CN109708615B - 一种基于激光扫描的地铁隧道限界动态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光扫描的地铁隧道限界动态检测方法，主要解决隧道车辆限界、设备限界及建筑限界快速动态检测等技术问题。所述的地铁隧道限界动态检测方法包括步骤：S1、构建统一直角坐标***及坐标***修正；S2、利用地铁隧道变形检测车采集隧道内轮廓空间数据和定位数据；S3、数据预处理；S4、基于扫描数据对隧道限界进行实时分析；S5、保存当前扫描点云、轨面倾角、里程和限界几何模型数据，并输出隧道限界分析结果；S6、重复步骤S2~S5，可实时完成整个隧道的限界动态检测。

Description

一种基于激光扫描的地铁隧道限界动态检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光扫描的隧道限界检测方法，特别是公开一种基于激光扫描的运营地铁隧道限界动态检测方法，应用于隧道工程检测领域。

背景技术

地铁作为城市轨道交通中最为重要的一员，在承担城市交通运输中发挥着越来越重要的作用。随着地铁的运营时间增长，其隧道结构由于受材料劣化及外部荷载等作用，会产生变形，此外，轨道长时间列车振动荷载作用下，亦会产生弯曲变形。另外，隧道内安装的设备受长时间列车振动影响，可能导致松动或脱落从而导致地铁限界的改变，这些对列车的正常运营会造成安全隐患或危害，需要不定期对地铁限界进行检测，以判断是否侵限。

传统的地铁限界检测方法以人工巡检为主，辅助皮尺、触杆、全站仪等设备进行检测，速度慢、效率低、成本高，对作业人员技术要求高，并且随着“地铁天窗”时间越来越少，已逐渐满足不了地铁限界检测作业要求。近年来，国内外学者对隧道限界快速检测也开展了相关研究。周世明等人研究了基于移动激光扫描三维点云的隧道限界检测方法，但需要后期对点云数据分割处理后进行隧道限界检测，不能实时检测。王敏等人研究了利用三维激光扫描仪进行地铁隧道限界测量，该方法需要现场设站，并且仍需要后期对数据处理才能进行限界分析，不能实时检测，且作业效率较慢。

综上，迫切需要一种经济、便捷、准确、非接触的隧道限界动态、实时检测方法。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的缺陷，设计一种基于激光扫描的地铁隧道限界动态检测方法，能快速准确实时地判断隧道限界是否侵限，为隧道运营检查提供新的检测方法。

本发明是这样实现的：一种基于激光扫描的地铁隧道限界动态检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、构建统一直角坐标***及坐标***修正；

所述步骤S1的具体操作如下：

（1）采用地铁隧道的建筑限界坐标系为统一的直角坐标系，记为C_aS，该坐标系为正交于轨道中心线的直角坐标，通过两轨道轨顶中心连线的中点O引出的水平坐标轴，用Y表示；通过该中点垂直于水平轴的坐标轴用Z表示，

（2）二维激光扫描仪自带的坐标系，记为Css，Css为：原点为扫描镜头的中心点，水平向左为Y轴，竖向为Z轴，运动方向为X轴，

（3）坐标系Css向坐标系C_aS转换公式：

（1）

式中，

为二维激光扫描仪自带坐标系Css中坐标值；

为统一的直角坐标系C_aS中坐标值；

、

、

为激光扫描仪安装位置固定参数，分别为距离两轨道轨顶中心连线的中点O的水平距离、高度及扫描仪安装倾角，该三参数地铁隧道变形检测车出厂时可确定；β为左右轨道面的倾角。

S2、利用地铁隧道变形检测车采集隧道内轮廓空间数据和定位数据；

所述步骤S2的具体操作如下：

（1）地铁隧道变形检测车采集设备包括二维激光扫描仪、编码器、二维倾角仪和笔记本电脑，

（2）通过地铁隧道变形检测车的二维激光扫描仪对隧道内轮廓断面进行360°扫描，获得隧道内轮廓断面的激光扫描点云数据，记为C，

（3）通过地铁隧道变形检测车的双编码器采集车行驶累计距离，该距离可转换为隧道里程数据，单个数据记录格式为index_yyyy_mm_dd_hh_mm_ss_bbb_increment，表示为激发序号_年_月_日_时_分_秒_毫秒_距离增量，两编码器分别安装于地铁隧道变形检测车的左右两侧的测距轮中，并利用时间同步器以确保两编码器输出的数据时间是一致的，

（4）通过地铁隧道变形检测车的二维倾角仪采集检测车行驶当前左右轨道面的倾角，记为

，单个数据记录格式为，index_yyyy_mm_dd_hh_mm_ss_bbb_angle，表示为采集序号_年_月_日_时_分_秒_毫秒_倾角值，通过时间检索并对里程进行插值可确定当前倾角数据对应的里程位置。

