周子強(qiáng) 王睿 葛暢

摘 要：目前，輪對(duì)綜合參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置的研制已成為我國(guó)數(shù)字化鐵路的一個(gè)主要研究方向，開(kāi)發(fā)出安全性高、測(cè)量速度快、精度高的車(chē)輛輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為實(shí)際輪對(duì)檢測(cè)工作中的迫切需求。為能夠有效推動(dòng)我國(guó)高速列車(chē)的進(jìn)一步快速發(fā)展，本文提出了基于面投射踏面磨損測(cè)量預(yù)警系統(tǒng)，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：面投射;踏面磨損;測(cè)量預(yù)警系統(tǒng)

0 引言

如今，輪對(duì)綜合參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置的研制已成為我國(guó)數(shù)字化鐵路的一個(gè)主要研究方向，開(kāi)發(fā)出安全性高、測(cè)量速度快、精度高的車(chē)輛輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為實(shí)際輪對(duì)檢測(cè)工作中的迫切需求?；谏鲜霭l(fā)展背景，本文旨在利用激光照射投影，利用圖像處理技術(shù)將所得影像與標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)踏面進(jìn)行對(duì)比，以最終判斷輪對(duì)損耗情況這一基本原理，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)包含列車(chē)速度檢測(cè)、圖像信息采集、中央信息處理和踏面磨損預(yù)警四大模塊的高速車(chē)輛輪對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備，從而推動(dòng)我國(guó)高速列車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)為“交通強(qiáng)國(guó)”建設(shè)助力。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的大量研究主要集中在列車(chē)輪對(duì)磨耗監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)方面，對(duì)于輪對(duì)綜合參數(shù)的檢測(cè)方法可以分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

1.1 靜態(tài)檢測(cè)方法

車(chē)輛輪對(duì)靜態(tài)檢測(cè)技術(shù)是指鐵路車(chē)輛的輪對(duì)在檢修過(guò)程中，從車(chē)輛上卸下，用相應(yīng)的檢測(cè)儀器或裝置進(jìn)行測(cè)量，此種方法雖然精度較高，但是效率很低。國(guó)內(nèi)外靜態(tài)檢測(cè)方法主要包括專(zhuān)用卡尺法 、基于平行四邊形機(jī)構(gòu)的輪對(duì)自動(dòng)測(cè)量裝置等。

1.2 動(dòng)態(tài)測(cè)量方法

動(dòng)態(tài)檢測(cè)是指在車(chē)輛行進(jìn)時(shí)進(jìn)行的測(cè)量，具有精度穩(wěn)定、效率較高、檢測(cè)自動(dòng)化程度高和不占用車(chē)輛周轉(zhuǎn)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)測(cè)量方法主要包括超聲遙測(cè)檢測(cè)裝置、加速度峰值評(píng)法、基于圖像的自動(dòng)檢測(cè)方法等。

2 基于面投射踏面磨損測(cè)量預(yù)警系統(tǒng)分析

本項(xiàng)目從操作方便性、安全性、測(cè)量速度、測(cè)量精度等方面出發(fā)，對(duì)高速列車(chē)輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)展開(kāi)研究，針對(duì)目前高速列車(chē)輪對(duì)人工檢修方法存在的問(wèn)題我國(guó)鐵路部門(mén)環(huán)境特點(diǎn)，以及輪對(duì)綜合參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置的研制進(jìn)程進(jìn)行分析，以此進(jìn)行測(cè)量方法的不斷修正，從而開(kāi)發(fā)出一套真正適應(yīng)于高速列車(chē)實(shí)際運(yùn)行情況下的基于面投射踏面磨損測(cè)量預(yù)警系統(tǒng)。

本項(xiàng)目包含列車(chē)速度監(jiān)測(cè)模塊、輪對(duì)踏面監(jiān)測(cè)的圖像信息采集模塊、中央處理模塊和踏面磨耗預(yù)警模塊。其中，基于面投射踏面磨損測(cè)量預(yù)警系統(tǒng)的模塊示意圖，如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)模塊

2.1.1 列車(chē)速度監(jiān)測(cè)模塊

擬用速度傳感器采集列車(chē)速度，列車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有速度閾值，該閾值為查閱資料所得列車(chē)進(jìn)站時(shí)速度限制，當(dāng)監(jiān)測(cè)到列車(chē)速度等于或低于此值時(shí)，輪對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始工作。

2.1.2 圖像信息采集模塊

該模塊包括平行激光束、接收屏和攝像頭，由安裝在轉(zhuǎn)向架上的接收屏獲得平行激光束照射后得到的踏面輪廓投影，再由攝像頭采集得到踏面輪廓曲線(xiàn)圖像并通過(guò)線(xiàn)路傳至中央處理模塊。

2.1.3 中央處理模塊

輪廓曲線(xiàn)圖像由樹(shù)莓派保存，通過(guò)輪廓提取算法處理得到真實(shí)踏面輪廓曲線(xiàn)，以標(biāo)準(zhǔn)的踏面輪廓曲線(xiàn)作為對(duì)比曲線(xiàn)，以上為圖像預(yù)處理階段，輪廓對(duì)比階段將兩曲線(xiàn)通過(guò)形狀匹配算法處理，得到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏移量、匹配度等匹配參數(shù)，從而得以分析磨耗情況。

