占 棟，陳唐龍，于 龍，鄭 銳

0 引言

在地鐵供電方式中，接觸軌供電因其單位電阻小、節(jié)省能耗、安裝方便、耐腐蝕性等優(yōu)點，運用越來越廣泛。為使接觸軌供電能夠長期高效運行，對接觸軌檢測提出了嚴(yán)格的要求。接觸軌幾何參數(shù)指接觸軌受流面至相鄰走行軌頂面的垂直距離、接觸軌中心與軌道中心的水平距離，這2個參數(shù)是衡量集電靴與接觸軌受流特性的重要指標(biāo)[4]。目前國內(nèi)多條線路采用接觸軌受流方式，接觸軌幾何參數(shù)檢測主要依靠手工測量，效率極低。因此，研究接觸軌動態(tài)檢測方法，研制接觸軌動態(tài)檢測系統(tǒng)，定期對接觸軌幾何參數(shù)進(jìn)行檢測，是保證牽引供電系統(tǒng)正常運行的重要手段。

1 檢測原理

1.1 雙目成像原理

如圖1所示，雙目成像原理采用裝有2塊CCD芯片的雙目相機(jī)，基礎(chǔ)是機(jī)器視覺技術(shù)。設(shè)AC為1#相機(jī) CCD芯片，DF為 2#相機(jī) CCD芯片，AN為1#相機(jī)主光軸，DJ為2#相機(jī)主光軸，M為被測目標(biāo)，AH、DI分別為1#相機(jī)焦距、2#相機(jī)焦距，MB、ME為目標(biāo)到CCD芯片的入射線，OK為1#相機(jī)和2#相機(jī)的中心線，MK、OK為目標(biāo)到2個相機(jī)中心線的垂直距離和水平距離。在檢測過程中，MK、OK即為目標(biāo)位置信息。

圖1 雙目成像原理示意圖

已知量：DE、AB為相機(jī)測量目標(biāo)值，AD為1#相機(jī)CCD中心到2#相機(jī)CCD中心的垂直距離，采用相同的 CCD芯片和相同焦距的鏡頭，故AH=DI，JI=NH；由相似三角形原理可知：

求解：

目標(biāo)與雙目相機(jī)中心位置的垂直距離和水平距離：

1.2 雙目成像原理在接觸軌檢測中的應(yīng)用

如圖2接觸軌檢測原理圖所示，將檢測梁安裝于檢測車軸箱蓋下方，距離左右走行軌一定距離安裝車體偏移測量裝置，分別為1#傳感器、2#傳感器，將雙目相機(jī)分別安裝于檢測梁左右外側(cè)，h1，h3分別為1#相機(jī)、2#相機(jī)中心位置到相鄰走行軌軌面的垂直高度；h0、h2分別為1#相機(jī)、2#相機(jī)中心位置到接觸軌受流面的垂直距離。

車體在運行過程中會發(fā)生偏移，若要準(zhǔn)確測量接觸軌中心到軌道中心位置的水平距離，需要準(zhǔn)確計算相機(jī)中心到軌道中心的水平距離、相機(jī)中心到軌道中心的垂直距離、相機(jī)中心到接觸軌受流面的垂直距離、相機(jī)中心到接觸軌中心的水平距離，1#傳感器和 2#傳感器分別用來測量相機(jī)中心到軌道中心的水平距離和垂直距離[1]。

設(shè)檢測車在運行的過程中，左側(cè)、右側(cè)接觸軌中心到軌道中心位置的水平距離分別為x0、x1；設(shè)軌道中心到 1#相機(jī)、2#相機(jī)中心的水平距離為 r0和 r1（見圖 2）。利用雙目成像檢測原理，對接觸軌進(jìn)行測量，設(shè)L0、L1為1#相機(jī)、2#相機(jī)檢測接觸軌外側(cè)到相機(jī)中心的水平距離，標(biāo)準(zhǔn)接觸軌受流面外側(cè)到接觸軌中心的水平距離為46 mm[2]，所以：

圖2 接觸軌檢測原理示意圖

1#相機(jī)、2#相機(jī)中心位置到相鄰走行軌面的距離為h1、h3；1#相機(jī)、2#相機(jī)中心位置距離接觸軌受流面的垂直距離為h0、h2，設(shè)接觸軌受流面到相鄰走形軌的垂直距離為y0、y1，故接觸軌與相鄰走行軌面高度：

由式（4）、式（5）可求得左側(cè)、右側(cè)接觸軌的幾何參數(shù) x0，y0，x1，y1。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖4所示。

