一種新的地鐵車(chē)輛輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)

王長(zhǎng)庚，邢宗義，黃 文

（1.廣州有軌電車(chē)有限責(zé)任公司，廣州 510335；2.南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094）

一種新的地鐵車(chē)輛輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)

王長(zhǎng)庚1，邢宗義2，黃 文2

（1.廣州有軌電車(chē)有限責(zé)任公司，廣州 510335；2.南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094）

針對(duì)地鐵車(chē)輛輪對(duì)尺寸人工測(cè)量存在的工作量大且精度低等問(wèn)題，介紹一種新的基于激光位移法的地鐵車(chē)輛輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)。文章描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，給出系統(tǒng)的硬件選型設(shè)計(jì)和軟件模塊設(shè)計(jì)，闡述采用激光位移傳感器實(shí)現(xiàn)輪緣高、輪緣厚和輪徑參數(shù)測(cè)量的原理。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可用性，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)輪對(duì)試驗(yàn)與過(guò)車(chē)試驗(yàn)，并將測(cè)量結(jié)果與人工測(cè)量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，該檢測(cè)系統(tǒng)具有測(cè)量準(zhǔn)確、一致性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠取代現(xiàn)有的人工測(cè)量，滿足地鐵輪對(duì)尺寸測(cè)量的要求。

地鐵車(chē)輛；輪對(duì)尺寸；激光位移法；在線檢測(cè)

輪對(duì)是地鐵車(chē)輛與軌道的耦合部件，承載著整個(gè)車(chē)輛的重量并保證車(chē)輛在軌道上運(yùn)行[1]。在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，輪對(duì)承受著來(lái)自軌道接觸的沖擊力和壓力，特別是車(chē)輛通過(guò)鋼軌連接處、拐彎或制動(dòng)時(shí)，將會(huì)加劇輪對(duì)磨耗，當(dāng)磨耗超過(guò)特定限度時(shí)，將會(huì)對(duì)地鐵車(chē)輛的安全運(yùn)行及乘坐舒適性構(gòu)成威脅[2]，因此準(zhǔn)確快速地獲取車(chē)輛輪對(duì)尺寸參數(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

輪對(duì)尺寸參數(shù)的檢測(cè)主要分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量裝置主要是第4種檢查器[3～4]或電子激光式測(cè)量?jī)x[5]，測(cè)量時(shí)主要依靠現(xiàn)場(chǎng)工人手動(dòng)操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢修時(shí)間長(zhǎng)、作業(yè)效率低，且容易造成漏檢漏修，給車(chē)輛的運(yùn)行安全帶來(lái)隱患[6]。為克服接觸式測(cè)量的缺陷，國(guó)內(nèi)外眾多廠家研制了種類繁多的非接觸式測(cè)量系統(tǒng)。美國(guó)、日本、澳大利亞等[7～9]國(guó)外機(jī)構(gòu)在20世紀(jì)90年代采用光截圖像法研制了輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)，主要由線激光源、CCD攝像機(jī)、車(chē)輪檢測(cè)器、車(chē)號(hào)識(shí)別裝置及空氣清潔裝置等組成，系統(tǒng)工作時(shí)CCD高速拍攝照在車(chē)輪上的線激光投影，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行濾光和細(xì)線化處理，提取圖像中心線并計(jì)算車(chē)輪尺寸。國(guó)內(nèi)一些單位[10～12]也采用類似原理研制了輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)，并在動(dòng)車(chē)所及地鐵公司得到了部分應(yīng)用。上述基于光截圖像法的輪對(duì)尺寸檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗干擾能力差，難以滿足車(chē)輛輪對(duì)檢測(cè)的高可靠性要求。國(guó)內(nèi)部分研究機(jī)構(gòu)采用激光位移傳感器進(jìn)行輪對(duì)直徑的測(cè)量，但僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，尚未形成實(shí)際產(chǎn)品[13～14]。意大利一家公司[15]采用8臺(tái)激光視覺(jué)傳感器和誤差補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)了輪對(duì)尺寸精確測(cè)量，但造價(jià)過(guò)高。瑞士一家公司采用激光位移傳感器研制的通過(guò)式輪對(duì)測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)輪對(duì)踏面和直徑參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)以及輪對(duì)磨耗評(píng)估，但其購(gòu)置成本過(guò)高，并且該系統(tǒng)需要將部分軌道替換為非承重式導(dǎo)向軌，不符合國(guó)內(nèi)鐵路對(duì)軌道的相關(guān)安全要求，從而無(wú)法在國(guó)內(nèi)實(shí)施。

