Obliczenia dotyczące unikania kolizji na kolei

Podczas renowacji tuneli kolejowych sprawdzenie prześwitu jest jedną z najważniejszych kwestii, aby zapobiec kolizji między pociągami a sprzętem zamontowanym w tunelu

W celu wykrycia potencjalnej kolizji, skanowanie laserowe 3D jest uważane za najlepsze w swojej klasie podejście, ponieważ zapewnia pełne i dokładne odwzorowanie 3D całego tunelu. Po zeskanowaniu i przygotowaniu danych, pierwszym krokiem będzie wyodrębnienie szyn ze skanów. Można to zrobić na kilka sposobów, od operacji ręcznych po zautomatyzowane procesy robocze wspomagane przez oprogramowanie.

Dokładność ekstrakcji szyny jest kluczowa i w dużej mierze zależy od dokładności i gęstości chmury punktów, wytworzonej przez wybrany skaner laserowy 3D. Automatyzacja wymaga gęstości i spójności danych, dlatego zaszumione lub o małej gęstości chmury punktów uniemożliwią proces automatyzacji. Do pozyskania tych danych użyto Leica Pegasus:Two Ultimate ponieważ główną zaletą tego systemu do skanowania kinematycznego jest to, że zapewnia zarówno dokładność, jak i gęstość w całym tunelu podczas przemieszczania i pozyskiwania danych.

Kolejnym istotnym czynnikiem dla takiej analizy są wymiary wagonów, które operator kolejowy chce dopuścić w tunelu dla przyszłego ruchu. Dane wymiarowe wagonów są zwykle dostarczane jako przekrój poprzeczny, w którym określone są punkty styku prawego i lewego koła oraz szerokość i wysokość wagonu

Na podstawie tych danych wejściowych (chmura punktów, tor kolejowy i odcinek wagonu) celem jest określenie, czy jakikolwiek element mógłby ulec kolizji, gdy pociąg przejeżdża przez tunel.

Podejście standardowe
Podejście standardowe polega na przemieszczeniu przekroju wzdłuż szyny. Ten proces jest dobrze znany w każdym oprogramowaniu CAD. Polega ona na przemieszczeniu przekroju wzdłuż szyny w regularnych odstępach (na zielono na powyższym obrazie) i łączeniu każdego odcinka z poprzednim w celu uzyskania powierzchni wagonu.

Takie podejście jest wystarczające, aby ustalić objętość niezbędną do poruszania się takiego wagonu wzdłuż szyny, o ile szyna jest prosta.

Ta metoda jest natywnie dostępna w Leica Cyclone 3DR dzięki funkcji „Przemieszczanie wzdłuż ścieżki”.

Potencjalne kolizje między chmurą punktów otoczenia a obwiednią powierzchni wagonu mogą być automatycznie identyfikowane w Cyclone 3DR. Metoda polega na podzieleniu chmury punktów na dwa zestawy punktów:

  • Punkty, które nie kolidują z obwiednią, to te oddalone od obwiedni

  • Punkty zderzające się z obwiednią to te wewnątrz lub w pobliżu niej

Zaawansowane podejście
Aby zapewnić bardziej adekwatne dane wyjściowe odpowiednie dla tras kolejowych o bardziej złożonej geometrii, konieczne jest uwzględnienie promienia szyn i zastosowanie hipotezy, zgodnie z którą wagon nie odkształca się podczas poruszania się po szynach. Wymaga to bardziej zaawansowanego podejścia, które polega na przesuwaniu wagonu po szynach w różnych punktach kilometrowych. Na danym punkcie kilometrowym wszystkie koła muszą pasować do szyny, a zatem położenie i orientacja wagonu są całkowicie zdefiniowane przez ten złożony wymóg.

Zaawansowane podejście jest oceniane poniżej w warunkach teoretycznych, przeskalowane do rzeczywistych warunków, aby różnice można było łatwiej zwizualizować.

Pozycja wagonu w danym punkcie kilometrowym jest pokazana na poniższym obrazie. W tym teoretycznym zbiorze danych przyjęto następujące założenia:

  • Promień szyn wynosi 100m

  • Długość wagonu to 50m

  • Koła znajdują się 5m od krańca wagonu

Na poniższym obrazie widać, że potrzeba więcej miejsca wewnątrz łuku, ale także poza łukiem, ze względu na 5-metrową odległość między kołem a krańcami wagonu.

Po obliczeniu pozycji wagonu w każdym wymaganym punkcie kilometrowym, następnym krokiem jest wykonane operacji, która sumuje każdy wagon.

Aby skrócić czas przetwarzania, operacja Boolean jest tutaj wykonywana w 2D, na różnych pozycjach kilometrowych. Operację Boolean przedstawiono na poniższym obrazie, niebieskie linie ilustrują położenie wagonu w każdym kilometrowym punkcie, podczas gdy zielona linia wskazuje niezbędny kształt tunelu, aby zmieścić wagon. To zaawansowane podejście zostało zaimplementowane w Cyclone 3DR przy użyciu funkcji skryptowych dostępnych za pośrednictwem interfejsu API JavaScript.

