本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于激光扫描的电气化铁路限界检测方法及系统。
背景技术：
电气化铁路限界检测对接触网安全运行十分重要，经过长时间的检测运营，现有的限界检测手段还存在一些不足。
限界检测技术之一：将ccd相机安装在轨道车上，当轨道车行驶通过隧道时，ccd相机拍照获取数据，通过数据后处理得到成果。这种技术需要安装多台ccd相机，采集数据时易受外界光照影响，控制关系及数据处理复杂，也不能建立隧道三维模型。
限界检测技术之二：采用地面三维激光扫描仪获取铁路的扫描点云数据，作业时首先建立测量控制网，并在控制点上设置扫描专用靶标，然后将三维激光扫描仪架设在三脚架上进行本站的扫描作业，一站扫描测量完成后搬站进行下一站的扫描作业。站与站之间至少有4个靶标被重叠扫描，便于两站之间的点云数据配准。该方法能够建立统一坐标系下的隧道三维点云模型，但完全靠人工进行搬站架站，作业效率低，且需要建立控制网来进行点云配准，整体流程较为复杂，一般用于城市轨道交通建设期盾构隧道的检测作业。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中限界检测技术存在的问题，提供了一种基于激光扫描的电气化铁路限界检测方法及系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供一种基于激光扫描的电气化铁路限界检测方法，用于对电气化铁路接触网的限界进行检测，将检测装置搭建在检测平台上，所述检测平台可在铁轨上自由移动，所述铁路周围设置若干定位点，并在相邻两定位点之间每隔一定距离设置一个跨中测量点；所述检测装置包括测量装置、断面扫描装置和数据处理装置，所述方法包括以下步骤：
测量装置对所述定位点和跨中测量点进行扫描，当扫描到所述定位点时，断面扫描装置对定位点前后一定范围内的断面进行多次断面扫描获得对应多个三维空间轮廓数据；
当扫描到所述跨中测量点时，使用断面扫描装置对跨中测量点前后一定范围内的断面进行多次断面扫描获得对应多个三维空间轮廓数据；
数据处理装置用于将同一定位点和跨中测量点附近的三维空间轮廓数据压缩拟合成二维数据，得到定位点和跨中测量点的二维断面图数据；
将二维断面图数据与标准限界数据进行对比，得出超限的数据。
优选地，所述检测装置还包括拍照装置，所述拍照装置拍摄当前扫描断面的全景图像，所述断面扫描装置为激光相位扫描雷达；所述断面扫描装置对定位点前后一定范围内的断面进行多次断面扫描获得对应多个三维空间轮廓数据，包括：
所述激光相位扫描雷达对所述定位点前0.8m、后1.2m范围内的截面进行扫描测量，进行扫描测量的步进单位为20mm；
所述使用断面扫描装置对跨中测量点前后一定范围内的断面进行多次断面扫描获得对应多个三维空间轮廓数据，包括：
每隔5m设置一个跨中测量点，所述激光相位扫描雷达对所述定位点前0.8m、后1.2m范围内的截面进行扫描测量，进行扫描测量的步进单位为20mm。
优选地，所述检测装置还包括直线位移传感器，所述直线位移传感器用于测量当前铁路轨距的变化值；所述方法还包括激光雷达扫描点坐标换算步骤：
原始扫描点坐标（x0，y0）计算，由下式计算：
x0=d1×cos（ɑ×k）
y0=d1×sin（ɑ×k），
其中，所述d1为激光相位扫描雷达测量距离，ɑ为激光相位扫描雷达单步扫描角，k为扫描线步进数；
限界扫描点空间物理坐标（x1，y1）计算，由下式计算：
x1=x0 z （d2 γ×l）/2
y1=y0 h，
其中，z为激光相位扫描雷达的横坐标，h为激光相位扫描雷达的纵坐标，d2为直线位移传感器的固定距离，γ为直线位移传感器的系数，l为轨道中心矫正的数据，所述激光相位扫描雷达位于铁路一侧的钢轨上，激光扫描的中心到铁路中心的距离l由下式计算：
l=（d gerr）/2，
其中，d为标准轨距，gerr为轨距修正值。
优选地，所述测量装置对所述定位点进行扫描，包括：
