱样本反复动态测量，重复迭代确定隧道吊柱点云数据特征；

先取普铁隧道吊柱、高铁隧道吊柱各基础样本2×m(m大于10)个(上行、下行各m个吊柱)，并用静态测量工具测出每根吊柱的导高拉出值，每个样本重复检测n(n大于10)次，则样本数据至少为2×(m×n)份；

根据吊柱结构特征以及和静态测量工具测出每根吊柱的导高拉出值，迭代找到吊柱底部最接近的样本点A；

考虑到不同设计规格的隧道吊柱尺寸会有差异，已经安装在吊柱上的定位杆对吊柱点云也会有影响，故以A为参考点，重复直线迭代拟合，求出上另一参考点B，计算AB两点的有效距离d，即吊柱有效长度特征：

以A为起始点，构建一个150×150×100的空间立方体分布的点云投影到150×100的矩形，构建稀疏矩阵，并按100毫米的步长向上迭代，当迭代的稀疏矩阵的稠密度小于第一个稀疏矩阵的稠密度1/2时，迭代终止，终点位置即为B点。

用所有样本数据迭代计算出最小离散度λ和样本数据在Y轴上分布的有效最大距离d，作为隧道吊柱的判别特征；

在2×(m×n)份样本数据上验证隧道吊柱特征系数λ和d，验证通过，则输出特征系数λ和d，否则重复第三步调整特征系数λ和d。

将样本数据依次扩大k(k>10)倍，重复迭代，修正特征系数系数λ和d，并将最后修正验证过的值作为隧道吊柱点云配准特征值。

步骤四：将隧道吊柱点云数据特征应用于动态检测，并重建吊柱底部截面和侧面，计算出隧道吊柱的导高和拉出值：

进一步的动态检测过程中，在第二步初步提取出有效隧道吊柱点云基础上，进一步用隧道吊柱特征系数λ和d判断出是否是隧道吊柱；

对隧道吊柱点云进行边沿滤波，进一步去掉干扰数据；

如图3所示，将滤波后的隧道吊柱点云投影到xy平面，重构隧道吊柱底面和侧面投影，取出侧面点云计算吊柱拉出，底面点云计算导高(y)和拉出值(x)：

其中，trackwidth为轨道轨距，d_i为雷达测试到吊弦点处接触线点的距离，θ_i为雷达测试角度，x₀y₀为雷达安装初始坐标。

下表为利用该方法在一个锚段内对不同隧道吊柱重复测量结果：

由上表可见本方法动态测量隧道吊柱误差可以在5mm度内，且重复测量效果好。

本发明采用非接触式检测方法通过高精度激光雷达对接触网隧道吊柱持续扫描测量，快速准确给出检测结果，测量精度优于一般基于图像处理的隧道吊柱检测方法；本发明采用三维点云训练模型计算出隧道吊柱特征系数，并重构隧道吊柱测量表面，进而快速有效的判断出隧道吊柱，检测速度快，结果准确，不受环境干扰。本方法为动态检测接触网隧道吊柱提供了一种新的解决方案，具有良好的使用前景。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种接触网隧道吊柱的动态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，使用动态测量仪持续动态扫描接触线、承力索、定位器、隧道壁、吊柱，获取三维点云数据；

步骤二，去除隧道壁无效干扰数据，用直线算法分割出接触线和承力索，并进一步分割出隧道吊柱三维点云数据；

步骤三，取多个不同规格隧道吊柱作为样本，每个吊柱样本反复动态测量，重复迭代确定隧道吊柱点云数据特征；

步骤四，将隧道吊柱点云数据特征应用于动态检测,并重建吊柱底部截面和侧面，计算出隧道吊柱的导高和拉出值；

在所述步骤三中，取多个不同规格隧道吊柱作为样本，每个吊柱样本反复动态测量，重复迭代确定隧道吊柱点云数据特征，操作步骤如下：

S1，取普铁隧道吊柱、高铁隧道吊柱各基础样本2×m个，m大于10，每个样本重复检测n次，n大于10，则样本数据至少为2×(m×n)份；

S2，根据吊柱结构特征以及和定位器、接触线的位置关系，找到吊柱底部有效的样本点A；

S3，以A为参考点，重复直线迭代拟合，求出参考点B，计算AB两点的有效距离d；

S4，连接AB两点，计算所有落在这条直线附近点分布的离散度λ；

S5，用所有样本数据迭代计算出最小离散λ和有效最大距离d，作为隧道吊柱的判别特征；

S6：将样本数据依次扩大k倍，k>10，重复迭代，修正特征系数λ和d，并将最后修正验证过的值作为隧道吊柱点云配准特征值。

2.根据权利要求1所述的接触网隧道吊柱的动态测量方法，其特征在于，在所述步骤一中，使用激光雷达的动态测量仪持续动态扫描接触线、承力索、定位器、隧道壁、吊柱，测量的步骤如下：

S1，将高精度激光安装在检测装置上，并在检测装置上安装光电编码传感器；

S2，检测装置沿着铁轨移动，激光雷达持续扫描隧道、接触线、定位器腕臂、隧道壁、吊柱；

S3，激光雷达持续扫描的测量点数据和光电编码器返回位置数据同步构成测量点的三维点云数据，送到检测装置的数据处理中心。

3.根据权利要求1所述的接触网隧道吊柱的动态测量方法，其特征在于，在所述步骤二中，去除隧道壁无效干扰数据，用直线算法分割出接触线和承力索，并进一步分割出隧道吊柱三维点云数据，操作步骤如下：

S1，通过边缘滤波，去除掉隧道壁的点云，排除隧道壁对吊柱测量的干扰；

S2，通过RANAC直线随机分割，分割出接触线和承力索；

S3，根据隧道吊柱结构特点和接触线的相对位置关系，进行首次特征匹配，分割出隧道吊柱及周边的三维雷达点云。

4.根据权利要求1所述的接触网隧道吊柱的动态测量方法，其特征在于，在所述步骤四中，将隧道吊柱点云数据特征应用于动态检测，并重建吊柱底部截面和侧面，计算出隧道吊柱的导高和拉出值，操作步骤如下：

S1，通过特征匹配对隧道吊柱点云进行配准，确定是隧道吊柱后进行下一步处理；

S2，对隧道吊柱进行边沿滤波，进一步去掉干扰数据；

S3，根据隧道吊柱的测量要求，重构隧道吊柱底面和侧面；

S4，取出吊柱底面所有点计算吊柱导高，以及取出侧面所有点计算出吊柱拉出。