360°激光扫描技术在城市轨道交通限界检测中的应用

何人伟，戴源廷，宋天浩，张 念，王雨泰

（1. 北京市地铁运营有限公司运营四分公司，北京 100020；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心，北京 100081）

1 引言

根据车辆轮廓尺寸和性能、线路特性、设备安装及施工方法等因素综合比较确定的空间尺寸称为限界。限界是确保城市轨道交通在特定空间内安全稳定运行的指标，也是城市轨道交通工程建设、竣工验收以及日常运行维护的重要指标。限界检测可以有效避免异物侵限事故的发生，保证车辆人员的安全。传统的限界检测方法效率低，作业周期长，已无法满足城市轨道交通新开通线路不断增长的需求，因此亟需一种更加高效可靠的限界检测手段[1]。

基于360°激光扫描技术的车载式限界测试系统[2-5]具有简单、高效、精准、非接触式等特点，该系统借助激光扫描技术良好的稳定性和抗干扰性，可实现对线路的连续检测，从而获得整条线路的净空状态，并且可对检测到的侵限位置进行标记、记录、保存。本文从工程实际案例的角度，阐述了限界侵限问题的发现、分析、验证过程，同时验证了360°激光扫描技术在城市轨道交通限界检测中具有良好的应用效果。

2 限界检测技术现状

2.1 断面检测法

断面检测法也称为限界检测车法，是限界检测中应用最广泛的接触式测量方法[6-8]。此方法根据设备限界尺寸和不同的端面半径，制作一个可伸缩的和标准限界大小相同的触点式框架，固定在平板车上，如图1所示，用内燃机车牵引，通过支架与侵入限界的结构物接触，引发警报，达到检测目的。该方法具有费用低、检查全面的优点，同时此方法具有效率低、耗费人力资源较多、误差因素较多、硬碰撞检测、存在安全隐患等缺点。随着城市轨道交通建设的飞速发展，检测项目众多，可供检测的天窗时间短、检测精度要求高，此方法正逐步遭到淘汰。

2.2 激光扫描法

近年来，基于激光扫描技术[9-13]的非接触式限界检测方法已广泛应用于城市轨道交通建设中，可以有效弥补人工测量工作量大、效率低、测量精度不高等诸多缺陷。激光检测主要由360°激光扫描仪完成，如图 2 所示。激光扫描仪具有自动化、高效率、高精度、高密度、非接触式等特点，且可搭载在电客车上，与城市轨道交通应用场景较为适应，因此在限界测试中应用较为广泛。目前较为先进的扫描仪，扫描速度高于1 百万点/s，断面扫描速度高达200 r/s，可以实现密集断面的高精度高密度扫描。

3 基于360°激光扫描技术的限界测试系统

3.1 系统结构

限界检测主要由基于360°激光扫描技术的车载式限界测试系统完成，该系统由360°激光扫描传感器、速度传感器、图像模块、里程模块、供电模块、处理主机等组成，该系统结构如图3所示。

3.2 系统设备

360°激光扫描传感器安装在电客车车头或车尾处，需要特制的固定工装与传感器固定并安装在车钩处，如图4所示。传感器安装平台保证360°激光扫描传感器的扫描断面垂直于轨道，且试验车自身部件不会对传感器测量形成遮挡。同时，由于既有线钢轨较光滑不利于定位，需要在激光扫描传感器附近安装2个线激光传感器来更精确的识别钢轨，以两条钢轨中间点作为基准点建立X Y坐标系进行侵限比较。

速度传感器为测试系统提供里程信息，安装在车辆转向架空轴端或者接地轴端，需要测量轴端箱端盖、轴端头压板详细尺寸并制作特定的轴箱端盖和压板安装速度传感器。客室内放置限界数据采集处理设备，限界测试系统设备集成图如图5所示。

3.3 检测原理

限界检测系统通过激光漫反射原理获取目标物体距离，激光扫描传感器内置的旋转镜头在高速旋转过程中对目标物体发射激光，如图6所示。经目标物体反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。激光束在空中的飞行时间与传感器和目标物体之间的距离成正比关系，记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定传感器扫描中心距目标物体的距离。

360°激光扫描传感器将扫描的断面数据实时传输至计算机，检测软件对接收到的断面数据进行分析处理，根据钢轨特征识别出钢轨坐标位置后，将断面数据自动转换为以钢轨顶面连线中点为原点，以钢轨顶面连线为X轴，以垂直于钢轨顶面连线为Y轴的线路横断面数据，如图7所示。隧道断面轮廓扫描点以（x，y）坐标的形式呈现，x值指扫描点的水平方向坐标，代表距轨道中心距离，mm。y值指扫描点的垂直方向坐标，mm。

速度传感器发出的脉冲信息经过里程记录模块转码为速度、里程信息，传输至计算机，检测软件将接收到的里程信息同步至激光扫描断面数据，限界检测软件可获得线路周围的实际建筑物体轮廓及其距线路中心线的距离，与标准限界尺寸相比较，可得出周边建筑物及设备等是否存在侵限。

4 应用验证

限界检测系统利用搭载在测试车辆上的高精度激光扫描二维传感器对线路周边的建筑物及设备进行快速自动检测与动态分析，生成线路断面轮廓线及三维效果图[14-16]，依据测试区段的标准限界，判定实测限界是否符合标准及设计要求[17-21]。

北京地铁某既有线路采用此测试系统进行限界检测，通过对此线路上下行正线、站台、渡线、库线、出入段线等进行限界扫描，获取线路断面数据并结合标准限界进行分析发现部分站台存在侵限情况。通过限界测试系统导出的站台侵限某断面数据平面图及站台侵限三维图如图8和图9所示。

图8 中绿色轮廓线代表标准限界，红色点代表侵限点，可以发现侵限位置集中在轮廓线的右下方，侵限区域高程范围集中在距轨面700～1 000 mm。图9方框内的红点表示侵限点，由三维图可以发现侵限位置集中在站台边缘及其下方位置。

针对发现的限界侵限问题，测试人员结合测试系统提供的侵限里程信息及坐标信息，对侵限站台进行现场勘查，初步判定侵限物体有2种：一种是站台防踏空踏板胶条侵限，距轨面约1 000 mm（图10）；另一种是站台边缘下方的铁板及固定螺栓侵限，距轨面700～900 mm（图11）。对上述2种侵限物体进行测量发现其高度与测试系统提供的侵限数据相吻合，从而验证了测试系统数据的准确性。

5 结语

限界检测是保证城市轨道交通行车安全的重要检测项目，满足限界条件是保障车辆安全运行的关键。本文通过采用基于360°激光扫描技术的限界测试系统对某线路进行限界检测，初步判定侵限位置后结合侵限数据信息对侵限位置进行现场踏勘，发现实际侵限物体与侵限检测数据信息基本一致，验证了360°激光扫描技术在限界检测工程应用中的可行性。此外，限界也是DB11/T 1714-2020《城市轨道交通工程动态验收技术规范》所要求的检测项目[22]，因此360°激光扫描技术在城市轨道交通限界检测中具有广阔的应用前景，能够进一步促进我国智慧城轨的发展。