杜彤彤

（華北水利水電大學(xué)，鄭州 450011）

1 技術(shù)背景

道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備能否正常工作直接影響到鐵路運(yùn)輸是否高效、有序、安全地進(jìn)行，而轉(zhuǎn)轍機(jī)能否正常工作是保證道岔安全穩(wěn)定和列車安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提[1]。目前，由于轉(zhuǎn)轍機(jī)表示缺口的故障率較高，通常需要將對(duì)道岔尖軌密貼程度的檢測轉(zhuǎn)換為對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部相應(yīng)缺口大小的測量，由此研發(fā)設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)轍機(jī)表示缺口檢測系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口大小進(jìn)行檢測的方法，從而根據(jù)缺口的數(shù)值進(jìn)行預(yù)警[2]。目前，對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)表示缺口進(jìn)行檢測的方法主要有接觸式導(dǎo)電觸頭傳感器檢測方法、非接觸磁電式傳感器檢測方法、利用光電式檢測的方法以及基于圖像處理的檢測方法等[3]。通過對(duì)這些方式進(jìn)行學(xué)習(xí)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)表示缺口進(jìn)行監(jiān)測的方式由于應(yīng)用效果明顯、實(shí)施方便等得到了比較廣泛的應(yīng)用[4]。本文在此基礎(chǔ)上提出一種利用非接觸磁電式傳感器與圖像傳感器相結(jié)合檢測轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口的方式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙路傳輸和信息的雙備份，降低了原有方式的誤差，提高了檢測結(jié)果的可靠性，并具備對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)工作狀態(tài)的預(yù)警功能。

2 轉(zhuǎn)轍機(jī)現(xiàn)有檢測方式及存在的問題

2.1 接觸式導(dǎo)電觸頭傳感器檢測方法

利用導(dǎo)電觸頭傳感器監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機(jī)的表示缺口大小時(shí)，要在轉(zhuǎn)轍機(jī)的檢查柱兩側(cè)安裝導(dǎo)電觸頭傳感器。當(dāng)檢查柱落入檢查塊后，導(dǎo)電觸頭會(huì)接觸到檢查塊，此時(shí)觸頭因受到壓力而輸出相應(yīng)大小的電阻，檢測過程并不影響檢查柱的動(dòng)作，能夠確保轉(zhuǎn)轍機(jī)的正常工作[5]。兩個(gè)傳感器與檢查塊接觸受力后輸出一定電阻值，當(dāng)缺口大小處于正常范圍內(nèi)，輸出電阻值小于設(shè)定值時(shí)，表示轉(zhuǎn)轍機(jī)工作正常；當(dāng)缺口大小超出正常范圍，輸出電阻值大于設(shè)定值時(shí)，表示轉(zhuǎn)轍機(jī)處于異常狀態(tài)，則給出報(bào)警信號(hào)[6]。采集原理示意圖如圖1所示。

利用導(dǎo)電觸頭式傳感器監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口，避免了缺口中油污或生銹等因素影響道岔缺口檢測的精度，且具有價(jià)格低廉、安裝方便、簡單實(shí)用、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，能定性地監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機(jī)表示缺口狀態(tài)，與溫度、濕度等環(huán)境無關(guān)，可做到免維護(hù)[7]。但是，這種方法不能得到準(zhǔn)確的缺口大小數(shù)值，不僅容易受到震動(dòng)、雨水滲透、生銹失靈等因素的影響而出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象，而且存在自身故障率高或者誘發(fā)轉(zhuǎn)轍機(jī)故障率增大的問題。近年來，它的應(yīng)用范圍明顯減少[8]。

2.2 非接觸磁電式傳感器檢測方法

利用非接觸磁電式傳感器對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口進(jìn)行監(jiān)測的原理與導(dǎo)電觸頭式傳感器相同，都是利用磁電傳感器（常見的霍爾位移傳感器）監(jiān)測缺口數(shù)值，然后將缺口的大小轉(zhuǎn)化為相應(yīng)大小的電壓電流，根據(jù)電壓電流的大小來判斷轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口的狀態(tài)[6]。這種方式相對(duì)于接觸式導(dǎo)電觸頭傳感器檢測方法來說，檢測過程不與被檢測零件接觸，抗污染能力較強(qiáng)，近年應(yīng)用較多，發(fā)展前景比較好[4]。

2.3 利用光電式檢測的方法

轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口光電監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)中，在采集缺口信息的探頭部分采用了非接觸式的光電探測方法，利用感光器接收的光信號(hào)量判斷缺口間隙的大小。光電信號(hào)的大小與缺口間隙的大小相對(duì)應(yīng)，檢測精度高，報(bào)警準(zhǔn)確可靠[9]。

利用光電檢測的方法來測量轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口的優(yōu)點(diǎn)是監(jiān)測系統(tǒng)安裝簡單。其安裝方式由原來安裝在轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)改為安裝在轉(zhuǎn)轍機(jī)箱外，安裝過程方便，不需要對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行改造，也不需要鋪設(shè)新的電纜，檢測精確度也比較高[9]。該方式報(bào)警精度的最大誤差小于等于0.1 mm，用非接觸式的光電監(jiān)測代替了接觸式的機(jī)械監(jiān)測。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，使用壽命長，既能自動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)表示桿缺口監(jiān)測報(bào)警，又能隨時(shí)自檢系統(tǒng)本身的工作性能，確保系統(tǒng)可靠工作。但是，該方式基準(zhǔn)位置調(diào)整復(fù)雜，易受灰塵影響和電磁環(huán)境的干擾。此外，該種方式會(huì)受列車經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的影響而導(dǎo)致光電傳感器和感光元件發(fā)生位移，使光信號(hào)發(fā)生偏離，從而產(chǎn)生較大的誤差[10]。

