跨座式单轨交通轨道梁检测分析软件开发研究

王 磊 郑伦英 张银虎

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式单轨交通是一种中等运量的轨道系统,其特点是适应性强、噪声低、转弯半径小、爬坡能力强。另外,相较于地铁,跨座式单轨交通还具有投资少、周期短,智能环保、适用性强等优势。国内许多城市将要开展跨座式单轨交通建设,其轨道梁结构形式也逐步趋于多样化。

关于跨座式轨道梁检测与相关数据处理方法,已有学者开展相关研究,李小果介绍预制成品轨道梁的检查与验收测量方法[1-2];张杰认为,跨座式单轨PC轨道梁线形的精细化调整可以有效解决车辆运行时产生颠簸问题,使车辆平稳安全地在轨道上行驶[3];张银虎提出基于“轨道梁基础控制网”的轨道梁定位测量和线形检测新方法,提高了轨道梁的架设安装及线形控制精度[4]。但在成品轨道梁检测分析与架设后的轨道梁检测分析方面,仍然存在以下不足:①缺乏相应软件计算各项指标,人工计算效率低且容易出错;②以往研究主要针对简支PC 轨道梁,缺少对连续刚构PC 轨道梁的技术要求;③轨道梁相关检测指标缺失不全面,且部分指标定义不明确。

依托芜湖轨道交通项目连续刚构PC 轨道梁进行相关研究工作,分别结合成品轨道梁与轨道梁既有设计参数,推导基于三维激光扫描点云进行轨道梁检测的相关算法,选取微软公司的Visual Studio 2019 C#编程技术进行软件的开发,对成品轨道梁与架设后轨道梁线形进行多维、全面的分析评价,进一步完善和优化成品轨道梁检测及架设后的轨道梁线形检测内容和精度,最终提高成桥后轨道梁的线形平顺性。

2 软件研发思路

跨座式单轨交通轨道梁检测分析软件(Straddle Type Monorail track Beam Detection and Analysis Software,简称STMB_DAS)是在消化吸收国家规范对成品轨道梁检测与轨道梁线形检测的各项检测内容、指标限差及技术要求的基础上[5-6],针对常规测量方法作业效率低[7]、实施难度大、检测数据不全面等问题,对跨座式单轨轨道梁制作、架设调整以及轨道梁线形控制施工方法进行技术调研[8],基于智能型全站仪、高精度三维激光扫描仪进行成品轨道梁检测、轨道梁架设调整以及轨道梁线形检测的新技术方案,为了满足连续刚构PC 轨道梁体系的工程应用需求进行研发的一款产品。

跨座式单轨交通轨道梁检测分析软件(STMB_DAS)总体研发思路如下。

(1)对成品轨道梁检测时,根据《轨道梁制作工法指导书》生成成品轨道梁设计文件,设计文件包含梁长、梁宽、导向面、稳定面、走行面整体线形偏差设计值;导入成品轨道梁点云数据,进行分析处理后,得到各个检测断面检测点的三维坐标,再根据三维坐标判断首尾与左右偏等空间姿态,计算检测点相对于不同弦线的矢距值,进而分析成品轨道梁工作面线形、纵向平整度;通过检测断面检测点的三维坐标可计算出梁长(弦长)、梁宽、梁高、跨度、走行面垂直度、端面倾斜度、两端面中心线夹角、指形板座与梁表面高差等相关检测内容。

(2)对架设后轨道梁进行分析时,根据线路设计平曲线、竖曲线及轨道梁结构设计参数,计算出每个检测断面7 个检测点对应的线路中线设计三维坐标和设计里程,再根据三维坐标计算检测点相对于设计线路的平面偏差和高程偏差[9];根据里程和平面偏差或高程偏差,推导数学模型,计算各个检测点到基于偏差值建立不同长度弦线的矢距值,进而分析工作面线形、纵向平整度、平面线形矢高(轨道梁衔接处)、竖向线形矢高(轨道梁衔接处)、轨道梁侧面距离中心的偏差、梁端轨面横坡、走行面垂直度等相关检测内容;根据左右线三维坐标计算相对于设计平曲线的中线偏差值,再计算得到左右线的线间距。

