董瀚駿 龔昭赫 曾明

摘 要：本文在分析接觸式無縫鋼軌位移測量方法不足的基礎上，設計了一套非接觸式無縫鋼軌位移及溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)方案，經(jīng)現(xiàn)場測試驗證，方案可行。

關鍵詞：無縫鋼軌；縱向位移；圖像處理

中圖分類號：U216.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）05-0024-02

無縫鋼軌可以減少鋼軌與車輪間的撞擊，減少列車運行時的沖擊和振動，降低噪聲，延長列車和軌道設備的使用壽命，大幅度提高旅客乘車的舒適度，具有多方綜合效益，因此，無論是城市軌道交通還是高速鐵路都大量采用無縫鋼軌線路。

但是，鋼軌是通過扣件固定在基座上的，當鋼軌扣件的作用力不足以抵消鋼軌溫度變化所產(chǎn)生的內應力時，鋼軌便會產(chǎn)生縱向位移，由于無縫軌長度很長，這種縱向位移的累積可能造成脹軌現(xiàn)象，嚴重時還可能造成斷軌，危及行車安全。因此，實時監(jiān)測無縫軌的縱向位移以及溫度變化，對列車運營安全具有十分重大的意義。

目前，對鋼軌位移的在線監(jiān)測基本上采用的都是接觸式測量，位移傳感器（通常采用電位器式位移計、振弦式位移傳感器或者磁致伸縮式位移傳感器）一端通過夾具固定在鋼軌上，另一端固定在道床上，通過光纜將檢測信息引出至信息接收單元，然后分析處理。

接觸式測量存在以下不足：

（1）列車通過時所產(chǎn)生的振動會對測量精度產(chǎn)生影響。長期的鋼軌振動會造成位移傳感器的機械傷損，除縮短傳感器使用壽命外，還會導致測量可靠性降低。（2）布置在鋼軌和道床上的傳感器和數(shù)據(jù)采集單元極易受到損壞，一旦發(fā)生器件或線纜松脫，將給行車帶來安全隱患。

為消除接觸式測量的不足，本文介紹了一種基于非接觸式測量的測量方法。

1 非接觸式無縫鋼軌位移和溫度的測量原理

圖像測量技術是當前較為成熟和先進的非接觸測量技術，其原理是由CCD圖像傳感器對被測零件進行掃描，然后將掃描得到的零件圖型進行分析、特征提取、分類識別并進行判斷，計算并輸出檢測結果。

將高清工業(yè)數(shù)字相機固定在無縫軌旁的測量箱內，鎖定焦距和光圈，對標注在鋼軌上的測量標記成像，在不同測量時間測量標記的位置變化，即可計算出鋼軌相對于測量基準（固定相機的線路基礎）的位移變化量。測量標記為標記在鋼軌側面的直徑為40mm的紅色油漆噴涂圓斑。利用數(shù)字圖像處理算法計算出的圓心位置為數(shù)字圖像中的像素坐標位置，需要通過一定的標定算法換算成實際空間位置。由于測量相機安裝位置及焦距等參數(shù)固定，而標記圓斑的實際直徑已知，可根據(jù)擬合出的像素直徑換算出在鋼軌縱向位移方向，像素值和實際位置值之間的比例關系。

另外，將紅外溫度傳感器安裝在軌旁測量箱內，對準軌道上測量位置，實現(xiàn)對軌道溫度的非接觸式測量。因為自然界中的所有物體，當溫度高于絕對零度（-273.15℃），由于內部的熱運動，都會以不同波長的電磁波形式向外輻射能量，其波長主要處于0.8～15.0μm的紅外區(qū)內。物體紅外輻射能量的大小按其波長分布，與物體表面溫度有十分密切的關系。對物體自身輻射的紅外能量進行測量，便能準確地感知物體的表面溫度。

2 測量系統(tǒng)構建

2.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)方案如圖1所示，由軌旁數(shù)據(jù)采集單元、維修中心終端監(jiān)控單元、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡等組成。軌旁設備安裝在軌道旁邊電力支柱上或者是高架橋梁欄桿上的設備箱內，不侵入車輛行車限界，不需要在鋼軌和道床上安裝任何測量設備和線纜，不影響行車安全。位移測量相機輸出的圖像數(shù)據(jù)通過千兆網(wǎng)絡傳輸至檢測主機，進行圖像分析處理，換算成鋼軌位移數(shù)據(jù)。紅外溫度傳感器輸出的模擬量信號通過溫度信號采集設備進行調理和采集后，傳輸至檢測主機，計算成溫度信息，與鋼軌位移信息和線路位置信息一起，通過無線網(wǎng)絡傳輸至公用云服務器，保存在服務器檢測結果數(shù)據(jù)庫內。

