一种基于岔区全域点云的道岔预装配测量设计方法及系统与流程

本发明属于道岔预装配，更具体地，涉及一种基于岔区全域点云的道岔预装配测量设计方法及系统。

背景技术：

1、道岔作为铁路线路的核心关键构件，直接决定列车过岔的通行效率与行车安全，现阶段铁路施工普遍采用工厂预装配、现场铺设的作业模式，预装配阶段的尺寸检测是把控道岔出厂质量的关键环节。国内道岔制造行业长期沿用传统人工测量模式，作业人员依靠钢卷尺、水平尺、光学水准仪等传统量具完成各项参数采集。道岔岔区结构繁杂，辙叉、钢轨、轨枕与各类扣件交错排布，测点数量繁多，人工逐点丈量耗时耗力，长时间野外作业还容易受人为操作、视线环境影响产生读数偏差，实测数据稳定性不足，难以满足高速铁路的精度管控标准。

2、随着三维激光扫描技术不断发展，点云测量逐步应用于轨道交通领域，但现有轨道点云检测技术大多面向既有运营线路的病害巡检，适配道岔工厂预装配场景的专用测量技术较为匮乏。现有通用点云处理算法缺少针对道岔螺栓、扣件的针对性识别逻辑，无法依托点云几何特征自动提取关键定位点位，特征点选取仍依赖人工交互标注，自动化检测能力受限。常规点云坐标配准仅依靠点云形貌完成匹配运算，未结合轨道设计的线型、轨距等工程固有约束，沿岔区长距离采集数据时极易产生累积形变误差，致使轨枕间距等基础参数测算出现系统性偏差。

3、尺寸检测精度不足会直接导致道岔预装配阶段无法定位超限缺陷，各类装配偏差顺延至现场铺设工序，施工单位不得不投入大量人力反复拆解调校，大幅增加施工工期与生产成本。在我国铁路路网持续扩容、高铁建设标准不断升级的行业背景下，道岔预制生产向着高精度、智能化方向发展，传统人工检测与通用化点云检测方案已难以适配行业发展需求。基于上述行业现存痛点，亟需创新测量方法，依托岔区全域点云实现全流程自动化测量，研判装配偏差并智能生成调整方案，从源头优化道岔预制质量，降低后期现场施工整改成本，夯实铁路线路安全运营基础。

技术实现思路

1、本发明旨在克服传统道岔人工测量效率低、误差大，常规点云检测自动化不足、长距离测量累积误差突出的行业难题，依托全域三维点云实现道岔构件自动识别与坐标转换，自动测算轨枕间距与轨道几何参数，对比设计标准生成装配调整方案，提升道岔预装配检测智能化与测量精度。

2、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，作为本发明的第一方面，本发明提供一种基于岔区全域点云的道岔预装配测量设计方法，包括：

3、s1.控制三维扫描设备沿待测道岔区域移动，连续采集岔区全域的原始三维点云数据；对所述原始三维点云数据进行滤波去噪预处理，获取有效点云数据；基于所述有效点云数据在垂直方向上的高程起伏特征，分割并提取轨枕及扣件所在的感兴趣区域点云；

4、s2.在所述感兴趣区域点云中，根据扣件区域向两侧偏移的局部几何形态特征，识别并分割出螺栓端面点云集合；对所述螺栓端面点云集合进行三维几何曲面拟合，计算得到各螺栓端面的几何中心点；将所述几何中心点作为螺栓中心，获取各螺栓中心在传感器坐标系下的初始三维坐标；

5、s3.在所述岔区全域三维点云数据中选取预设的基准螺栓，结合轨道设计线型参数建立轨道工程基准坐标系；构建所述传感器坐标系与所述轨道工程基准坐标系之间的空间转换模型，将各螺栓中心的初始三维坐标转换为实际物理坐标；基于相邻轨枕上对应螺栓中心的实际物理坐标差值，解算得到各枕木的实际间距及累计间距；

6、s4.利用坐标转换后的所述岔区全域三维点云数据，提取钢轨及轨枕的空间位置特征，计算得到道岔区域的轨距、水平、高低、轨向以及三角坑几何参数；将所述枕木的实际间距、累计间距以及所述道岔几何参数与道岔设计标准进行比对分析，生成道岔预装配调整指令及铺设指导方案。

7、进一步地，所述s1中，控制三维扫描设备沿待测道岔区域移动，连续采集岔区全域的原始三维点云数据，包括：

8、在所述三维扫描设备上集成编码里程计，在沿钢轨移动过程中同步采集里程数据与线结构光截面数据；

9、基于所述里程数据对连续采集的线结构光截面数据进行位姿补偿与多帧拼接，得到所述原始三维点云数据；

10、所述对所述原始三维点云数据进行滤波去噪预处理，包括：采用统计滤波算法去除道岔区环境引起的离群飞点噪声，并采用半径滤波算法去除粉尘及水汽引起的局部密集噪声，得到所述有效点云数据。

