基于PolyWorks的CRTSⅢ型軌道板檢測指標(biāo)快速提取方法

秦 飛 李 圓 包建強(qiáng) 陳 霄 張獻(xiàn)州 黃雨微

(1.中鐵二十二局集團(tuán)有限公司 北京 100043；2.西南交通大學(xué) 四川成都 611756；3.陜西測繪地理信息局 陜西西安 710000)

1 引言

CRTSⅢ型無砟軌道板是我國自主研發(fā)、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的一項(xiàng)重大科技成果，也是我國高速鐵路無砟軌道技術(shù)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的重要標(biāo)志，具有耐久性好、穩(wěn)定性高、抗裂性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯等特點(diǎn)，其制造精度直接影響軌道的穩(wěn)定性、平順性及行車安全性。鐵路總公司《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板》(Q/CR 567-2017)對CRTSⅢ型軌道板外形尺寸偏差提出了嚴(yán)格規(guī)定:軌道板鋪裝前必須逐個(gè)對CRTSⅢ型軌道板進(jìn)行檢測[1]。因此，如何有效地提高軌道板的檢測效率及檢測精度成為一個(gè)亟待解決的問題。

軌道板檢測是指測量軌道板的外形尺寸參數(shù)是否在設(shè)計(jì)要求限差內(nèi)，外形尺寸主要包括長、寬、厚以及大小鉗口距和平面度等[2]。目前，軌道板的檢測方法主要有“全站儀+檢測工裝”和游標(biāo)卡尺檢測法兩種方式。但兩種檢測方法均存在檢測效率低、工序繁瑣、工裝多等缺點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，游標(biāo)卡尺法檢測單塊軌道板的時(shí)間約為60 min，而全站儀法相較于游標(biāo)卡尺法的檢測效率有所提高，但單塊軌道板的檢測仍需耗時(shí)約40 min，其檢測效率并不能滿足大量軌道板的快速檢測需求。

隨著機(jī)器視覺與計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，越來越多的專家和學(xué)者致力于更高效、可靠、自動化的軌道板檢測技術(shù)方法研究，逐步將三維掃描、近景攝影測量等技術(shù)應(yīng)用于軌道板檢測領(lǐng)域。盧書[3]通過對比分析間接計(jì)算法、基于極坐標(biāo)測量系統(tǒng)的檢測以及基于攝影測量系統(tǒng)的檢測這三種軌道板參數(shù)檢測方法，論證了基于攝影測量系統(tǒng)的檢測方法在檢測精度和效率方面的優(yōu)勢性；范生宏[4]設(shè)計(jì)了基于工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測量的高速鐵路軌道板快速檢測系統(tǒng)，提出了基于LM算法的系數(shù)矩陣光束法平差，提高了計(jì)算效率，并且利用基于加速ICP改進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)匹配與檢測參數(shù)的計(jì)算；許磊[5]提出了基于激光跟蹤與手持激光掃描相組合的軌道板檢測方法，實(shí)現(xiàn)了軌道板表面點(diǎn)云的快速高精度獲取，采用采樣一致性算法實(shí)現(xiàn)了軌道模型參數(shù)的自動提取，通過與設(shè)計(jì)模型比較進(jìn)而得到軌道板外形尺寸檢測成果；薛峰[6]提出了綜合線陣圖像與激光圖像的軌道板快速檢測系統(tǒng)方案，其首先利用高精度測量基準(zhǔn)平臺和快速移動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軌道板平面圖像和三維模型尺寸的提取，經(jīng)算法修正得出軌道板關(guān)鍵幾何尺寸；楊銘等[7]論述了三維激光掃描技術(shù)在CRTSⅢ型軌道板檢測中的應(yīng)用，并將獲取的軌道板表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲至計(jì)算機(jī)并進(jìn)行三維重建，利用重構(gòu)的模型庫快速獲取目標(biāo)幾何數(shù)據(jù)，通過與BIM模型對比分析得出施工偏差。

通過對軌道板檢測需求進(jìn)行分析，基于3D測量軟件平臺PolyWorks，利用軌道板高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)對軌道板檢測指標(biāo)進(jìn)行快速提取并計(jì)算。實(shí)驗(yàn)表明，該方法在保證軌道板檢測指標(biāo)精度的同時(shí)，大幅提高了軌道板檢測效率，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求。

