基于车载移动激光点云的接触网导高与拉出值自动检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于车载移动激光点云的接触网导高与拉出值自动检测方法，首先，根据轨道结构和接触网结构对应的扫描角度，设置角度分割阈值，分割得到轨道点云和接触网点云并使用统计滤波算法剔除了点云噪声；其次，基于移动扫描的轨迹线，采用长方体分割算法分割钢轨点云、圆柱分割算法分割接触线和定位点点云；再次，使用PCA和GICP配准钢轨点云、RANSAC提取接触线点云、维度分析法提取悬挂点点云；最后，根据导高、拉出值定义计算接触线的导高、拉出值。该方法具有精度高、效率高、自动化程度高等特点，可作为接触网导高与拉出值常态化检测方式的有效补充，服务于新建铁路静态验收和既有铁路线路运营检测。既有铁路线路运营检测。既有铁路线路运营检测。

【技术实现步骤摘要】
基于车载移动激光点云的接触网导高与拉出值自动检测方法


[0001]本专利技术涉及轨道交通快速综合检测领域，特别是涉及一种基于车载移动激光点云的接触网导高与拉出值自动检测方法。

技术介绍

[0002]铁路是国家重要的基础设施，国民经济的大动脉，在综合交通运输体系中处于骨干地位。1975年宝成线全线完成电气化改造，成为了我国第一条电气化铁路。自此以后，我国电气化铁路发展迅速，截至2020年底，我国铁路运营总里程超过14.63万公里，其中高速铁路已达到3.8万公里，电气化里程10.6万公里，电化率72.8％。接触网作为电气化铁路的核心部分，在保障铁路运输安全、提高运输效率、降低运输能耗等方面发挥着重要作用。
[0003]接触网放置在露天环境中，容易在恶劣的环境中老化和发生几何形位的改变。列车运行中，由于运行不规律、弓网间关系异常、电气腐蚀等方面的原因，接触网会发生变形甚至断线的情况。当接触网发生故障时，由于无备用线路，整条铁路线路的运营都将会受到影响，从而造成巨大的经济损失和不良的社会影响。接触网几何参数主要包括接触线导高和拉出值，导高是指接触线底面至轨面的垂直距离，拉出值是指接触线在定位点对受电弓中心线的偏移量。对于新建接触网工程，应在验收初期及时发现并消除由于安装误差引起的导高和拉出值超限，确保后续动态提速测试与试运营安全顺利进行。在运营阶段，为保证电力机车受电弓与接触线之间有良好接触，减少磨耗，避免发生刮弓或钻弓事故，接触线导高和拉出值需保持在一定范围内，因此有必要对接触线导高、拉出值进行常态化检测。
>[0004]接触网导高与拉出值自动检测通常采用接触式检测和非接触式检测。相较于接触式检测，非接触式检测方式更加精确、安全和智能。非接触式检测方法主要包括图像检测和激光检测。图像检测是在检测车顶安装CCD像机获取图像，利用图像识别技术检测接触网的导高和拉出值。由于测量基准不同，图像检测方法通常需要对车体振动进行补偿，计算过程复杂。同时，图像检测方法易受到天气和光照等因素的影响，导致检测质量不稳定，目标识别难度较大，准确度较低等问题。目前，供电段、维管段各工区现场一般采用传统的便携式激光测量设备，在天窗点内对接触线导高与拉出值进行静态点式测量，在接触线每个定位处利用激光测距仪人工瞄准捕获接触线进行参数的抽样测量，劳动强度大、作业效率低、安全系数低，检测功能单一。因此，急需研发一种检测效率高、检测精度高、自动化程度高以及无接触式的接触网导高与拉出值检测新技术，保障接触网系统正常稳定工作。
[0005]车载移动激光扫描技术是指在移动载体上集成全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)、惯性测量单元(Inertial Measure Unit，IMU)、激光扫描仪、数码相机、数码摄像机等多种传感器的综合测量检测技术。各类型传感器在移动状态下自动采集各种位置、姿态、影像和激光扫描数据，通过统一的地理参考和数据采集同步技术，实现无接触式的空间地理信息采集、处理与入库。在作业过程中，将集成的三维激光扫描系统搭载在轨道车上，通过载体的移动，快速采集轨道交通两侧几十至几百米范围内海量点云和影像数据。通过地面GNSS基站、移动GNSS接收机、地面控制点、IMU和激光扫描
仪数据的联合解算，得到高精度三维激光点云数据。相对于地面激光扫描和机载激光扫描，车载移动扫描具有高效灵活的数据采集方式，被越来越多的应用于工程实践中，车载移动扫描技术是目前研究的热点之一。近年来，越来越多的学者利用车载移动激光点云，实现接触网导高与拉出值检测的研究。
[0006]西南交通大学的周靖松在其硕士论文《基于三维点云数据的接触网几何参数检测研究》中论述了根据接触网点云特征改进随机抽样一致RANSAC算法，提取了接触线点云数据；再由空间旋转平移信息得出相机坐标系到世界坐标系的转换矩阵，并由此计算出接触线的导高和拉出值。该方法需要将测量基准由相机中心转换到轨道平面，测量结果易受车体振动和轮轨游间等因素影响。
[0007]中国专利技术专利公开号CN103852011A公开了一种基于激光雷达的铁路接触网几何参数分析方法，该方法利用接触线点云的导高值最小，拉出值极值位于接触网立柱处等信息，实现了接触网几何参数的检测。但是该方法存在以下缺点：(1)在接触网立柱处拉出值不是极值的情况下，此方法失效；(2)此方法没有检测吊弦悬挂点位置处的导高和拉出值。

