高速鐵路道岔的數(shù)字化檢測及多通道可視化?

吳淑定，王培俊，李文濤

（西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

道岔作為列車軌道間的連接、轉(zhuǎn)換設(shè)備，是整個軌道系統(tǒng)的重要組成部分。因其功能需要，道岔在設(shè)計和造型上具有明顯區(qū)別于鐵軌的獨特性。如道岔的尖軌和護軌相對構(gòu)造薄弱，但是在列車方向改變的時候卻要承受列車變向帶來的強大沖擊。道岔的特殊功能決定了它在軌道系統(tǒng)中的重要性，其自身工作性能保持優(yōu)良與否將直接影響列車運行的安全性與平穩(wěn)性，因此需定期對其進行檢測與維護，保持道岔處于良好的工作狀態(tài)下，確保列車行車安全。

本文綜合利用虛擬現(xiàn)實、數(shù)字化檢測、CAD等多種技術(shù)，采用立體顯示的方法將所檢測的道岔直觀呈現(xiàn)在觀察者面前，便于對道岔的外觀狀態(tài)和磨損磨耗情況有直接的感知。由于多種技術(shù)手段交互使用，相輔相成，不僅可對檢測對象進行嚴謹?shù)臄?shù)據(jù)分析，也可直接展示檢測對象的實體狀況。

1 道岔檢測與數(shù)字化測量

道岔常用的檢測方式是接觸式測量。接觸式測量指的是測量工具與被測對象有物理接觸，常用的有三維坐標機CMM和游標卡尺等各類量具，使用的主要工具有軌道幾何狀態(tài)測量儀、軌距尺、支距尺、方尺、100m長卷尺、游標卡尺、平尺、塞尺、繃線器、軌溫計等，它們分別用于測量：軌距、支距、道岔始端鋼軌是否對齊（岔枕垂直度和直線度）；軌頂、心軌和尖軌降低值；工作邊線直線度和軌溫等［1］。目前道岔檢測仍靠人工去測量道岔的幾何外觀，以其外觀磨損程度為主要依據(jù)來判斷該部件的狀態(tài)。

數(shù)字化測量則更加注重于對所獲得數(shù)據(jù)的后期分析、比較，利用計算機軟件測量的方式取代傳統(tǒng)的人工測量來完成對目標實體各參數(shù)的測量，并與標準值進行比較分析。數(shù)字化檢測在采集物體三維外形數(shù)據(jù)方面的理論研究和具體應(yīng)用上都已發(fā)展到較為成熟的階段，并且已經(jīng)在常規(guī)軌道的檢測中有所應(yīng)用，故本文考慮結(jié)合當前較為成熟的數(shù)字化檢測技術(shù)，利用相關(guān)檢測設(shè)備以當下流行的技術(shù)手段代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工測量，對鐵路道岔進行數(shù)字化分析檢測，并通過數(shù)字可視化技術(shù)實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實景展示。

2 數(shù)字可視化研究

虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)需要依靠機器設(shè)備模擬現(xiàn)實的情況，擬合出虛擬的場景［2］。該場景將通過感官視覺、聽覺和觸覺等方式表達出設(shè)定的場景信息，使體驗者在虛擬的場景中仿佛感覺置身于真實情境下［3］。虛擬場景還會響應(yīng)體驗者的部分行為反饋，模擬真實情況發(fā)生相關(guān)變換，實現(xiàn)與體驗者的交互，讓用戶在一個虛構(gòu)的環(huán)境中得以盡情發(fā)揮想象力。

2.1 單通道立體顯示與多通道立體顯示

在圖像投影方式上，根據(jù)所用設(shè)備和技術(shù)手段不同可分為單通道投影與多通道投影。單通道立體顯示一般是指將立體圖像經(jīng)同一數(shù)據(jù)通道傳達投影設(shè)備并投影顯示的技術(shù)過程。將立體像對的左、右視圖經(jīng)過劃分處理，分別通過兩個獨立的數(shù)據(jù)顯示通道同時投影顯示在屏幕上的立體投影技術(shù)，稱為雙通道立體顯示。當數(shù)據(jù)顯示通道有兩個及兩個以上時，即稱為多通道立體顯示。本文采用雙通道立體顯示。