2 檢測指標(biāo)提取方法

2.1 方法簡介

Computer Aided Verification(簡稱CAV)，即計(jì)算機(jī)輔助驗(yàn)證，主要是將實(shí)體成品以逆向掃描的方式轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以讀取的數(shù)據(jù)格式(即Scan Data)，再根據(jù)檢測需求將Scan Data與標(biāo)準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)模型(CAD Data)進(jìn)行精確重疊與對齊，進(jìn)而獲得實(shí)體成品各部分的尺寸誤差[8]。該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造、摩托車快速檢測、航天國防及3C產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造等行業(yè)。PolyWorks提供功能齊全、高精度、性能強(qiáng)大的3D點(diǎn)云處理解決方案，其核心工作流程是從測量零件抽取測量元素并計(jì)算其與名義元素之間的偏差，而名義元素可從CAD實(shí)體模型或參考測量零件上抽取。此外，PolyWorks還可用特征定義一個(gè)零件或工件的幾何要素。

嘗試將CAV檢測系統(tǒng)的核心流程與思想用于高速鐵路軌道板的生產(chǎn)檢測領(lǐng)域，提出了基于Poly-Works的CRTSⅢ型軌道板點(diǎn)云檢測指標(biāo)快速提取方法，其基本思想為:首先利用軌道板的設(shè)計(jì)文件制作標(biāo)準(zhǔn)軌道板三維模型，利用PolyWorks軟件建立該模型的名義特征(包括特征點(diǎn)、特征線、特征平面圓、特征面以及特征角度和特征距離)，然后將掃描獲取的軌道板點(diǎn)云數(shù)據(jù)與軌道板標(biāo)準(zhǔn)三維模型進(jìn)行對齊，抽取計(jì)算已建立所有特征的實(shí)際測量值，并與標(biāo)準(zhǔn)三維模型的名義值進(jìn)行對比，計(jì)算兩者的偏差值，最終實(shí)現(xiàn)軌道板的外形尺寸快速檢測。

2.2 名義特征建立

利用PolyWorks可建立軌道板標(biāo)準(zhǔn)三維模型的直接特征、直接邊界比較點(diǎn)、輔助特征和軌道板外形尺寸檢測項(xiàng)的直接距離特征和直接角度特征。其中，直接特征指可直接使用“在CAD模型上點(diǎn)選”方式創(chuàng)建的特征，主要包括承軌臺面特征、承軌臺鉗口面特征、軌道板上表面特征(即軌道板底面特征)、軌道板側(cè)面特征和預(yù)埋套管表面的預(yù)埋套管圓特征等。部分直接特征如圖1所示。直接邊界比較點(diǎn)是軌道板各側(cè)面的邊界比較點(diǎn)，用于得到軌道板側(cè)面的邊界點(diǎn)。

圖1 部分直接特征示意

輔助特征未使用“在CAD模型上點(diǎn)選”方式，而是利用直接特征、邊界點(diǎn)和幾何關(guān)系所建立，主要包括承軌臺面特征沿法線方向偏置28 mm的平面特征、預(yù)埋套管圓心點(diǎn)特征、預(yù)埋套管圓心投影到輔助平面點(diǎn)特征、預(yù)埋套管圓心投影到承軌臺面點(diǎn)特征、各側(cè)面邊界點(diǎn)特征、平面特征與鉗口面特征的相交直線特征和各側(cè)面邊界點(diǎn)擬合的直線特征。部分輔助特征如圖2所示。

圖2 部分輔助特征示意

直接距離特征和直接角度特征指利用已建立好的直接特征和輔助特征所建立的特征，主要包括長度特征、寬度特征、厚度特征、凸起高度特征、歪斜特征、板端套管距板端距離特征、承軌臺間外鉗口間距離特征、單個(gè)承軌臺鉗口距離特征、承軌臺外鉗口距外側(cè)套管中心距離特征、承軌面坡度角特征和承軌臺與鉗口面夾角特征等。部分項(xiàng)目特征如圖3所示。