技术实现思路

[0008]为解决现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于车载移动激光点云的接触网导高与拉出值自动检测方法，该方法具有效率高、准确性高和自动化程度高等特点。
[0009]为此，本专利技术的技术方案如下：
[0010]一种基于车载移动激光点云的接触网导高与拉出值自动检测方法，包括以下步骤：
[0011]S1，点云数据采集与预处理：
[0012]利用车载移动激光扫描系统对轨道交通沿线的基础设施及周边环境进行点云数据快速采集；基于沿线采集的激光点云，通过设定轨道和接触网点云对应的激光扫描发射角度的范围值，采用角度阈值分割算法，从轨道交通全断面激光点云中分割出包含轨道和接触网的激光点云；针对分割得到的轨道和接触网激光点云中的噪声点，采用统计滤波算法进行剔除；
[0013]S2，钢轨点云分割与配准：
[0014]利用改进的空间直线的最小二乘拟合算法使之能对轨迹线进行分段线性拟合，得到等间隔的轨迹线段，基于分段拟合的轨迹线段和对应轨道之间相对稳定的空间位置关系，采用长方体分割算法从S1预处理后的轨道激光点云中提取钢轨点云；根据钢轨标准断面图生成标准钢轨模型点云，使用主成分分析算法和广义迭代最近点算法实现钢轨点云与钢轨模型点云的精确配准，从而获取钢轨空间几何参数，提取轨顶中线，计算线路中点，进而拟合出线路中心线；利用提取的轨顶中线更新轨迹线和钢轨点云之间的空间位置参数，进行下一段钢轨点云的提取与配准；迭代重复以上步骤，完成全部钢轨点云的提取和配准；
[0015]S3，接触线和悬挂点点云自动提取：
[0016]接触线和悬挂点提取：根据轨迹线和接触网结构之间相对稳定的空间位置关系，基于S2中分段线性拟合得到的等间隔轨迹线段，采用圆柱分割算法从S1中得到的接触网激光点云中提取包含接触线和悬挂点的点云；采用直线的随机采样一致性算法对包含接触线和悬挂点的点云进行三维直线模型拟合，根据标准接触导线的横断面设计图设置随机采样
一致性算法的参数，进行接触导线点云分段提取与三维直线模型的自动拟合；在只包含接触线的区域，点云的维度特征呈线性；在悬挂点位置，由于吊弦和定位器与接触线相连，点云的维度特征表现为非线性。采用维度分析法，分析目标点邻域的维度特征，设置线性阈值提取接触线悬挂点；
[0017]S4，接触网导高、拉出值自动检测：
[0018]根据导高和拉出值的定义及测量方法，利用S2中钢轨几何参数的检测结果、S3中接触线和悬挂点的检测结果，对接触线导高和拉出值进行自动检测。
[001本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于车载移动激光点云的接触网导高与拉出值自动检测方法，包括以下步骤：S1，点云数据采集与预处理：利用车载移动激光扫描系统对轨道交通沿线的基础设施及周边环境进行点云数据快速采集；基于沿线采集的激光点云，通过设定轨道和接触网点云对应的激光扫描发射角度的范围值，采用角度阈值分割算法，从轨道交通全断面激光点云中分割出包含轨道和接触网的激光点云；针对分割得到的轨道和接触网激光点云中的噪声点，采用统计滤波算法进行剔除；S2，钢轨点云分割与配准：利用改进的空间直线的最小二乘拟合算法使之能对轨迹线进行分段线性拟合，得到等间隔的轨迹线段，基于分段拟合的轨迹线段和对应轨道之间相对稳定的空间位置关系，采用长方体分割算法从S1预处理得到的轨道激光点云中提取钢轨点云；根据钢轨标准断面图生成标准钢轨模型点云，使用主成分分析算法和广义迭代最近点算法实现钢轨点云与钢轨模型点云的精确配准，从而获取钢轨空间几何参数，提取轨顶中线，计算线路中点，进而拟合出线路中心线；利用提取的轨顶中线更新轨迹线和钢轨点云之间的空间位置参数，进行下一段钢轨点云的提取与配准；迭代重复以上步骤，完成全部钢轨点云的提取和配准；S3，接触线和悬挂点点云自动提取：