基于连续点云数据的既有铁路轨面信息快速提取算法设计

三维激光扫描获取的既有铁路点云数据具有海量性、离散性等特点,难以从点云数据中快速提取线路参数.为此,结合现场实测数据,提出一种基于连续点云数据的既有铁路轨面信息快速提取算法.通过k-d树实现点云的快速搜索、查询和储存,利用主成分分析法和移动激光点聚类法提取的接触线分割构建出铁路缓冲区,进而通过平面格网法的粗提和多种约束条件下的精提实现了轨面点提取.对既有线路现场试验结果表明,轨面点提取的完整度c和准确度p均在93％以上,该方法能较好地实现钢轨轨面点云的快速提取.     

基于3D移动测量系统点云数据的钢轨信息自动提取方法

为实现铁路基础设施智能化管理运维,利用3D移动测量系统高效获取高精度点云数据,并对点云数据进行智能化处理。钢轨作为铁路基础设施中最基本的单元,是几何参数计算的基础,对其信息进行自动提取具有重要意义。因此,提出了一种基于3D移动测量系统点云数据的钢轨信息自动提取方法。首先利用点云数据中的角度信息快速实现道床区域的分割,有效减小计算量;然后利用精细栅格划分和动态阈值实现地面点与非地面点的分离;最后利用DBSCAN聚类算法与RANSAC算法完成钢轨点云数据的最终提取。为验证该算法的有效性,以国铁场景钢轨点云数据和隧道场景钢轨点云数据为试验对象,验证结果显示国铁场景和隧道场景的钢轨点云提取准确度分别为96.32%和97.54%,完整度分别为92.14%和94.87%,准确度和完整度均高于90%。试验结果表明:该方法具有操作简单,提取结果准确的优点。     

面向轨道维护的可变轨距轨道模型与钢轨点云的配准方法

基于车载Lidar技术相关的硬件和算法的快速发展,具备发展成快速车载轨道测量技术手段的潜力,从而替代传统的地面人工轨道测量手段。针对其中根据钢轨点云获取轨道轨距、钢轨位置等参数的问题,定义了可变轨距轨道模型,并在此实现可变轨距轨道模型与钢轨点云的配准方法。新算法在配准迭代过程根据钢轨点云到轨道工作边的距离来动态调整模型轨距,从而在轨道配准精度和轨距测量精度两项关键指标获得了同步提高。通过模拟数分析存在不同轨距偏差、超高等情况下算法性能,并和单钢轨轨道模型和固定轨距轨道模型的配准结果进行比较。最后通过一段干线铁路的实测点云进行测试,试验结果表明单钢轨轨道模型配准后左右钢轨的平行性得不到保证;在直线段与固定轨距轨道模型配准精度和轨距测量精度基本相当,配准精度为0.16 mm;在曲线段可变轨距轨道模型配准精度和轨距测量精度不受轨距变化的影响,显著优于固定轨距轨道模型的结果,精度高88.7%。     

基于三维激光扫描的既有铁路中线勘测方法研究

线路勘测是既有铁路改造、维护以及与增建二线的重要环节,为解决铁路轨道三维激光点云不完整对钢轨线型提取的精度和影响等问题,提出一种基于钢轨结构特征约束匹配的三维激光点云轨道中心线自动提取新方法,通过将三维激光扫描获取的钢轨断面与标准钢轨相匹配,以标准钢轨中心线对遮挡和缺失的实际扫描钢轨中心线进行表达,从而精确计算钢轨中线三维坐标。对典型铁路场景不同激光扫描密度的3个点云数据集,采用新方法进行铁路中线测量实验,结果表明:在所有数据集中,高程中误差均小于4 mm,水平中误差均小于4 mm。因此,在复杂的铁路场景、三维激光点云被遮挡或缺失的情况下,新方法均能稳健计算铁路中心线,在既有线高精度勘测中具有广泛应用前景。     

三维激光扫描仪在轨距提取中的应用研究

采用徕卡MS50三维激光扫描仪获取同济大学试验线点云数据,并结合预处理软件对其进行处理,对点云数据封装并规则化处理后建立基础操作模型,生成轨面下16 mm处特征截面,在此基础上提取、导出线路轨距。经比较,软件提取轨距与人工实测值基本吻合。本次试验实现了在三维模式下轨距的提取,为获取线路轨距数据提供了新的方法。     

