常建芳 李麗榮 王曉剛 王新超 王夢宇 馮懷平

1.邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邯鄲 056001；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081；3.石家莊鐵道大學(xué)省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國家重點實驗室，石家莊 050043；4.中鐵五院集團(tuán)有限公司建筑設(shè)計研究院，北京102600

傳統(tǒng)的鋼軌位移監(jiān)測方法多利用動位移計，該方法需要提供一個相對固定的基標(biāo)，在既有線應(yīng)用時需要通過深挖樁基，設(shè)置專門的沉降基板及加速度計［1-3］，將測得的加速度信號經(jīng)二次積分反求出被測物體的動位移。此方法要將加速度計粘貼在被測結(jié)構(gòu)表面，以獲取測試部位的振動值。因此具有易磨損、長期穩(wěn)定性差等缺點，同時二次積分會造成精度低、誤差大的不足。近年來非接觸監(jiān)測方法如磁敏式、光電式傳感器等越來越引起研究者的關(guān)注［4］。上述檢測方法需要工作人員手動測量，測量誤差有較大離散性，影響測試精度。

數(shù)字圖像處理（Digital Image Processing，DIP）技術(shù)已經(jīng)成功運用到工程結(jié)構(gòu)位移測試的多個領(lǐng)域［5-6］。趙亞軍等［7］針對混凝土梁橋彎曲疲勞問題，通過DIP技術(shù)獲取了應(yīng)力集中附近的變形分布情況，證明DIP技術(shù)實用性好，能夠滿足0.5 mm∕20萬次的測試需求。陳運貴［8］利用DIP 技術(shù)監(jiān)測隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形，提出了鏡頭畸變修正方法和像元的標(biāo)定方法，結(jié)果表明在測量變形方面精度均小于±0.5 mm。Riberio 等［9］使用高速攝像機(jī)對鐵路橋梁動位移進(jìn)行檢查，表明該方法用于測量列車通過時引起的鐵路橋梁橋面位移，與LVDT 獲得的位移測量結(jié)果一致性很高。雖然在橋梁、隧道等方面已經(jīng)有較多報道，但由于軌道空間狹小，在鐵路鋼軌動位移測試應(yīng)用還較少，適用性仍有待進(jìn)一步驗證。

本文針對傳統(tǒng)的監(jiān)測鋼軌方法存在侵限、布置難、難以定點測量、自動化程度弱等不足，利用DIP 技術(shù)的非接觸測量、設(shè)備簡單，安全性、智能化程度高等優(yōu)點，研發(fā)一整套非接觸式路基軌道動位移長期演化監(jiān)測系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于包神鐵路南線病害監(jiān)測中。所建立的鐵路軌道動位移長期監(jiān)測方法為掌握路基、軌道豎向位移發(fā)展過程以及病害演化規(guī)律提供參考。

1 監(jiān)測系統(tǒng)組成

1.1 硬件系統(tǒng)

硬件設(shè)備系統(tǒng)包括成像采集系統(tǒng)、標(biāo)志物等［10］。采集系統(tǒng)一般有智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼攝像機(jī)等。成像質(zhì)量的優(yōu)劣以及位移的測量精度均取決于成像設(shè)備參數(shù)的選擇。標(biāo)志物的形狀、大小、顏色對圖像特征點坐標(biāo)的提取產(chǎn)生影響。

1.1.1 成像設(shè)備的選擇

各種成像設(shè)備主要由圖像傳感器、鏡頭、電子電路等組成，而圖像傳感器是成像設(shè)備中最重要的部分。

由于結(jié)構(gòu)位移測量多為室外測量，噪聲影響不可忽略，本裝置選擇信噪比較小的CMOS 傳感器作為成像設(shè)備的傳感器。為實現(xiàn)在郊外復(fù)雜環(huán)境長期監(jiān)測的需要，供電裝置采用了太陽能電池板。總體采集裝置如圖1所示。

圖1 圖像采集設(shè)備

控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示，系統(tǒng)MCU 為STM32 單片機(jī)。通過I∕O 口接收紅外攝像機(jī)傳送來的圖像信號，將結(jié)果保存在STM32 的Flash 中，經(jīng)過MCU分析處理后，把數(shù)據(jù)通過RS485 接口的無線發(fā)送器發(fā)送給云端4G 卡，再被上位機(jī)PC 機(jī)接收；或者通過SPI接口，將數(shù)據(jù)通過USB 口傳送至附近的上位PC 機(jī)，可再進(jìn)一步處理。

