一种基于BIM的轨道交通隧道限界校核方法及系统与流程
本发明属于轨道交通限界检测领域，具体涉及一种基于bim模型(建筑信息模型；英文buildinginformationmodeling的缩写)的轨道交通隧道限界校核方法及系统。
背景技术：
现有技术中，轨道交通的地下工作环境往往比较恶劣，车辆的振动、建筑固件的松动、热胀冷缩都会导致建构筑物变形、设备、管线松动及脱落，限界必须进行经常性测试，以便发现安全隐患，及时整修。当有物体侵入设备限界时，地铁车辆将不能正常运行，严重时将造成运营事故。
目前，在设备限界检测中，用到的方法主要为静态检测法。包括断面检测法及激光雷达检测法。断面检测法的局限性在于检测过程中要求检测车的运行速度很低，无法检测出高速运行状态下的列车振动偏移量的影响。当发生超限情况时，需要立即停车倒车并反复多次，人工标记超限量，浪费了过多的人力资源和物质资源。激光雷达检测法缺点在于首先，激光雷达本身存在系统误差在15mm左右，无法达到精确测量的要求；其次，激光雷达激光扫描光束存在扫描角度间隔，容易造成漏检。最后激光雷达采用的是多脉冲回波测距原理，扫描频率一般在50hz左右，并不适宜高速、实时检测需求。由于限界变化具有突发性的特点且目前针对目前各种限界检测校核中还缺少高效维护手段，因此，研发一种实时、高速、高精度的限界校核方法，将有助于节省人工、减少开支、提高效率，为城市轨道交通安全维护提供依据，提高地铁运行安全性。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于bim的轨道交通隧道限界校核方法及系统，该方法主要通过使用三角测距对限界的实时测量、使用bim技术对标准限界模型的重构，并通过限界侵限判定来实现限界的校核的目的。
为实现上述目的，按照本发明第一方面，提供一种基于bim的轨道交通隧道限界校核方法，包括：
获取所述隧道中至少一目标限界区域的二维图像，根据三角测距技术检测出当前所述目标限界区域的实际距离，获取检测限界模型；
提取与所述目标限界区域对应的标准限界区域，根据bim技术建立标准限界模型；
分别在所述检测限界模型与标准限界模型中提取同一方向上的检测限界与标准限界，换算所述检测限界与标准限界在同一坐标系的间距，由此判定所述隧道内该方向上是否存在侵限；
其中，所述目标限界区域为根据所述隧道内实时检测的车辆限界、设备限界或建筑限界而形成的区域；所述标准限界区域为根据所述隧道bim模型中相应车辆限界、设备限界或建筑限界的外廓设计数据而形成的区域。
进一步地，所述分别在所述检测限界模型与标准限界模型中提取同一方向上的检测限界与标准限界包括：
分别在所述检测限界模型与标准限界模型中提取同一位置点作为原点，建立同一x、y轴方向取向的第一坐标系与第二坐标系；
分别经所述第一坐标系与第二坐标系的原点沿同一方向作参考线，所述参考线与所述第一坐标系中目标限界区域交于a(x1，y1)点，与所述第二坐标系中标准限界区域交于b(x2，y2)点。
进一步地，所述换算所述检测限界与标准限界在同一坐标系的间距，由此判定所述隧道内该方向上是否存在侵限包括：
计算所述a点和b点在同一坐标系的间距：
当所述ab的数值大于等于预设的安全阈值，则判定所述隧道内该方向上不存在侵限。
进一步地，所述获取所述轨道交通隧道目标限界区域的二维图像，根据三角测距技术检测出所述目标限界区域的实际距离，并建立检测限界模型包括：
将至少一线光源投射至所述轨道交通隧道的目标限界区域，通过面阵相机捕获所述线光源的经过目标限界区域的反射光，形成所述二维图像；
根据所述二维图像坐标系与所述轨道交通隧道空间坐标系的成像关系计算所述目标限界区域的实际空间距离，根据所述实际空间距离建立检测限界模型。
进一步地，所述根据所述二维图像坐标系与所述轨道交通隧道空间坐标系的成像关系计算所述目标限界区域的实际空间距离包括：
对所述二维图像进行滤波去噪和特征识别，提取目标限界区域在二维图像坐标系中的成像数据；
将所述线光源与面阵相机光轴交点作为参考点，提取参考点、线光源及面阵相机在所述轨道交通隧道空间坐标系中的位置数据；
建立所述成像数据与所述位置数据的图形关系，从而计算所述目标限界区域的实际空间距离。
进一步地，所述根据bim技术建立标准限界模型包括：
筛选与所述目标限界区域相应车辆限界、设备限界及建筑限界图纸，提取筛选后图纸的构件外廓，生成三维建模底图；
