第1章绪论 本章旨在阐述既有线形识别重构的意义、研究现状和科学问题,并勾画出全书的主要内容及结构。 1.1概述 线形识别重构研究由采样数据估计既有线路参数,重构几何线位,获取既有线路几何特征。线形识别重构作为道路与铁道工程领域的逆向反问题,在道路管理、分析、铁路维护等方面具有重要意义。 道路线形几何特征(如长度、曲率等)常应用于道路管理[1.2]及分析[3-5]。事故调查表明曲线地段相对于直线地段具有更高的事故率,道路管理部门需要根据曲线半径确定限制速度。很多既有道路的设计数据是缺失的,因此需要通过各种方式获得采样数据重构几何线位以估计既有线路的几何特征。围绕影像、GIS、GPS、全站仪及LiDAR等方式获取采样坐标重构线形,国内外学者均开展了大量研究。 在铁路运营中,轨道在静力、动力以及自然环境的联合作用下,几何形位不断产生变化,造成了铁路轨道的几何不平顺,降低了运营与舒适度。随着列车运行速度的提高,线路几何不平顺对行车和舒适度的影响越来越显著。为了实现线路在运营期的平顺,需要定期对轨道的几何形位进行检测并整正[6]。评估及维护线路平顺的前提是获得其空间位置状态。我国高速铁路线路空间位置是基于CPIⅢ轨道控制网获得其坐标,在线路整正时基于坐标恢复到原始设计位置,以保证列车运行时的平顺;奥地利、瑞士等国家的普速铁路的维护也是通过固定桩系统获取线路坐标,恢复线路到原始设计位置;我国既有铁路的维护一般采用相对参考系统:通过高低和轨向两个测量值与设计值之差来描述轨道相对位置状态,通过拨道维修以保证局部平顺。这种相对作业的线路养护模式,必然会使线路偏离原始的设计位置,造成长波不平顺[]因此,中国铁公司计划在有砟铁路客运专线和提速干线铁路上建立完整、统一的控制桩基础系统,实现相对+的线路整体维护[8]。既有铁路经过相对作业线路养护模式后,其几何线位已经发生改变。在相对+维护模式下,根据采样坐标对长大干线进行线形重构,满足约束条件下工程量优的目标是实现铁路平顺维护的关键问题和迫切需求。 1.2相关研究与基本问题 线形重构本质上是基于带有误差的采样点对线形参数进行估计的过程,线形重构的效率和结果很大程度上取决于选取的模型和算法。给定设计参数正向计算线路坐标具有,而由采样坐标估计线路参数属于逆向过程,解不具有。同时,由于采样点存在误差,并且线路线形不是单一曲线:平面线形是由直线、缓和曲线和圆曲线构成的组合线形;纵面线形是由直线和二次抛物线构成的组合线形。这也对线形的识别重构提出了挑战。线路识别重括三个阶段:①沿既有线路中线采样坐标;②采样点分段聚类;③估计线路参数。,国内外学者研究了多种方式获取采样点识别线形。Easa等应用卫星影像获取数据识别公路几何线形[9];Tsai等使用航空影像获取数据计算公路线形曲率[5];Li等[10]和Nguyen等[11]从GIS地图中提取曲线信息;Castro等使用GPS数据识别公路线形[12];Holgado-Barco等[13]和Cai等[14]研究了从点云数据中提取公路平面线形;Li等基于全站仪测量数据重构了铁路平面线形[6]。 1.2.1采样点分段聚类 基于采样坐标直接采用三次样条曲线拟合线形可以获得曲率、长度等几何特征[12.15)。但其线形已不符合设计规范要求,并且样条曲线只适合于孤立的曲线或简单几何线形的拟合。 线路平面几何线形由直线、缓和曲线和圆曲线三类线元组成,纵面几何线形由直线和二次抛物线组成,线路重构应该符合设计规范。因此,需要将采样点按线元几何特征进行分段聚类。将采样点进行分段聚类时,先验知识是必不可少的。首先,采样点沿线路方向有序;其次,采样点只属于各类已知线元;后,不同线元具有不同的几何特征。典型平面线形如图1-1(a),其对应的曲率特征和方向如图1-1(b)和图1-1(c)所示。直线半径无穷大,曲率为零,方向为直线的方位角;圆曲线半径为R,曲率为1/R,方位角线变化。 |