11、进一步地，所述s1中，基于所述有效点云数据在垂直方向上的高程起伏特征，分割并提取轨枕及扣件所在的感兴趣区域点云，包括：

12、将所述有效点云数据投影至水平面，构建高程直方图；

13、根据所述高程直方图中的波峰分布特征，确定钢轨顶面、轨枕/扣件顶面及道砟表面的高程阈值区间；

14、基于所述轨枕/扣件顶面对应的高程阈值区间对所述有效点云数据进行初步分割，得到候选区域点云；

15、对所述候选区域点云进行三维连通域分析，剔除体积小于预设阈值的孤立点云簇，得到所述感兴趣区域点云。

16、进一步地，所述s2中，在所述感兴趣区域点云中，根据扣件区域向两侧偏移的局部几何形态特征，识别并分割出螺栓端面点云集合，包括：

17、对所述感兴趣区域点云进行局部高程归一化处理，消除轨枕顶面倾斜及铺设坡度带来的高程基准偏差，得到相对高程点云；

18、基于所述相对高程点云的密度分布与连通域特征，提取体积大于预设体积阈值的最大连通域，将其作为扣件垫板主体区域；

19、获取所述扣件垫板主体区域在轨枕纵向和横向上的三维边界包围盒，基于道岔扣件结构的先验装配比例，将所述三维边界包围盒沿轨枕横向向两侧外扩预设比例距离，构建自适应螺栓搜索窗口；

20、在所述自适应螺栓搜索窗口内，提取相对高程值大于预设高程阈值的点云作为候选螺栓顶部点云；

21、对所述候选螺栓顶部点云进行基于法向量一致性的区域生长聚类，得到若干独立点云簇；计算各独立点云簇的三维空间紧致度，将所述三维空间紧致度大于预设置信度阈值的独立点云簇，确定为所述螺栓端面点云集合。

22、进一步地，所述s2中，对所述螺栓端面点云集合进行三维几何曲面拟合，计算得到各螺栓端面的几何中心点，包括：

23、判断所述螺栓端面点云集合的轮廓特征；

24、若所述轮廓特征呈圆形或圆柱状，则采用随机采样一致性ransac算法进行圆柱面拟合，将拟合圆柱的中心轴线与螺栓端面的交点作为所述几何中心点；

25、若所述轮廓特征呈多边形，则进行多边形顶点提取与最小二乘平面拟合，将拟合平面的几何形心作为所述几何中心点；

26、通过所述圆柱面拟合或多边形平面拟合，消除螺栓表面油污、锈蚀或局部缺损对中心定位的干扰。

27、进一步地，所述s3中，构建所述传感器坐标系与所述轨道工程基准坐标系之间的空间转换模型，将各螺栓中心的初始三维坐标转换为实际物理坐标，包括：

28、沿道岔纵向等间距选取多个基准螺栓，获取其在传感器坐标系下的初始三维坐标以及在轨道设计图纸中的理论物理坐标；

29、基于所述初始三维坐标与理论物理坐标，利用奇异值分解svd算法求解初始全局刚体变换矩阵，对所述岔区全域三维点云数据进行初步对齐；

30、引入道岔设计线型参数，构建融合轨道几何约束的配准目标函数，所述轨道几何约束包括设计轨距约束、纵向线型平滑约束以及相邻轨枕间距约束；

31、以所述初步对齐后的点云数据为输入，采用带约束的迭代最近点icp算法对所述配准目标函数进行求解，获取非线性形变补偿矩阵；

32、利用所述初始全局刚体变换矩阵与所述非线性形变补偿矩阵的级联矩阵，将所有螺栓中心的初始三维坐标统一转换至所述轨道工程基准坐标系下，得到消除长距离累积误差的所述实际物理坐标。

33、进一步地，所述s3中，基于相邻轨枕上对应螺栓中心的实际物理坐标差值，解算得到各枕木的实际间距及累计间距，包括：

34、提取相邻两根轨枕上处于同一侧的对应螺栓中心在轨道纵向方向上的实际物理坐标值；

35、计算相邻两个所述实际物理坐标值的差值，得到单根枕木的实际间距；

36、以所述预设的基准螺栓所在的轨枕为起点，沿轨道纵向依次累加所述单根枕木的实际间距，得到各枕木相对于起点的累计间距，以消除逐根测量产生的累计误差。

37、进一步地，所述s4中，将所述枕木的实际间距、累计间距以及所述道岔几何参数与道岔设计标准进行比对分析，生成道岔预装配调整指令及铺设指导方案，包括：

38、将所述实际间距、累计间距以及所述道岔几何参数分别与预设的道岔设计标准容差范围进行比对，识别出超限参数及其对应的超限位置；

39、基于所述超限参数及超限位置，计算轨枕或钢轨在横向、纵向及垂向所需的调整量；

40、根据所述调整量生成包含调整位置、调整方向及调整数值的所述道岔预装配调整指令，并生成包含道岔整体线型偏差分布图的所述铺设指导方案。

41、作为本发明的第二方面，还提供一种基于岔区全域点云的道岔预装配测量设计系统，包括：

42、点云采集与区域提取单元，用于控制三维扫描设备沿待测道岔区域移动，连续采集岔区全域的原始三维点云数据；对所述原始三维点云数据进行滤波去噪预处理，获取有效点云数据；基于所述有效点云数据在垂直方向上的高程起伏特征，分割并提取轨枕及扣件所在的感兴趣区域点云；