所述测量装置包括里程累计光电编码器和左右激光测距传感器，所述里程累计光电编码器采集所述检测平台的移动里程，前后两个定位点之间的距离设为跨距，当所述检测平台的移动里程累计到所述跨距时，左右激光测距传感器对所述定位点进行扫描。
优选地，所述方法还包括：
当所述检测装置经过不同的定位点时，里程累计光电编码器重新计算跨距信息。
优选地，所述方法还包括：
当所述跨距较大，当位于定位点处手动触发一次断面扫描，结合里程累计光电编码器累计的移动里程信息，对所述跨距进行校准。
优选地，所述检测平台为手推式测量小车。
优选地，所述电气化铁路接触网包括多根设置在铁路两侧的接触网支柱和吊柱，将所述接触网支柱和/或吊柱所在的位置均设为定位点。
本发明还提供一种基于激光扫描的电气化铁路限界检测系统，用于对电气化铁路接触网的限界进行检测，包括检测装置和检测平台，所述检测平台可在铁轨上自由移动，所述铁路周围设置若干定位点，并在相邻两定位点之间每隔一定距离设置一个跨中测量点，所述检测装置包括测量装置、断面扫描装置和数据处理装置；测量装置对所述定位点和跨中测量点进行扫描，当扫描到所述定位点和跨中测量点时，断面扫描装置对定位点和跨中测量点前后一定范围内的断面进行多次断面扫描获得对应多个三维空间轮廓数据；数据处理装置用于将同一定位点和跨中测量点附近的三维空间轮廓数据压缩拟合成二维数据，得到定位点和跨中测量点的二维断面图数据；
所述系统还包括：
触发模块，与所述测量装置连接，用于触发测量装置对所述定位点和跨中测量点进行扫描；
中央处理单元，所述中央处理单元分别与所述触发模块、检测装置连接；将二维断面图数据与标准限界数据进行对比，得出超限的数据。
优选地，所述检测装置还包括拍照装置，所述拍照装置拍摄当前扫描断面的全景图像；所述测量装置包括里程累计光电编码器和左右激光测距传感器；
所述系统还包括人机交互模块，人机交互模块均与所述中央处理单元连接，用于手动触发一次断面扫描测量。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
（1）测量装置对所述定位点进行扫描，当扫描到所述定位点时，断面扫描装置进行断面扫描，采集数据时不受外界光照影响，可对铁路所有路段进行数据采集，通过扫描定位点不需要提前建立测量控制网，且对定位点前后一定范围内的断面进行多次断面扫描获得对应多个三维空间轮廓数据，并将三维空间轮廓数据压缩拟合成二维数据，保证数据的准确度，提高了检测的精度；同时每隔一段距离设置一个跨中测量点，对跨中测量点扫描，不会出现漏检的情况。
（2）将以激光相位扫描雷达为原点的二维断面图数据转换为以铁路中心为原点的实际断面数据，提高了检测的精度。
（3）使用手推式测量小车作为检测平台，可实现对任何区段的线路进行巡检，解决了目前车载式限界检测装置易受组织行车的限制的问题，无需出动轨道车，只需对待巡检区间进行封锁即可进行检测作业。
（4）通过里程累计光电编码器采集所述检测平台的移动里程，当所述检测平台的移动里程累计到所述跨距时，检测装置自动触发断面扫描，实现全自动扫描。
（5）当所述检测装置经过不同的定位点时，重新计算跨距信息，消除了累计误差，提高定位的精度，增强了断面定位测量的效果。
（6）在线路基础数据的定位点跨距误差较大的情况下，本发明所述检测装置自动触发断面扫描之前还包括手动触发一次断面扫描，并结合累计的所述检测平台的移动里程对跨距进行校准的过程，方便以后测量时实时全自动触发测量。
（7）系统采用激光相位扫描技术，可快速实现对电气化铁路接触网及其相关设备限界自动、手动测量，排除了其他设备的干扰信息，测量效率高，系统整体采用模块化设计，各个功能相互独立便拆装、维护、运输，也便于后期对巡检设备进行功能扩展。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例1的方法流程图；
图2为本发明激光断面扫描设备示意图；
图3为本发明检测结果示意图；
