本发明涉及轨道施工技术领域，特别涉及一种CRTSIII型板式无砟 轨道轨道板铺设精度检测方法。
背景技术：
在高速铁路CRTSIII型板式无砟轨道施工中，轨道板铺设完成后， 进行长轨铺设和长轨精调。目前国内板式无砟轨道长轨铺设时，都是采 用在轨道板上安装标准扣配件，铺设长轨，并在标准扣配件的基础上进 行长轨精调。
采用这种方式时，由于在灌注自密实混凝土过程中受施工因素的影 响、灌注后的混凝土自身张缩影响以及轨道板自身挠曲影响等，会导致 铺设后轨道板的绝对位置都会产生一定的变化，因此按标准扣件进行长 轨精调的这种作业模式将会造成更换大量的扣配件材料，不但增加了长 轨精调的工作量，也造成了大量的标准扣配件材料的浪费。
所以，在铺设长轨及长轨精调之前需进行一次全线路的轨道板铺设 精度快速复测检测，并根据检测的数据，分析出轨道的平顺性，并提出 扣配件的材料计划，有依据的安装扣配件以进行长轨铺设，这样可减少 轨道静态调试的工作量，提高了长轨精调的功效，同时又减少了扣配件 的更换率，节约了成本。
目前，国内常用的轨道板铺设精度检测方法是使用精调标架进行测 量，利用标架找出钢轨中心的位置，测量其绝对坐标值，从而判断相邻 轨枕的平顺性。这种方法存在工作效率低、投入技术人员多、测量过程 繁琐等诸多缺点。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种CRTSIII型板式无砟轨道轨道板铺设精 度检测方法，以快速准确的检测CRTSIII型板式无砟轨道轨道板的铺设 精度。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
S1、通过三维激光扫描装置对无砟轨道n个测站进行扫描，获取扫 描测量数据，其中扫描测量数据包括每个测站的承轨台位置扫描数据以 及每个测站前后两对CPIII上安装的标靶扫描数据；
S2、利用灰度识别算法对所述每个测站的承轨台位置扫描数据、每 个测站前后两对CPIII上安装的标靶扫描数据进行处理，得到承轨台中 心位置坐标、标靶中心位置坐标；
S3、导入CPIII网的绝对坐标和标准轨道的结构高度，并结合承轨 台中心位置坐标、标靶中心位置坐标，拟合出轨道的实际线形；
S4、导入轨道的设计线形，并结合所述轨道的实际线形，计算轨道 板任意断面位置轨道的实际线形位置与设计线形位置的偏差值数据；
S5、根据所述偏差值数据，生成与承轨台ID号一一对应的扣配件 材料清单以指导扣配件材料采购及现场安装。
其中，所述步骤S1中的三维激光扫描装置安装在移动式测量小车 上，测量小车上竖直安装有高度可调节的立柱且测量小车底部安装有滑 轮；
三维激光扫描装置包括三维激光扫描仪、计算机以及电源；
其中，三维激光扫描仪安装所述高度可调节的立柱顶端，三维激光 扫描仪的一端与电源连接、另一端与计算机连接。
其中，所述承轨台上的道钉圆形孔盖以及每个测站前后两对CPIII 上安装的标靶均为黑白相间的图案，并且黑白相间交叉于一中心点。
其中，所述步骤S1，具体包括：
S11、将所述具有黑白相间图案的道钉孔盖安装在道钉孔上，以及 将所述三维激光扫描装置安装在所述测量小车上；
S12、所述测量小车行进至至当前待测区域的测量位置时静止，对 所述立柱高度进行调整并通过所述计算机控制所述三维激光扫描仪进 行扫描；
S13、在当前待测区域扫描完成后，所述测量小车依次移动至后n-1 个测站的测量位置，并执行步骤S12，获得n个测站的承轨台位置扫描 数据以及n个测站前后两对CPIII上安装的标靶扫描数据。
其中，步骤S2，具体包括：
对所述每个测站的承轨台位置扫描数据以及每个测站前后两对 CPIII上安装的标靶扫描数据分别进行预处理、拼接，对应得到承轨台位 置的影像图、标靶的影像图；
根据所述承轨台位置的影像图、标靶的影像图，分别得到承轨台中 心位置坐标、标靶中心位置坐标。
其中，步骤S3，具体包括：
导入CPIII网的绝对坐标和标准轨道的结构高度；
根据所述CPIII网的绝对坐标，将所述三维激光扫描仪的相对位置 约束到工程的绝对位置上，并计算出各个承轨台中心的三维绝对坐标；
