高速鐵路站臺限界測量小車的研制

王正權(quán)　上海鐵路局科研所

1　引言

隨著鐵路的大提速以及高速鐵路的迅速發(fā)展，對鐵路站臺限界管理提出了更高的要求。運(yùn)營中的線路路基會存在不同程度的沉降，另外站臺也會存在不同程度沉降、變形等現(xiàn)象，從而影響到站臺與線路的相對位置，站臺位置超限時可能會影響動車組車門的開啟和關(guān)閉，嚴(yán)重超限時可能會發(fā)生車體擦刮等安全事故。房建段作為路局建筑限界的管理單位，負(fù)責(zé)對建筑限界進(jìn)行技術(shù)管理和日常維護(hù)，有序?qū)嵤┙ㄖ藿绲墓芾?、監(jiān)控工作，承擔(dān)著大量繁重的站臺限界測量任務(wù)，為了適應(yīng)鐵路高速發(fā)展帶來的對站臺限界測量的變化，急需一種效率高、測量準(zhǔn)確性高、勞動強(qiáng)度低的先進(jìn)測量儀器設(shè)備。

2　技術(shù)要求

站臺建筑限界包括站臺豎高（縱向尺寸）和站臺軌心距（橫向尺寸）,軌心距：以軌道面為測量基準(zhǔn)，站臺側(cè)立面中最近點(diǎn)至軌道中垂面的距離；豎高：以軌面為為測量基準(zhǔn)，站臺頂面距邊緣0mm～100mm的范圍中最高點(diǎn)距軌道平面的距離；軌距：鋼軌頭部踏面下16mm范圍內(nèi)兩股鋼軌工作邊之間的最小距離(直線軌距標(biāo)準(zhǔn)為1435mm)。

站臺限界測量小車適用的測量對象為客運(yùn)專線鐵路站臺，能夠測量其所處位置的軌心距、豎高和軌距，并記錄站臺限界測量小車經(jīng)過的里程，其測量范圍必需滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》與《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建筑限界》規(guī)定的站臺建筑限界要求，并符合《鐵路建筑實際限界測量和數(shù)據(jù)格式》規(guī)定的測量允許偏差的要求。

具體測量范圍是：（1）軌心距測量范圍1500mm～2000 mm，最大允許偏差-20mm～0mm；（2）豎高測量范圍1000 mm～1400mm ，最大允許偏差 0mm～20mm；（3）軌距測量范圍1410mm～1470mm，最大允許偏差±0.5mm。

3　技術(shù)原理

3.1　測量系統(tǒng)標(biāo)定

搭建標(biāo)定平臺，對測量系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，對軌距、超高的基準(zhǔn)值對應(yīng)的傳感器碼值進(jìn)行定標(biāo)，并建立照片像素與激光發(fā)生器發(fā)出的激光所在的斷面內(nèi)的實際尺寸的映射關(guān)系。

3.2　信號采集系統(tǒng)

推行測量小車時，下位機(jī)實時采集車架姿態(tài)信息（車架傾角、位移傳感器值）和推行距離（里程編碼值）并上傳給上位機(jī)。

3.3　視覺測量系統(tǒng)采集圖像

激光發(fā)生器發(fā)出激光線，在站臺表面和側(cè)面形成一條激光輪廓線，當(dāng)測量小車推行距離達(dá)到設(shè)定里程間隔時，上位機(jī)控制相機(jī)進(jìn)行拍攝成像，相機(jī)將圖像信號變?yōu)閿?shù)字信號，通過數(shù)據(jù)接口存入計算機(jī)內(nèi)存。

3.4　視覺測量系統(tǒng)計算限界尺寸

上位機(jī)上的數(shù)據(jù)分析處理軟件對所采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取站臺輪廓信息，并通過查表計算出站臺相對于測量小車的相對尺寸，最終換算得出站臺相對于線路的限界尺寸值（軌心距和高度）以及線路幾何尺寸（軌距、里程等）。

3.5　站臺限界管理系統(tǒng)生成報表

當(dāng)完成整個站臺的測量后，站臺限界管理系統(tǒng)形成數(shù)據(jù)報表，并可按對應(yīng)里程值自動繪制出整個站臺的高度和軌心距曲線。