在所述三维建模底图中提取标准限界区域，建立标准限界模型。
按照本发明第二方面提供一种基于bim的轨道交通隧道限界校核系统，所述系统包括：
第一建模单元，用于获取所述隧道中至少一目标限界区域的二维图像，根据三角测距技术检测出当前所述目标限界区域的实际距离，获取检测限界模型；
第二建模单元，用于提取与所述目标限界区域对应的标准限界区域，根据bim技术建立标准限界模型；
解析判定单元，用于分别在所述检测限界模型与标准限界模型中提取同一方向上的检测限界与标准限界，换算所述检测限界与标准限界在同一坐标系的间距，由此判定所述隧道内该方向上是否存在侵限；
其中，所述目标限界区域为根据所述隧道内实时检测的车辆限界、设备限界或建筑限界而形成的区域；所述标准限界区域为根据所述隧道bim模型中相应车辆限界、设备限界或建筑限界的外廓设计数据而形成的区域。
进一步地，所述解析判定单元包括：
解析换算单元，用于分别在所述检测限界模型与标准限界模型中提取同一位置点作为原点，建立同一x、y轴方向取向的第一、第二坐标系；经所述原点沿同一方向作参考线，所述参考线与所述第一坐标系中目标限界区域交于a(x1，y1)点，与所述第二坐标系中标准限界区域交于b(x2，y2)点；
侵限判定单元，用于计算所述a点和b点在同一坐标系的间距：
进一步地，所述第一建模单元包括：
至少一线光源，用于投射至所述轨道交通隧道的目标限界区域；
面阵相机，用于捕获所述线光源的经过目标限界区域的反射光，形成所述二维图像；
检测建模单元，用于根据所述二维图像坐标系与所述轨道交通隧道空间坐标系的成像关系计算所述目标限界区域的实际空间距离，根据所述实际空间距离建立检测限界模型。
按照本发明第三方面提供一种计算机可读介质，其存储电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备执行如上所述的方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明通过使用bim技术建立标准限界模型，使得限界的数据具体化、参数化；通过三角测距技术检测限界使得现场限界数据能够实时准确获取；通过将检测得到的限界数据与bim模型中建立的标准限界模型进行比较计算，并与安全间隙值相比较，实现了限界数据的实时校核，能够及时准确的判断侵限位置，杜绝因侵限造成的安全事故，保证车辆运行的安全性，具有良好的使用效果和经济效益。
附图说明
图1为按照本发明实现的一种测量限界的三角测距原理示意图；
图2为按照本发明实现的基于bim的轨道交通隧道限界校核方法示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
需要说明的是，本发明涉及的函数方程中符号“·”为运算符号表示前后两个常量或者向量的相乘，“/”为运算符号表示前后两个常量或者向量的相除，本发明中所有函数方程遵循数学的加减乘除运算法则。
需要说明的是，本发明涉及的术语“第一\第二”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述或图示的那些以外的顺序实施。
作为一种优选地实施方式，提供一种基于bim的轨道交通隧道限界校核方法，包括以下步骤：
s1：获取隧道中至少一目标限界区域的二维图像，根据三角测距技术检测出当前目标限界区域的实际距离，获取检测限界模型；
s2：提取与目标限界区域对应的标准限界区域，根据bim技术建立标准限界模型；
s3：分别在检测限界模型与标准限界模型中提取同一方向上的检测限界与标准限界，换算检测限界与标准限界在同一坐标系的间距，由此判定隧道内该方向上是否存在侵限；
本实施例中，目标限界区域为根据隧道内实时的车辆限界、设备限界或建筑限界而形成的区域；标准限界区域为根据隧道bim模型中相应车辆限界、设备限界或建筑限界的外廓设计数据而形成的区域。
本实施例中，在步骤s1中，如图1所示检测限界模型的实时测量采用三角测距的测量方法，检测设备主要由面阵相机和线光源组成，由面阵相机拍摄激光光源照射的轨道交通隧道中的设备、管道和建筑，这里的建筑主要包括隧道的围岩或者管廊，再利用图像滤波去噪和图像识别提取特征等算法，测量拍摄线路上物体距离面阵相机的水平距离和垂直距离，得到实时限界数据。