根据所述标准轨道的结构高度，计算轨道中心线的三维绝对坐标并 拟合出轨道的实际线形。
其中，步骤S4，具体包括：
导入轨道的设计线形以及曲线段轨道的设计超高值；
根据所述扫描测量数据和所述标准轨道结构高度，计算出所述轨道 实际线形中的任一点的三维坐标；
按逐步趋近试算法对实际线形中没一点的三维坐标进行计算，得到 每点对应设计线形法向位置的中桩里程和横向偏差；
利用设计坡度、纵曲线要素及其计算公式对所计算出的实际轨道线 形中的任一点对应设计线形的法向位置的中桩里程值进行处理，得到实 际轨道线形中每点处的设计高程；
根据实际轨道线形中每点实际测量坐标和设计高程，计算该点的竖向偏 差。
其中，步骤S5，具体包括：
对轨道板的每个承轨台进行统一编号，使每个承轨台具有与承轨台 中心的里程一一对应的唯一ID号；
根据所述横向偏差，计算扣件中的轨距挡块型号；
根据所述竖向偏差，计算扣件中轨下调高垫板和微调垫片的型号；
根据所述承轨台的ID号、对应里程、横向偏差值、竖向偏差值以 及与之对应的扣配件型号，生成扣配件材料清单以指导扣配件材料采购 及现场安装。
其中，方法还包括：
采用绝对轨道检测小车和相对轨道检测小车，对铺设后的无砟轨道 的平顺性进行检测和验证。
其中，采用绝对轨道检测小车和相对轨道检测小车，对铺设后的无 砟轨道的平顺性进行检测和验证，具体包括：
利用所述绝对轨道检测小车，测量任一承轨台的实际位置和该实际 位置与轨道设计位置的横向偏差值和竖向偏差值；
利用所述相对轨道检测小车，测量任一区段轨道的不平顺性技术指 标TQI值；
根据所述横向偏差值、竖向偏差值以及TQI值，对铺设后的无砟轨 道的平顺性进行检测和验证。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明通过扫描得到 无砟轨道各个测站内的承轨台位置扫描数据，根据扫描数据对长轨的线 形进行拟合，根据拟合线形与设计线形的偏差值，生成各承轨台ID号 及对应的扣配件型号的清单，做到有依据的采购扣配件，有依据地安装 扣配件。与传统的利用标架找出钢轨中心的位置，测量其绝对坐标值， 从而判断相邻轨枕的平顺性相比，本发明提高长轨铺设时的平顺性精 度，减少标准扣配件的更换量，减少了长轨精调工作量，提高了工效， 节约了成本。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1是本发明CRTSIII型板式无砟轨道轨道板铺设精度检测方法的 流程示意图；
图2是本发明三维激光扫描装置与测量小车上的装配示意图；
图3是本发明中承轨台道钉孔盖示意图；
图4是本发明中CPIII控制标靶示意图；
图5是本发明中现场扫描采集示意图；
图6是本发明中扫描区段搭接示意图。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说 明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围 加以限制。
如图1所示，本实施例公开了一种CRTSIII型板式无砟轨道轨道板 铺设精度检测方法，包括如下步骤：
S1、通过三维激光扫描装置对无砟轨道n个测站进行扫描，获取扫 描测量数据，其中扫描测量数据包括每个测站的承轨台道钉孔盖位置扫 描影像数据以及每个测站前后两对CPIII上安装的标靶扫描影像数据；
需要说明的是，如图2所示，三维激光扫描装置1包括三维激光扫 描仪11、计算机12以及移动电源13，三维激光扫描仪的一端与移动电 源连接13、另一端与计算机12连接。将三维激光扫描装置1放置在移 动式测量小车2上，该测量小车上竖直安装有高度可调节的CPIII立柱4 且测量小车底部安装有滑轮。将三维激光扫描仪安装在立柱上以便通过 CPIII立柱4的高度将三维激光扫描仪调整到一个合适的高度，将计算机 和移动电源放置在车辆小车上。
