摘" 要：該文針對(duì)軌道交通領(lǐng)域軌面巡檢的需要，設(shè)計(jì)一種改造方案，實(shí)現(xiàn)在自動(dòng)化移動(dòng)平臺(tái)上加載線掃激光傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)于軌道道面的自動(dòng)化巡檢，減少人員投入，提高巡檢效率。

關(guān)鍵詞：軌面巡檢；改造方案；線掃激光傳感器；巡檢效率；掃描數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：TP23" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2095-2945（2023）16-0039-04

Abstract： In order to meet the needs of rail surface inspection in the field of rail transit， a transformation scheme is designed， in order to load the line scanning laser sensor on the automatic mobile platform， realize the automatic inspection of the track surface， reduce the personnel investment and improve the inspection efficiency.

Keywords： rail surface inspection; reconstruction scheme; line scanning laser sensor; inspection efficiency; data processing

修建軌道交通設(shè)施的城市大多人口眾多，對(duì)軌道交通依賴度較高，數(shù)分鐘的故障延誤都將給人們的日常出行帶來(lái)極大的不便；同時(shí)軌道是關(guān)乎城市軌道交通運(yùn)行安全的重要設(shè)備之一，一旦發(fā)生軌道故障，將會(huì)引發(fā)較為嚴(yán)重的行車事故，造成無(wú)可挽回的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，為保證運(yùn)營(yíng)安全，提高城市軌道交通的可用性與安全性，必須加強(qiáng)對(duì)軌道狀態(tài)的及時(shí)檢查[1]。

目前軌道交通領(lǐng)域運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢的方案較多。陳飛[2]介紹了成都地鐵巡檢機(jī)器人的使用情況；田俊[3]介紹了上海地鐵自動(dòng)巡檢的情況；傅兵等[4]介紹了北京地鐵自動(dòng)巡檢技術(shù)的使用狀況?？梢?jiàn)各地地鐵公司都在自動(dòng)巡檢這件事情上做了很多創(chuàng)新和研究。本文著眼于地鐵軌面巡檢的實(shí)際需求，提出了一種基于線掃激光傳感器的設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)軌面自動(dòng)化的巡檢，提高巡檢的效率。

線掃激光傳感器主要是沿Y軸方向掃描平面，并形成X軸方向的數(shù)據(jù)集，通過(guò)組合多行X軸的數(shù)據(jù)，獲得掃描平面Z軸方向的高度集，進(jìn)而方便后面的數(shù)據(jù)分析和處理。

1 整體設(shè)計(jì)方案

1.1" 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軌面巡檢首先是針對(duì)軌道運(yùn)輸面做巡檢，從代替人工巡檢的角度就是代替人工掃面軌面視覺(jué)狀態(tài)，因此固定線掃傳感器，設(shè)計(jì)符合巡檢要求的結(jié)構(gòu)件是實(shí)現(xiàn)軌面巡檢的前置條件。

本文涉及方案應(yīng)改造自動(dòng)化平臺(tái)的需要，激光線掃傳感器選擇的掃描X軸面寬640 mm，掃面Z軸深度500 mm，考慮到地鐵軌道1 435 mm的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑，因此本方案結(jié)構(gòu)選擇4個(gè)線掃激光傳感器，X軸方向平鋪，設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

其中兩側(cè)線掃激光傳感器為基準(zhǔn)傳感器，幾乎至于鐵軌中心上方，主要考慮鐵軌表面檢測(cè)的同時(shí)不妨礙兩側(cè)地腳螺栓的檢測(cè)?？紤]到固定結(jié)構(gòu)是后固定到自動(dòng)化巡檢平臺(tái)上，因此4個(gè)傳感器選擇平均固定，配重和中心相對(duì)穩(wěn)定。

1.2" 硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

線掃激光傳感器的數(shù)據(jù)采集觸發(fā)模式可分為定周期觸發(fā)模式、外部硬件觸發(fā)模式。但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，如果4個(gè)線掃激光傳感器同時(shí)觸發(fā)曝光成像，會(huì)引起傳感器線掃重疊部分測(cè)量偏差。因此針對(duì)此種情況，設(shè)計(jì)了新的觸發(fā)方案，通過(guò)開(kāi)發(fā)一種觸發(fā)控制裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)于4個(gè)線掃激光傳感器的觸發(fā)控制。

