歐洲鐵路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化管理
—— 基于無人機(jī)載激光雷達(dá)測量 +BIM 技術(shù)

意大利鐵路線路網(wǎng)絡(luò)公司（RFI）米蘭分公司與德國Vossloh公司合作，對連接意大利米蘭及其外圍地區(qū)的鐵路線路區(qū)段Triplo Bivio Seveso進(jìn)行現(xiàn)代化改造，以提高其基礎(chǔ)設(shè)施的性能、安全性和可靠性，其中包括為其開發(fā)新一代的道岔。該線路區(qū)段長約3 km，是意大利北部鐵路網(wǎng)絡(luò)的重要樞紐，承擔(dān)著鐵路區(qū)域客運(yùn)、高速鐵路客運(yùn)和鐵路貨運(yùn)多重任務(wù)，6條鐵路線在這里匯合。為在盡可能減少改造措施對鐵路運(yùn)輸影響的前提下，獲取精確的實(shí)際線路參數(shù)并實(shí)現(xiàn)對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化管理，Vossloh公司創(chuàng)新性地采用了無人機(jī)載激光雷達(dá)測量（以下簡稱“無人機(jī)測量”）+BIM技術(shù)解決方案，即利用無人機(jī)上安裝的激光雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行掃描和測量，并將測量結(jié)果用建筑信息模型（BIM）表達(dá)出來（圖1）。

圖1 對于Triplo Bivio Seveso線路區(qū)段的測量

1 無人機(jī)測量

為精細(xì)測量現(xiàn)有線路基礎(chǔ)設(shè)施參數(shù)，以支持其新一代道岔的開發(fā)，Vossloh公司用無人機(jī)測量代替了傳統(tǒng)測量方式。這既可省去人工線路測量，降低測量成本，以及確保測量時人員的安全性，又不會對線路運(yùn)營產(chǎn)生影響，可保證線路的可用性。為實(shí)現(xiàn)全面、高精度的線路數(shù)字化測量，該公司在無人機(jī)上安裝了以下系統(tǒng)（圖2）：①YellowScan LiDAR，即法國YellowScan公司生產(chǎn)的最新機(jī)載激光雷達(dá)；②數(shù)字正射影像（DOP）系統(tǒng)。為進(jìn)一步提高定位精度，上述2種系統(tǒng)都采用實(shí)時運(yùn)動學(xué)（RTK）慣性導(dǎo)航裝置（以下簡稱“RTK裝置”）。RTK裝置使用美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）或者中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等著名的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并以特殊的固定接收器作為參考點(diǎn)，將定位精度提高到約2.5 cm。這些技術(shù)的綜合利用可實(shí)現(xiàn)對3D數(shù)據(jù)的快速、輕松采集，而且獲取的數(shù)據(jù)具有非常高的精度和分辨率。

圖2 采用最新技術(shù)的無人機(jī)

（1）YellowScan LiDAR。其工作原理是利用脈沖激光束對環(huán)境進(jìn)行掃描，并測量信號從物體反射回檢測器所需的時間。這種飛行時間（TOF）光學(xué)測距方法適用于1 m至數(shù)千米的距離范圍。為增加LiDAR的測量范圍，該系統(tǒng)使用不可見的近紅外（NIR）短波激光脈沖。其電磁光譜范圍為780 nm～3 μm，包含了波長更長的可見光，涵蓋IR-A和IR-B兩個光譜范圍。如果無人機(jī)以1 m/s的速度飛行，則該系統(tǒng)的分辨率將達(dá)到80 000 線/m2。通過數(shù)百萬次地重復(fù)此掃描過程，YellowScan LiDAR將各個距離點(diǎn)匯集到一個點(diǎn)云中，并從中計(jì)算出環(huán)境的3D圖像（圖3）。通過掃描結(jié)果的重疊，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)約1 cm的精度。Vossloh公司還使用專業(yè)軟件對其采集的點(diǎn)云進(jìn)行實(shí)時的信息提取、處理和顯示，并創(chuàng)建LAS數(shù)據(jù)集。

圖3 YellowScan LiDAR采集的原始3D數(shù)據(jù)