圖2 控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

錄像傳輸會占用大量的儲存空間和流量，造成傳輸堆棧，為避免過多采集無用信息，采用熱釋電傳感器感應(yīng)列車通過時刻，當(dāng)有火車經(jīng)過時，熱釋電紅外傳感器探測到的信號通過I∕O 途徑采集進(jìn)MCU，經(jīng)過控制器判斷后，向攝像機(jī)發(fā)出拍照信號，記錄下火車經(jīng)過時的圖像。此外，相機(jī)具有定時拍攝功能，只測試給定時段的振動信息，其余時間處于休眠狀態(tài)，避免拍攝無關(guān)視頻。

1.1.2 標(biāo)志物的選擇

選擇合適的參考點作為標(biāo)志物是數(shù)字圖像處理位移監(jiān)測技術(shù)的關(guān)鍵。通常以結(jié)構(gòu)物表面裂縫、結(jié)構(gòu)拐角、結(jié)構(gòu)表面螺栓等作為標(biāo)志物；但這種方法精度普遍不高，通過色差和造型分析，設(shè)計專門標(biāo)志物可以有效提高測試精度［4］。目前標(biāo)志物主要為二維碼、圓形、方形以及它們之間的組合。由于圓形標(biāo)志物在任意方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)、偏移的誤差都能很好地進(jìn)行修正［2］。結(jié)合被測物體的特點和環(huán)境，研究使用單圓形作為標(biāo)志物、圓心作為特征點。圓形標(biāo)志物設(shè)計為黑色，背景設(shè)計為白色，增加兩者顏色對比度。通過MATLAB 構(gòu)建標(biāo)志物三維分布如圖3 所示，可以看出標(biāo)志物具有較好的識別度。

圖3 標(biāo)志物三維分布

1.2 軟件系統(tǒng)

獲取圖像后，需要對采集到的圖像進(jìn)行圖像處理才能得到待測結(jié)構(gòu)的位移變化。根據(jù)圖像處理技術(shù)的需要，采用Matlab進(jìn)行各部分圖像處理。

基于數(shù)字圖像處理的非接觸位移監(jiān)測方法關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)見圖4。相對于傳統(tǒng)動位移測試需要固定基準(zhǔn)點問題，本方法首先分析并確立測試圖像像素點與預(yù)設(shè)標(biāo)靶圓直徑（給定值）之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，然后計算出標(biāo)靶振動。因此這個方法不需要基準(zhǔn)點，只要圖像采集清晰，拍攝距離及光線角度對振動位移測試精度的影響很小，這樣設(shè)計保證了即使在現(xiàn)場測試中攝像機(jī)損毀或者測點破壞，簡單替換一組設(shè)備，更換相機(jī)固定點即可以使用，進(jìn)而極大提高了本測試方法的適用性。

圖4 流程圖

數(shù)字圖像特征點提取算法的選擇對后續(xù)測量精度的影響至關(guān)重要。因此采用特征點提取精度較高的最小二乘擬合算法（最優(yōu)圓擬合法）作為特征點提取算法；以圓形標(biāo)志物圓心作為特征點，對圓形標(biāo)志物的圓心和半徑進(jìn)行擬合，進(jìn)而提取得到標(biāo)靶圓在像素坐標(biāo)系下的圓心坐標(biāo)和半徑。由于標(biāo)靶圓的實際直徑是精確給定的，因此通過這種關(guān)系可以建立起像素與空間尺寸的比例關(guān)系，即計算轉(zhuǎn)換系數(shù)SF；基于此通過對比標(biāo)靶圓心與第一幀標(biāo)靶圓圓心像素上的偏差量，就可以計算出實際物體空間位移。

2 室內(nèi)試驗標(biāo)定

為驗證采用基于DIP技術(shù)的位移監(jiān)測方法在工程結(jié)構(gòu)物豎向動態(tài)位移時程變化規(guī)律測試中的可行性，利用室內(nèi)動三軸儀進(jìn)行了標(biāo)定試驗。先將標(biāo)志物粘貼在動三軸儀底座上，然后通過GDS 動三軸儀分別設(shè)置了三角波、正弦波以及依據(jù)現(xiàn)場軌道位移曲線的自定義波形作為驗證波形，旁邊布置相機(jī)進(jìn)行攝像采集，并采用最優(yōu)圓擬合法進(jìn)行擬合。三種波形的設(shè)計參數(shù)見表1，室內(nèi)標(biāo)定結(jié)果見圖5。

表1 波形參數(shù)

圖5 室內(nèi)標(biāo)定試驗結(jié)果

由圖5 可知：DIP 所測位移值曲線與GDS 動三軸儀所測位移曲線吻合度良好，驗證該技術(shù)有較高的精度。

為對比不同波形及振幅的監(jiān)測精度，基于DIP 技術(shù)的監(jiān)測方法測得的位移與動三軸儀提供的位移值，得到DIP 測試值的相對誤差和絕對誤差。百分誤差PE、均方根誤差RMSE和最大絕對誤差MAE作為分析誤差的指標(biāo)；皮爾遜相關(guān)系數(shù)ρ作為相關(guān)性的分析指標(biāo)。