图4为本发明测量小车的结构示意图；
图5为本发明系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
在一示例性实施例中，提供一种基于激光扫描的电气化铁路限界检测方法，用于对电气化铁路接触网的限界进行检测，将检测装置搭建在检测平台上，所述检测平台可在铁轨上自由移动，所述铁路周围设置若干定位点，并在相邻两定位点之间每隔一定距离设置一个跨中测量点；所述检测装置包括测量装置、断面扫描装置和数据处理装置，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
测量装置对所述定位点和跨中测量点进行扫描，当扫描到所述定位点时，断面扫描装置对定位点前后一定范围内的断面进行多次断面扫描获得对应多个三维空间轮廓数据；
当扫描到所述跨中测量点时，使用断面扫描装置对跨中测量点前后一定范围内的断面进行多次断面扫描获得对应多个三维空间轮廓数据；
数据处理装置用于将同一定位点和跨中测量点附近的三维空间轮廓数据压缩拟合成二维数据，得到定位点和跨中测量点的二维断面图数据；
将二维断面图数据与标准限界数据进行对比，得出超限的数据。
具体地，检测装置设置在检测平台上，检测平台在铁路的钢轨上移动，当测量装置扫描到所述定位点（接触网支柱或吊柱等）时，立即通过所述断面扫描装置对定位点前后一定范围内的断面进行多次断面扫描获得对应多个三维空间轮廓数据，得到当前定位点处的三维空间轮廓数据。
在完成当前定位点的断面扫描后，推动检测平台继续移动，在经过所述跨中测量点处时，使用断面扫描装置对跨中测量点进行断面扫描，断面扫描的方式与定位点的相同。
依次类推，经过不同的定位点和跨中测量点时，均进行断面扫描测量，得到所有定位点和跨中测量点处的断面数据，得到的断面数据为三维数据，且扫描时对定位点和跨中测量点前后一定范围内的断面进行断面扫描，得到的是多张断面图，需要找出最符合当前断面的图，因此使用数据处理装置将同一定位点和跨中测量点附近的三维空间轮廓数据压缩拟合成二维数据，得到定位点和跨中测量点的二维断面图数据。该数据处理过程保证检测数据的准确度，提高检测精度。
进一步地，将二维断面图数据与标准限界数据进行对比，得出超限的数据，能够知道电气化铁路接触网的哪些地方出现了越界等异常情况。
实施例2
本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例1的基础上，提供的断面扫描的具体方法，所述检测装置还包括拍照装置，所述拍照装置拍摄当前扫描断面的全景图像，具体地，在得到当前定位点处的三维空间轮廓数据，让所述检测平台继续向前移动一段距离后，拍一张当前扫描断面的全景高清图像，拍照的作用是为每一个断面关联一张高清图像，用于存储、回放、分析、管理断面图处的实际情况。
所述断面扫描装置为激光相位扫描雷达，如图2所示，所述激光相位扫描雷达位于铁路一侧的钢轨上。
所述激光相位扫描雷达对所述定位点前0.8m、后1.2m范围内的截面进行扫描测量，进行扫描测量的步进单位为20mm。然后再将前后共2米范围的三维数据进行压缩拟合成二维数据，该二维数据即为二维断面图数据。当扫描完当前断面后，检测平台移动一段距离后自动触发拍一张当前扫描断面的全景高清图像，移动的距离可根据实际情况进行设置。
每隔5m设置一个跨中测量点，所述激光相位扫描雷达对所述跨中测量点进行和定位点同样方式的断面扫描。
进一步地，所述检测装置还包括直线位移传感器，所述直线位移传感器用于测量当前铁路轨距的变化值。
所述方法还包括激光雷达扫描点坐标换算步骤：
原始扫描点坐标（x0，y0）计算，由下式计算：
x0=d1×cos（ɑ×k）
y0=d1×sin（ɑ×k），
其中，所述d1为激光相位扫描雷达测量距离，ɑ为激光相位扫描雷达单步扫描角，k为扫描线步进数；
限界扫描点空间物理坐标（x1，y1）计算，由下式计算：
x1=x0 z （d2 γ×l）/2
y1=y0 h，
