一种钢轨空间三维几何形态构建方法及装置

技术领域

本发明涉及数据测量技术领域，具体涉及一种运动状态信息与三维点云组合的钢轨空间三维几何形态构建方法及装置。

背景技术

铁路是国家重要基础设施，是国民经济大动脉和大众化交通工具，大规模发展具有运能大、安全舒适、全天候运输、环境友好和可持续性等优势的高速铁路，是在当前能源和环境约束下解决我国交通运输能力供给不足矛盾的必由之路和必然选择。随着大量的高速铁路投入运营，从整体上确保高速铁路的系统安全性和可持续性是高速铁路面临的重大挑战，其中铁路轨道的不平顺所带来的影响尤为重要。轨道不平顺是指轨道的实际尺寸、几何形状以及位置与其理想状态之间的偏差。轨道不平顺的存在会引入噪声和振动，影响行车的舒适性，并且造成铁路轮轨作用力变大，加快轮轨以及铁路的损坏、提升维护成本，严重者甚至导致行车事故。轨道不平顺状态需要精确的测量出来，进而指导铁路维护人员进行修复，因此，如何精确的测量出轨道不平顺的具体参数，则成为了研究的重点。

全站仪与轨检小车组合为当前一种重要方法，采用全站仪按照一定间隔自由设站，通过后视多个CPⅢ控制点，交会计算出全站仪绝对坐标，对检测设备进行定位，然后通过获取的检测设备空间状态重建钢轨的几何信息，并在此基础上计算钢轨的绝对几何不平顺。但此类方法的“走走停停”的工作模式严重限制了其工作效率，并且对测量操作人员的专用知识与技能要求高。

当前另一种重要方法为利用惯性测量传感器或光电设备单独进行测量，以获取轨道短距离相对几何尺寸参数。例如基于陀螺仪开发的测量轨道轨道几何不平顺测量小车。此外，还有利用激光的准直特性对轨道几何不平顺进行高精度检测评估。此类方法无法探测和消除粗大误差的影响，且光学类仪器对环境要求苛刻，容易受大气、温度等影响。

此外，也有方法采用视觉测量技术计算分析轨道不平顺相关参数，但是二维图像检测缺乏几何和深度信息，只能从某一个方向上获取部分几何参数，该方法通常用于钢轨表面部分伤损等表观病害的识别。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种运动状态信息与三维点云组合的钢轨空间三维几何形态构建方法及装置，首先利用了钢轨点云的三维空间分布信息进行轨顶中线重建，然后利用检测设备内置的惯性传感器测量的运动状态信息推算轨道线形参数，并将两者进行融合，优化轨顶中线空间位置及形态，可以实现轨道线形更精确的测量，最终实现轨道几何状态参数精确计算。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种钢轨空间三维几何形态构建方法，包括：