具体地，如图1所示的三角测距的检测原理：其中假设b为待测点，其距离为y，f为面阵相机中成像系统的焦距，l为线光源到面阵相机镜头的垂直距离，即基线长度，l为某一参考点p到面阵相机镜头的已知水平距离，在该距离处成像正好位于面阵相机的光轴。根据面阵相机坐标系与轨道交通隧道空间坐标系的成像关系计算目标限界区域的实际空间距离。
更具体地，在图1中，经b点作垂直于fp延长线的辅助线，则直角△b1p1f与直角△bp2f构成相似三角形，则b1p1/p1f＝p2b/p2f，p2b＝p2f·b1p1/p1f，又直角△ofp与直角△p2pb构成相似三角形，则pf/op＝bp/p2b，bp＝p2b·pf/op，将of＝l，op＝l，fp1＝f，b1p1＝x代入，获得bp＝x·(l2+l2)/(f·l)，则y＝l+x·(l2+l2)/(f·l)。因此只要已知x距离，就能根据三角测距的原理测出y；同理，只要已知y距离，就能根据三角测距的原理测出x。由此得到实时监测的检测限界的二维数据，便于校核使用。
本实施例中，基于上述三角测距原理，步骤s1的具体包括：
s11：将至少一线光源投射至轨道交通隧道的目标限界区域，通过面阵相机捕获线光源的经过目标限界区域的反射光，在阵相机感应面形成二维图像；
s12：根据二维图像坐标系与轨道交通隧道空间坐标系的成像关系计算目标限界区域的实际空间距离，根据实际空间距离建立检测限界模型；
s13：对二维图像进行滤波去噪和特征识别，提取目标限界区域在二维图像坐标系中的成像数据；
s14：将线光源与面阵相机光轴交点作为参考点，提取参考点、线光源及面阵相机在轨道交通隧道空间坐标系中的位置数据；
s15：建立成像数据与位置数据的图形关系，从而计算目标限界区域的实际空间距离。
作为一种优选地实施方式，利用三角测距的原理对限界进行实时测量。这里首先要对所使用的面阵相机进行标定，确定相机图像坐标系与隧道空间坐标系的对应关系，然后根据三角测距原理测量出限界的二维数据。具体地，线光源为激光光源，面阵相机为面阵ccd相机；优选地，该激光光源的发生器与面阵相机为一体机。更具体地，面阵相机拍摄激光光源照射的在轨道线路设备、管线或建筑上，然后利用千兆以太网网线将图像信号传输至工控机，工控机利用图像滤波去噪和图像识别提取特征等算法，提取图像上目标限界区域，根据目标限界区域测量拍摄线路对应区域面阵相机的水平距离和垂直距离，得到实时的限界数据，从而建立目标限界模型。
本实施例中，在步骤s2中，根据bim技术建立标准限界模型包括：
s21：筛选与目标限界区域相应车辆限界、设备限界及建筑限界图纸，提取筛选后图纸的构件外廓，生成三维建模底图；
s22：在三维建模底图中提取标准限界区域，建立标准限界模型。
作为一种优选地实施方式，标准限界数据的获取，主要通过测量得到的相关线路参数及定位得到标准限界数据，作为bim软件中标准限界模型的输入条件。bim软件中标准限界模型的建立过程主要包括：筛选相应图纸，删除图面上与建模无关的内容，并进行平面图、横断面图及纵断面图的合并，生成建模底图；根据隧道平面图、纵断面图，利用b样条曲线建立轨道中心线。轨道中心线作为隧道、区间管线、设备等元素扫掠或阵列的路径；将建筑限界线沿路径曲线(轨道中心线)扫掠即完成标准限界的建立。
具体地，bim的英文全称是buildinginformationmodeling，即建筑信息模型化(bim)，是一个完备的信息模型化的过程(英文modeling是动名词；不是简单的名词“模型”)，能够将工程项目在全生命周期中各个不同阶段的工程信息、过程和资源集成在一个模型中，方便的被工程各参与方使用。本发明中所述的bim软件包括revit、archicad、tekla、magicad、revitmep中至少一种或者多种。
本实施例中，在步骤s3中，如图2所示，获取在检测限界模型与标准限界模型中的限界距离并通过限界侵限判定来实现限界的校核的目的。具体地，目标限界区域为根据隧道内实时的车辆限界、设备限界或建筑限界而形成的区域；标准限界区域为根据隧道bim模型中相应车辆限界、设备限界或建筑限界的外廓设计数据而形成的区域。目标限界区域和标准限界区域可以为基于不同车辆限界、设备限界或建筑限界的最接近车辆的位置形成的多个圆形区域或者方形区域。
具体地，其通过将检测得到的限界数据与bim模型中建立的标准限界模型进行比较计算，并与安全间隙值相比较，实现了限界数据的实时校核，能够及时准确的判断侵限位置，具体方法如下：