43、螺栓分割与中心计算单元，用于在所述感兴趣区域点云中，根据扣件区域向两侧偏移的局部几何形态特征，识别并分割出螺栓端面点云集合；对所述螺栓端面点云集合进行三维几何曲面拟合，计算得到各螺栓端面的几何中心点；将所述几何中心点作为螺栓中心，获取各螺栓中心在传感器坐标系下的初始三维坐标；

44、坐标转换与间距解算单元，用于在所述岔区全域三维点云数据中选取预设的基准螺栓，结合轨道设计线型参数建立轨道工程基准坐标系；构建所述传感器坐标系与所述轨道工程基准坐标系之间的空间转换模型，将各螺栓中心的初始三维坐标转换为实际物理坐标；基于相邻轨枕上对应螺栓中心的实际物理坐标差值，解算得到各枕木的实际间距及累计间距；

45、参数计算与方案生成单元，用于利用坐标转换后的所述岔区全域三维点云数据，提取钢轨及轨枕的空间位置特征，计算得到道岔区域的轨距、水平、高低、轨向以及三角坑几何参数；将所述枕木的实际间距、累计间距以及所述道岔几何参数与道岔设计标准进行比对分析，生成道岔预装配调整指令及铺设指导方案。

46、作为本发明的第三方面，还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行任一项所述的一种基于岔区全域点云的道岔预装配测量设计方法。

47、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

48、1.本发明的基于岔区全域点云的道岔预装配测量设计方法，通过搭载编码里程计的三维扫描设备沿道岔线路连续采集全域原始点云，采用统计滤波、半径滤波分层去除不同成因噪声以生成有效点云，再根据点云竖向高程分布规律划分高程阈值区间，配合三维连通域筛选提取轨枕与扣件对应的感兴趣区域点云。整套数据预处理流程能够完整采集道岔全范围空间数据，避免传统人工选点测量出现的局部数据缺失问题，分层滤波可以针对性消除环境飞点、粉尘水汽造成的无效噪点，依托高程特征划分目标区域能够筛除道砟等无关点位数据，简化后续运算的数据体量，减少无关地物对后续螺栓识别工作的干扰，从源头保证输入数据的有效性，降低冗余数据带来的运算负担，依靠全域连续点云完整复刻道岔实际空间形态，保障后续各项几何参数测算的数据基础可靠，稳步提升原始测量数据的完整程度。

49、2.本发明的基于岔区全域点云的道岔预装配测量设计方法，通过对感兴趣区域点云做局部高程归一化处理消除轨枕坡面带来的高程偏差，依托扣件边界尺寸与装配比例构建自适应螺栓检索窗口，结合高程阈值、法向量聚类以及三维紧致度校验筛选螺栓端面点云，根据端面轮廓形态选择圆柱或平面拟合方式求解螺栓中心，得到传感器坐标系下螺栓三维坐标。该处理流程依托道岔自身结构特征实现螺栓点位自动化筛选，省去人工圈选测点的操作步骤，高程归一化能够抵消轨枕铺设坡度带来的判定误差，自适应搜索窗口约束检索范围，紧致度指标筛除碎石、污渍形成的干扰点簇，差异化的拟合算法能够缓解螺栓锈蚀、表面缺损带来的定位偏差，提取关键控制点坐标，规避人工标记点位产生的主观测量误差。

50、3.本发明的基于岔区全域点云的道岔预装配测量设计方法，通过选取基准螺栓结合轨道设计参数建立工程基准坐标系，先后利用svd刚体变换与带工程约束的icp算法完成坐标配准，将螺栓坐标换算为工程实际坐标并核算轨枕间距，使用校准后的全域点云计算轨道几何参数，比对设计公差生成装配调整方案。两级坐标变换融合轨距、线型、枕距三类轨道固有约束，改善常规配准方式长距离数据累积形变误差，换算后的坐标可以实现轨枕间距的自动化计算，全点云批量提取轨道特征能够一次性完成多项几何参数测算，实测数据与标准参数自动对比后锁定超限位置与调整量，以量化数据指导道岔预装配整改，减少人工逐项核验的工作量，提升道岔预装配验收与调校工作的规范化水平。