其中，高度可调的CPIII立柱4设计为可伸缩模式，即可通过调节 立柱的高度，来加大扫描仪的扫描区域，从而得到分布更密更清晰的点 云影像，提高扫描影像的识别精度。
在实际应用中，带滑轮的测量小车在受力作用下可自由行走，将测 量小车推至待测区域的测量位置静止下来，通过测量小车上的可调高立 柱来调整三维激光扫描仪高度，一般高于承轨台面2米以上，承轨台6 上的道钉圆形孔盖上安装特制的道钉孔盖5、在测站前后两对无碴轨道 施工特殊控制点即CPIII标志上安装特制的控制标靶3。在计算机上可以 设置扫描的范围，初次设置后，可不用再设置，然后一键启动自动扫描 功能，提高了测量扫描的效率。
需要说明的是，如图3至图4所示，该处特制的道钉孔盖、特制的 控制标靶3的表面图案设计为黑白相间的二种色彩图案，黑白相间交叉 中心即为道钉孔的中心和标靶中心。
S2、利用灰度识别算法对每个测站的承轨台道钉孔盖位置扫描影像 数据、每个测站前后两对CPIII上安装的标靶扫描影像数据进行处理， 得到承轨台中心位置坐标、标靶中心位置坐标；
需要说明的是，由于道钉孔盖以及靶标这种黑白相间的特定图案， 所以采用灰度识别算法可以很精确的识别出道钉孔盖的中心位置和靶 标的中心位置，提高了识别的准确性。
S3、导入标靶中心的绝对坐标和标准轨道的结构高度，并结合承轨 台中心位置坐标、标靶中心位置坐标，拟合出轨道的实际线形；
需要说明的是，标靶中心的绝对坐标由CPIII网成果提供。
S4、导入轨道的设计线形，并结合所述轨道的实际线形，计算轨道 板任意断面位置轨道的实际线形位置与设计线形位置的偏差值数据；
需要说明的是，偏差值数据包括中线偏差值和高程偏差值。
S5、根据所述偏差值数据，生成与承轨台ID号一一对应的扣配件 材料清单以指导扣配件材料采购及现场安装。
其中，根据偏差值数据计算出各承轨台ID号对应位置所需要配置 的扣配件规格型号，并生成与承轨台ID号一一对应的扣配件材料清单， 清单用于指导扣配件材料采购及现场安装，避免了长轨铺设时全部采用 标准扣配件来进行长轨精调时所带来的材料浪费，同时又减少了长轨精 调的工作量。
进一步地，如图5所示，上述步骤S1，具体包括如下步骤S11至 S13：
S11、将所述具有黑白相间图案的道钉孔盖安装在道钉孔上，以及 将所述三维激光扫描装置安装在所述测量小车上；
需要说明的是，在对轨道板承轨台上道钉孔进普查，清理孔口的杂 物及灰尘，然后将具有黑白相间图案的道钉孔盖安装在道钉孔上。
S12、所述测量小车行进至至当前待测区域的测量位置时静止，对 所述立柱高度进行调整并通过所述计算机控制所述三维激光扫描仪进 行扫描；
需要说明的是，当完成一个测站扫描后，实时查看扫描后点云的精 度和密度。满足要求后，推动小车前进，进入下一测站的扫描测量作业， 通过确保扫描数据的精度和密度，可以有效提高后期数据处理的有效性 和处理结果的准确性。
S13、在当前待测区域扫描完成后，所述测量小车依次移动至后n-1 个测站的测量位置，并执行步骤S12，获得n个测站的承轨台位置扫描 数据以及n个测站前后两对CPIII上安装的标靶扫描数据。
其中，如图6所示，在实际操作中，第二测站与上一个相邻测站的 距离不宜过长，较优的是将相邻测站间距离控制在50米以内，以保证 扫描后的点云密度，和相邻测站的重叠区域的点云精度，重叠区域长度 一般为8～10根承轨台，以保证数据处理时，各测站间线形的平顺性。
在确定第二测站的测量位置后，停止测量小车，检查小车是否处于 2对CPIII标志之间，若不在，则需要重新安装CPIII控制标靶，确保每 个测站都位于2对CPIII标志之间。满足观测条件后，进行第二测站的 扫描作业。扫描完成后，实时查看扫描后的点云精度和密度，特别是重 叠区域的精度，若精度不满足要求时，则进行补测或缩短测站间距离进 行加密扫描测量。如此依次进行第三测站、第四测站…第n测站的扫描 测量，从而完成整个区段的扫描作业。因此，本实施例中进行扫描作业 得到的扫描数据时准确有效的，为后期数据处理结果的准确性提供了有 效的保障。