S3、数据预处理；

所述步骤S3的具体操作如下：

（1）通过编码器采集的数据获取当前检测位置隧道里程数值K_T，通过里程K_T获取当前地铁限界几何模型M_k，

当前检测位置隧道里程数值K_T确定方法：获取检测当前时刻两编码器的累计距离K_R、 K_L，求其平均值K=（K_R +K_L）*0.5，依据初始位置的里程K₀可计算得到当前检测位置隧道里程数值K_T=K₀+Flag*K，当检测方向为大里程方向时，Flag取1，当检测方向为小里程方向时，Flag取-1，

（1.1）地铁限界包括车辆限界、设备限界和建筑限界，对于特定的隧道在一定的时期内，地铁限界的几何尺寸是确定，其中车辆限界由车型确定，设备限界和建筑限界不同里程位置可能不同，

（1.2）地铁限界几何模型为一系列首尾相连的单连通封闭域的边界线段，对于已知的地铁隧道，可以事先确定并构建地铁限界几何模型库；

（2）获得当前检测位置左右轨道面的倾角

及隧道内轮廓断面激光扫描点集P₀，对扫描点集进行除噪和坐标转换处理；

（2.1）扫描点集除噪处理：对扫描点集进行圆形或矩形或贝赛尔曲线（视隧道具体结构类型而定）拟合，剔除以拟合曲线为中轴线两侧一定区域之外的扫描点，除噪后的扫描点集记为P，

（2.2）扫描点集坐标转换处理：对除噪后的扫描点集通过公式（1）进行坐标转换，转换后与坐标系C_aS保持一致。

S4、基于扫描数据对隧道限界进行实时分析；

所述步骤S4的具体操作如下：

（1）提取地铁限界几何模型M_k的二维外包围盒B，二维外包围盒B的提取方法：

（1.1）遍历几何模型M_k的所有点坐标，获得X、Y轴的最大值和最小值，分别为X_min、X_max、Y_min和Y_max，其中Z轴坐标不用，可不管，

（1.2）二维外包围盒B的两对角点的坐标分别为P_min（X_min、Y_min），P_max（X_max、Y_max），

（2）逐个遍历除噪后的扫描点集P，计算扫描点P_i与二维外包围盒B的几何拓扑关系，如果点P_i位于二维外包围盒B的外部，则不处理，否则进入下一步，

（3）计算扫描点P_i与几何模型M_k的几何拓扑关系，如果点位于几何模型M_k之内，则说明有物体侵入限界之内，启动报警；如果扫描点位于几何模型M_k的边界上且扫描点非轨面扫描点，则说明物体同样侵入限界，启动报警。

S5、保存当前扫描点云、轨面倾角、里程和限界几何模型数据，并输出隧道限界分析结果。

S6、重复步骤S2~S5，可实时完成整个隧道的限界动态检测。

本发明的有益效果是：

（1）本发明基于二维激光扫描的地铁隧道限界的动态检测方法，技术方案完整且易于集成及编程实现；

（2）本发明利用倾角仪、编码器和激光扫描仪同一时刻采集的数据进行隧道限界实时分析，可于检测现场直接发现问题，提升检测作业的时效性；

（3）本发明基于二维激光扫描仪进行隧道内轮廓360°扫描，限界检测范围全覆盖、且精度高。

附图说明

图1 是本发明方法的实现流程示意图。

图2 是本发明方法的扫描点与限界几何模型拓扑关系判断示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明是一种基于激光扫描的地铁隧道限界动态检测方法，所述的地铁隧道限界动态检测方法包括以下步骤S1～S6，方法实现流程示意图如图1所示。

S1、构建统一直角坐标***及坐标***修正；

所述步骤S1的具体操作如下：

（1）采用地铁隧道的建筑限界坐标系为统一的直角坐标系，记为C_aS，该坐标系为正交于轨道中心线的直角坐标，通过两轨道轨顶中心连线的中点O引出的水平坐标轴，用Y表示；通过该中点垂直于水平轴的坐标轴用Z表示，

（2）二维激光扫描仪自带的坐标系，记为Css，Css为：原点为扫描镜头的中心点，水平向左为Y轴，竖向为Z轴，运动方向为X轴，

（3）坐标系Css向坐标系C_aS转换的方法：

（1）

式中，

为二维激光扫描仪自带坐标系Css中坐标值；

为统一的直角坐标系C_aS中坐标值；

、

、

为激光扫描仪安装位置固定参数，分别为距离两轨道轨顶中心连线的中点O的水平距离、高度及扫描仪安装倾角，该三参数地铁隧道变形检测车出厂时可确定；β为左右轨道面的倾角。