铁路站场顶进涵施工技术研究

结合佛山市大沥镇河东中心路下穿广茂铁路三眼桥车站交通涵工程,详细研究了站场顶进涵施工技术,包括对站场既有线人工挖孔桩施工、线路架空、框架顶进方面进行了研究;改进了站场内人工挖土堆放,摇架侵限;改进了站场内多股道扣轨技术;改进了长大涵洞顶进技术。通过解决这一系列问题,加快了施工进度,节约了施工成本,保证了铁路运营安全。     

75kg·m-1钢轨用轨撑设计与铺装试验

针对重载铁路小半径曲线和长大坡道线路的轨距、线型难于保持,外轨侧磨严重,养护维修工程量大的情况,研制了普通型和减振型2种形式的75 kg·m-1钢轨用轨撑.在大秦线的轨道动力特性试验和现场试铺表明:与既有Ⅱ型弹条扣件相比,安装2种轨撑后测试断面的轨头横向静刚均有大幅增大,其中,外轨轨头的横向静刚度增大40%～54%,内轨轨头的横向静刚度增大9%～113%;轨撑提高了钢轨的横向抗力和抗倾覆的能力,提高了行车安全性;钢轨横移和钢轨侧磨明显减小,轨距和轨向保持良好,减小了日常养护维修工程量.减振型轨撑的减振效果更好.     

三维激光扫描仪在高速铁路轨道线形测量中的应用

为解决传统轨道检测小车测量作业效率低、成本高、数据形式单一等问题,采用基于自由测站的三维激光扫描仪进行点云数据获取,通过对仪器技术参数及扫描模式分析,对点云平面及高程坐标精度推算,确定了设站模式、作业线路、设站间隔。结合16 km隧道内既有铁路轨道线形测量工程实例,对比了轨检小车与三维激光扫描仪在人员、设备以及作业用时方面的差别;通过对414站扫描设站精度进行统计,推导计算得出点云坐标平面精度可达2.45 mm,高程精度可达1.06 mm。通过自主研发软件提取轨道中线三维坐标,采用稳健平滑滤波进行去噪处理,结果表明,点云中线坐标与静态轨检小车测量结果横向偏差平均值为2.7 mm,高程较差平均值为3.9 mm。     

铁路站场巡检人员多环节地图匹配定位算法

由于铁路站场的特殊性和复杂性,现有的GPS定位算法难于满足站场巡检人员定位精度的要求。本文在分析铁路站场特性的基础上,依据站场的拓扑结构特点设计多环节地图匹配算法。即在无岔区段采用位置点匹配算法,而在有岔区段采用基于曲线拟合的地图匹配算法;在此基础上为进一步提高匹配精度和定位准确度,采用优先定位法进行定位匹配。实验结果表明,采用这种多环节地图匹配算法可使得铁路站场巡检人员定位误差率降低到3.7%,提高了地图匹配的精度和效率,满足了铁路站场巡检人员的定位需要。     

提升铁路轨检仪专业管理水平的措施探讨

轨检仪对线路的轨距、水平、方向、高低和三角坑的检测具有良好的测量精度和准确度,具有检测速度快、效率高、节省劳动力等优点。针对既有线铁路如何克服钢轨状态不良、曲线技术管理薄弱、轨检仪专业管理不到位等问题,提出完善轨检仪管理制度、加强轨检仪专业队伍建设、规范曲线地段数据采集、落实轨检仪数据运用管理工作等提高轨检仪专业管理水平、确保轨检仪检查数据准确的若干措施。     

张家界七星山齿轨铁路轨道技术研究

国内尚无齿轨铁路客运案例,国外已运营线路主要采用有砟轨道,道床稳定性差,道砟易滑落,线路养护维修工作量大。以七星山观光火车旅游项目为背景,基于我国既有成熟的无砟轨道运营经验,提出适用于齿轨铁路的无砟轨道技术:(1)齿轨铁路桁架枕式无砟轨道结构能够在超大坡道地段适应不同线下基础,并具有轨枕与道床联接性强、轨道结构纵向稳定性好、养护维修工作量小的优点;(2)Strub系统结构原理简单明了、易于加工制造、养护维修简单、性价比高;(3)旋转圆盘式齿轨股道转换结构使齿轨列车从一股道平稳、可靠地进入多股道,可大幅减少道岔设备配置数量和场段占地面积。相关结论可为齿轨铁路在国内的建设与运营提供参考,为齿轨铁路的研究工作提供新思路与新方向。     