进一步地，在利用三维激光扫描仪扫描得到有效的扫描数据之后， 将扫描数据传输至计算机中，计算机利用灰度识别算法对扫描数据包括 每个测站的承轨台位置扫描数据以及每个测站前后两对CPIII上安装的 标靶扫描数据进行处理，得到承轨台中心位置坐标即每根承轨台上2个 道钉圆孔中心连线的中点、标靶中心位置坐标即测量CPIII网时所安装 棱镜的中心位置，其中，由于不同颜色扫描得到的影像灰度值不一样， 经过特制的道钉孔盖和标靶都是采用黑白相间的，识别每个像素块的灰 度值并分析对比，得到目标区域的灰度阈值，根据样本图像确定出中心 位置。
进一步地，在得到承轨台中心位置坐标、标靶中心位置坐标之后， 导入标靶中心的绝对坐标和标准轨道的结构高度，并结合承轨台中心位 置坐标、标靶中心位置坐标，拟合出轨道的实际线形，具体过程为：
导入CPIII网的绝对坐标和标准轨道的结构高度；
根据CPIII网的绝对坐标，将三维激光扫描仪的相对位置约束到工 程的绝对位置上，CPIII标靶的中心点为约束控制点，其他点经过平差后 会产生平移旋转和缩放，变化后的各个承轨台道钉孔盖中心就是三维绝 对坐标下的中心位置，计算出的承轨台中心就是绝对的三维中心坐标；
根据标准轨道的结构高度，计算轨道中心线的三维绝对坐标并拟合 出轨道的实际线形。其具体过程为：承轨台中心的三维坐标值往上平移 标准轨道的结构高度值就是轨道中心线的三维绝对坐标值，根据整条钢 轨的三维绝对坐标值拟合出平滑的曲线即为轨道的实际线型。
需要说明的是，本实施例中通过导入CPIII网的绝对坐标，将三维 激光扫描仪的相对位置约束到工程的绝对位置上，进一步提高各测站间 的扫描重叠区域的数据精度。
进一步地，上述步骤S4：导入轨道的设计线形，并结合所述轨道 的实际线形，计算轨道板任意断面位置轨道的实际线形位置与设计线形 位置的偏差值数据，偏差值数据包括横向偏差和竖直偏差，计算出设计 曲线任意一点的水平方向切线的法面，该法面表示该点所处的里程，该 法面与实际曲线的交点为该里程轨道中心的实际值，并计算出两点间的 向量，该向量值体现出两条线型间的差值，向量在该里程上的水平方向 和竖直方向的投影为两条线性在水平方向与竖直方向上的偏差值，具体 包括如下步骤：
S41、导入轨道的设计线形(包括平曲线线形和纵曲线线形)以及 曲线段轨道的设计超高值；
S42、根据扫描仪实际测量数据并结合轨道结构高度计算出的实际 轨道中线中的任一点IDi的三维坐标(Xi,Yi,Zi)，按逐步趋近试算法进行求 解的一元七次精确求解方程且编制相关计算软件，从而精确计算出IDi点 对应设计线形的法向位置的中桩里程和横向偏差；逐步趋近试算法详细 计算公式如下：假设桩号DKi，根据辛普森积分公式；
式中：X0、Y0表示试算点的坐标，α0表示试算点切线坐标方位角， l表示为试算点至直缓点(曲线起点)弧长，Re表示所求点平曲线曲率 半径，Rs表示试算点曲率半径；L表示表示曲线长度。
由辛普森积分公式计算出DKi坐标：Xi、Yi，以及坐标方位角ai。
根据Xi、Yi，以及坐标方位角ai，计算出实际坐标与设计坐标的距离：
I＝hypot(x-xi,y-yi)
J＝sin(ai-1.5707963267949-atan(yi-y,xi-x))；
根据实际坐标与设计坐标的距离I、J，计算桩号增量：W＝I·J；
式中：hypot表示计算边长函数式；atan表示计算角度反正切函数。
l利用桩号增量进行桩号的逼近，下次循环的里程等于上次循环的 里程加上增量值；DKi＝DKi+W；
当桩号增量W足够小的时候结束循环，得到该点坐标对应的设计线 路中线里程DKi；和该点偏离设计线路中线位置的横向偏差I。
S43、根据所计算出的实际轨道中线中的任一点IDi对应设计线形的 法向位置的中桩里程的DKi值，利用设计坡度、纵曲线要素及其计算公式， 从而计算出IDi点处的设计高程Hi；具体计算如下：
Hi＝H起点+in×(DKi-DK起点)±x2/2R
式中：H起点表示竖曲线起点高程，in表示坡率，R竖曲线半径，DK--- 桩号里程，x表示计算点(IDi)至竖曲线起点在水平方向上投影长度。