s31：分别在检测限界模型与标准限界模型中提取同一位置点作为原点，建立同一x、y轴方向取向的第一坐标系与第二坐标系；
s32：分别经第一坐标系与第二坐标系的原点沿同一方向作参考线，参考线与第一坐标系中目标限界区域交于a(x1，y1)点，与第二坐标系中标准限界区域交于b(x2，y2)点；
s33：计算a点和b点在同一坐标系的间距：
s34：当ab的数值大于等于预设的安全阈值，则判定隧道内该方向上不存在侵限。
作为一种优选地实施方式，直接在bim软件中建立标准限界模型，然后通过导入实时检测到的目标限界数据，通过特征点之间的运算关系，判别是否出现侵限。所述限界校核方法主要在bim软件中实现，具体如图2所示，分别在在车体横截面上建立笛卡尔坐标系，其中以两侧轨顶连线中点作为o点，将标准限界模型以及检测到的限界模型同一位置分别移至o处，从o点引出射线，假设与标准限界模型交于a(x1，y1)点，与测量限界交于b(x2，y2)点，则：
根据本发明另一种具体地实施方式，提供一种基于bim的轨道交通隧道限界校核系统，系统包括：
第一建模单元，用于获取隧道中至少一目标限界区域的二维图像，根据三角测距技术检测出当前目标限界区域的实际距离，获取检测限界模型；
第二建模单元，用于提取与目标限界区域对应的标准限界区域，根据bim技术建立标准限界模型；
解析判定单元，用于分别在检测限界模型与标准限界模型中提取同一方向上的检测限界与标准限界，换算检测限界与标准限界在同一坐标系的间距，由此判定隧道内该方向上是否存在侵限；
其中，目标限界区域为根据隧道内实时的车辆限界、设备限界或建筑限界而形成的区域；标准限界区域为根据隧道bim模型中相应车辆限界、设备限界或建筑限界的外廓设计数据而形成的区域。
本实施例中，第一建模单元包括：
至少一线光源，用于投射至轨道交通隧道的目标限界区域；
面阵相机，用于捕获线光源的经过目标限界区域的反射光，形成二维图像；
检测建模单元，用于根据二维图像坐标系与轨道交通隧道空间坐标系的成像关系计算目标限界区域的实际空间距离，根据实际空间距离建立检测限界模型。
作为一种优选地实施方式，线光源为激光光源，面阵相机为面阵ccd相机；优选地，该激光光源的发生器与面阵相机为一体机，检测建模单元为工控机；更优选地，激光光源的发生器与面阵相机可设置于可在轨道上运行的巡检轨道车辆、巡检机器人、巡检无人机上等不限于此。更具体地，面阵相机拍摄激光光源照射的在轨道线路设备、管线或建筑上，然后利用千兆以太网网线将图像信号传输至工控机，工控机利用图像滤波去噪和图像识别提取特征等算法，提取图像上目标限界区域，根据目标限界区域测量拍摄线路对应区域面阵相机的水平距离和垂直距离，得到实时的限界数据，从而建立目标限界模型。工控机可以设置于检测车辆、车站、地面控制中心或者云端服务器。
本实施例中，解析判定单元包括：
解析换算单元，用于分别在检测限界模型与标准限界模型中提取同一位置点作为原点，建立同一x、y轴方向取向的第一、第二坐标系；经原点沿同一方向作参考线，参考线与第一坐标系中目标限界区域交于a(x1，y1)点，与第二坐标系中标准限界区域交于b(x2，y2)点；
侵限判定单元，用于计算a点和b点在同一坐标系的间距：
作为一种优选地实施方式，直接在bim软件中建立标准限界模型，然后通过导入实时检测到的目标限界数据，通过特征点之间的运算关系，判别是否出现侵限。所述限界校核方法主要在bim软件中实现，具体如图2所示，分别在在车体横截面上建立笛卡尔坐标系，其中以两侧轨顶连线中点作为o点，将标准限界模型以及检测到的限界模型同一位置分别移至o处，从o点引出射线，假设与标准限界模型交于a(x1，y1)点，与测量限界交于b(x2，y2)点，则：
作为一种优选地实施方式，第一建模单元中的检测建模单元、第二建模单元和解析判定单元都可以直接或者通过编程在bim软件中实现。本发明中所述的bim软件包括revit、archicad、tekla、magicad、revitmep中至少一种或者多种。
根据本发明另一种具体地实施方式，提供一种计算机可读介质，其存储电子设备执行的计算机程序，当计算机程序在电子设备上运行时，使得电子设备执行如上的方法。
应当理解，本发明的流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！