重载铁路弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力计算分析

弹性支承块式无砟轨道结构整体弹性较好,有利于降低轮轨相互作用力并减缓对隧道基底的振动冲击,是重载铁路长大隧道内较为适宜的轨道结构形式。但弹性支承块式无砟轨道采用两个独立的弹性块体支承钢轨,其保持轨道几何状态,尤其是保持轨距的能力相对较弱。本文通过有限元模型计算,结合室内相关试验结果,研究分析了重载条件下弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力的影响因素。结果表明:增大支承块的长度、宽度以及埋深,可减小支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角;当支承块埋深不变时,增大支承块高度对轨距扩大、钢轨转角及支承块转角的控制不利;增大支承块套靴侧向刚度,可减小支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角;增大轨下垫板刚度和支承块下垫板刚度,轨距扩大不断减小,但轨下垫板刚度的增加主要是降低钢轨转角,对支承块的几何状态影响不大,而支承块下垫板刚度的增加主要是降低支承块横向间距扩大,对钢轨转角的影响较小。     

一种新的轨距动态检测方法研究

提出一种基于激光摄像检测的轨距计算新算法,该算法将按照轨距定义寻找轨顶踏面下16 mm内2股钢轨工作边之间的最小距离作为轨距测量值。考虑摄像机镜头畸变影响,建立2个激光摄像式传感器之间空间姿态关系的非线性标定模型,并给出一种标定方案。为了能快速定位轮廓特征点,提出钢轨轮廓特征曲线的概念,并给出特征曲线的一种定义方式,利用特征曲线能快速寻找轮廓特征点。与传统检测方法相比,新算法只用了2个激光摄像式传感器,不需要其他辅助传感器来对车体振动进行修正。最后通过实际地铁线路设置障碍试验,验证了该检测方法具有一定的抗干扰能力、稳定性高、结构简单、在线计算实时性强和检测精度高等特点。     

一种基于数学形态学的点云地物提取方法

从激光点云数据中准确提取典型地物能够显著提高数据处理的自动化程度,减少内业工作量。随着激光雷达硬件性能的不断提升,其获取的点云数据量越来越大,但直接针对点云数据的提取算法效率较低。提出一种基于数据形态学的地物提取方法:首先将点云数据转换为特征图像,利用λ-flat区域标记方法将点云划分为地面点和非地面点;然后根据非地面点在特征图像上的表现特征制定提取规则,对地物进行提取;最后,采用本文算法对试验数据进行地物提取,建筑、杆状物等典型地物的综合提取精度达94.7%。     

钢轨轮廓全断面检测中轨廓动态匹配方法研究

钢轨轮廓匹配是钢轨廓形检测的关键步骤,决定轨道几何参数检测精度。在高速动态条件下实现检测钢轨轮廓与标准钢轨轮廓高精度自动匹配,是轨道几何参数高精度动态测量面临的重要问题。本文对钢轨轮廓高精度自动匹配方法进行了研究。首先,根据标准钢轨轮廓曲线曲率固有特征信息,对检测获取的轨腰和轨底廓形中不同圆弧、线段之间切点进行自动识别,实现不同圆弧、线段自动分割;然后,对获取的不同圆弧添加半径约束进行非线性拟合,准确提取各圆弧圆心坐标;最后,针对道岔处钢轨廓形复杂特点,提出采用Kalman滤波器对检测获取的标准轨腰和轨底特征点进行连续在线跟踪和预测,并根据结果构建道岔钢轨虚拟标准轨腰和轨底,以解决道岔处钢轨轮廓匹配问题。将该方法已在轨道检测车中进行实际应用,证明其是切实可行的。     

30t轴重重载铁路钢轨轨型和材质对比试验

在某重载铁路铺设不同轨型、不同廓形、不同材质计8种组合的钢轨,通过实测和仿真,从轮轨接触几何关系、轨道结构动力学、货车动力学性能和钢轨使用性能等方面进行对比试验,对钢轨的廓形、轨型、材质进行分析和比选,提出30t轴重重载铁路的用轨策略。结果表明:与标准型面LM车轮接触时,60钢轨的轮轨接触光带偏向于轨距角一侧,60N和75N钢轨的则移向踏面中心部位,且轮轨接触应力显著降低;与实测廓形60,60N和75N钢轨接触时,车轮的等效锥度分别为与标准廓形75N钢轨接触的1.35~1.5,0.77~0.86和0.94~1倍;在8 000和12 000t载重条件下,60N和75N钢轨对轨道结构动力学指标的影响基本相当,60钢轨最大;3种廓形钢轨对货车动力学指标的影响不显著。建议在30t轴重重载铁路上,选用轨型为75kg·m~(-1)、廓形为75N的钢轨,在直线线路上铺设980 MPa级及以上、曲线线路上铺设1 300 MPa级及以上强度等级的钢轨,在小半径曲线且伤损形式以滚动接触疲劳为主的线路上可推广使用贝氏体钢轨。     