4　關(guān)鍵技術(shù)的研究

4.1　測量方法

站臺限界測量方法主要包含接觸測量和非接觸測量。測量基準(zhǔn)主要以大地為基準(zhǔn)和以軌面為基準(zhǔn)。站臺限界測量小車以軌道面為測量基準(zhǔn)面，采用基于機(jī)器視覺的非接觸式動態(tài)測量方式，通過線激光發(fā)生器發(fā)射的激光在站臺上形成站臺輪廓線，由高分辨率的工業(yè)面陣相機(jī)攝取圖像，經(jīng)圖像識別處理后，綜合軌道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)最終獲得限界數(shù)值，即測量人員推著測量小車沿站臺前進(jìn)，系統(tǒng)按照設(shè)定可靜態(tài)定點(diǎn)或定距間隔自動進(jìn)行測量，示意圖見圖1。

圖1　測量原理示意圖

要測量到精準(zhǔn)的限界數(shù)據(jù)，必須對站臺輪廓上的所有相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行測量，而傳統(tǒng)的激光測距也只能滿足逐點(diǎn)測量要求，完成一個完整的站臺輪廓尺寸數(shù)據(jù)測量，耗時長，效率低，且只能滿足靜測。基于機(jī)器視覺的非接觸式測量方式因采用工業(yè)面陣相機(jī)攝取站臺輪廓線圖像，數(shù)據(jù)一次采集完畢，時間短，效率高，從而可實現(xiàn)動態(tài)測量。

4.2　車體結(jié)構(gòu)及外觀設(shè)計

基本思路：能在鋼軌上推行，并滿足對高速鐵路站臺的限界尺寸動態(tài)檢測需求，外形美觀、拆裝方便、操作簡便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、測量數(shù)據(jù)可靠的新一代站臺限界測量小車，為此，設(shè)計中著重研究解決影響其性能的如下幾種因素：

4.2.1小車走行平順性

車架底部采用H形走形機(jī)構(gòu)，橫向裝有彈性適度的伸縮機(jī)構(gòu)，保證了動態(tài)測量時站臺限界測量小車車體的穩(wěn)定性，既能在線路上平穩(wěn)推行、不脫軌，又能始終保持與線路的相對垂直密貼姿態(tài)。

4.2.2相機(jī)架穩(wěn)固及拆裝精度

相機(jī)架采用三角形支柱鋼結(jié)構(gòu)，確保了支架穩(wěn)固不變形，與H形走行機(jī)構(gòu)用導(dǎo)柱定位、面接觸穩(wěn)定連接，確保拆裝精度。

4.2.3底部同一水平基準(zhǔn)

經(jīng)過精密定標(biāo)，確保走形機(jī)構(gòu)兩側(cè)共4個走行輪在同一水平面、兩側(cè)的3個導(dǎo)向輪也在同一水平面。

4.2.4站臺限界測量小車絕緣性

底部采用分體式結(jié)構(gòu)，兩部分聯(lián)結(jié)體之間用加裝絕緣墊片，所有車輪采用尼龍材料，兩級隔離確保車體與軌道絕緣，從而不影響電務(wù)軌道電路工作。

4.2.5激光器、相機(jī)的精密調(diào)整

安裝位置設(shè)置固定鎖死機(jī)構(gòu)，確保射出的激光形成的斷面與車體垂直.可調(diào)整焦距和亮度，確保成像精度。

4.2.6外觀整體化

電子電路大都封裝在殼體內(nèi)，整體性好，防護(hù)性強(qiáng)，外型簡潔，可以避免電子裝置因外露而被碰撞損壞。

4.3　采集軌道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和圖像標(biāo)定

4.3.1傳感器選型及標(biāo)定

采用高精度位移傳感器、里程編碼器和傾角傳感器等手段采集軌道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，參考了相關(guān)技術(shù)資料后，選定了KTS-100位移傳感器，分辨率：0.001mm、線性精度：±0.1%、重復(fù)精度：0.013mm；里程傳感器型號：SCM-S101G-1212-C100-CAW，編碼種類：格雷碼，時鐘頻率：100kHz～2MHz每轉(zhuǎn)分辨率：12Bits。傾角傳感器型號：DA-A-15，測量范圍：±15°，測量精度：≤0.005°(含溫度補(bǔ)償)。這些技術(shù)指標(biāo)完全滿足技術(shù)要求。

在實驗室進(jìn)行組裝定型后，在標(biāo)準(zhǔn)軌距、超高檢定臺上進(jìn)行軌距、超高和里程的標(biāo)定，軌距分別選擇軌距值為1410mm、1435mm、1470mm三組參量對軌距測量單元線性度標(biāo)定。站內(nèi)線路的軌道超高一般在-150mm～+150mm之間，所以軌道分別選擇軌距值為-150mm、0mm、+150mm三組參量對超高測量單元線性度標(biāo)定。