隨著社會(huì)進(jìn)步及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，勞動(dòng)強(qiáng)度大且測(cè)量精度低的輪對(duì)尺寸人工測(cè)量必然會(huì)遭到淘汰，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且抗干擾能力差的光截圖像法也將會(huì)逐步退出歷史舞臺(tái)，以激光位移傳感器為核心的新一代輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)，具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)一致性好等優(yōu)點(diǎn)，將逐步成為輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)的發(fā)展方向。

1 輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)由3部分組成，如圖1所示：位于軌旁的車(chē)輪檢測(cè)傳感器、位于設(shè)備間的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、位于控制室的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。軌旁傳感器將車(chē)輪尺寸及現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)等轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，由位于設(shè)備間的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行信號(hào)采集，并輸出數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)經(jīng)由光纖交換機(jī)傳輸?shù)轿挥诳刂剖业倪\(yùn)算服務(wù)器，經(jīng)算法處理后輸出輪對(duì)尺寸、車(chē)號(hào)等檢測(cè)結(jié)果，并由Web服務(wù)器進(jìn)行信息發(fā)布。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

位于軌旁的車(chē)輪檢測(cè)傳感器主要包括激光位移傳感器、軸位傳感器、車(chē)號(hào)識(shí)別天線等，其安裝位置如圖2所示。當(dāng)列車(chē)入庫(kù)經(jīng)過(guò)軸位傳感器P1時(shí)，車(chē)號(hào)識(shí)別（AEI）天線被激活，同時(shí)激光位移傳感器預(yù)熱工作；當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)AEI時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)讀取車(chē)輛的射頻識(shí)別標(biāo)簽，從而完成車(chē)號(hào)識(shí)別功能；當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)軸位傳感器P2時(shí)，激光傳感器保護(hù)倉(cāng)探測(cè)窗口被打開(kāi)，激光位移傳感器準(zhǔn)備數(shù)據(jù)采集；當(dāng)輪對(duì)逐次通過(guò)激光位移傳感器布設(shè)區(qū)域時(shí)，激光位移傳感器L1～L4、R1～R4完成輪對(duì)尺寸數(shù)據(jù)采集；當(dāng)列車(chē)最后一個(gè)輪對(duì)經(jīng)過(guò)軸位傳感器P3時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉AEI天線，關(guān)閉激光位移傳感器保護(hù)盒窗口，停止激光位移傳感器外部觸發(fā)信號(hào)，等待下一次測(cè)量。

圖2 傳感器安裝示意圖

輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的激光位移傳感器選型為2D激光傳感器，車(chē)號(hào)識(shí)別及軸位傳感器選型為GYYC900B產(chǎn)品，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選擇工控機(jī)及配套采集板卡。

輪對(duì)尺寸檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C++開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?個(gè)模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)功能。（1）數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡和車(chē)號(hào)識(shí)別主機(jī)之間的控制與通信，完成對(duì)各類現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集；（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，以及后期處理得到的輪對(duì)尺寸等數(shù)據(jù)以文件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)；（3）數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)和軸位信號(hào)等進(jìn)行融合處理，計(jì)算得到輪對(duì)尺寸參數(shù)；（4）數(shù)據(jù)顯示模塊通過(guò)人機(jī)界面直觀顯示輪緣厚、輪緣高、輪徑和踏面輪廓線等信息；（5）數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送至Web服務(wù)器。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

2 輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的功能原理

輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)采用激光三角法測(cè)量原理，主要實(shí)現(xiàn)輪緣厚、輪緣高以及輪徑值的測(cè)量。