（2）DOP系統(tǒng)。DOP實(shí)質(zhì)上是航拍照片，其拍攝的物象無變形且可按比例縮放（圖4）。DOP系統(tǒng)可從500～600張航拍照片中生成1個DOP，生成的DOP可直接與地圖或其他數(shù)據(jù)組合使用。在系統(tǒng)處理航拍照片的過程中，預(yù)先測量的、具有已知地理位置的控制點(diǎn)（即地面控制點(diǎn)）可為其提供正確的地理配準(zhǔn)，從而使系統(tǒng)能夠以幾毫米的精度對齊照片。此外，與載人飛機(jī)的機(jī)載攝像系統(tǒng)相比，無人機(jī)攝像系統(tǒng)的優(yōu)勢是其地面分辨率更高，原因在于無人機(jī)可在25 m的低空飛行，此時其分辨率可達(dá)到毫米級，這意味著圖像中的每個像素將對應(yīng)幾平方毫米的區(qū)域。

圖4 具有良好縮放質(zhì)量的DOP

2 BIM 技術(shù)

從無人機(jī)測量數(shù)據(jù)中可以獲取線路的實(shí)時信息，這些信息將用于后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品和方案的開發(fā)。這一點(diǎn)是通過BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。通過將無人機(jī)測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM軟件，可以在創(chuàng)建的BIM模型中顯示新建線路與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施及環(huán)境之間的交互作用，以此確定最佳線路布設(shè)方案，并評估新建線路對現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施和附近環(huán)境的影響。在此基礎(chǔ)上，可根據(jù)項(xiàng)目要求對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整。

以道岔設(shè)計(jì)為例，在確定新道岔的初步設(shè)計(jì)時，首先利用DOP實(shí)現(xiàn)新道岔與現(xiàn)有線路線形的初始對準(zhǔn)（圖5）；然后利用測量數(shù)據(jù)生成3D模型，并將其導(dǎo)入BIM設(shè)計(jì)軟件中，實(shí)現(xiàn)對道岔、交叉口等新基礎(chǔ)設(shè)施詳細(xì)信息的可視化展示（圖6），這些信息是沿現(xiàn)有線路疊加顯示的；再對新道岔設(shè)計(jì)與現(xiàn)有線路線形進(jìn)行100%匹配，并提交鐵路運(yùn)營商的技術(shù)部門進(jìn)行驗(yàn)證，以消除可能的線形干擾；最后利用BIM技術(shù)評估道岔最終設(shè)計(jì)的測試-投入使用報(bào)告。

圖5 利用DOP實(shí)現(xiàn)新道岔與現(xiàn)有線路線形的對準(zhǔn)

圖6 新基礎(chǔ)設(shè)施在BIM軟件中的效果圖

此外，BIM技術(shù)對于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化管理還可發(fā)揮以下三大功能。

（1）可支持對最佳解決方案的評估，并有助于合理規(guī)劃實(shí)施該解決方案所需的工作步驟，以保證在安裝階段最大程度地降低對線路正常運(yùn)營的影響。例如，可在BIM軟件中通過顏色編碼模擬各基礎(chǔ)設(shè)施組件的安裝順序（圖7）。

圖7 BIM軟件中模擬各基礎(chǔ)設(shè)施組件的安裝順序

（2）全程輔助鐵路運(yùn)營商進(jìn)行決策，即何時以何種方式更換現(xiàn)有道岔和鋼軌。

（3）為評估線路設(shè)計(jì)調(diào)整方案及確定接觸網(wǎng)高度和位置等提供技術(shù)支持（圖8）。

圖8 BIM軟件中輔助計(jì)算接觸網(wǎng)位置的動態(tài)仿真

在2020年5月底——首次對Triplo Bivio Seveso區(qū)段進(jìn)行無人機(jī)測量后1年，Vossloh公司完成了米蘭北部鐵路網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵區(qū)域里全部5個接軌道岔中2個的更換（圖9），其余的3個于2020年11月中旬更換完成。在每個施工階段，均保證有2條線路雙向通行。在整個區(qū)段施工期間，只有在更換由鑄錳鋼制成的中央交分道岔時進(jìn)行了2個晚上的線路封閉。所有道岔組件都在10 km外的倉庫中進(jìn)行了預(yù)組裝，然后與混凝土軌枕一起運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的施工現(xiàn)場。在每個施工階段結(jié)束時，Vossloh公司都會利用無人機(jī)對新基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行測量，并將相關(guān)數(shù)據(jù)全部移交給鐵路運(yùn)營商，使鐵路運(yùn)營商能夠在未來根據(jù)這些基礎(chǔ)設(shè)施的使用壽命和實(shí)時狀況對其進(jìn)行更換。實(shí)踐證明，新解決方案在提高鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)質(zhì)量和裝配精度的同時，還可降低其后期維護(hù)成本，增強(qiáng)其性能、安全性和可靠性。

圖9 道岔的安裝工作