圖像采集裝置，采用德國高速線陣相機(jī)，最大采集速度為 1 000 Hz，能夠滿足高速圖像信息采集。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計框圖

車體偏移補償裝置采用慣性包和激光測距傳感器，在檢測過程中的車體振動和偏移，通過慣性包數(shù)據(jù)和激光測距傳感器數(shù)據(jù)達(dá)到實時測量軌距和車體偏移數(shù)據(jù)。

信息定位系統(tǒng)采用德國進(jìn)口脈沖傳感器，具有光電脈沖計數(shù)功能，將其安裝在軸箱蓋上，檢測車運行過程中，通過輪軸旋轉(zhuǎn)帶動光電編碼器發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)，通過脈沖計數(shù)計算車輛行走里程，同時結(jié)合上位機(jī)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對車輛運行過程中的累積誤差進(jìn)行修正，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。

圖4 系統(tǒng)硬件框圖

綜合信息處理采用工業(yè)控制計算機(jī)，通過現(xiàn)場總線，對多個傳感器信號實時采集，同時在上位機(jī)上實現(xiàn)多路信號的同步、濾波和綜合處理。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位機(jī)綜合數(shù)據(jù)處理軟件采用 Visual Studio 2008作為開發(fā)工具，C++作為開發(fā)語言。對多個傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，保存接觸軌幾何參數(shù)、公里標(biāo)、檢測速度、接觸軌離去角和接近角等信息，同時實時顯示檢測波形曲線、實時打印、檢測數(shù)據(jù)事后回放等功能[5]。

系統(tǒng)軟件流程圖及軟件運行界面分別如圖5、圖6所示。

2.4 圖像處理算法

對雙目線陣相機(jī)目標(biāo)點的準(zhǔn)確提取直接影響檢測精度，主要采用的圖像處理算法包括圖像增強(qiáng)、圖像分割、邊緣提取等[4]，達(dá)到準(zhǔn)確快速提取邊緣點的目的。

相機(jī)數(shù)據(jù)量大，同時需要滿足檢測實時性，因此，線陣相機(jī)圖像高速處理是該系統(tǒng)一個難點。

3 試驗數(shù)據(jù)

該系統(tǒng)在廣州地鐵四號線正線、四號線新造車輛段試車線連續(xù)試驗 3個月，通過現(xiàn)場的數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求，效果良好。

圖5 軟件流程圖

圖6 綜合信息處理系統(tǒng)界面

測量精度：將人工測量數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，隨機(jī)抽取20個檢測數(shù)據(jù)來驗證接觸軌檢測系統(tǒng)檢測精度（見圖7、圖8）。

由圖7、圖8可以看出，接觸軌檢測系統(tǒng)垂直方向和水平方向的檢測精度控制在±2 mm。

由圖 9、圖 10可知，接觸軌檢測系統(tǒng)分別檢測上行數(shù)據(jù)、下行數(shù)據(jù)在垂直方向和水平方向有較好的重復(fù)性，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計效果。

圖7 垂直精度驗證曲線圖

圖8 水平精度驗證曲線圖

圖9 垂直上下行數(shù)據(jù)重復(fù)性驗證曲線圖

圖10 水平數(shù)據(jù)重復(fù)性驗證曲線圖

4 結(jié)束語

由于接觸軌供電方式不同于接觸網(wǎng)，接觸軌幾何參數(shù)特性也不同于接觸網(wǎng)，而標(biāo)準(zhǔn)要求接觸軌正常偏差范圍為±5 mm[2，3]，對接觸軌動態(tài)檢測系統(tǒng)檢測精度要求較高，屬于精密檢測系統(tǒng)，檢測車輛在運行過程中，振動較大，而現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測誤差要控制在±2 mm，整個系統(tǒng)在運行過程中需要克服振動對檢測帶來的誤差。通過分析現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，反映效果良好，但整個系統(tǒng)的使用壽命、穩(wěn)定性、可靠性還有待進(jìn)一步驗證。

[1]陳唐龍，于滌，陳耀坤. 接觸網(wǎng)檢測車振動補償研究[J].成都：西南交通大學(xué)學(xué)報[J].1999，34，（4）：461-465.

[2]CJJ96-200，地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]于松偉.我國地鐵接觸軌技術(shù)發(fā)展綜述與研發(fā)建議[J].北京：都市快軌交通，2004，17（2）：6-11.

[4]阮秋琦，阮宇智. 數(shù)字圖像處理[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]孫鑫，余安萍. VC++深入詳解[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.