王正權(quán)　上海鐵路局科研所

1　引言

隨著鐵路的大提速以及高速鐵路的迅速發(fā)展，對(duì)鐵路站臺(tái)限界管理提出了更高的要求。運(yùn)營(yíng)中的線路路基會(huì)存在不同程度的沉降，另外站臺(tái)也會(huì)存在不同程度沉降、變形等現(xiàn)象，從而影響到站臺(tái)與線路的相對(duì)位置，站臺(tái)位置超限時(shí)可能會(huì)影響動(dòng)車組車門的開(kāi)啟和關(guān)閉，嚴(yán)重超限時(shí)可能會(huì)發(fā)生車體擦刮等安全事故。房建段作為路局建筑限界的管理單位，負(fù)責(zé)對(duì)建筑限界進(jìn)行技術(shù)管理和日常維護(hù)，有序?qū)嵤┙ㄖ藿绲墓芾?、監(jiān)控工作，承擔(dān)著大量繁重的站臺(tái)限界測(cè)量任務(wù)，為了適應(yīng)鐵路高速發(fā)展帶來(lái)的對(duì)站臺(tái)限界測(cè)量的變化，急需一種效率高、測(cè)量準(zhǔn)確性高、勞動(dòng)強(qiáng)度低的先進(jìn)測(cè)量?jī)x器設(shè)備。

2　技術(shù)要求

站臺(tái)建筑限界包括站臺(tái)豎高（縱向尺寸）和站臺(tái)軌心距（橫向尺寸）,軌心距：以軌道面為測(cè)量基準(zhǔn)，站臺(tái)側(cè)立面中最近點(diǎn)至軌道中垂面的距離；豎高：以軌面為為測(cè)量基準(zhǔn)，站臺(tái)頂面距邊緣0mm～100mm的范圍中最高點(diǎn)距軌道平面的距離；軌距：鋼軌頭部踏面下16mm范圍內(nèi)兩股鋼軌工作邊之間的最小距離(直線軌距標(biāo)準(zhǔn)為1435mm)。

站臺(tái)限界測(cè)量小車適用的測(cè)量對(duì)象為客運(yùn)專線鐵路站臺(tái)，能夠測(cè)量其所處位置的軌心距、豎高和軌距，并記錄站臺(tái)限界測(cè)量小車經(jīng)過(guò)的里程，其測(cè)量范圍必需滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》與《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建筑限界》規(guī)定的站臺(tái)建筑限界要求，并符合《鐵路建筑實(shí)際限界測(cè)量和數(shù)據(jù)格式》規(guī)定的測(cè)量允許偏差的要求。

具體測(cè)量范圍是：（1）軌心距測(cè)量范圍1500mm～2000 mm，最大允許偏差-20mm～0mm；（2）豎高測(cè)量范圍1000 mm～1400mm ，最大允許偏差 0mm～20mm；（3）軌距測(cè)量范圍1410mm～1470mm，最大允許偏差±0.5mm。

3　技術(shù)原理

3.1　測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

搭建標(biāo)定平臺(tái)，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，對(duì)軌距、超高的基準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的傳感器碼值進(jìn)行定標(biāo)，并建立照片像素與激光發(fā)生器發(fā)出的激光所在的斷面內(nèi)的實(shí)際尺寸的映射關(guān)系。

3.2　信號(hào)采集系統(tǒng)

推行測(cè)量小車時(shí)，下位機(jī)實(shí)時(shí)采集車架姿態(tài)信息（車架傾角、位移傳感器值）和推行距離（里程編碼值）并上傳給上位機(jī)。

3.3　視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)采集圖像

激光發(fā)生器發(fā)出激光線，在站臺(tái)表面和側(cè)面形成一條激光輪廓線，當(dāng)測(cè)量小車推行距離達(dá)到設(shè)定里程間隔時(shí)，上位機(jī)控制相機(jī)進(jìn)行拍攝成像，相機(jī)將圖像信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)接口存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存。

3.4　視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算限界尺寸

上位機(jī)上的數(shù)據(jù)分析處理軟件對(duì)所采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取站臺(tái)輪廓信息，并通過(guò)查表計(jì)算出站臺(tái)相對(duì)于測(cè)量小車的相對(duì)尺寸，最終換算得出站臺(tái)相對(duì)于線路的限界尺寸值（軌心距和高度）以及線路幾何尺寸（軌距、里程等）。

3.5　站臺(tái)限界管理系統(tǒng)生成報(bào)表

當(dāng)完成整個(gè)站臺(tái)的測(cè)量后，站臺(tái)限界管理系統(tǒng)形成數(shù)據(jù)報(bào)表，并可按對(duì)應(yīng)里程值自動(dòng)繪制出整個(gè)站臺(tái)的高度和軌心距曲線。