获取钢轨测量设备的运动状态信息以及钢轨测量设备采集的激光扫描数据；所述运动状态信息包括角速度和线速度；

根据所述激光扫描数据建立钢轨三维点云模型并提取模型中钢轨断面顶端的中点；

基于钢轨测量设备的运动状态信息判断钢轨设计线形变化点，并根据所述线形变化点进行轨道线形分段；所述轨道线形包括直线、缓和曲线以及圆曲线；

根据轨道线形对应的曲线方程进行轨顶中线参数拟合，生成轨顶中线，并利用所述角速度与线速度信息，优化轨顶中线空间位置；

联合钢轨断面几何设计参数、优化后的轨顶中线坐标计算轨道断面关键点的大地坐标及目标里程处航向角、俯仰角、横滚角，构建钢轨空间三维几何形态。

进一步的，基于钢轨测量设备的运动状态信息判断钢轨设计线形变化点，并根据所述线形变化点进行轨道线形分段，包括：

从运动状态信息中所述提取钢轨测量设备的的航位信息；

若航向角恒定，横滚角为0，则判断钢轨测量设备位于轨道直线段；

若航向角恒定变化，横滚角恒定且不为0，则判断钢轨测量设备位于轨道圆曲线段；

若航向角变化速度变大，横滚角绝对值逐渐增大，则判断钢轨测量设备位于轨道直线段到圆曲线段的缓和曲线段；

若航向角变化速度变小，横滚角绝对值逐渐增小，则判断钢轨测量设备位于轨道圆曲线段到直线段的缓和曲线段。

进一步的，根据轨道线形对应的曲线方程进行轨顶中线参数拟合，生成轨顶中线，包括：

利用直线段线形公式以及圆曲线拟合平差解算基本关系式分别对直线段和圆曲线段轨道中线进行拟合；

基于缓和曲线段前后相邻的直线段和圆曲线段轨道中线参数，依据缓和曲线线形规律确定其参数。

进一步的，利用所述角速度与线速度信息，优化轨顶中线空间位置，包括：

获取目标里程处的钢轨测量设备的角速度和线速度数据，以及拟合后点云中线点云坐标；

通过钢轨测量设备的角速度和线速度数据计算第一轨道曲率半径及对应的曲率半径方差，通过拟合得到的轨顶中线点云坐标解算第二轨道曲率半径及对应的曲率半径方差；

利用所述第一轨道曲率半径及对应的曲率半径方差和第二轨道曲率半径及对应的曲率半径方差优化求解目标里程处曲率半径；

将所述目标里程处曲率半径作为钢轨先验线形参数代入圆曲线或缓和曲线拟合公式，对所述轨顶中线进行整体约束平差确定圆曲线段或缓和曲线段轨顶中线的空间位置。

进一步的，所述目标里程处曲率半径根据下式求解：

式中，R

进一步的，通过钢轨测量设备的角速度和线速度数据计算第一轨道曲率半径及对应的曲率半径方差，计算方法如下：

式中，

基于曲率半径误差传播公式：

获取误差传播系数

D

进一步的，联合钢轨断面几何设计参数、轨顶中线坐标计算轨道断面关键点的大地坐标及目标里程处航向角、俯仰角、横滚角，包括：

建立钢轨断面坐标系，以目标里程处左右轨顶面中线点连线的中点作为坐标系原点，X轴指向右轨轨顶中点，竖直方向为Y轴，指向天为正，Z轴指向前进方向与X和Y轴构成右手直角坐标系；

构建钢轨测量设备坐标系到导航坐标系的第一坐标转换矩阵以及钢轨断面坐标系到钢轨测量设备坐标系的第二坐标转换矩阵；

根据钢轨断面几何设计参数，基于钢轨断面坐标系原点以及第一坐标转换矩阵、第二坐标转换矩阵，计算任一轨道断面关键点的大地坐标；

若目标里程处位于圆曲线段，则利用下式计算目标里程处航向角

若目标里程处位于缓和曲线段，则利用下式计算目标里程处航向角

式中，S

第二方面，本发明提供一种钢轨空间三维几何形态构建装置，包括：

数据获取模块，获取钢轨测量设备的运动状态信息以及钢轨测量设备采集的激光扫描数据；所述运动状态信息包括角速度和线速度；

模型构建模块，根据所述激光扫描数据建立钢轨三维点云模型并提取模型中钢轨断面顶端的中点；

轨道分段模块，基于钢轨测量设备的运动状态信息判断钢轨设计线形变化点，并根据所述线形变化点进行轨道线形分段；所述轨道线形包括直线、缓和曲线以及圆曲线；

轨顶中线生成及优化模块，根据轨道线形对应的曲线方程进行轨顶中线参数拟合，生成轨顶中线，并利用所述角速度与线速度信息，优化轨顶中线空间位置；

计算模块，联合钢轨断面几何设计参数、优化后的轨顶中线坐标计算轨道断面关键点的大地坐标及目标里程处航向角、俯仰角、横滚角，构建钢轨空间三维几何形态。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括：

存储器，用于存储计算机软件程序；

处理器，用于读取并执行所述计算机软件程序，进而实现本发明第一方面所述的一种钢轨空间三维几何形态构建方法。

第四方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有计算机软件程序，所述计算机软件程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的一种钢轨空间三维几何形态构建方法。

本发明的有益效果是：1)本发明采用设备的运动状态信息确立钢轨的几何形状参数，与钢轨点云中拟合出轨顶中线进行融合，可以实现钢轨几何状态参数更精确的测量。

2)本发明采用了钢轨断面几何模型、钢轨顶面中线点及轨道断面关键点坐标联合的方式，计算任意长度区间、任意位置处轨道几何状态参数。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种钢轨空间三维几何形态构建方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种钢轨空间三维几何形态构建装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图；

图4为本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，术语“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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，术语“例如”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“例如”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