4.3.2圖像坐標(biāo)映射關(guān)系確立

圖像坐標(biāo)映射關(guān)系確立至關(guān)重要，它關(guān)系到測量的精度，另外實物成像后，其圖像坐標(biāo)不是均值分布的，所以視覺定標(biāo)系統(tǒng)需經(jīng)過大量試驗驗證，為此，在圖像處理和標(biāo)定中最終采用透視變換法。透視變換是指利用透視中心、像點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)三點(diǎn)共線的條件，按透視旋轉(zhuǎn)定律使承影面（透視面）繞跡線（透視軸）旋轉(zhuǎn)某一角度，破壞原有的投影光線束，仍能保持承影面上投影幾何圖形不變的變換,常用于圖象的校正。一個二維平面圖像經(jīng)過透視變換，成為另一個平面圖像，這個過程可以由下式定義：

其中：

（x，y）是參考圖像坐標(biāo)系中的象素坐標(biāo)。

（u，v）是變換圖像坐標(biāo)系中相應(yīng)的象素坐標(biāo)。

a，b，c，d，e，f，g和h是變換系數(shù)。

給定4個點(diǎn)及其相應(yīng)的變換空間的點(diǎn)，就可以得到8個線性方程，只要其中的所有的任意三個點(diǎn)都不在一條直線上，就可以解出8個變換參數(shù)，從而得到透視變換前后的變換關(guān)系，即可實現(xiàn)對圖形透視變換后的空間坐標(biāo)定位而達(dá)到還原圖形的目的（見圖2）。通過這種方法確保規(guī)定的測量范圍內(nèi)圖像中的像素位置與實際激光橫斷面的空間位置準(zhǔn)確。

圖2　透視變換前后對比圖

5　系統(tǒng)構(gòu)成

站臺限界測量小車的結(jié)構(gòu)主體是一個可拆分的金屬車架，如圖3所示。通過計算機(jī)控制其安裝的測量部件實現(xiàn)對站臺限界的測量，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖4所示。

圖3　站臺限界測量小車

圖4　系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

站臺限界測量小車按照功能劃分，主要由H形走形機(jī)構(gòu)、信號采集系統(tǒng)、視覺測量系統(tǒng)和站臺限界管理軟件四部分組成。其中：

（1）H形走行機(jī)構(gòu)是站臺限界測量小車的車架的底部機(jī)構(gòu)，是整個測量系統(tǒng)的基準(zhǔn)平臺，能始終保持與線路的相對垂直密貼姿態(tài)。

（2）信號采集系統(tǒng)由位于車架內(nèi)部的下位機(jī)(微型計算機(jī))和位移、里程、傾角傳感器等組成，主要負(fù)責(zé)采集站臺限界測量小車在各測量點(diǎn)位時各傳感器的數(shù)值并通過RS232通訊發(fā)送至上位機(jī)。

（3）視覺測量系統(tǒng)由車架豎梁上的線激光發(fā)生器、工業(yè)面陣相機(jī)和安裝在推手上的上位機(jī) (筆記本電腦或手簿)組成，主要負(fù)責(zé)采集處理站臺圖像，并解析、計算出各測量點(diǎn)位站臺相關(guān)限界尺寸。

（4）站臺限界管理系統(tǒng)即安裝于上位機(jī)中的站臺限界管理軟件，主要整理相關(guān)數(shù)據(jù)文件和圖表，匯總車站所有站臺的限界測量數(shù)據(jù)，并按照站臺限界管理部門的需求形成相關(guān)報表，站臺限界管理軟件的操作界面主要由主界面、信息錄入界面、參數(shù)設(shè)置和傳感器標(biāo)定及數(shù)據(jù)查詢、報表等構(gòu)成。

6　結(jié)束語

2016年8月小車先后在上海北郊站、上海西站、上海虹橋站、滬寧城際花橋站進(jìn)行現(xiàn)場試驗。通過與手工傳統(tǒng)測量、站臺尺等進(jìn)行靜態(tài)比對，以及動、靜態(tài)重復(fù)性測量等試驗，小車基本滿足測量要求。隨著高速鐵路客運(yùn)專線不斷建成開通，站臺數(shù)量越來越多，目前現(xiàn)有傳統(tǒng)站臺限界測量方法和設(shè)備已無法滿足實際需求。高速鐵路站臺限界測量小車具有測量效率與精度高的優(yōu)點(diǎn)，具備測量數(shù)據(jù)顯示、存儲、分析、統(tǒng)計和管理等功能，小車投入使用后，可大大提升站臺限界的測量作業(yè)效率。