2.1.4 踏面磨耗預(yù)警模塊

由中央處理模塊最終的分析結(jié)果判斷是否作出預(yù)警處理，預(yù)警信息發(fā)送至駕駛室顯示屏及有關(guān)維修管理人員處。

2.2 系統(tǒng)的工作原理

基于面投射踏面磨損測(cè)量預(yù)警系統(tǒng)的工作原理為：第一，使用平行激光源沿車(chē)輪踏面切線(xiàn)方向照射車(chē)輪踏面，在另一側(cè)接收屏上得到車(chē)輪踏面輪廓二維投影曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)反映踏面輪廓的真實(shí)形狀;第二，使用樹(shù)莓派作為移動(dòng)信息處理平臺(tái)，高分辨率攝像機(jī)作為信息采集設(shè)備，對(duì)投影得到踏面輪廓曲線(xiàn)進(jìn)行拍攝、儲(chǔ)存;第三，使用去噪技術(shù)、輪廓提取技術(shù)處理踏面輪廓曲線(xiàn)圖片，以車(chē)輪徑向?yàn)榭v坐標(biāo)，得到在平面坐標(biāo)系下踏面輪廓曲線(xiàn)的點(diǎn)集;第四，通過(guò)對(duì)相機(jī)的標(biāo)定，計(jì)算輪廓曲線(xiàn)的實(shí)際參數(shù);第五，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)得到與前述輪廓表示方法相同的標(biāo)準(zhǔn)踏面輪廓曲線(xiàn)的表示;確定系統(tǒng)誤差的影響，制定踏面輪廓曲線(xiàn)偏差閾值;第六，計(jì)算實(shí)際踏面輪廓曲線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)縱坐標(biāo)方向的偏差，各點(diǎn)偏差、平均偏差等參數(shù)與閾值對(duì)比確定踏面磨損情況，根據(jù)情況制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案。

通過(guò)有效運(yùn)用基于面投射踏面磨損測(cè)量預(yù)警系統(tǒng)，能夠有效解決動(dòng)車(chē)車(chē)輪踏面參數(shù)的非接觸測(cè)量、磨損情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中包含：第一，踏面輪廓曲線(xiàn)各點(diǎn)坐標(biāo)的精確計(jì)算;第二，分析列車(chē)行駛過(guò)程中不可避免的震動(dòng)影響，分析采集圖像中邊緣色彩不明確的影響;第三， 控制圖像采集區(qū)域光照環(huán)境，保證圖像采集設(shè)備的工作環(huán)境;第四，分析圖像中邊緣色彩不明確帶來(lái)的系統(tǒng)誤差;第五，合理控制采樣時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪圓周上各采樣點(diǎn)的均勻分布。

2.3 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)與特色

基于面投射踏面磨損測(cè)量預(yù)警系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)與特色，主要包括：

第一，多樣性，即采用多種設(shè)備和融合多種算法，輪對(duì)踏面圖像監(jiān)測(cè)具有快速、高精度、實(shí)時(shí)和非接觸式的特點(diǎn)，且具有較強(qiáng)的抗干擾性; 第二，直接性，即本研究的車(chē)輪踏面形狀獲得方法直接，并對(duì)其進(jìn)行細(xì)化處理，能得到更為準(zhǔn)確的圖像信息; 第三，低成本，即本系統(tǒng)研究采用的設(shè)備成本較低、同時(shí)本系統(tǒng)節(jié)約了大量的管理時(shí)間及費(fèi)用，符合鐵路部門(mén)當(dāng)前自動(dòng)化管理的發(fā)展趨勢(shì); 第四，及時(shí)性，即在判斷依據(jù)方面，本研究采取定量分析方法，通過(guò)形狀匹配算法快速獲取相對(duì)于正常輪對(duì)的匹配參數(shù)，分析判斷及時(shí)性高; 第五，精準(zhǔn)性，即本研究考慮到了列車(chē)運(yùn)行時(shí)輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架間相對(duì)位移的影響，通過(guò)圖像識(shí)別中的插值處理抵消車(chē)輪振動(dòng)的影響，使得檢測(cè)結(jié)果更為精準(zhǔn)，能夠及時(shí)預(yù)警; 第六，方便性，即本系統(tǒng)的圖像提取設(shè)備裝于轉(zhuǎn)向架上，圖像信息直接通過(guò)線(xiàn)路傳輸?shù)街醒胩幚碓O(shè)備，使用和管理更為方便。

2.4 系統(tǒng)運(yùn)用的預(yù)期效果

基于面投射踏面磨損測(cè)量預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)用的預(yù)期效果，主要包括：第一，激光光源平行度好、光照方向與車(chē)輪切線(xiàn)平行度誤差小;第二，接收屏上成像清晰、無(wú)外界環(huán)境光影響;第三，所得踏面輪廓曲線(xiàn)圖像邊緣清晰;第四，圖像采集設(shè)備定位準(zhǔn)確;第五，實(shí)現(xiàn)快速的、高精度的、非接觸的、實(shí)時(shí)的、抗干擾性強(qiáng)的車(chē)輪踏面參數(shù)檢測(cè)及磨損情況分析，實(shí)時(shí)保證列車(chē)行駛條件，幫助制定修程，幫助分析車(chē)輪磨損原因。

3 小結(jié)

綜上所述，本文提出的基于面投射踏面輪廓的檢測(cè)方法，相對(duì)于大多數(shù)線(xiàn)型激光檢測(cè)方法有著更高的檢測(cè)精度，將得到的輪廓曲線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線(xiàn)對(duì)比，數(shù)據(jù)處理更為簡(jiǎn)便，能夠更快得出檢測(cè)判斷結(jié)果。

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