式中：Vi為基于DIP方法測得的位移，其中三角波和正弦波為試驗位移最大值、最小值，而自定義波形為試驗 15個拐點對應(yīng)的位移為測試位移平均值；Mi為動三軸儀施加位移為施加位移平均值。

三種加載波形下DIP 法測試精度見表2?？芍?，三種工況下最優(yōu)圓擬合算法在識別定位標(biāo)靶圓、計算被測結(jié)構(gòu)位移都具有較小的誤差。

表2 DIP法測試精度

3 工程應(yīng)用

在包神鐵路南線瓷窯灣站K158+146.89—K158+156.89 區(qū)段內(nèi)的現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)軌道基礎(chǔ)存在較大的翻漿冒泥、不均勻沉降等病害問題。為探索該部分病害演化過程，在該地帶設(shè)置了整套軌道DIP 豎向動位移監(jiān)測裝置進(jìn)行長期監(jiān)測。本區(qū)段采用60 kg∕m 鋼軌，運行車型主要為C80、C70、C64。

現(xiàn)場動位移計法測試需要一個相對穩(wěn)定的基準(zhǔn)點，為此馬偉斌等［11］研發(fā)了鐵路路基動位移檢測裝置，在路基中開挖圓洞直至基床表層（約90 cm），然后布置套筒與鋼管作為位移計基點，文獻(xiàn)［1］中也制作了類似沉降板作為基準(zhǔn)點。DIP 技術(shù)現(xiàn)場動位移測試也要求有一個相對穩(wěn)定的位置固定相機(jī)。綜合考慮現(xiàn)場條件本次試驗相機(jī)固定在調(diào)車矮型信號機(jī)樁上。該信號機(jī)樁埋深110 cm，距離外軌約220 cm，使用免釘膠固定在鐵路信號機(jī)基座上，對比文獻(xiàn)［12］路基動應(yīng)力衰減規(guī)律，該位置振動影響已經(jīng)很小。紅外感應(yīng)相機(jī)通過內(nèi)置的長焦鏡頭采集標(biāo)志物的圖像信息，并通過內(nèi)置的無線傳輸模塊遠(yuǎn)程傳輸標(biāo)志物的圖像信息。其中，長焦鏡頭的焦距為26 mm，可清晰準(zhǔn)確地拍攝標(biāo)志物紅外信息；無線通信模塊則通過手機(jī)SIM 卡連接4G 網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與圖像傳輸。紅外感應(yīng)相機(jī)布設(shè)見圖6（a）。標(biāo)志物整體由易于加工的亞克力板加工制作而成，并在其中心位置制作有直徑2 cm的黑色標(biāo)靶。為避免對鐵軌的損傷，從而造成安全隱患，使用固定膠將其固定，見圖6（b）。

圖6 現(xiàn)場測試

不同車速軌道豎向位移監(jiān)測結(jié)果見圖7。可知，本裝置均可以清晰測出機(jī)車輪對通過時對鋼軌豎向位移的影響。利用遠(yuǎn)程傳輸手段，實現(xiàn)了對該斷面動位移幅值的長期觀測，本次測試為了節(jié)約傳輸成本，每次僅測試5 s，從中選擇動位移最大值作為本次測試幅值。

圖7 不同車速時鋼軌豎向位移

C64、C70 車型三個月內(nèi)動位移幅值分布見圖8?？芍d重對軌道動位移影響較大，C64、C70幅值均值分別為 2.39、2.82 mm，C64 和 C70 最大位移分別為3.25、4.45 mm，測試結(jié)果基本與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)吻合［13］。兩種車型動位移幅值基本服從正態(tài)分布，一個明顯的特點是分布上均有一定的雙峰現(xiàn)象，主要是因為錄像測試時間較短，因此測試數(shù)據(jù)可能是分別測試了機(jī)車和貨車通過時的動位移。

圖8 不同車型動位移幅值分布

4 結(jié)論與建議

1）室內(nèi)試驗表明本裝置有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可以適應(yīng)不同波形、不同幅值的振動測試，精度較高。

2）該測量技術(shù)可以實現(xiàn)無人值守軌道動位移長期監(jiān)測，通過遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場動位移幅值的實時傳輸，適用性較好。

3）經(jīng)三個月的針對C64和C70車型的測試表明，統(tǒng)計學(xué)上列車軸重對于軌道動位移有影響，動位移幅值均值分別為2.39、2.82 mm。

4）由于現(xiàn)場測試條件限制，未能進(jìn)行同位置位移計的標(biāo)定試驗，下一步將繼續(xù)這方面工作，同時將改進(jìn)算法優(yōu)化相機(jī)固定點振動對測試誤差的影響。