圖3 部分角度特征示意

2.3 直接平面特征裁剪

軌道板生產(chǎn)工藝先進(jìn)，各平面光滑平整，而軌道板點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)間距小，數(shù)據(jù)量大，單塊軌道板的點(diǎn)云數(shù)據(jù)高達(dá)1.5 GB。PolyWorks直接“抽取”(即擬合計(jì)算)平面特征時(shí)，需耗時(shí)30 min，不能滿足快速檢測的要求。因此，為提高點(diǎn)云計(jì)算效率，可采用“局部區(qū)域代表全部平面”的思想，利用Poly-Works軟件中的平面特征“修剪”功能，在不影響擬合精度的前提下對所有直接平面特征進(jìn)行裁剪，部分直接平面特征裁剪結(jié)果如圖4所示。

圖4 部分直接平面特征裁剪結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證裁剪效果的精度、可靠性和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理效率，對裁剪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，計(jì)算檢測特征項(xiàng)目的測量值，該計(jì)算過程耗時(shí)小于60″。將該檢測成果與未進(jìn)行平面特征修剪的檢測成果進(jìn)行對比，二者檢測成果完全一致。

2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)與三維模型的對齊

軌道板點(diǎn)云數(shù)據(jù)與三維模型的對齊是指把點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至軌道板三維模型坐標(biāo)系。由于軌道板每次放置位置基本一致，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至軌道板三維模型坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換關(guān)系基本一致。PolyWorks可利用二者的初始轉(zhuǎn)化關(guān)系，轉(zhuǎn)換點(diǎn)云數(shù)據(jù)至軌道板標(biāo)準(zhǔn)三維模型坐標(biāo)系下，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)與軌道板標(biāo)準(zhǔn)三維模型的初對齊。最后，利用PolyWorks“最佳擬合數(shù)據(jù)至參考對象”功能[9]，可完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)與軌道板標(biāo)準(zhǔn)三維模型的精確對齊，從而保證軌道板三維設(shè)計(jì)模型中特征的計(jì)算精度。

2.5 檢測成果的計(jì)算與輸出

軌道板點(diǎn)云數(shù)據(jù)與軌道板三維模型的精確對齊完成后，可利用PolyWorks的“抽取測量值”功能，計(jì)算出所有特征的測量值。最后，可利用軌道板外形尺寸特殊檢測項(xiàng)目的幾何關(guān)系和求解算法，計(jì)算特殊的外形尺寸項(xiàng)目，并輸出符合《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板》(Q/CR 567-2017)要求的檢測報(bào)表。其中，特殊檢測項(xiàng)目主要包括:縱向相鄰套管中心距離、同一承軌臺兩相鄰套管中心距離、中心位置距軌道板中心線距離、預(yù)埋套管處承軌臺橫向位置偏差、預(yù)埋套管處承軌臺垂向位置偏差、軌道板四角的承軌面水平和單側(cè)承軌面中央翹曲量等。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 數(shù)據(jù)獲取

為驗(yàn)證該方法的可行性與精度，在某軌道板廠對提出的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。隨機(jī)選擇一塊軌道板，利用拍照式三維掃描儀(FARO)獲取軌道板表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該掃描儀是一種計(jì)量級的非接觸式拍照式三維掃描儀，可在數(shù)秒內(nèi)捕獲數(shù)百萬個(gè)高分辨率三維坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)，其主要參數(shù)如下:掃描視場為500 mm，掃描范圍可覆蓋一個(gè)完整的承軌臺；掃描精度達(dá)0.05 mm；點(diǎn)間距0.255 mm。

3.2 檢測結(jié)果

將掃描獲取的軌道板點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入PloyWorks軟件中，并將軌道板點(diǎn)云數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)三維模型進(jìn)行對齊操作，利用軟件的“抽取測量值”功能，計(jì)算所有特征的測量值，并輸出軌道板外形尺寸偏差檢測項(xiàng)目的相關(guān)檢測成果表，具體見表1和表2。單塊軌道板核心檢測指標(biāo)提取計(jì)算時(shí)間小于1 min。

表1 預(yù)埋套管相關(guān)檢測指標(biāo)

表2 承軌臺相關(guān)檢測指標(biāo)

續(xù)表2

4 可靠性與重復(fù)檢測精度

為驗(yàn)證分析提出方法的可靠性，將該方法與常規(guī)“全站儀+工裝”的檢測方法對同一塊軌道板進(jìn)行對比分析，對該方法的可靠性進(jìn)行說明。此外，由于不同的檢測環(huán)境會對檢測結(jié)果產(chǎn)生一定影響，因此需要對同一塊軌道板在不同檢測環(huán)境下進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，計(jì)算軌道板特征測量值，評定其重復(fù)檢測精度。