其中，z为激光相位扫描雷达的横坐标，h为激光相位扫描雷达的纵坐标，d2为直线位移传感器的固定距离，γ为直线位移传感器的系数，l为轨道中心矫正的数据，所述激光相位扫描雷达位于铁路一侧的钢轨上，激光扫描的中心到铁路中心的距离l由下式计算：
l=（d gerr）/2，
其中，d为标准轨距，gerr为轨距修正值。由于激光相位扫描雷达是固定的一侧钢轨上的，想要得相对于轨道中心的坐标，因此先要测量具体的轨距值。因标准的轨距与实际线路中轨距是有一定的误差的，得到轨距的修正值就是为了把轨距变化引起的误差消除掉。
进一步地，如图3所示，提供对铁路隧道的电气化铁路接触网检测的限界对比示意图，为坐标换算后以轨道中心为原点建立的坐标系，其中，横坐标x1对应限界扫描点的横坐标，纵坐标y1对应限界扫描点的纵坐标，横坐标x1和纵坐标y1的单位均为mm，图中标号1表示当前隧道标准的限界数据或者为预设的限界数据，标号2表示当前隧道附近接触网及其相关设备的检测数据，当有检测数据与标准的限界数据有交叉或者侵入时，表示当前隧道的接触网及其相关设备存在越界的情况，需进行调整。
实施例3
具体地，使用手推式测量小车作为检测平台可实现对任何区段的线路进行巡检，解决了目前车载式限界检测装置易受组织行车的限制，同时采用该电气化铁路限界智能测量仪无需出动轨道车，只需对待巡检区间进行封锁即可进行检测作业。使用手推式测量小车简单、高效，且封锁区间后可以0～5km/h时速对电气化铁路限界进行连续检测，大大提高了人工测量效率。
具体地，如图4所示，在一实施例中，给出了测量小车的具体结构图，包括可伸缩的行走架10，行走架10还可直接采用现有的伸缩杆，即行走架10包括固定段和伸缩段，伸缩段一端插设在固定段内，伸缩段的插设端安装有伸缩弹簧，并在固定段内安装限制伸缩段过度伸出的限位结构，该限位结构可为安装在固定段内的限位环和与安装在伸缩段上于限位环配合的限位块，通过伸缩弹簧的自身的弹力，推动行走架10的伸缩段，使两个轨道之间的轨距发生变化时，伸缩弹簧通过自身的弹力推动伸缩段移动，使两个侧滑轮11始终与轨道的内侧抵紧。当行走架10采用上述伸缩杆的伸缩结构时，还可在伸缩段上安装一个垂直伸缩段向外延伸的螺钉，并在固定段上开设有沿轴向延伸的滑槽，当行走架10需要进行收纳时，可人为的推动伸缩段，使伸缩弹簧压缩、伸缩段收入至固定段内，然后通过锁紧螺母拧紧固定在螺钉上，使固定段与伸缩段锁紧固定，使行走架10首先收纳，在携带或搬运过程中更加方便。
所述行走架10的固定段和行走架10的伸缩段均安装有行走轮9和抵紧轨道内侧的侧滑轮11，当对轨道进行测量时，两个行走轮9分别与轨道的轨面进行配合，使行走架10在受到外力后沿轨道前进或后退，而两个侧滑轮11则分别与两个轨道的内侧面抵紧，由于侧滑轮11为滚轮状，使行走架10在沿轨道前进或后退过程中并不会受到影响，使行走架10在沿轨道前进或后退过程中可通过侧滑轮11进一步限位，保证行走架10在前进或后退过程中更加平稳。
所述行走架10上还安装有测量模块和检测两个侧滑轮11之间间距的直线位移传感器。其中测量模块可根据需测量的轨道参数进行设置，即测量模块的种类可根据具体的测量需求进行更换，例如：测量模块可采用本方法中提到的任何检测装置。通过直线位移传感器对两个侧滑轮11之间的间距进行测量，通过两个侧滑轮11之间间距的变化情况则可得出两个轨道间距的变化情况，从而实现实时测量轨道轨距的变化。
进一步地，行走架10的固定段上还安装有快装转接底板4和推杆5，快装转接底板4位于行走架10的固定段的上表面，快装转接底板4通过螺钉固定安装在行走架10的固定段上。
进一步地，在快装转接底板4上可固定安装有激光相位扫描装置，激光相位扫描装置通过卡接方式快速固定在快装转接底板4上，其中包括激光相位扫描雷达。
推杆5的下端通过螺钉铰接，推杆5上还安装有手柄6，手柄6设置成可转动安装，当推杆5需要折叠时，可转动手柄6，使手柄6位于行走架10的一侧，从而避免手柄6对推杆5的折叠造成阻碍。