2.1 輪緣參數(shù)測(cè)量原理

輪緣高和輪緣厚主要通過(guò)激光位移傳感器L3、L4獲取（以左側(cè)車(chē)輪為例），如圖4所示，兩個(gè)激光位移傳感器分別以一定角度和距離安裝在軌道兩側(cè)，且使得兩個(gè)激光位移傳感器所發(fā)射的激光面共面。由于輪緣凸起的遮擋，單獨(dú)的激光位移傳感器只能獲得踏面輪廓線的部分信息，如外側(cè)激光位移傳感器L4無(wú)法獲取輪對(duì)內(nèi)側(cè)面信息，而內(nèi)側(cè)激光位移傳感器L3無(wú)法獲取輪緣底部?jī)?nèi)側(cè)面信息，因此需要將內(nèi)、外側(cè)的兩個(gè)激光位移傳感器L3、L4的測(cè)量結(jié)果相融合，從而獲取完整的踏面輪廓線信息。圖5給出了兩個(gè)激光位移傳感器融合的現(xiàn)場(chǎng)示意圖。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

圖4 輪緣尺寸測(cè)量示意圖

激光位移傳感器L3、L4獲取的踏面數(shù)據(jù)經(jīng)坐標(biāo)變換融合后，得到如圖6所示的踏面輪廓線，選取輪緣頂點(diǎn)n，輪緣厚參考點(diǎn)m和踏面基點(diǎn)a等關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)，從而根據(jù)輪緣參數(shù)定義計(jì)算得到輪緣高和輪緣厚。

2.2 輪徑參數(shù)測(cè)量原理

輪徑參數(shù)主要通過(guò)激光位移傳感器L1、L2、L3獲?。ㄒ宰髠?cè)車(chē)輪為例），如圖7所示，3個(gè)激光位移傳感器分別以一定角度和距離安裝在軌道內(nèi)側(cè)，其中，L1和L3呈鏡像對(duì)稱。當(dāng)車(chē)輪進(jìn)入激光位移傳感器有效探測(cè)區(qū)間時(shí)，3個(gè)激光位移傳感器分別測(cè)量車(chē)輪外緣的3個(gè)頂點(diǎn)D1、D2、D3，根據(jù)坐標(biāo)變換及3點(diǎn)共圓法，可以確定車(chē)輪外緣的直徑，然后減去兩倍輪緣高即得到輪徑值。

圖5 激光傳感器融合示意圖

圖6 踏面及關(guān)鍵點(diǎn)示意圖

圖7 輪徑測(cè)量原理示意圖

3 試驗(yàn)與驗(yàn)證

輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)安裝在廣州市地下鐵道總公司赤沙車(chē)輛段，為驗(yàn)證系統(tǒng)的可用性，進(jìn)行了輪對(duì)試驗(yàn)和過(guò)車(chē)試驗(yàn)。

3.1 輪對(duì)試驗(yàn)

輪對(duì)試驗(yàn)是將單獨(dú)一個(gè)輪對(duì)放置在軌道上，人工推動(dòng)輪對(duì)勻速通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)行人工測(cè)量，累計(jì)進(jìn)行4次測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，系統(tǒng)4次測(cè)量中輪緣高的最大值與最小值相差0.11 mm，輪緣厚相差0.05 mm，輪徑相差0.19 mm，系統(tǒng)一致性滿足要求；系統(tǒng)4次測(cè)量平均值與人工測(cè)量平均值相比，輪緣高相差0.07 mm，輪緣厚相差0.11 mm，輪徑相差0.13 mm，系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

表1 輪對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)和人工測(cè)量值 mm

3.2 過(guò)車(chē)試驗(yàn)

過(guò)車(chē)試驗(yàn)是指實(shí)際列車(chē)低速通過(guò)輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)，本試驗(yàn)共對(duì)同一列車(chē)的8個(gè)輪對(duì)進(jìn)行了6次檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)精度要求，可取代傳統(tǒng)的人工檢測(cè)。