接触线和悬挂点提取：根据轨迹线和接触网结构之间相对稳定的空间位置关系，基于S2中分段线性拟合得到的等间隔轨迹线段，采用圆柱分割算法从S1中得到的接触网激光点云中提取包含接触线和悬挂点的点云；采用直线的随机采样一致性算法对包含接触线和悬挂点的点云进行三维直线模型拟合，根据标准接触导线的横断面设计图设置随机采样一致性算法的参数，进行接触导线点云分段提取与三维直线模型的自动拟合；采用维度分析法，分析目标点邻域的维度特征，设置线性阈值提取接触线悬挂点；S4，接触网导高、拉出值自动检测：根据导高和拉出值的定义及测量方法，利用S2中钢轨几何参数的检测结果、S3中接触线和悬挂点的检测结果，对接触线导高和拉出值进行自动检测。2.根据权利要求1所述的接触网导高与拉出值自动检测方法，其特征在于，步骤S1中所述点云数据采集与预处理包括以下步骤：(1)点云数据采集：随着车载移动激光扫描系统的移动，激光扫描仪在垂直于线路方向或与线路方向呈45度方向进行圆周扫描，得到被测轨道交通长度范围内及轨道两侧一定距离范围的激光点云；利用所述车载移动激光扫描系统的轨迹线对所扫描的数据进行解算，获得全线统一地理空间坐标系下的激光点云，将所述全线统一地理空间坐标系下的激光点云导出成通用数据格式；(2)激光点云角度阈值分割：根据扫描仪在采集数据过程中记录的扫描头旋转的角度信息、扫描头每次步进旋转的角度值以及扫描仪圆周扫描的角度起点分割出一定角度范围的激光点云；根据扫描仪的安装高度、安装角度和分割区域的几何尺度，通过空间几何分析，利用三角函数公式计算得到分割区域所在的角度范围，或者直接在激光点云上选择轨道或者接触网结构的边界点，查看边界点的扫描角度值；再设定一个扫描角度值的浮动值δ，根据公式(1)，遍历所有激光点
云，分割出轨道和接触网点云：式中：P
i
：第i个激光点；Segment
RailTrack
、Segment
Catenary
、Segment
Other
：依次为轨道点云、接触网点云、其它点云；α
min
、α
max
：分别为轨道对应的最小扫描角度和最大扫描角度，单位为度；β
min
、β
max
：分别为接触网结构对应的最小扫描角度和最大扫描角度，单位为度；δ：角度分割浮动值；是轨道点云中第i个激光点的扫描角度，单位为度；是接触网点云中第i个激光点的扫描角度，单位为度；优选的是，所述角度分割浮动值δ为3度；(3)点云噪声过滤：使用统计滤波算法剔除三维激光扫描系统获取的点云数据中的少量的噪声点。3.根据权利要求2所述的接触网导高与拉出值自动检测方法，其特征在于：步骤(1)中，所述通用数据格式为LAS格式，扫描仪的旋转角度范围为
‑
180
°
～180
°
，扫描仪正下方为扫描起始方向，旋转至扫描仪正上方为180
°
，轨迹线前进方向左侧角度为负值，右侧角度为正值。4.根据权利要求2所述的接触线导高与拉出值自动检测方法，其特征在于：步骤(2)中，如果车载移动激光扫描系统含有多个扫描仪，则分别按照每个扫描仪角度分割激光点云，再将多个扫描仪分割的激光点云进行合并。5.根据权利要求2所述的接触网导高与拉出值自动检测方法，其特征在于：步骤(1)中，所述轨道两侧一定距离范围为线路左右两侧各100米的宽度范围；6.根据权利要求1所述的接触网导高与拉出值自动检测方法，其特征在于：步骤S2中钢轨点云的分割与配准步骤如下：(1)轨迹线分段线性拟合：首先建立轨道交通激光点云的多维空间索引结构；设定固定步长(Fixed Depth)，分段线性拟合轨迹线，获得等间距的多段线；(2)钢轨点云分割与配准，首先，右侧钢轨的点云分割与配准包括以下步骤：1)轨迹线平移：选择检测起始点，利用距离判别法找...

【专利技术属性】
技术研发人员：许磊，豆孝磊，张冠军，牟春霖，巩健，谢春喜，刘成，杨元维，梁永，石德斌，董延喜，赵梦杰，
申请(专利权)人：中国铁路设计集团有限公司，
类型：发明
国别省市：