2.2 主動式立體顯示與被動式立體顯示

當觀察者的左、右眼分別看到相對應(yīng)的視圖時，顯示的圖像將出現(xiàn)立體感。在接受投影圖像的環(huán)節(jié)上，目前一般需要借助立體眼鏡的幫助。根據(jù)不同原理研究開發(fā)的立體眼鏡工作方式不同，因而將相應(yīng)的立體顯示方法分為主動式（active）立體顯示與被動式（passive）立體顯示。比起主動式立體顯示，被動式立體顯示需要更多的投影設(shè)備（使用的投影機數(shù)量一般為投影通道數(shù)的兩倍）。目前主要使用的技術(shù)手段有4種，簡稱為分色技術(shù)、分光技術(shù)、分時技術(shù)和分柵技術(shù)。

3 數(shù)字化測量技術(shù)的應(yīng)用

本文以西南交通大學(xué)高校機車博物園內(nèi)某型號道岔尖軌為研究對象，對尖軌的5mm工作面、20mm工作面及35mm工作面3個關(guān)鍵段進行實地檢測，采集數(shù)據(jù)，并對三維點云數(shù)據(jù)進行還原和分析處理。使用便攜式非接觸三維掃描儀（掃描精度＜0.05mm），通過多角度掃描與階梯亮度多次掃描，并進行數(shù)據(jù)自動高精度拼接，得到最終的點云數(shù)據(jù)。5mm工作面段原始點云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 5mm工作面段原始點云數(shù)據(jù)

為提高檢測效率與精度，對原始點云數(shù)據(jù)進行點云數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括去噪、填充孔、精簡等技術(shù)操作，同時依據(jù)規(guī)格建立尖軌的三維模型［4］，為進一步的分析做好準備。

點云數(shù)據(jù)的修整工作完成后，根據(jù)所得的點云數(shù)據(jù)逆向還原出相關(guān)的實體模型，通過對實體模型的測量則可得到所需的參數(shù)。在進行最后的測量前，還需將所得點云數(shù)據(jù)與還原的CAD數(shù)據(jù)進行分析比較?！皩?mm尖軌斷面”區(qū)段點云數(shù)據(jù)與還原實體偏差如圖2所示。尖軌轉(zhuǎn)轍角對比見表1，尖軌相對基本軌降低值對比見表2，尖軌與基本軌相對間隙值對比見表3。

圖2 “寬5mm尖軌斷面”區(qū)段點云數(shù)據(jù)與還原實體偏差圖

由表1可看出，所檢測對象的轉(zhuǎn)轍角在3處監(jiān)測區(qū)域磨損程度不一，各自區(qū)段的檢測值與手工測量值的差別不一。尖軌前段磨損較為嚴重，偏差程度較大。

由于數(shù)據(jù)采集是在室外環(huán)境下進行的，因此對周圍環(huán)境的控制與調(diào)整較弱，所采集的數(shù)據(jù)不可避免帶有因環(huán)境因素帶來的外界誤差。從表2、表3中可看出，由于數(shù)據(jù)限制，在還原實體時圓角與曲面處理引入新的誤差，使手動測量與模型測量結(jié)果間出現(xiàn)了相對穩(wěn)定的2mm左右的偏差。

表1 尖軌轉(zhuǎn)轍角對比

表2 尖軌相對基本軌降低值對比 mm

表3 尖軌與基本軌相對間隙值對比 mm

4 雙通道立體顯示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

本文設(shè)計了雙通道立體顯示軟件模塊，可對將要投影顯示的道岔三維模型進行數(shù)據(jù)處理、圖像繪制、編輯設(shè)定［5］。

4.1 總體設(shè)計

本立體顯示系統(tǒng)編制了相應(yīng)的程序，用戶可通過程序窗口的菜單欄、命令按鈕和功能按鍵實現(xiàn)人機交互。人機交互功能主要有模型選擇、背景選擇和相關(guān)的基本操作，用于編輯設(shè)定將要投影顯示的內(nèi)容。軟件模塊程序功能框架如圖3所示。本程序具體的功能有：①實現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)間的顯示切換，可按具體需求導(dǎo)入新模型和數(shù)據(jù)；②顯示窗口在普通尺寸與全屏顯示二者間自如切換；③多種背景顏色切換，使模型與背景間對比突出，強化顯示效果；④設(shè)置按鍵命令，使用戶可通過鼠標和鍵盤控制模型顯示姿態(tài)、觀察角度和旋轉(zhuǎn)速度；⑤操作說明，介紹相關(guān)操作按鍵的功能明細，方便用戶使用。