表2 過(guò)車(chē)試驗(yàn)系統(tǒng)和人工測(cè)量平均值 mm

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種新的輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，闡明了系統(tǒng)測(cè)量原理，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與測(cè)試進(jìn)行了詳細(xì)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的一致性與精度，能夠滿足地鐵輪對(duì)尺寸測(cè)量的需求，可作為取代傳統(tǒng)人工測(cè)量及光截圖像法測(cè)量的新技術(shù)與系統(tǒng)。本文介紹的輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)安裝在運(yùn)用庫(kù)，受列車(chē)運(yùn)行限速要求，其適應(yīng)車(chē)速僅為0～5 km/h，進(jìn)一步建議將系統(tǒng)安裝在出入站段線，提高適應(yīng)車(chē)速到30 km/h。

[1]陳 剛，任光勝.車(chē)輛輪對(duì)狀態(tài)在線檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].城市軌道交通研究，2012（10）：79-81，124.

[2]楊 賀.基于機(jī)器視覺(jué)的輪對(duì)磨耗檢測(cè)技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

[3]付德利，王曉政.LLJ-4 型車(chē)輪第四種檢查器的研制[J].鐵道車(chē)輛，1998（2）：42-44.

[4]梁建江.機(jī)車(chē)車(chē)輛輪緣簡(jiǎn)易檢查器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2013（10）：127-128.

[5]何之徑.便攜式車(chē)輪踏面參數(shù)智能檢測(cè)儀的研制[J].鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù)，2011，17（3）：56-57，60.

[6]曾曉東.客車(chē)運(yùn)行品質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在客車(chē)運(yùn)用檢修中的應(yīng)用[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014，23（3）：10-12.

[7]本多明，彭孝莊.車(chē)輪踏面形狀自動(dòng)測(cè)定裝置的開(kāi)發(fā)[J].國(guó)外機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，1999（2）：43-46.

[8]黃 熙.基于圖像處理與機(jī)器視覺(jué)的車(chē)輛輪對(duì)踏面檢測(cè)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2008.

[9]張 渝，王 黎，高曉蓉，等.國(guó)內(nèi)外車(chē)輪踏面損傷檢測(cè)技術(shù)綜述[J].機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，2002（1）：1-4，8.

[10]熊海泉.通過(guò)式輪對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)在江岸機(jī)務(wù)段的成功運(yùn)用與改進(jìn)[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2013，36（6）：72-74，77.

[11]紀(jì) 榮，朱茂之.輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用及其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)初探[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2010（3）：30-32.

[12]唐 戍，王方程，李曉東，等.基于激光三角法原理的輪對(duì)幾何參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[J].機(jī)械工程師，2009（7）：92-94.

[13]高 巖.輪對(duì)幾何尺寸自動(dòng)與動(dòng)態(tài)在線測(cè)量方法的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[14]Zhifeng Zhang,Chao Lu,Fangzhen Zhang.A Novel Method for non-contact measuring diameter parameters of wheelset based on wavelet analysis [J].Optik,2012(123):433- 438.

[15]鐵道部標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所.TB/T 449-2003 機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)輪輪緣踏面外形[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

責(zé)任編輯 楊琍明

Novel On-line Measurement System for wheelset size of metro vehicle

WANG Changgeng1,XING Zongyi2,HUANG Wen2
( 1.Guangzhou Tram Co.,Ltd.,Guangzhou 510335,China;2.School of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Aiming at solving problems such as low accuracy of manual measurement for metro wheelset,a novel Online Measuring System based on laser displacement method was proposed to measure the parameters of wheelset.The article introduced the structure of the System,proposed the design of hardware and software,explained the measuring principles of the flange height and width as well as wheel diameter by using laser displacement sensor.The field experiments including wheelset test and train test were taken by using the System.The measurement results between the online system and workman were compared,and the result indicated that the proposed System with the advantage of accurate and good stability could be used to replace the existing manual measurement,and be meet the demand for measuring parameters of metro wheelset.

metro vehicle;wheelset size;laser displacement;on-line measurement

U266.2∶TP39

A

1005-8451（2016）05-0062-04

2015-11-10

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2011AA110506）；廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)基金項(xiàng)目（201508010010）。

王長(zhǎng)庚，工程師；邢宗義，副教授 。