如圖2所示，如果沒(méi)有統(tǒng)一的外部驅(qū)動(dòng)觸發(fā)，僅定周期觸發(fā)，相鄰線掃激光傳感器掃描面重疊導(dǎo)致掃描數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此觸發(fā)控制裝置可以輸出2組觸發(fā)信號(hào)，分別是觸發(fā)信號(hào)A＼B，2組信號(hào)占空比完全相同，極性相反。再將4個(gè)線掃激光傳感器分為2組，2組觸發(fā)信號(hào)分別接入。此種情況下，通過(guò)外置觸發(fā)裝置統(tǒng)一控制線掃激光傳感器，同時(shí)保證觸發(fā)寬度t大于激光傳感器曝光所需時(shí)間，能夠保證4個(gè)激光傳感器工作時(shí)不會(huì)相互干擾。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1" 軟件框架設(shè)計(jì)

考慮到數(shù)據(jù)采集要求4個(gè)相機(jī)的同步性，同時(shí)數(shù)據(jù)處理也有一定的時(shí)間開(kāi)銷，因此在軟件框架設(shè)計(jì)上，軟件分別做了2個(gè)部分的部署。其一為數(shù)據(jù)采集模塊，主要負(fù)責(zé)4個(gè)線掃激光傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)。其二為數(shù)據(jù)分析模塊，主要在事后負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)導(dǎo)入拼圖及數(shù)據(jù)分析。

2.2" 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集主要為實(shí)時(shí)在線采集，通過(guò)控制激光探頭按照設(shè)定的采樣頻率采集，目前擬定的采樣頻率為2 500 Hz，同時(shí)因?yàn)椴杉鎸挾鹊男枰?，布置?個(gè)激光探頭，需要將4個(gè)探頭采集的數(shù)據(jù)同步整合在一起，并保存下來(lái)方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。實(shí)時(shí)采集流程圖如圖3所示。

2.3" 數(shù)據(jù)分析模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析是將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行事后的分析，通過(guò)整合保存數(shù)據(jù)到一張深度表和灰度圖，對(duì)得到的深度數(shù)據(jù)和探頭拍攝的灰度圖進(jìn)行分析和處理，主要分為4個(gè)部分。數(shù)據(jù)分析模塊流程如圖4所示。

1）一定片段內(nèi)通過(guò)深度數(shù)據(jù)獲取一定截面的輪廓數(shù)據(jù)，通過(guò)輪廓數(shù)據(jù)區(qū)分鐵軌、道面具體的X軸范圍。

2）對(duì)鐵軌區(qū)域計(jì)算獲取鐵軌輪廓中心線，進(jìn)而計(jì)算軌距、軌面平整度、錯(cuò)牙牙口、道岔內(nèi)軌尖、頂鐵和限位器等信息。

3）對(duì)道面部分，因激光成像原理，照射區(qū)域內(nèi)一定高度物體呈現(xiàn)陰影，同時(shí)水漬相較于道面成像像素較深的原理，通過(guò)探頭灰度圖捕獲陰影及道面像素較深區(qū)域，收斂捕獲區(qū)域，比較道面內(nèi)異物及水漬，同時(shí)通過(guò)深度數(shù)據(jù)比較，比較異物區(qū)域高度判斷異物高度是否構(gòu)成危險(xiǎn)。

4）通過(guò)探頭灰度圖捕獲鐵軌緊固六角螺栓區(qū)域，通過(guò)深度數(shù)據(jù)測(cè)量六角螺栓區(qū)域平均高度，通過(guò)緊固螺栓高度判斷彈條、地腳螺栓緊固性。

3 軟件數(shù)據(jù)處理

3.1" 數(shù)據(jù)拼圖處理

本文中4個(gè)線掃激光傳感器主要是沿Y軸方向掃描，獲取軌面的掃描高度數(shù)據(jù)集，但分立的激光傳感器數(shù)據(jù)需要拼成一張較大的高度圖，才能方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。后臺(tái)數(shù)據(jù)處理方面，每一個(gè)傳感器將數(shù)據(jù)按照時(shí)間一行一行保存下來(lái)，按照同步標(biāo)識(shí)計(jì)算傳感器間隔，將所有數(shù)據(jù)拼接成一張完整的高度圖數(shù)據(jù)。利用拼接算法如圖5所示。