4.1 可靠性分析

分別采用該方法與傳統(tǒng)“全站儀+工裝”的檢測方法對同一塊軌道板進(jìn)行檢測，并提取相關(guān)核心檢測指標(biāo)進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖5。

圖5 核心檢測指標(biāo)結(jié)果對比

從圖5可以看出，除了“同一承軌臺兩套管中心距離”外，兩種檢測方法得到的核心檢測指標(biāo)結(jié)果較為符合，各承軌臺相對關(guān)系偏差變化趨勢基本一致，二者精度和可靠性基本一致。其中，對于軌道板制造精度要求最高的“同一承軌臺兩相鄰套管中心距”和“單個(gè)承軌臺鉗口距離”，其與標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差也小于0.5 mm。故而利用軌道板高精度點(diǎn)云進(jìn)行擬合獲得的軌道板特征測量值真實(shí)可靠，該檢測方法可用于軌道板外形尺寸檢測中。

4.2 重復(fù)檢測精度分析

為了驗(yàn)證提出的檢測方法的穩(wěn)定性，通過采用內(nèi)符合精度來進(jìn)行評定。內(nèi)符合精度采用多次觀測值與平均值比較的方法進(jìn)行，能夠反映觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，其計(jì)算公式見式(1)。

式中，xi為第i次測量結(jié)果；為測量結(jié)果平均值。

為了綜合考慮各項(xiàng)環(huán)境因素，在不同檢測環(huán)境(生產(chǎn)作業(yè)造成的地面震動情況)、不同檢測時(shí)間段(早、中、晚)、不同的軌道板放置位置(軌道板每次放置在檢測臺上的位置會有一定的差別)的情況下，對同一塊軌道板進(jìn)行25次重復(fù)檢測試驗(yàn)，取1至9號承軌臺的相關(guān)檢測數(shù)據(jù)計(jì)算重復(fù)檢測精度(即內(nèi)符合精度)，計(jì)算結(jié)果見表3。

從表3可以看出，板端套管距板端距離重復(fù)檢測精度較低，其尺寸檢測允許偏差為±2 mm，可以滿足測量精度要求。其余檢測指標(biāo)的重復(fù)檢測精度均較高，低于最小偏差要求±0.5 mm一個(gè)量級，完全滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表3 各檢測指標(biāo)重復(fù)檢測精度

綜上所述，基于PolyWorks的軌道板點(diǎn)云檢測指標(biāo)提取方法，其可靠性和重復(fù)檢測精度較高，工作狀態(tài)穩(wěn)定，完全適用于復(fù)雜環(huán)境下的軌道板檢測工作。

5 結(jié)論

大型精密工程的設(shè)計(jì)、建造、質(zhì)量控制是現(xiàn)代精密工程測量發(fā)展的重要驅(qū)動力。高鐵軌道板質(zhì)量控制要求在保證檢測精度的同時(shí)，大幅提高檢測效率以滿足實(shí)際工程快速檢測的需要，這為精密工程測量提出了新課題。借鑒計(jì)算機(jī)輔助驗(yàn)證、BIM三維模型檢測的思想和方法，提出了一種基于Poly-Works的軌道板點(diǎn)云檢測指標(biāo)快速提取方法，通過在軌道板三維標(biāo)準(zhǔn)模型上建立名義特征，與掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊后，計(jì)算出兩者的偏差，并進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)論證，該成果已成功應(yīng)用，并獲得了國家專利[10]。分析該方法的可靠性與精度，結(jié)果表明，該方法具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)檢測速度快。采用局部區(qū)域代表全部平面的思想，提高了計(jì)算速度。單塊軌道板檢測指標(biāo)提取時(shí)間小于1 min，大幅提高了檢測效率。

(2)精度高。利用已建立的特征擬合計(jì)算軌道板表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征點(diǎn)、特征線、特征面，從而獲得各檢測指標(biāo)的真實(shí)測量值，檢測結(jié)果完全滿足CRTSⅢ型軌道板檢測的精度要求。

(3)穩(wěn)定性高。該方法重復(fù)定位精度高，工作狀態(tài)穩(wěn)定，完全適用于復(fù)雜環(huán)境下的檢測工作。

(4)檢測項(xiàng)目齊全。利用高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，便可一次性獲得CRTSⅢ型軌道板外形尺寸檢測項(xiàng)目的所有實(shí)測值。