圖3 雙通道立體顯示系統(tǒng)軟件模塊程序功能框架

4.2 實現(xiàn)過程

4.2.1 導(dǎo)入與顯示三維模型

使用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件將掃描所得點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.h格式的數(shù)據(jù)文件，在程序中使用include語句將其添入程序中。創(chuàng)建顯示列表，使用switch…case…語句實現(xiàn)不同模型的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)結(jié)果如圖4所示。

4.2.2 背景顏色設(shè)置與窗口全屏顯示

根據(jù)調(diào)色盤程序調(diào)試各RGB組合，獲得所需的數(shù)值。在窗口菜單欄中創(chuàng)建相應(yīng)的命令按鈕，添加消息響應(yīng)函數(shù)，通過消息響應(yīng)函數(shù)將各RGB數(shù)值賦予變量red、green、blue。同時在窗口菜單欄中創(chuàng)建全屏顯示的命令按鈕，添加消息響應(yīng)函數(shù)，調(diào)用內(nèi)部函數(shù)，獲取屏幕最大尺寸，并將顯示窗口擴至最大。點擊后窗口全屏顯示，按下鍵盤“Esc”鍵恢復(fù)原窗口尺寸。點擊窗口菜單欄中背景色按鍵后，出現(xiàn)二級菜單，用不同按鍵將各RGB數(shù)值分別賦予變量red、green、blue，實現(xiàn)背景顏色變換。

圖4 程序?qū)崿F(xiàn)效果圖

4.2.3 設(shè)置操作按鍵及編寫操作說明對話框

對鍵盤按鍵和鼠標按鍵進行設(shè)置，使單個按鍵分別對應(yīng)一種響應(yīng)功能，當某一具體按鍵被按下，觸發(fā)響應(yīng)消息。對操作設(shè)置歸納整理，以非模態(tài)對話框顯示操作信息，方便新用戶使用。

在程序?qū)嵗?，通過鍵盤按鍵和鼠標可實現(xiàn)以下功能：分別按下鍵盤按鍵“W”、“S”、“A”、“D”使觀察模型可以上、下、左、右移動；通過按鍵“Q”、“E”可以來實現(xiàn)放大或者縮??；通過鍵盤的上下箭頭按鍵“↑”、“↓”可調(diào)整觀察模型自動旋轉(zhuǎn)的速度，其初始速度設(shè)為零；按住鼠標左鍵，移動鼠標，可以實現(xiàn)手動旋轉(zhuǎn)，調(diào)整觀察模型的姿態(tài)。程序界面如圖5所示，實地投影效果如圖6所示。

圖5 程序界面圖

圖6 實地投影效果圖

5 總結(jié)

本文結(jié)合高速鐵路道岔檢測的需求與現(xiàn)狀，嘗試使用數(shù)字化檢測技術(shù)和立體顯示技術(shù)相結(jié)合的辦法對鐵路道岔的磨損情況進行研究和展示。綜合運用虛擬現(xiàn)實、數(shù)字化檢測、CAD等多種技術(shù)，提出了光學(xué)掃描與立體顯示相結(jié)合的檢測方法，可對檢測對象進行嚴謹?shù)臄?shù)據(jù)分析，也可直接展示檢測對象的實體狀況，獲得了較高的檢測精度，達到了直觀、逼真、形象的效果。

［1］ 歐陽敏.高速道岔工務(wù)參數(shù)檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008：5－6.

［2］ 張軍，梁楚華.基于Geomagic的實體模型逆向重構(gòu)［J］.機械工程與自動化，2010（5）：192－194.

［3］ 賀毅岳.多通道三維交互研究與在城市規(guī)劃系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.西安：西北大學(xué)，2009：2－3.

［4］ 汪洋.基于視覺測量的鐵路列車鉤舌檢測流水線關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.大連：大連海事大學(xué)，2011：71－76.

［5］ 曹彤，鮑泓.沉浸式雙通道虛擬博物館的設(shè)計與開發(fā)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008（13）：3593－3595.