2.4 基于圖像處理的檢測方法

轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測系統(tǒng)的檢測原理是通過圖像采集傳感器來采集轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口的圖像[11]。檢測過程中，先將采集的缺口圖像利用邊緣檢測算子進(jìn)行處理，再通過直接計(jì)算或圖像標(biāo)定技術(shù)處理得到缺口大小，然后由現(xiàn)場采集分機(jī)將缺口標(biāo)定的結(jié)果存儲(chǔ)并發(fā)送給遠(yuǎn)方機(jī)械室內(nèi)的監(jiān)測主機(jī)，最后由監(jiān)測主機(jī)通過網(wǎng)線或控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給鐵路信號(hào)微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，將整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)子系統(tǒng)并入鐵路信號(hào)微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口自動(dòng)檢測結(jié)果與現(xiàn)場人員的互動(dòng)。檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

利用圖像處理檢測轉(zhuǎn)轍機(jī)表示缺口的方式，具有較高的檢測精度，降低了檢測誤差，安裝成本較低且安裝方式簡單，不用改變轉(zhuǎn)轍機(jī)的原有結(jié)構(gòu)。此外，采集到的缺口圖像中不僅包含表示缺口的相關(guān)信息，而且有轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的環(huán)境信息，如是否有油污和生銹的情況。同時(shí)，該方式可以在機(jī)械室內(nèi)直接從監(jiān)測主機(jī)上觀察轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作狀態(tài)，提高了工作質(zhì)量和效率。但是，該檢測方式的圖像監(jiān)測系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量大，攝像頭抗污染及抗振動(dòng)能力差，清潔鏡頭的維護(hù)工作量大。如果將缺口圖像等相關(guān)信息發(fā)送至室內(nèi)監(jiān)測主機(jī)進(jìn)行處理，在進(jìn)行缺口調(diào)整維護(hù)工作時(shí)，需詢問室內(nèi)缺口數(shù)值，給維修帶來了不便[4]。

3 利用雙傳感器對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口檢測

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口測量方式獲取信息較為單一，會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)率較高；采用導(dǎo)電觸頭傳感器和磁電式傳感器檢測方式不能檢測轉(zhuǎn)轍機(jī)出現(xiàn)卡頓或缺口卡入石子等情況，但不受油污或生銹等因素對(duì)道岔缺口檢測精度的影響；圖像處理方式不需要改變轉(zhuǎn)轍機(jī)原有結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)出現(xiàn)卡頓或缺口卡入石子等情況時(shí)可以及時(shí)告警，但受油污、生銹等因素影響缺口圖像的檢測。因此，提出將非接觸磁電式傳感器與圖像處理方式相結(jié)合的方式，將兩種方式檢測出的結(jié)果進(jìn)行融合得到更加精確的結(jié)果，其中非接觸磁電式傳感器采用霍爾位移傳感器。為了減少延時(shí)并克服圖像監(jiān)測系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量大的問題，圖像處理方式采用低像素圖像傳感器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

通過將兩種方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了由兩種傳感器同時(shí)采集缺口信息?，F(xiàn)場處理模塊能夠?qū)υ夹畔⑦M(jìn)行存儲(chǔ)，并通過有線和無線兩路傳輸方式將原始數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行保存和處理。監(jiān)控主機(jī)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，能夠?qū)Y(jié)果進(jìn)行顯示和報(bào)警等，最后通過CAN總線將結(jié)果傳送給鐵路微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，以供操作人員查詢。這種方式彌補(bǔ)了原有測量方式的缺陷，不用改變轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，不僅不受油污等因素的干擾，而且當(dāng)缺口出現(xiàn)異物時(shí)能及時(shí)告警，提高了檢測精度，降低了檢測誤差，且原理簡單，安裝方便。

4 結(jié)語

本文分析了目前已有的轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測系統(tǒng)的一些優(yōu)缺點(diǎn)，其中非接觸磁電式缺口監(jiān)測系統(tǒng)利用磁電傳感器監(jiān)測缺口數(shù)值，抗污染能力強(qiáng)，不用與被監(jiān)測零件接觸，近年應(yīng)用較多，發(fā)展前景較好。目前研究發(fā)展的主要趨勢(shì)是采用不改變轉(zhuǎn)轍機(jī)原有結(jié)構(gòu)且精度較高的利用圖像處理監(jiān)測的方法。本文利用這些方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了將基于圖像處理技術(shù)的轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測方法與非接觸磁電式缺口監(jiān)測方法相結(jié)合的檢測方式。這樣不僅能提高缺口值計(jì)算的精度，而且避免了油污、卡入石子等影響因素帶來的誤差。對(duì)于發(fā)展前景較好的圖像處理監(jiān)測方式來說，提高圖像邊緣檢測算子的精度、降低計(jì)算時(shí)間以及減少延時(shí)將是后續(xù)需要解決的關(guān)鍵問題。