Różnica między tymi dwoma podejściami
Jak można się spodziewać, różnica między tymi dwoma podejściami jest zerowa w przypadku prostych szyn.

Jednak im bardziej szyna jest zakrzywiona, tym bardziej zaawansowane podejście jest niezbędne, aby zapobiec krytycznym błędom w obliczeniach, które mogą skutkować opóźnieniami w realizacji projektu lub nawet uszkodzeniem sprzętu. W przypadku powyższej konfiguracji różnice są pokazane na poniższych obrazach. Niebieskie linie odpowiadają wymaganej objętości obliczonej za pomocą podejścia prostego, a zielone odpowiadają wymaganej objętości obliczonej za pomocą podejścia zaawansowanego. Widać wyraźnie, że proste podejście znacznie zaniża wymaganą przestrzeń.

Aby dać wyobrażenie o tym, jak bardzo wymagana objętość jest niedoszacowana w zależności od krzywizny szyny, przetestowano różne konfiguracje, a różnice między dwoma podejściami wewnątrz łuku przedstawiono na poniższym wykresie. Z wykresu wynika, że dla wagonu o długości 50 m, którego koła znajdują się 5 m od krańców wagonu, promień szyny wynoszący 1000 m sprawia, że proste podejście jest oddalone o 20 cm. I nawet dla większego promienia szyny 2500m różnica jest wciąż większa niż 5cm.

Rzeczywiste dane
Omówiony powyżej teoretyczny wagon i tunel stanowią wyolbrzymiony przykład pokazujący ogromny wpływ, jaki zaawansowane podejście może mieć na końcowe wyniki analizy, jednak ten wpływ widać wyraźnie nawet w umiarkowanych, rzeczywistych warunkach.

Oba podejścia porównano na projekcie, gdzie lokalny promień szyny wynosił 600 metrów, a wagon brany pod uwagę w tym rzeczywistym przypadku użycia miał 50 metrów. Tunel został zeskanowany za pomocą Leica Pegasus:Two Ultimate. Szyny zostały wyodrębnione bezpośrednio z chmury punktów z milimetrową dokładnością.

Poniższe obrazy pokazują różnicę między wynikami z dwóch podejść i porównują każdy wynik względem chmurą punktów, która została pozyskana w tunelu.

Punkty zaznaczone poniżej na czerwono zostały automatycznie wykryte jako kolidujące z obwiednią powierzchni, która została utworzona za pomocą podejścia zaawansowanego. W tym miejscu konieczna jest przeróbka.

Widać tutaj wyraźnie, że wyniki prostego podejścia sugerują, że docelowy wagon może przejechać przez ten tunel. Natomiast w przypadku bardziej zaawansowanego podejścia wagon wyraźnie koliduje ze ścianami tunelu, co oznacza, że wymagana byłaby dodatkowa praca, aby wagon mógł przejść przez tunel.

Wniosek
Istnieją wartościowe przypadki użycia zarówno prostych, jak i zaawansowanych metod obliczania prześwitu. W przypadkach, w których trasy kolejowe są proste i regularne, proste podejście pozwoli użytkownikom na szybkie podejmowanie decyzji przy minimalnym wysiłku i czasie, jednak w scenariuszach, w których trasy kolejowe lub ściany tunelu są mniej regularne, czas poświęcony na realizację zaawansowanego podejścia zapewni, że pomyłka w obliczeniach nie opóźni realizacji projektu lub, co gorsza, nie spowoduje uszkodzenia sprzętu lub ścian tunelu.

Dzięki wszechstronnemu i kompletnemu API JavaScript dedykowanemu do przetwarzania chmur punktów 3D i modeli siatkowych 3D, Cyclone 3DR oferuje potężne metody tworzenia zaawansowanych analiz dostosowanych do konkretnego zlecenia, co czyni go wyjątkowym w branży.

Wypróbuj własne dane
Skrypt implementujący zaawansowane podejście jest dostępny jako ulubiony skrypt w Cyclone 3DR 2021.1.2.



Gilles Monnier
Dyrektor Generalny Technodigit
Dział Reality Capture

Czekamy na Ciebie

Skontaktuj się z nami, aby uzyskać więcej informacji na temat naszej oferty dotyczącej skanowania laserowego.
Skontaktuj się z nami, aby uzyskać więcej informacji na temat naszej oferty dotyczącej skanowania laserowego.

Nauka online Cyclone 3DR

Leica Geosystems stworzyła platformę edukacyjną online, aby jeszcze lepiej edukować swoich klientów w zakresie maksymalnego wykorzystania funkcji inwestycyjnych.
Leica Geosystems stworzyła platformę edukacyjną online, aby jeszcze lepiej edukować swoich klientów w zakresie maksymalnego wykorzystania funkcji inwestycyjnych.

Mądrzejszy sposób patrzenia na świat

W świecie szybko zmieniających się technologii i wizualizacji nigdy nie było lepszego sposobu na interakcję, pomiary i współdzielenie środowisk niż w przypadku Leica...