4　關(guān)鍵技術(shù)的研究

4.1　測(cè)量方法

站臺(tái)限界測(cè)量方法主要包含接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量。測(cè)量基準(zhǔn)主要以大地為基準(zhǔn)和以軌面為基準(zhǔn)。站臺(tái)限界測(cè)量小車以軌道面為測(cè)量基準(zhǔn)面，采用基于機(jī)器視覺(jué)的非接觸式動(dòng)態(tài)測(cè)量方式，通過(guò)線激光發(fā)生器發(fā)射的激光在站臺(tái)上形成站臺(tái)輪廓線，由高分辨率的工業(yè)面陣相機(jī)攝取圖像，經(jīng)圖像識(shí)別處理后，綜合軌道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)最終獲得限界數(shù)值，即測(cè)量人員推著測(cè)量小車沿站臺(tái)前進(jìn)，系統(tǒng)按照設(shè)定可靜態(tài)定點(diǎn)或定距間隔自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，示意圖見(jiàn)圖1。

圖1　測(cè)量原理示意圖

要測(cè)量到精準(zhǔn)的限界數(shù)據(jù)，必須對(duì)站臺(tái)輪廓上的所有相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，而傳統(tǒng)的激光測(cè)距也只能滿足逐點(diǎn)測(cè)量要求，完成一個(gè)完整的站臺(tái)輪廓尺寸數(shù)據(jù)測(cè)量，耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，且只能滿足靜測(cè)?；跈C(jī)器視覺(jué)的非接觸式測(cè)量方式因采用工業(yè)面陣相機(jī)攝取站臺(tái)輪廓線圖像，數(shù)據(jù)一次采集完畢，時(shí)間短，效率高，從而可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

4.2　車體結(jié)構(gòu)及外觀設(shè)計(jì)

基本思路：能在鋼軌上推行，并滿足對(duì)高速鐵路站臺(tái)的限界尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)需求，外形美觀、拆裝方便、操作簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、測(cè)量數(shù)據(jù)可靠的新一代站臺(tái)限界測(cè)量小車，為此，設(shè)計(jì)中著重研究解決影響其性能的如下幾種因素：

4.2.1小車走行平順性

車架底部采用H形走形機(jī)構(gòu)，橫向裝有彈性適度的伸縮機(jī)構(gòu)，保證了動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)站臺(tái)限界測(cè)量小車車體的穩(wěn)定性，既能在線路上平穩(wěn)推行、不脫軌，又能始終保持與線路的相對(duì)垂直密貼姿態(tài)。

4.2.2相機(jī)架穩(wěn)固及拆裝精度

相機(jī)架采用三角形支柱鋼結(jié)構(gòu)，確保了支架穩(wěn)固不變形，與H形走行機(jī)構(gòu)用導(dǎo)柱定位、面接觸穩(wěn)定連接，確保拆裝精度。

4.2.3底部同一水平基準(zhǔn)

經(jīng)過(guò)精密定標(biāo)，確保走形機(jī)構(gòu)兩側(cè)共4個(gè)走行輪在同一水平面、兩側(cè)的3個(gè)導(dǎo)向輪也在同一水平面。

4.2.4站臺(tái)限界測(cè)量小車絕緣性

底部采用分體式結(jié)構(gòu)，兩部分聯(lián)結(jié)體之間用加裝絕緣墊片，所有車輪采用尼龍材料，兩級(jí)隔離確保車體與軌道絕緣，從而不影響電務(wù)軌道電路工作。

4.2.5激光器、相機(jī)的精密調(diào)整

安裝位置設(shè)置固定鎖死機(jī)構(gòu)，確保射出的激光形成的斷面與車體垂直.可調(diào)整焦距和亮度，確保成像精度。

4.2.6外觀整體化

電子電路大都封裝在殼體內(nèi)，整體性好，防護(hù)性強(qiáng)，外型簡(jiǎn)潔，可以避免電子裝置因外露而被碰撞損壞。

4.3　采集軌道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和圖像標(biāo)定

4.3.1傳感器選型及標(biāo)定

采用高精度位移傳感器、里程編碼器和傾角傳感器等手段采集軌道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，參考了相關(guān)技術(shù)資料后，選定了KTS-100位移傳感器，分辨率：0.001mm、線性精度：±0.1%、重復(fù)精度：0.013mm；里程傳感器型號(hào)：SCM-S101G-1212-C100-CAW，編碼種類：格雷碼，時(shí)鐘頻率：100kHz～2MHz每轉(zhuǎn)分辨率：12Bits。傾角傳感器型號(hào)：DA-A-15，測(cè)量范圍：±15°，測(cè)量精度：≤0.005°(含溫度補(bǔ)償)。這些技術(shù)指標(biāo)完全滿足技術(shù)要求。

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行組裝定型后，在標(biāo)準(zhǔn)軌距、超高檢定臺(tái)上進(jìn)行軌距、超高和里程的標(biāo)定，軌距分別選擇軌距值為1410mm、1435mm、1470mm三組參量對(duì)軌距測(cè)量單元線性度標(biāo)定。站內(nèi)線路的軌道超高一般在-150mm～+150mm之間，所以軌道分別選擇軌距值為-150mm、0mm、+150mm三組參量對(duì)超高測(cè)量單元線性度標(biāo)定。