IDi点实际测量的坐标Zi与通过上述计算得出的设计高程Hi之差值 即为该点的竖向偏差。
进一步地，步骤S5：根据所述偏差值数据，生成与承轨台ID号一 一对应的扣配件材料清单以指导扣配件材料采购及现场安装，具体过程 为：
每个承轨台均有唯一的ID号，该ID号与承轨台中心的里程之间建 立起映射关系，具体为：为了便于无砟轨道承轨台(即轨枕)的数据识 别，事先对轨道板的每个承轨台(即轨枕)进行统一编号，编号采用ID 字母加整里程数加序号表示，如DK000+000处的第一个承轨台的编号 即为ID0000001，这样每个承轨台均有唯一的ID号，该ID号与承轨台 中心的里程之间建立起一一对应关系；各相邻承轨台(轨枕)间距约为 0.65m，ID号可由软件自动计算生成。
各个承轨台中心的偏差值就是所需调整的值，该值即为所需扣件的 厚度值：根据横向偏差值I，用来计算扣件中的轨距挡块型号；根据竖 向偏差值V，用于计算扣件中轨下调高垫板和微调垫片的型号。
根据测量数据及上述计算分析，输出各个承轨台的ID号、里程值、 水平方向差值、竖直方向差值即为扣配件材料清单，用于指导材料采购 及现场安装。
进一步地，本实施例在长轨铺设时，以计算生成的轨道扣件材料报 表为依据，进行轨道扣配件现场安装，改变了传统长轨铺设时全部安装 标准扣配件。安装后利用现有的绝对轨道检测小车和相对轨道检测小 车，来对采用本方法铺设后的无砟轨道的平顺性进行检测和验证，从而 客观地真实地评定利用本方法来进行轨道板的复测数据的精度以及所 计算的扣配件材料的准确性，其评定过程具体为：
绝对轨道检测小车，主要是检测已铺设的长轨绝对精度，即测量任 一承轨台(ID号位置)的三维空间坐标，同时也计算该实际位置与轨道 设计位置的横向偏差值和竖向偏差值；对于国内高速铁路验收规范要 求，即轨道的实际位置与设计位置的偏差值不大于10mm。
相对轨道检测小车则可测量任一区段轨道的不平顺性技术指标TQI 值(即轨向、轨距、水平、高低和三角坑等动态检测数据的统计结果)； TQI值越大，表明轨道平顺性程度越差，波动性就越大；对于高速铁路 而言，TQI值应不大于2.5mm。
根据在昌赣项目CPTSIII型板式无砟轨道首件段(200m)施工中， 对本方法进行了验证，验收结果绝对位置横向偏差最大为5mm，竖向偏 差最大为3.8mm；完全满足轨道验收标准要求；200米区间的长轨未进 行精调，而检测的TQI值为1.98mm，平顺性程度较高，而采用标准扣 件进行长轨检测，至少需要精调3次以上TQI值才能达到这样的精度。
根据检测数据可知，轨道的平顺性较传统的铺轨方法明显提高；更 主要是在长轨精调时，精调次数显著减少，精调工作量也明显减少，扣 件更换量明显减少。既减少了精调工作量，也节约了成本。
需要说明的是，本实施例公开的方案与传统方法相比，具有如下有 益效果：
(1)传统采用精调标架进行每个承轨槽的逐一测量，最少需要测 量技术人员4人，其中插拔棱镜1人，安置标架2人，全站仪操作1人； 采用本方法仅需要2人，操作测量手推车1人，安装棱镜1人，较传统 的测量模式减少了一倍的作业人员。
(2)传统方法是左右线分开进行测量，全站仪每次设站需要照准 3～4对CPIII棱镜，每站测量时间需要约20分钟；本方法是左右线路同 时测量，每站测量时间约15分钟，换站时间短，工作效率是传统的测 量方法2倍多。
(3)传统方法检测轨道板仅用于评估轨道板的铺设精度，而不能 根据检测数据进行分析铺设长轨后的轨道平顺性，更不能提供铺设长轨 时应采用何种型号的扣配件更精确、更合理。本方法检测轨道板后，可 以分析轨道板的铺设精度，还可以根据测量数据对长轨的线形进行拟 合，根据拟合线形与设计线形的偏差值，生成各承轨台ID号及对应的 扣配件型号的清单，做到有依据的采购扣配件，有依据地安装扣配件； 提高长轨铺设时的平顺性精度，减少标准扣配件的更换量，减少了长轨 精调工作量，提高了工效，节约了成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包 含在本发明的保护范围之内。