S2、利用地铁隧道变形检测车采集隧道内轮廓空间数据和定位数据；

所述步骤S2的具体操作如下：

（1）地铁隧道变形检测车可采用上海同岩土木工程科技股份有限公司的TDV-S2000隧道快速检测车，该检测车采集设备包括包括二维激光扫描仪、编码器、二维倾角仪和笔记本电脑，

（2）二维激光扫描仪可选用德国Z+ F PROFILER®9012A，采集参数为：频率200Hz、单圈点数10240，对隧道内轮廓断面进行360°扫描，获得隧道内轮廓断面的激光扫描点云数据，记为C，

（3）通过地铁隧道变形检测车，采用两个精度3600分、累计误差千分之一的增量式光电旋转编码器采集车行驶累计距离，该距离可转换为隧道里程数据，单个数据记录格式为index_yyyy_mm_dd_hh_mm_ss_bbb_increment，表示为激发序号_年_月_日_时_分_秒_毫秒_距离增量，两编码器分别安装于地铁隧道变形检测车的左右两侧的测距轮中，并利用时间同步器以确保两编码器输出的数据时间是一致的，

（4）通过地铁隧道变形检测车，采用北微传感精度为0.3°的动态二维倾角仪动态采集检测车行驶当前左右轨道面的倾角，记为

，单个数据记录格式为，index_yyyy_mm_dd_hh_mm_ss_bbb_angle，表示为采集序号_年_月_日_时_分_秒_毫秒_倾角值，通过时间检索并对里程进行插值可确定当前倾角数据对应的里程位置。

S3、数据预处理；

所述步骤S3的具体操作如下：

（1）通过编码器采集的数据获取当前检测位置隧道里程数值K_T，通过里程K_T获取当前地铁限界几何模型M_k，

当前检测位置隧道里程数值K_T确定方法：获取检测当前时刻两编码器的累计距离K_R、 K_L，求其平均值K=（K_R +K_L）*0.5，依据初始位置的里程K₀可计算得到当前检测位置隧道里程数值K_T=K₀+Flag*K，当检测方向为大里程方向时，Flag取1，当检测方向为小里程方向时，Flag取-1，

（1.1）地铁限界包括车辆限界、设备限界和建筑限界，对于特定的隧道在一定的时期内，地铁限界的几何尺寸是确定，其中车辆限界由车型确定，设备限界和建筑限界不同里程位置可能不同，

（1.2）地铁限界几何模型为一系列首尾相连的单连通封闭域的边界线段，对于已知的地铁隧道，可以事先确定并构建地铁限界几何模型库，其中车辆限界可以依据现行中华人民共和国国家标准《地铁设计规范》（GB 50157）执行；

（2）获得当前检测位置左右轨道面的倾角

及隧道内轮廓断面激光扫描点集P₀，对扫描点集进行除噪和坐标转换处理；

（2.1）扫描点集除噪处理：对扫描点集进行圆形或矩形或贝赛尔曲线（视隧道具体结构类型而定）拟合，剔除以拟合曲线为中轴线两侧一定区域之外的扫描点，除噪后的扫描点集记为P，

（2.2）扫描点集坐标转换处理：对除噪后的扫描点集P通过公式（1）进行坐标转换，转换后与坐标系C_aS保持一致。

S4、基于扫描数据对隧道限界进行实时分析；

所述步骤S4的具体操作如下：

（1）提取地铁限界几何模型M_k的二维外包围盒B，二维外包围盒B的提取方法：

（1.1）遍历几何模型M_k的所有点坐标，获得X、Y轴的最大值和最小值，分别为X_min、X_max、Y_min和Y_max，其中Z轴坐标不用，可不管，

（1.2）二维外包围盒B的两对角点的坐标分别为P_min（X_min、Y_min），P_max（X_max、Y_max），

（2）如图2所示，逐个遍历除噪后的扫描点集P，计算扫描点P_i与二维外包围盒B的几何拓扑关系，如果点P_i位于二维外包围盒B的外部，则不处理，否则进入下一步，

（3）如图2所示，计算扫描点P_i与几何模型M_k的几何拓扑关系，如果点位于几何模型M_k之内，则说明有物体侵入限界之内，启动报警；如果扫描点位于几何模型M_k的边界上且扫描点非轨面扫描点，则说明物体同样侵入限界，启动报警。

S5、保存当前扫描点云、轨面倾角、里程和限界几何模型数据，并输出隧道限界分析结果。

S6、重复步骤S2~S5，可实时完成整个隧道的限界动态检测。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明的权利要求书所要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于激光扫描的地铁隧道限界动态检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、构建统一直角坐标***及坐标***修正：

（1）采用地铁隧道的建筑限界坐标系为统一的直角坐标系，记为C_aS，该坐标系为正交于轨道中心线的直角坐标，通过两轨道轨顶中心连线的中点O引出的水平坐标轴，用Y表示；通过该中点垂直于水平轴的坐标轴用Z表示，