如图1所示，本发明实施例提供一种钢轨空间三维几何形态构建方法，包括：

S100，获取钢轨测量设备的运动状态信息以及钢轨测量设备采集的激光扫描数据。钢轨测量设备采用移动三维激光扫描系统实现，移动三维激光扫描系统用于轨道测量，一般由GNSS天线、激光扫描仪、激光惯导、车轮编码器以及陀螺仪等组件构成。钢轨测量设备在钢轨上移动，通过上述组件采集钢轨点云以及设备滋镇的运动状态信息。所述运动状态信息包括角速度和线速度，还可以包括定位信息，所述定位信息可以有通过GNSS与激光惯导联合确定。

S200，根据所述激光扫描数据建立钢轨三维点云模型并提取模型中钢轨断面顶端的中点。

激光点云数据包括点云位置坐标，由于钢轨的制造必须严格执行相关标准，因此依赖于钢轨的设计模型，可以根据激光点云数据构建钢轨三维点云模型，构建过程属于现有技术，在此不再赘述。

S300，基于钢轨测量设备的运动状态信息判断钢轨设计线形变化点，并根据所述线形变化点进行轨道线形分段；所述轨道线形包括直线、缓和曲线以及圆曲线。

从运动状态信息中所述提取钢轨测量设备的的航位信息；

若航向角恒定，横滚角为0，则判断钢轨测量设备位于轨道直线段；

若航向角恒定变化，横滚角恒定且不为0，则判断钢轨测量设备位于轨道圆曲线段；

若航向角变化速度变大，横滚角绝对值逐渐增大，则判断钢轨测量设备位于轨道直线段到圆曲线段的缓和曲线段；

若航向角变化速度变小，横滚角绝对值逐渐增小，则判断钢轨测量设备位于轨道圆曲线段到直线段的缓和曲线段。

S400，根据轨道线形对应的曲线方程进行轨顶中线参数拟合，生成轨顶中线，并利用所述角速度与线速度信息，优化轨顶中线空间位置。

利用曲线方程对轨顶中线参数进行拟合可以有效消除由于一些意外情况导致的突变引起的粗差问题。首先利用直线段线形公式以及圆曲线拟合平差解算基本关系式分别对直线段和圆曲线段轨道中线进行拟合；然后基于缓和曲线段前后相邻的直线段和圆曲线段轨道中线参数，依据缓和曲线线形规律确定其参数。

轨道线形拟合公式如下：

a.直线阶段线形公式

y

x

b.圆曲线阶段拟合与表达公式

圆曲线拟合平差解算基本关系式如下：

A和B为圆心的横坐标和纵坐标，R为圆的半径，

由于拟合是基于正常区域轨顶中心线之间相对形状信息，认为不存在粗差等因素，因此平差中设定为权值相等。

待求参数

同样采用多次迭代计算，每一次平差计算之后令

然后重新计算，直到两次求取的参数改正数绝对值小于固定阈值或者平差次数超限则终止计算。阈值的确定方法以轨道曲率半径为基准，基于测量区段对应高铁、普铁、地铁等轨道类型的设计规范进行确定。本实施例设置平差次数的超限阈值为5，通常平差两到三次即可求取稳定准确的待定参数。

c.缓和曲线阶段拟合与表达公式

缓和曲线为直线与圆曲线之间过渡线形，其曲率与距离直线起点的距离呈反比，起点处曲率无穷大，至缓圆点处曲率等于圆曲线曲率。铁路设计中缓和曲线通常采用辐射螺旋线公式描述，对应曲线方程为：

其中，C＝R·l

完成轨顶中线参数拟合之后，利用所述角速度与线速度信息，优化轨顶中线空间位置，具体包括：

获取目标里程处的钢轨测量设备的角速度和线速度数据，以及拟合后点云中线点云坐标；

通过钢轨测量设备的角速度和线速度数据计算第一轨道曲率半径及对应的曲率半径方差，通过轨顶中线点云坐标解算第二轨道曲率半径及对应的曲率半径方差；

第一轨道曲率半径及对应的曲率半径方差，计算方法如下：

式中，

基于曲率半径误差传播公式：

获取误差传播系数

D

第二轨道曲率半径及对应的曲率半径方差，则是先通过对轨顶中线点云坐标拟合反算出的第二轨道曲率半径进行定权，然后通过对圆曲线参数的间接平差法方程系数矩阵求逆获取第二轨道曲率半径对应曲率半径方差