4.3.2圖像坐標(biāo)映射關(guān)系確立

圖像坐標(biāo)映射關(guān)系確立至關(guān)重要，它關(guān)系到測(cè)量的精度，另外實(shí)物成像后，其圖像坐標(biāo)不是均值分布的，所以視覺(jué)定標(biāo)系統(tǒng)需經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)驗(yàn)證，為此，在圖像處理和標(biāo)定中最終采用透視變換法。透視變換是指利用透視中心、像點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)三點(diǎn)共線的條件，按透視旋轉(zhuǎn)定律使承影面（透視面）繞跡線（透視軸）旋轉(zhuǎn)某一角度，破壞原有的投影光線束，仍能保持承影面上投影幾何圖形不變的變換,常用于圖象的校正。一個(gè)二維平面圖像經(jīng)過(guò)透視變換，成為另一個(gè)平面圖像，這個(gè)過(guò)程可以由下式定義：

其中：

（x，y）是參考圖像坐標(biāo)系中的象素坐標(biāo)。

（u，v）是變換圖像坐標(biāo)系中相應(yīng)的象素坐標(biāo)。

a，b，c，d，e，f，g和h是變換系數(shù)。

給定4個(gè)點(diǎn)及其相應(yīng)的變換空間的點(diǎn)，就可以得到8個(gè)線性方程，只要其中的所有的任意三個(gè)點(diǎn)都不在一條直線上，就可以解出8個(gè)變換參數(shù)，從而得到透視變換前后的變換關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形透視變換后的空間坐標(biāo)定位而達(dá)到還原圖形的目的（見(jiàn)圖2）。通過(guò)這種方法確保規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)圖像中的像素位置與實(shí)際激光橫斷面的空間位置準(zhǔn)確。

圖2　透視變換前后對(duì)比圖

5　系統(tǒng)構(gòu)成

站臺(tái)限界測(cè)量小車的結(jié)構(gòu)主體是一個(gè)可拆分的金屬車架，如圖3所示。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制其安裝的測(cè)量部件實(shí)現(xiàn)對(duì)站臺(tái)限界的測(cè)量，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖4所示。

圖3　站臺(tái)限界測(cè)量小車

圖4　系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

站臺(tái)限界測(cè)量小車按照功能劃分，主要由H形走形機(jī)構(gòu)、信號(hào)采集系統(tǒng)、視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)和站臺(tái)限界管理軟件四部分組成。其中：

（1）H形走行機(jī)構(gòu)是站臺(tái)限界測(cè)量小車的車架的底部機(jī)構(gòu)，是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的基準(zhǔn)平臺(tái)，能始終保持與線路的相對(duì)垂直密貼姿態(tài)。

（2）信號(hào)采集系統(tǒng)由位于車架內(nèi)部的下位機(jī)(微型計(jì)算機(jī))和位移、里程、傾角傳感器等組成，主要負(fù)責(zé)采集站臺(tái)限界測(cè)量小車在各測(cè)量點(diǎn)位時(shí)各傳感器的數(shù)值并通過(guò)RS232通訊發(fā)送至上位機(jī)。

（3）視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)由車架豎梁上的線激光發(fā)生器、工業(yè)面陣相機(jī)和安裝在推手上的上位機(jī) (筆記本電腦或手簿)組成，主要負(fù)責(zé)采集處理站臺(tái)圖像，并解析、計(jì)算出各測(cè)量點(diǎn)位站臺(tái)相關(guān)限界尺寸。

（4）站臺(tái)限界管理系統(tǒng)即安裝于上位機(jī)中的站臺(tái)限界管理軟件，主要整理相關(guān)數(shù)據(jù)文件和圖表，匯總車站所有站臺(tái)的限界測(cè)量數(shù)據(jù)，并按照站臺(tái)限界管理部門的需求形成相關(guān)報(bào)表，站臺(tái)限界管理軟件的操作界面主要由主界面、信息錄入界面、參數(shù)設(shè)置和傳感器標(biāo)定及數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表等構(gòu)成。

6　結(jié)束語(yǔ)

2016年8月小車先后在上海北郊站、上海西站、上海虹橋站、滬寧城際花橋站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)與手工傳統(tǒng)測(cè)量、站臺(tái)尺等進(jìn)行靜態(tài)比對(duì)，以及動(dòng)、靜態(tài)重復(fù)性測(cè)量等試驗(yàn)，小車基本滿足測(cè)量要求。隨著高速鐵路客運(yùn)專線不斷建成開(kāi)通，站臺(tái)數(shù)量越來(lái)越多，目前現(xiàn)有傳統(tǒng)站臺(tái)限界測(cè)量方法和設(shè)備已無(wú)法滿足實(shí)際需求。高速鐵路站臺(tái)限界測(cè)量小車具有測(cè)量效率與精度高的優(yōu)點(diǎn)，具備測(cè)量數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、分析、統(tǒng)計(jì)和管理等功能，小車投入使用后，可大大提升站臺(tái)限界的測(cè)量作業(yè)效率。