（2）二维激光扫描仪自带的坐标系，记为Css，Css为：原点为扫描镜头的中心点，水平向左为Y轴，竖向为Z轴，运动方向为X轴，

（3）坐标系Css向坐标系C_aS转换公式：

式中，

为二维激光扫描仪自带坐标系Css中坐标值；

为统一的直角坐标系C_aS中坐标值；

、

、

为激光扫描仪安装位置固定参数，分别为距离两轨道轨顶中心连线的中点O的水平距离、高度及扫描仪安装倾角；β为左右轨道面的倾角；

S2、利用地铁隧道变形检测车采集隧道内轮廓空间数据和定位数据：

（1）地铁隧道变形检测车采集设备包括二维激光扫描仪、编码器、二维倾角仪和笔记本电脑；

（2）通过地铁隧道变形检测车的二维激光扫描仪对隧道内轮廓断面进行360°扫描，获得隧道内轮廓断面的激光扫描点云数据，记为C；

（3）通过地铁隧道变形检测车的双编码器采集车行驶累计距离，该距离可转换为隧道里程数据，单个数据记录格式为index_yyyy_mm_dd_hh_mm_ss_bbb_increment，表示为激发序号_年_月_日_时_分_秒_毫秒_距离增量，两编码器分别安装于地铁隧道变形检测车的左右两侧的测距轮中，并利用时间同步器以确保两编码器输出的数据时间是一致的；

（4）通过地铁隧道变形检测车的二维倾角仪采集检测车行驶当前左右轨道面的倾角，记为

，单个数据记录格式为，index_yyyy_mm_dd_hh_mm_ss_bbb_angle，表示为采集序号_年_月_日_时_分_秒_毫秒_倾角值，通过时间检索并对里程进行插值可确定当前倾角数据对应的里程位置；

S3、数据预处理：

（1）通过编码器采集的数据获取当前检测位置隧道里程数值K_T，通过里程K_T获取当前地铁限界几何模型M_k，

当前检测位置隧道里程数值K_T确定方法：获取检测当前时刻两编码器的累计距离K_R、K_L，求其平均值K=（K_R +K_L）*0.5，依据初始位置的里程K₀可计算得到当前检测位置隧道里程数值K_T=K₀+Flag*K，当检测方向为大里程方向时，Flag取1，当检测方向为小里程方向时，Flag取-1；

（2）获得当前检测位置左右轨道面的倾角

及隧道内轮廓断面激光扫描点集P₀，对扫描点集进行除噪和坐标转换处理；

S4、基于扫描数据对隧道限界进行实时分析：

（1）提取地铁限界几何模型M_k的二维外包围盒B，二维外包围盒B的提取方法：

（1.1）遍历几何模型M_k的所有点坐标，获得X、Y轴的最大值和最小值，分别为X_min、X_max、Y_min和Y_max，其中Z轴坐标不用，可不管；

（1.2）二维外包围盒B的两对角点的坐标分别为P_min（X_min、Y_min），P_max（X_max、Y_max）；

（2）逐个遍历除噪后的扫描点集P，计算扫描点P_i与二维外包围盒B的几何拓扑关系，如果点P_i位于二维外包围盒B的外部，则不处理，否则进入下一步；

（3）计算扫描点P_i与几何模型M_k的几何拓扑关系，如果点位于几何模型M_k之内，则说明有物体侵入限界之内，启动报警；如果扫描点位于几何模型M_k的边界上且扫描点非轨面扫描点，则说明物体同样侵入限界，启动报警；

S5、保存当前扫描点云、轨面倾角、里程和限界几何模型数据，并输出隧道限界分析结果；

S6、重复步骤S2~S5，可实时完成整个隧道的限界动态检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描的地铁隧道限界动态检测方法，其特征在于，所述S3步骤（1）地铁限界获取具体操作如下：

（1.1）地铁限界包括车辆限界、设备限界和建筑限界，对于特定的隧道在一定的时期内，地铁限界的几何尺寸是确定，其中车辆限界由车型确定，设备限界和建筑限界不同里程位置可能不同，

（1.2）地铁限界几何模型为一系列首尾相连的单连通封闭域的边界线段，对于已知的地铁隧道，可以事先确定并构建地铁限界几何模型库。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描的地铁隧道限界动态检测方法，其特征在于，所述S3步骤（2）扫描点集进行除噪和坐标转换处理具体操作如下：

（2.1）扫描点集除噪处理：对扫描点集进行圆形或矩形或贝赛尔曲线拟合，剔除以拟合曲线为中轴线两侧一定区域之外的扫描点，除噪后的扫描点集记为P，

（2.2）扫描点集坐标转换处理：对除噪后的扫描点集通过坐标系Css向坐标系C_aS转换公式进行坐标转换。

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