3 软件系统主要功能

该软件系统是基于成品轨道梁与架设后轨道梁外业测量数据开发的分析软件,系统主要功能如下。

(1)轨道梁点云数据处理功能

导入轨道梁点云数据,进行参数设置,分别进行点云精处理、设计断面计算、单一断面计算、批量断面计算。

(2)成品轨道梁检测数据分析计算功能

成品轨道梁检测参数设置、读取成品轨道梁设计文件、导入成品轨道梁检测数据分析计算。

(3)轨道梁线形检测数据分析计算功能

读取平曲线设计文件、读取竖曲线设计文件、读取轨道梁设计参数、轨道梁线形检测参数设置、轨道梁线形检测数据分析计算、轨道梁左右线间距计算等。

结合上述各功能模块的设计目标,该软件基本流程如图1 所示。

图1 软件基本流程

4 软件主要数学模型及计算方法

通过三维激光扫描仪得到成品轨道梁的三维点云数据,首先提取并计算出轨道梁检测断面及检测点三维坐标,主要包括轨道梁三维点云预处理、点云精处理、检测断面中心点坐标计算、断面提取与检测点坐标计算[10]、检测点成果输出等技术环节;其次结合《工法指导书》中轨道梁各个断面设计参数,对轨道梁走行面、导向面、稳定面线形进行检测分析。

成品轨道梁检测断面依据《轨道梁制作工法指导书》中千斤顶位置确定,在每个千斤顶位置布设一个检测断面。每个轨道梁检测断面布设7 个检测点(轨道梁顶面布设3 个点及内外侧面分别布设2 个点,如图2 所示)。检测点编号规则为:梁号+断面编号+检测点号(如IY21704J501,表示“IY217-04 梁J5 断面01 号检测点”)。

图2 成品轨道梁检测点布设

在得到成品轨道梁每个检测断面7 个检测点的三维坐标(x,y,h)后,利用数学模型计算成品轨道梁检测相应指标。

4.1 梁长数学模型

成品轨道梁梁长指梁体两侧的上下部4 个长度值,曲线梁外侧弧长内侧弦长梁长检测限差为±10 mm,如图3 所示。

图3 梁长检测示意

其中R为曲线半径。

4.2 成品轨道梁工作面整体线形数学模型

成品轨道梁工作面整体线形指连接成品轨道梁首尾两端的检测点建立一条弦线S1S2,计算出各个断面检测点J9到弦线的矢距(走行面为垂向矢距,导向面为横向矢距),即为整体线形偏差实测值ΔhJ9实测,推导走行面基于高程偏差值计算矢距的公式为

再与《轨道梁制作工法指导书》中的工作面整体线形偏差设计值ΔhJ9设计作差,即为工作面上检测点的整体线形检测值ΔhJ9(见图4),检测限差为±S1S2/2 000 mm,计算公式为

图4 工作面整体线形计算示意

4.3 成品轨道梁工作面局部线形数学模型

成品轨道梁工作面局部线形指在计算得到整体线形检测值后,在检测点两侧建立长度为4 m 的弦线S0S4,之后计算各个断面检测点到基于整体线形检测值弦线的矢距即为工作面上检测点的局部线形ΔΔhJ9,检测限差为±3 mm。检测点的局部线形ΔΔhJ9计算公式为

对架设后轨道梁检测分析时,根据3 类既有设计文件[11],计算出断面检测点的设计三维坐标、设计里程[12]、平面偏差、高程偏差[13],推导得到相应数学模型,计算各个检测点到基于偏差值建立的不同长度弦线的矢距值[14],分析得到相关检测内容[15]。

4.4 线路高程偏差数学模型

根据轨道梁设计竖曲线,计算三维点云数据检测点实测高程h实测与对应竖曲线上的设计高程h设计差值记为ΔH′,有

因连续刚构PC 轨道梁,架设后需进行梁上二次张拉,故对架设后轨道梁,需考虑“轨道梁变形上拱值(γ),则连续刚构PC 轨道梁线路高程偏差ΔH为检测点高程差值减去轨道梁变形上拱值,具体有走行面线路中线点、左右侧检测点的高程偏差值,检测限差为-15～+30 mm。线路高程偏差ΔH计算公式为