布置在維修中心的終端監(jiān)控計算機通過線路運營公司網(wǎng)絡連接至INTERNET，實時讀取現(xiàn)場檢測結果數(shù)據(jù)，顯示檢測結果數(shù)值及變化曲線，可對檢測結果進行分析處理，超限報警提示。

2.2 軌旁數(shù)據(jù)采集單元設計

軌旁數(shù)據(jù)采集單元主要由軌道位移采集模塊、紅外溫度采集模塊、檢測主機組成。

軌道位移采集模塊由4組高清工業(yè)相機及照明光源組成的，分別對同一測量斷面處上下行線路各兩條鋼軌進行測量，測量相機采用分辨率為640*480的工業(yè)數(shù)字相機，該相機外形尺寸僅為29mm*29mm，具有小巧，可靠性高的特點，能滿足軌道位移現(xiàn)場測量條件的要求。相機鏡頭采用C—Mount工業(yè)鏡頭，焦距根據(jù)相機安裝位置距被測軌道距離確定。照明光源采用LED聚光光源。

紅外溫度傳感器采用OS211-LT型紅外傳感器，測量溫度范圍-20℃～100℃，測量精度±1℃，輸出信號4～20mA。傳感器采用不銹鋼封裝，緊固牢靠，環(huán)境適用性好。溫度信號采集設備采用DAM-3058R數(shù)據(jù)采集模塊，8通道差分模擬量輸入，能滿足每個檢測位置4路溫度信號的采集，采樣頻率10Hz，精度0.2%，通信接口RS485/RS232。

檢測主機采用研華ARK-1123型嵌入式無風扇工控機，CPU為INTEL E3825雙核處理器，內存4GB，帶千兆以太網(wǎng)接口1個，串行通信接口2個，尺寸為133.8x43.1x94.2mm。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸方式選擇

軌道位移和溫度數(shù)據(jù)采集單元分布在無縫鋼軌軌道線路沿線，數(shù)據(jù)傳輸量小，可根據(jù)需要設置為每分鐘至每小時傳輸一次數(shù)據(jù)，每個測量位置每次測量數(shù)據(jù)量僅為20字節(jié)左右，可采用移動電話GPRS網(wǎng)絡來實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時傳輸。

本方案采用宏電H7210 DTU無線數(shù)據(jù)終端，通過RS232接收檢測主機處理好的檢測結果數(shù)據(jù)信息，由GPRS網(wǎng)絡傳輸至軌道位移溫度監(jiān)測云平臺數(shù)據(jù)庫。H7210 DTU內嵌內嵌PPP、TCP/IP 協(xié)議棧，支持RTU與DSC透明數(shù)據(jù)傳輸，支持TCP/UDP/短信三種通信方式，采用工業(yè)化設計，支持在惡劣的工業(yè)化環(huán)境下提供高速、永遠在線的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 終端監(jiān)控功能設計

系統(tǒng)終端監(jiān)控軟件可部署在維修中心任意能連接INTRNET的工作電腦上，主要功能包括：實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示，軌道位移計溫度的變化曲線實時顯示，監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)的對比查看，監(jiān)測的數(shù)據(jù)超限報警，超限數(shù)據(jù)設置，數(shù)據(jù)傳輸頻率的設置等。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本文所設計的非接觸式無縫鋼軌位移和溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在某地鐵線路預計軌道位移變化較大的高架橋橋梁接頭路段進行了測試運行，結果如圖2和圖3所示。

解讀圖中數(shù)據(jù)可知，在測量時間段內，溫度的最大變化為30℃左右，內側鋼軌最大位移量變化為43mm，外側鋼軌最大變化量為37mm。雖然內外側鋼軌測量零點設置不同，但鋼軌位移變化基本一致，且與溫度變化趨勢一致。

4 結語

本文介紹了利用圖像處理和紅外測溫方法測量無縫鋼軌位移和溫度的在線監(jiān)測方法，完成了系統(tǒng)方案設計。該方案經(jīng)現(xiàn)場實際測試運行，監(jiān)測結果數(shù)據(jù)準確，能滿足無縫鋼軌位移長期在線監(jiān)測的目的。

參考文獻

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