把整條鐵路搬進電腦裡！「點雲分析」技術如何輔助鐵路巡查作業？
2026-02-10
圖/文：專案計畫室高捷中正工程師
本研究選定臺鐵瑞芳站至牡丹站約 10 公里正線為示範場域，透過車載移動式光達（Mobile LiDAR）進行高精度掃描，建置了三期鐵路 3D 點雲資料庫。本工程司透過此資料庫，研發「鐵道點雲分析軟體」，實現了自動化軌道中心線計算、影響木檢查及建築界限淨空檢查等功能，為鐵路養護提供精確的數據支撐，朝向「智慧鐵路巡查」的目標邁進。
移動式光達測繪系統於鐵路工程維修車上進行掃描作業
當真實世界變成數十億個「光點」
本研究採用的移動式光達測繪系統（MLS, Mobile LiDAR System），搭載於鐵路工程維修車上，以時速 40 公里行駛於瑞芳至牡丹的蜿蜒山路間。透過高階雷射掃描儀，每秒發射360萬個雷射點，捕捉周遭環境的三維幾何資訊。
這些雷射光束觸碰到物體後反射回來的訊號，經計算後形成了一個個帶有座標資訊的「點」，數十億個點聚集在一起，就構成了「點雲（Point Cloud）」。這些點雲除了記錄 X、Y、Z 空間座標外，還包含「反射強度（Intensity）」等資訊，反映了不同材質產生強弱不同的回波訊號。
光達是利用雷射光束量測物理特性的一種光學遙測技術
為了克服鐵路因山谷地形對GNSS（GPS）訊號的遮蔽，移動式光達測繪系統整合了慣性導航系統（INS），即使在衛星訊號中斷的長隧道內，依然能靠著感測器記錄的細微移動變化，推算出車輛的精確軌跡，搭配上點雲控制點量測，確保這條 10 公里長的「數位鐵路」模型空間位置準確無誤。
透過這些高精度的點雲資料，工程人員無須親臨現場，就能在電腦中量測軌道間距、坡度以及設施相對位置，嘗試將傳統的現場測量工作轉化為電腦上的數位分析。
點雲透過點位集合描述物體表面空間資訊
超級運算大腦：「鐵道點雲分析軟體」大解密
蒐集海量點雲數據只是第一步，如何從中萃取有用的空間資訊才是關鍵。本計畫開發了「鐵道點雲分析軟體」，將龐雜的點雲資料轉化為具體的檢測成果，其三大核心功能如下：
1. 軌道中心線的自動化推算
在鐵路量測中，「軌道中心線」是所有量測的基準。在點雲世界裡，必須先從數以億計的點訊中，濾除雜訊，以點雲質心求高程，刪除高程值極端點雲，再以演算法取得地面點雲，擬合成初始軌道線形。
精確鎖定鋼軌的點雲數據後，透過演算法識別出左右兩股鋼軌的頭部特徵位置，計算出其中間點，再利用數學回歸分析擬合出一條連續、平滑的空間曲線。 這條虛擬的「中心線」至關重要，它讓點雲資料擁有了「里程（K值）」的概念。後續所有的檢測發現，無論是發現植被侵入還是淨空不足，都能依據這條中心線自動標註具體的里程位置，讓養護人員能對照既有的養護圖資，精確找到現場對應的問題點。
軌道中心線計算與產出成果示意
2. 影響木檢查
鐵路沿線的樹木若生長過盛，可能侵入行車空間或拉扯電車線，造成行車風險。本軟體依據臺鐵公司「影響行車安全樹木管理須知」的相關規範來設定檢測標準，依據規範中的淨空要求，在數位模型中建立出應保持淨空的「偵測區間」。
接著，程式會自動掃描該區間內是否存在點雲侵入的情形，一旦發現有植被點雲侵入規範的紅線範圍，軟體便會將其標記為異常，並產出異常清冊，提醒相關人員針對該里程路段進行植被特徵的判定，作為修剪或移除的參考。這比傳統目視更能客觀地落實規範要求。
影響木檢查區間與點雲碰撞(紅色)示意
3. 建築界限淨空碰撞檢查
為了確保列車行駛安全，車體周圍必須保留絕對無障礙的「建築界限」。本研究將臺鐵公司「鐵路建設作業程序」的一般路線建築界限圖，將建築界限框（包絡線）匯入軟體中，並讓這個虛擬框沿著計算出的軌道中心線「推進」。
在電腦運算過程中，分析軟體會自動檢核包絡線內是否有任何實體點雲存在。在瑞芳至牡丹的實測案例中，軟體成功檢測出月台邊緣的潛在突出物(雜草)。這些突出物雖然可能僅超出界限數公分，肉眼難以察覺，但在電腦的嚴格比對下無所遁形，軟體會將這些「碰撞點」以醒目顏色標示，並計算出其與標準界限的差異值，提供給養護單位作為改善依據，確保列車在高速行駛與過彎時，擁有足夠的安全餘裕。
建築界限淨空碰撞檢查成果示意
從「目視檢查」到「智慧巡查」的鐵道革新
回顧現行的鐵路巡查作業，道班人員多以徒步巡軌及隨乘列車方式巡視，在判斷複雜現場狀況與應變上，仍具有不可取代的價值。然而，隨著科技進步，引入數位化工具輔助已是必然趨勢。
本研究展示的「鐵道點雲分析軟體」，證明了移動式光達技術在提升檢測效率與數據客觀性上的潛力。透過自動化比對，我們能快速篩選出鐵路正線潛在問題點，縮減人力初篩的時間。
此外，我們研發「多期點雲資料比對」，藉由定期掃描累積同路段的點雲，軟體能進行疊合分析，觀察軌道或邊坡在不同時間點的變化趨勢，例如：經週期點雲比對後，若發現某路段的點雲區域呈現沉陷的潛勢，工程師便能提前關注該處的地質穩定性，達成預防性維護的精髓。
未來仍需累積更多週期的鐵路點雲資料，同步驗證並強化軟體的分析效能。期許未來能實現真正全方位的「智慧鐵路巡查」里程碑，提升鐵路管養作業效率，亦能減輕現場作業人員的負擔。
建構全臺軌道正線 3D 數位鐵路
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