轨距对轨道结构受力特性的影响

"一带一路"沿线国家的铁路轨距存在差异,这使得列车行驶过程中产生更大的线路不平顺,同时轨道部件的拉、压应力的变化对轨道部件的使用寿命造成影响。通过建模分析可知:轨距变化主要影响轨枕、道床的位移与受力,对钢轨的影响较小。轨道各部件的位移在标准轨距时较小,与标准轨距时相比,轨枕的位移最高增加了300%,道床的位移最高增加了38%,而钢轨竖向位移最大增量仅为4%。不同轨距下的轨道部件拉、压应力存在较大差异,轨枕拉应力最大增加了59%,道床的拉应力最大增加了214%,轨枕的压应力最大增加了55%,道床的压应力最大增加了312%,而钢轨拉、压应力无变化。为改变轨距对轨枕与道床的位移、拉应力、压应力影响,延长轨道部件的使用寿命,需在轨距过渡处合理设置轨道刚度过渡。     

密度聚类与PCA的点云数据处理技术在高铁轨道检测中的应用

为解决轨道手工检测效率低、准确度不高的问题,克服二维线激光与轨向不垂直而影响检测精度的不足,利用三维结构光点云技术对高铁轨道表面状态进行检测。数据处理是三维结构光检测的重要环节,综合运用密度聚类与PCA算法对点云进行快速处理。首先采用三维栅格算法对点云进行采样,减少点云数据量;其次利用密度聚类将点云分成不同的簇类以去除噪声点和离群点,提取出目标点云;最后通过PCA算法计算点云的3个主成分向量,求解变换矩阵变换点云,实现点云初始配准。精确配准后,与标准模型点云对比,即可得出检测结果。现场试验结果表明,该方法运行速度快,配准精度较高,有效提高了检测的效率和精度。     

无砟轨道铺轨测量与精调技术

研究目的:在无砟轨道工程施工中,无论是板式还是双块式无砟轨道,都需要进行钢轨几何尺寸的精调工作.如方法不当、要求不严,就会出现反复测量反复调整,不仅费时费力,影响铺轨精调的整体进度,而且给钢轨和扣件带来一定的影响.本文针对合武铁路大别山隧道无砟轨道工程,探讨并提出一种快速的精调作业方法,应用于本工程,可为类似工程提供借鉴.研究结论:通过对无砟轨道精调技术的分析得出如下结论:进行无砟轨道精调时,将轨距调整至1 435～1 436 mm范围,相邻2根轨枕之间的轨距变化率应小于0.5 mm;轨向和轨顶面高程相邻2检测点之间的变化率应小于0.5 mm;作业顺序为:调整轨距,轨道测量重新拟合中线、获取高程数据,订货,现场标定钢轨调整内容,轨道调整班组进行轨道调整,快速整形到位.     

列车及轨道参数对曲线钢轨波磨影响及防治措施研究

针对地铁曲线段出现的钢轨波磨问题,利用车轨动力学模型研究了转向架一系横向及纵向刚度、轮轨摩擦系数、曲线半径、超高、轨距、轨道横向及垂向支撑刚度等参数对曲线轮轨磨耗的影响,结果表明:(1)适当减小转向架一系纵向刚度可显著降低曲线段轮轨磨耗;(2)轨面摩擦系数由0.5降低至0.3,轮轨磨耗指数可降低约25%;(3)轮轨磨耗随曲线半径的减小呈指数式增长;(4)线路超高、轨距对轮轨磨耗影响较小,进而提出曲线钢轨波磨的防、治措施建议:(1)适当降低轮轨间摩擦系数、提高钢轨硬度、加宽曲线段轨距和开展曲线轨道磨耗信息化管理等措施,可缓解既有线曲线钢轨波磨;(2)优化车辆一系横向及纵向刚度、增大线路曲线半径、避免小半径"S"形曲线、设置曲线欠超高、降低轮轨间摩擦系数等措施,可对新建线路曲线钢轨波磨进行预防。