其中每一行高度數(shù)據(jù)都是以左邊傳感器為起始，Space是2個(gè)傳感器間隔，每個(gè)傳感器每一行掃描點(diǎn)數(shù)為Batchwidth，每一個(gè)點(diǎn)的間隔X軸長(zhǎng)度為XPitch。Over是傳感器之間的交叉部分，以傳感器B數(shù)據(jù)代替?zhèn)鞲衅鰽數(shù)據(jù)，over=Batchwidth-Space/XPitch。如果傳感器更多，如此反復(fù)。

3.2" 特定物體識(shí)別

數(shù)據(jù)拼圖后得到一個(gè)二維高度數(shù)組，1維是Y軸的長(zhǎng)度Length，2維是X軸的點(diǎn)數(shù)Width，數(shù)據(jù)為Z軸的高度HeightData。根據(jù)特定物體高度范圍在一張Length*Width的畫(huà)布上作畫(huà)，在以i為Width的單元，j為L(zhǎng)ength的單元，HeightData[j][i]點(diǎn)高度達(dá)到特定高度范圍的該畫(huà)布像素（i，j）上標(biāo)記某個(gè)特定顏色。以下以鐵軌軌面巡檢為例。

6（a）是平面成像的鐵軌圖像，可以看到鐵軌和地腳螺栓，6（b）圖是根據(jù)特定高度形成的高度圖，可以很清晰地看到鐵軌和地腳螺栓的位置。利用特定顏色的顏色過(guò)濾再加上形狀分析可以很容易實(shí)現(xiàn)特定物體的識(shí)別以及位置標(biāo)定，如圖6所示。

圖7示例了物體識(shí)別的過(guò)程，通過(guò)對(duì)高度圖特定顏色二值法過(guò)濾，將疑似物輪廓獲取出來(lái)，再通過(guò)物體輪廓形狀的分別將物體最終區(qū)別出來(lái)，此外對(duì)于有規(guī)律的物體分布還可以通過(guò)具體尺寸分布進(jìn)一步提高識(shí)別率。識(shí)別結(jié)果所圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)效果

2022年10月19日和2022年11月4日，按本文所提改造方案改造后的小車，在合肥地鐵2、3號(hào)線分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，共獲得實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)695 G，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)11 344 s，形成運(yùn)行圖片1.85 G。實(shí)驗(yàn)基本實(shí)現(xiàn)了軌距實(shí)時(shí)測(cè)量、軌面平整度測(cè)量、地腳螺栓標(biāo)定檢測(cè)、軌道錯(cuò)牙標(biāo)定檢測(cè)和道面過(guò)高異物檢測(cè)等功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于線掃激光傳感器的軌面巡檢改造方案，通過(guò)在原有巡檢小車上加載多個(gè)激光傳感器探頭掃描軌道道面，通過(guò)設(shè)計(jì)硬件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的同步掃描，再由軟件將數(shù)據(jù)獲取并存儲(chǔ)下來(lái)。事后通過(guò)軟件拼圖功能，將掃描數(shù)據(jù)還原，再通過(guò)特殊的高度物體標(biāo)定方法實(shí)現(xiàn)特定物體的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)與掃描面物體的測(cè)量，完成軌道道面的巡檢工作。本文所述方案可方便實(shí)現(xiàn)在各種自動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)上的改造，部署方便，軟件簡(jiǎn)易可大規(guī)模推廣，在鐵路道面巡檢領(lǐng)域有著極大的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 廖進(jìn)，吳松榮，劉東，等.車載式地鐵軌道缺陷巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2022（4）：11-16．

[2] 陳飛.地鐵市域快線工務(wù)智能巡檢設(shè)備運(yùn)用與探索[J].智能城市，2022，8（6）：16-18．

[3] 田俊.申城地鐵線路全自動(dòng)巡檢探索[J].都市快軌交通，2019，32（5）：19-24，32.

[4] 傅兵，袁若芩，張宇，等.智能巡檢技術(shù)在地鐵隧道中的應(yīng)用[J].交通建設(shè)與管理，2022（4）：74-76.