程朝陽 趙延峰 劉正毅 強偉樂 張建 魏世斌

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所，北京 100081

地鐵的主要供電方式有第三軌（又稱接觸軌，見圖1）供電和架空接觸網(wǎng)供電。與后者相比，第三軌供電具有建設成本低、使用壽命長、維護方便、對城市景觀影響小等優(yōu)點。第三軌和走行軌的幾何位置關系到第三軌的受流性能［1］，直接影響地鐵運營的安全和效率，故第三軌的定期檢測維護十分必要。目前第三軌的檢測主要采用傳統(tǒng)的人工測量方式，效率低，誤差大，且數(shù)據(jù)管理不便。

圖1 第三軌位置

地鐵第三軌檢測系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光圖像處理技術，可以提高檢測速度和精度［2］，減少人工測量的工作量。其主要測量參數(shù)為第三軌拉出值和導高。拉出值指同一橫斷面內(nèi)第三軌的軌距點距離軌道中心線的橫向距離，導高指同一橫斷面內(nèi)第三軌的軌頂點距離軌道中心線的垂向距離。

受線路環(huán)境和牽引力的影響，檢測梁會發(fā)生側(cè)滾、搖頭和振動［3］，所以檢測梁相對于軌道的空間位置隨時在發(fā)生變化。第三軌線激光像機組件和走行軌線激光像機組件安裝于轉(zhuǎn)向架端部的同一檢測梁，分別檢測第三軌和走行軌，并對第三軌幾何參數(shù)進行補償，消除檢測梁姿態(tài)變化引起的誤差，從而得到較為精確的第三軌幾何參數(shù)。

1 地鐵第三軌檢測系統(tǒng)設計

地鐵第三軌檢測系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。車廂內(nèi)安裝QNX（Quick UNIX）實時處理單元、圖像處理單元以及數(shù)據(jù)處理單元。

圖2 地鐵第三軌檢測系統(tǒng)架構(gòu)

QNX實時處理單元安裝有QNX實時操作系統(tǒng)、計數(shù)器卡和CAN（Controller Area Network）數(shù)據(jù)通信卡［4］。由QNX實時處理單元觸發(fā)圖像處理單元中的圖像采集卡，同步采集第三軌和走行軌的圖像信號。同時采用2臺圖像處理機分別處理第三軌和走行軌的圖像數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)的處理速度。QNX實時處理單元接收來自車輪軸端的編碼器脈沖，通過計算按0.25 m間隔發(fā)出脈沖信號，控制第三軌和走行軌的圖像采集和處理，并接收圖像處理機輸出的軌距點和軌頂點數(shù)據(jù)，進而合成第三軌的幾何參數(shù)。發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元，供用戶使用。

2 實時處理算法

2.1 第三軌幾何參數(shù)采集與處理

走行軌的單邊軌距和高低的測量由左右走行軌線激光像機組件完成。第三軌軌面向下，距走行軌軌面的垂直距離僅200 mm，內(nèi)側(cè)面有尼龍防護罩遮擋，相機測量空間受到限制。同時第三軌檢測系統(tǒng)的相機安裝位置必須滿足車輛限界要求和GB 50157—2003《地鐵設計規(guī)范》中轉(zhuǎn)向架上部組件距第三軌凈距大于150 mm的要求。目前主流的工業(yè)相機和激光器因安裝空間不夠不便拍攝，因此在線激光攝像組件中采用直角棱鏡，對激光器和相機鏡頭前的光路進行90°偏轉(zhuǎn)，如圖3所示。

圖3 工業(yè)相機安裝位置

走行軌的線激光攝像組件從軌道的斜上方拍攝，相機視窗內(nèi)鋼軌斷面的圖像清晰，上部圖像無遮擋，在提取軌道特征點時可以軌頂面為基準，先提取圖像中的軌頂點，然后在軌頂點以下16 mm處找出軌距點。測量第三軌時因第三軌軌面朝下，內(nèi)側(cè)面有防護罩、支撐架和其他設施，軌頂面區(qū)域的圖像易受其他因素干擾。從現(xiàn)場采集的圖像來看，第三軌內(nèi)側(cè)邊緣不受磨損，特征穩(wěn)定［5］，因此將其作為鋼軌特征點提取基準。采用圖像匹配的方式找出第三軌內(nèi)側(cè)邊緣，可以更加精準找出第三軌的軌距點和高低點。

圖像匹配主要包括灰度匹配［6］和幾何特征匹配［7-8］兩種?；叶绕ヅ渌俣瓤欤杉牡谌増D像需要和對比模板中的角度、大小相近；幾何特征匹配耗時較長，在第三軌的角度和圖像變化較大時依然可以和模板準確匹配。綜合檢測車在運行時其相對于軌道的位置、角度均在發(fā)生變化，因此選用恰當?shù)哪０?，并采用灰度匹配和幾何特征匹配相結(jié)合的方式，在不同位置及存在陽光干擾、軌面不清晰等狀態(tài)下仍能快速準確地檢測第三軌。

2.2 車體振動補償技術

1#、2#線激光攝像組件用于跟蹤走行軌的特征點，3#、4#線激光攝像組件用于跟蹤第三軌的特征點。將傳感器、檢測梁看作剛體，1#、2#線激光攝像組件測量該剛體相對軌道的偏移量，補償3#、4#線激光攝像組件測量的第三軌幾何參數(shù)。