利用所述第一轨道曲率半径及对应的曲率半径方差和第二轨道曲率半径及对应的曲率半径方差优化求解目标曲率半径。

所述目标曲率半径根据下式求解：

本式中，R

将所述目标曲率半径作为钢轨先验线形参数代入圆曲线拟合公式，对所述轨顶中线进行整体约束平差确定轨顶中线的空间位置。

S500，联合钢轨断面几何设计参数、轨顶中线坐标计算轨道断面关键点的大地坐标及目标里程处航向角、俯仰角、横滚角。这里的关键点并不具体指某一个点，根据计算需求，轨道断面上任一都可以作为关键点，通常有轨顶中点、轨顶往下16mm处内侧的一个用于测量轨距的点等等。

具体的，该步骤包括：

建立钢轨断面坐标系，以目标里程处左右轨顶面中线点连线的中点作为坐标系原点，X轴指向右轨轨顶中点，竖直方向为Y轴，指向天为正，Z轴指向前进方向与X和Y轴构成右手直角坐标系；

构建钢轨测量设备坐标系到导航坐标系的第一坐标转换矩阵

根据钢轨断面几何设计参数，基于钢轨断面坐标系原点以及第一坐标转换矩阵、第二坐标转换矩阵，计算任一轨道断面关键点的大地坐标；

S

将钢轨断面模型中关键点的大地坐标计算公式为：

和/>

若目标里程处位于圆曲线段，则利用下式计算目标里程处航向角

若目标里程处位于缓和曲线段，则利用下式计算目标里程处航向角

式中，S

如图2所示，本发明实施例还提供一种钢轨空间三维几何形态构建装置，包括：

数据获取模块，获取钢轨测量设备的运动状态信息以及钢轨测量设备采集的激光扫描数据；所述运动状态信息包括角速度和线速度；

模型构建模块，根据所述激光扫描数据建立钢轨三维点云模型并提取模型中钢轨断面顶端的中点；

轨道分段模块，基于钢轨测量设备的运动状态信息判断钢轨设计线形变化点，并根据所述线形变化点进行轨道线形分段；所述轨道线形包括直线、缓和曲线以及圆曲线；

轨顶中线生成及优化模块，根据轨道线形对应的曲线方程进行轨顶中线参数拟合，生成轨顶中线，并利用所述角速度与线速度信息联合确定轨道线形信息，优化轨顶中线空间位置；

计算模块，联合钢轨断面几何设计参数、轨顶中线坐标计算轨道断面关键点的大地坐标及目标里程处航向角、俯仰角、横滚角。

请参阅图3，图3为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图。如图3所示，本发明实施例提了一种电子设备500，包括存储器510、处理器520及存储在存储器510上并可在处理器520上运行的计算机程序511，处理器520执行计算机程序511时实现以下步骤：

S100，获取钢轨测量设备的运动状态信息以及钢轨测量设备采集的激光扫描数据；所述运动状态信息包括角速度和线速度；

S200，根据所述激光扫描数据建立钢轨三维点云模型并提取模型中钢轨断面顶端的中点；

S300，基于钢轨测量设备的运动状态信息判断钢轨设计线形变化点，并根据所述线形变化点进行轨道线形分段；所述轨道线形包括直线、缓和曲线以及圆曲线；

S400，根据轨道线形对应的曲线方程进行轨顶中线参数拟合，生成轨顶中线，并利用所述角速度与线速度信息，优化轨顶中线空间位置；

S500，联合钢轨断面几何设计参数、优化后的轨顶中线坐标计算轨道断面关键点的大地坐标及目标里程处航向角、俯仰角、横滚角，构建钢轨空间三维几何形态。

请参阅图4，图4为本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。如图4所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质600，其上存储有计算机程序611，该计算机程序611被处理器执行时实现如下步骤：

S100，获取钢轨测量设备的运动状态信息以及钢轨测量设备采集的激光扫描数据；所述运动状态信息包括角速度和线速度；

S200，根据所述激光扫描数据建立钢轨三维点云模型并提取模型中钢轨断面顶端的中点；

S300，基于钢轨测量设备的运动状态信息判断钢轨设计线形变化点，并根据所述线形变化点进行轨道线形分段；所述轨道线形包括直线、缓和曲线以及圆曲线；

S400，根据轨道线形对应的曲线方程进行轨顶中线参数拟合，生成轨顶中线，并利用所述角速度与线速度信息，优化轨顶中线空间位置；

S500，联合钢轨断面几何设计参数、优化后的轨顶中线坐标计算轨道断面关键点的大地坐标及目标里程处航向角、俯仰角、横滚角，构建钢轨空间三维几何形态。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。