所述推杆5上还安装有可万向旋转的云台7，云台7上设有人机交互模块和数据通信单元；所述行走架10的固定段上还安装有中央处理盒8，中央处理盒8内安装有处理单元，处理单元与人机交互模块通过数据通信单元电连接，且测量模块、距离传感器、速度编码器通过前置信号处理单元与处理单元连接。
本发明的测量小车始终与钢轨紧密接触，并实时测量当前轨距变化值，同时该伸缩结构还可以旋转，该旋转功能，实现了手推小车在通过钢轨道叉时不发生卡轮；其次，该手推小车采用折叠式推把，节约了运输时所占用的体积。
实施例4
本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例1的基础上提供了一种基于激光扫描的电气化铁路限界检测方法，所述测量装置对所述定位点进行扫描，包括：
所述测量装置包括里程累计光电编码器和左右激光测距传感器，所述里程累计光电编码器采集所述检测平台的移动里程，前后两个定位点之间的距离设为跨距，当所述检测平台的移动里程累计到所述跨距时，左右激光测距传感器对所述定位点进行扫描。
具体地，当所述测量装置经过不同的定位点时，重新计算跨距信息，由于累计的检测平台的移动距离有可能存在累计误差，因此在经过不同的定位点时，测量装置重新检测检测平台的移动距离，并重新计算定位点跨距，消除了累计误差，提高定位的精度，增强了断面定位测量的效果。
进一步地，所述方法还包括：
当所述跨距较大，当位于定位点处手动触发一次断面扫描，结合里程累计光电编码器累计的移动里程信息，对所述跨距进行校准。
具体地，由于有的线路可能会存在基础数据的跨距误差较大，就无法采用上述的全自动触发方式进行断面扫描测量。在这种情况下，可以通过在所述测量装置自动对铁路进行断面扫描前手动触发一次断面扫描测量，并结合累计的所述检测平台的移动距离，自动对当前线路基础数据中的定位点跨距信息进行较准，方便以后测量时实时全自动触发测量。
实施例5
在该实施例中，如图5所示，本发明还提供一种基于激光扫描的电气化铁路限界检测系统，用于对电气化铁路接触网的限界进行检测，包括检测装置和检测平台，所述检测平台可在铁轨上自由移动，所述铁路周围设置若干定位点，并在相邻两定位点之间每隔一定距离设置一个跨中测量点。
所述检测装置包括测量装置、断面扫描装置和数据处理装置；测量装置对所述定位点和跨中测量点进行扫描，当扫描到所述定位点和跨中测量点时，断面扫描装置对定位点和跨中测量点前后一定范围内的断面进行多次断面扫描获得对应多个三维空间轮廓数据；数据处理装置用于将同一定位点和跨中测量点附近的三维空间轮廓数据压缩拟合成二维数据，得到定位点和跨中测量点的二维断面图数据；
所述系统还包括：
触发模块，与所述测量装置连接，用于触发测量装置对所述定位点和跨中测量点进行扫描；
中央处理单元，所述中央处理单元分别与所述触发模块、检测装置连接；将二维断面图数据与标准限界数据进行对比，得出超限的数据。
进一步地，所述检测装置还包括拍照装置，所述拍照装置拍摄当前扫描断面的全景图像；
所述测量装置包括里程累计光电编码器和左右激光测距传感器；
所述系统还包括人机交互模块，人机交互模块均与所述中央处理单元连接，用于手动触发一次断面扫描测量
所示系统具有以下五个基本功能：
（1）接口兼容：电气化铁路限界智能测量仪的数据兼容可直接或者间接兼容目前路局的限界管理系统；
（2）交互简单、智能：采用触摸面板可对测量仪线路、状态、类型等参数进行直接交互；
（3）超限预警：将仪器测量的限界与标准限界进行对比分析，并对超限实时预警；
（4）断面回放：测量的限界值和断面图进行一杆一档管理、回放；
（5）报表统计：统计每一条测量线路中限界超限数量、超限值等。
系统采用激光相位扫描技术，可快速实现对电气化铁路接触网及其相关设备限界自动、手动测量，系统整体采用模块化设计，各个功能相互独立便拆装、维护、运输，也便于后期对巡检设备进行功能扩展。
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