軌道橫截面方向軌距點連線的中心點為O′w（圖4），過O′w垂直于鋼軌截面作O′wz′w，O′wx′w與O′wz′w垂直，建立全局坐標系O′wx′wy′wz′w。列車靜止時，建立靜態(tài)坐標系O′0x′0y′0z′0。兩坐標系的平面O′0x′0y′0、O′wx′wy′w重合。

圖4 全局坐標系及靜態(tài)坐標系

無論是列車靜止時還是在行駛過程中，1#、2#線激光攝像組件均可準確測量走行軌軌距點距檢測梁水平距離的變化量以及軌頂點距檢測梁垂直距離的變化量。設1#線激光攝像組件的測量值為x′1、y′1，2#線激光攝像組件的測量值為x′2、y′2，則靜態(tài)坐標系原點O′0在全局坐標系O′wx′wy′wz′w中的坐標為

式中：O1O2為檢測梁的長度。

設列車行駛過程中1#線激光攝像組件的測量值為x1、y1，2#線激光攝像組件的測量值為x2、y2，則動態(tài)坐標系O0x0y0z0（圖5）的原點O0在全局坐標系O′wx′wy′wz′w中的坐標為

圖5 動態(tài)坐標系

列車行駛過程中檢測梁沿著x0軸、y0軸的偏移量分別為x和y。經(jīng)過坐標系轉(zhuǎn)換得到

將x和y作為振動修正分量，對動態(tài)坐標系中測量的第三軌數(shù)據(jù)進行修正，即可得到全局坐標系中第三軌的拉出值及導高。

3 第三軌檢測系統(tǒng)準確度驗證與應用

3.1 實驗室驗證

3.1.1 第三軌導高、拉出值靜態(tài)準確度驗證

根據(jù)第三軌檢測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝和應用情況設計了等間距陣列標定針板，分別對第三軌和走行軌的線激光攝像組件進行標定。標定完成后，首先采用在鋼軌內(nèi)側(cè)貼標準量塊的方法［9］對線激光攝像組件的標定結(jié)果進行驗證。然后將可移動的標定靶頭（圖6）安裝在第三軌線激光攝像組件的標定插槽中，分別橫向、垂向移動靶頭到不同位置，通過波形軟件查看左（右）第三軌拉出值、導高的變化，驗證第三軌拉出值、導高的靜態(tài)檢測精度。

圖6 第三軌檢測系統(tǒng)靜態(tài)準確度實驗室驗證

3.1.2 第三軌導高、拉出值動態(tài)準確度驗證

為了驗證第三軌拉出值、導高的動態(tài)準確度［10］，在實驗室搭建了第三軌測試環(huán)境（圖7），檢測梁安裝在六自由度高精度電動平臺上，第三軌和走行軌保持不動，檢測梁橫向、垂向以固定幅值、頻率進行正弦振動，驗證系統(tǒng)測量結(jié)果是否小于規(guī)定閾值。

圖7 第三軌檢測系統(tǒng)動態(tài)準確度實驗室驗證

檢測梁分別以橫向40 mm、垂向30 mm幅值正弦波形式振動時第三軌拉出值、導高的輸出值（圖8）與標準值（第三軌與走行軌保持靜止時標準值為0）的最大誤差分別為0.8、0.7 mm，滿足系統(tǒng)檢測精度（±2 mm）的要求。實際上列車行駛過程中僅第三軌彎頭部分垂向位置變化較大，其他地方第三軌和走行軌的垂向位置變化較小。

圖8 檢測梁正弦振動時第三軌檢測系統(tǒng)輸出結(jié)果

3.2 現(xiàn)場應用

在無錫地鐵試驗線上選取兩處第三軌檢測系統(tǒng)檢測值較大的超限區(qū)段，采用第三軌檢測尺進行人工復核。第三軌檢測系統(tǒng)的檢測值與現(xiàn)場復核值非常接近，見圖9。

圖9 第三軌檢測系統(tǒng)檢測值與現(xiàn)場復核值對比

3.3 動態(tài)重復性

2014年5月采用第三軌檢測系統(tǒng)對無錫地鐵1號線上下行線K3—K7連續(xù)5 km進行動態(tài)檢測。參考TJ/GW 126—2014《軌道檢測系統(tǒng)暫行技術條件》，對兩次檢測結(jié)果差值的95%分位數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1?？梢姡鹤笥覍Ц?、拉出值差值的95%分位數(shù)均小于0.6 mm。說明該系統(tǒng)檢測結(jié)果重復性較好。

表1 兩次檢測結(jié)果差值的95%分位數(shù) mm

4 結(jié)語

基于結(jié)構(gòu)光圖像處理技術和車體振動補償技術的地鐵第三軌檢測系統(tǒng)通過數(shù)次實驗室動靜態(tài)測試，檢測精度均滿足現(xiàn)場要求，已應用于無錫地鐵1號線的定期檢測。該系統(tǒng)有助于合理制定養(yǎng)護維修決策，打造安全、高效、經(jīng)濟的軌道交通。