其中:γ=;L为连续刚构PC 轨道梁梁长;Δ为轨道梁梁中变形上供设计值;l为检测点到连续刚构PC 轨道梁梁端的距离。

4.5 走行面整体线形数学模型

走行面整体线形根据走行面左右侧检测点的高程偏差,在单片轨道梁的两端建立一条基于高程偏差的弦线OL,计算出各个断面检测点J1到弦线的垂向矢距即为整体线形值,检测限差为±OL/2 000 mm,如图5 所示。

图5 走行面整体线形计算示意

4.6 走行面局部线形计算方法

根据走行面左右侧检测点的高程偏差,在检测点的两端建立一条基于高程偏差的4 m 弦线(弦线不跨梁),计算出各个断面检测点J1到弦线的垂向矢距即为局部线形值其计算公式同整体线形值,检测限差为±3 mm。

5 软件技术特点及创新点

5.1 软件技术特点

跨座式单轨交通轨道梁检测分析软件主要技术特点如下。

(1)界面友好,操作简单

软件各个功能模块相对独立,窗体界面友好,计算流程自上而下,操作简单,帮助文件详细易懂,无需培训即可使用该软件;软件计算容错性能强,可提示并指正操作中出现的错误。

(2)功能全面

可进行外业观测数据质量检核、轨道梁点云数据处理,软件对成品轨道梁与架设后轨道梁整体线形进行多维、全面的评价,可加强对架设后轨道梁梁中部的线形检测和分析精度。

(3)输入数据格式自由

输入的文本数据可自由设置分隔符,可自动识别包括空格、逗号、Tab 键等组合而成的分隔字段,若文本数据格式有问题,软件将提示错误位置。

(4)输出成果完整

轨道梁检测分析计算输出的成果、报表、各项精度指标内容完整、直观,便于进行成果分析和报告编制。

(5)基于.net 平台开发,可跨平台安装

软件基于Visual Studio 2019 平台使用C#语言开发而成,可在Windows 7/10 操作系统下运行,程序可移植性与跨平台性强。

5.2 软件创新点

跨座式单轨交通轨道梁检测分析软件研发包含如下创新点。

根据《轨道梁制作工法指导书》生成成品轨道梁设计文件;根据三维坐标判断首尾与左右偏空间姿态;根据检测点相对于不同弦线计算矢距值,推导出相关数学模型,再结合既有国家规范提出适合分析连续刚构PC 轨道梁工作面线形、纵向平整度等检测内容的算法,并对计算结果进行核对。

6 应用案例

选择芜湖轨道交通1 号线白马山梁厂制作完成的成品轨道梁Y217-31,分别利用EXCEL 和跨座式单轨交通轨道梁检测分析软件(STMB_DAS)对三维激光扫描方法获取数据进行计算。两种计算方式得到的成品轨道梁走行面、导向面、稳定面整体线形检测成果对比分析如表1～表3 所示。

表1 走行面整体线形检测成果对比 mm

表2 导向面整体线形检测成果对比 mm

表3 稳定面整体线形检测成果对比 mm

由表1～表3 可知,跨座式单轨交通轨道梁检测分析软件计算结果与EXCEL 方法获取的计算结果一致,证明软件使用的数学模型和计算方法无误。

7 结语

基于轨道梁检测分析的三维点云数据,研发一种跨座式单轨交通轨道梁检测分析软件,利用推导的数学模型及计算方法,有效地完善和优化连续刚构PC轨道梁检测分析内容和精度指标,并通过实际项目验证了算法的正确性。通过对连续刚构PC 轨道梁制作、架设以及验收检测过程中的每个阶段、每个环节加强控制工作,确保轨道梁的制作和架设安装精确度,最终提高成桥后轨道梁的线形平顺性。跨座式单轨交通轨道梁检测分析软件为连续刚构PC 轨道梁检测分析提供有效的工具支撑。