董瀚駿 龔昭赫 曾明

摘 要：本文在分析接觸式無縫鋼軌位移測(cè)量方法不足的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套非接觸式無縫鋼軌位移及溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，方案可行。

關(guān)鍵詞：無縫鋼軌；縱向位移；圖像處理

中圖分類號(hào)：U216.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）05-0024-02

無縫鋼軌可以減少鋼軌與車輪間的撞擊，減少列車運(yùn)行時(shí)的沖擊和振動(dòng)，降低噪聲，延長列車和軌道設(shè)備的使用壽命，大幅度提高旅客乘車的舒適度，具有多方綜合效益，因此，無論是城市軌道交通還是高速鐵路都大量采用無縫鋼軌線路。

但是，鋼軌是通過扣件固定在基座上的，當(dāng)鋼軌扣件的作用力不足以抵消鋼軌溫度變化所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力時(shí)，鋼軌便會(huì)產(chǎn)生縱向位移，由于無縫軌長度很長，這種縱向位移的累積可能造成脹軌現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還可能造成斷軌，危及行車安全。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無縫軌的縱向位移以及溫度變化，對(duì)列車運(yùn)營安全具有十分重大的意義。

目前，對(duì)鋼軌位移的在線監(jiān)測(cè)基本上采用的都是接觸式測(cè)量，位移傳感器（通常采用電位器式位移計(jì)、振弦式位移傳感器或者磁致伸縮式位移傳感器）一端通過夾具固定在鋼軌上，另一端固定在道床上，通過光纜將檢測(cè)信息引出至信息接收單元，然后分析處理。

接觸式測(cè)量存在以下不足：

（1）列車通過時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。長期的鋼軌振動(dòng)會(huì)造成位移傳感器的機(jī)械傷損，除縮短傳感器使用壽命外，還會(huì)導(dǎo)致測(cè)量可靠性降低。（2）布置在鋼軌和道床上的傳感器和數(shù)據(jù)采集單元極易受到損壞，一旦發(fā)生器件或線纜松脫，將給行車帶來安全隱患。

為消除接觸式測(cè)量的不足，本文介紹了一種基于非接觸式測(cè)量的測(cè)量方法。

1 非接觸式無縫鋼軌位移和溫度的測(cè)量原理

圖像測(cè)量技術(shù)是當(dāng)前較為成熟和先進(jìn)的非接觸測(cè)量技術(shù)，其原理是由CCD圖像傳感器對(duì)被測(cè)零件進(jìn)行掃描，然后將掃描得到的零件圖型進(jìn)行分析、特征提取、分類識(shí)別并進(jìn)行判斷，計(jì)算并輸出檢測(cè)結(jié)果。

將高清工業(yè)數(shù)字相機(jī)固定在無縫軌旁的測(cè)量箱內(nèi)，鎖定焦距和光圈，對(duì)標(biāo)注在鋼軌上的測(cè)量標(biāo)記成像，在不同測(cè)量時(shí)間測(cè)量標(biāo)記的位置變化，即可計(jì)算出鋼軌相對(duì)于測(cè)量基準(zhǔn)（固定相機(jī)的線路基礎(chǔ)）的位移變化量。測(cè)量標(biāo)記為標(biāo)記在鋼軌側(cè)面的直徑為40mm的紅色油漆噴涂圓斑。利用數(shù)字圖像處理算法計(jì)算出的圓心位置為數(shù)字圖像中的像素坐標(biāo)位置，需要通過一定的標(biāo)定算法換算成實(shí)際空間位置。由于測(cè)量相機(jī)安裝位置及焦距等參數(shù)固定，而標(biāo)記圓斑的實(shí)際直徑已知，可根據(jù)擬合出的像素直徑換算出在鋼軌縱向位移方向，像素值和實(shí)際位置值之間的比例關(guān)系。

另外，將紅外溫度傳感器安裝在軌旁測(cè)量箱內(nèi)，對(duì)準(zhǔn)軌道上測(cè)量位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道溫度的非接觸式測(cè)量。因?yàn)樽匀唤缰械乃形矬w，當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度（-273.15℃），由于內(nèi)部的熱運(yùn)動(dòng)，都會(huì)以不同波長的電磁波形式向外輻射能量，其波長主要處于0.8～15.0μm的紅外區(qū)內(nèi)。物體紅外輻射能量的大小按其波長分布，與物體表面溫度有十分密切的關(guān)系。對(duì)物體自身輻射的紅外能量進(jìn)行測(cè)量，便能準(zhǔn)確地感知物體的表面溫度。

2 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)方案如圖1所示，由軌旁數(shù)據(jù)采集單元、維修中心終端監(jiān)控單元、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成。軌旁設(shè)備安裝在軌道旁邊電力支柱上或者是高架橋梁欄桿上的設(shè)備箱內(nèi)，不侵入車輛行車限界，不需要在鋼軌和道床上安裝任何測(cè)量設(shè)備和線纜，不影響行車安全。位移測(cè)量相機(jī)輸出的圖像數(shù)據(jù)通過千兆網(wǎng)絡(luò)傳輸至檢測(cè)主機(jī)，進(jìn)行圖像分析處理，換算成鋼軌位移數(shù)據(jù)。紅外溫度傳感器輸出的模擬量信號(hào)通過溫度信號(hào)采集設(shè)備進(jìn)行調(diào)理和采集后，傳輸至檢測(cè)主機(jī)，計(jì)算成溫度信息，與鋼軌位移信息和線路位置信息一起，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至公用云服務(wù)器，保存在服務(wù)器檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)庫內(nèi)。

布置在維修中心的終端監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過線路運(yùn)營公司網(wǎng)絡(luò)連接至INTERNET，實(shí)時(shí)讀取現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，顯示檢測(cè)結(jié)果數(shù)值及變化曲線，可對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析處理，超限報(bào)警提示。

2.2 軌旁數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

軌旁數(shù)據(jù)采集單元主要由軌道位移采集模塊、紅外溫度采集模塊、檢測(cè)主機(jī)組成。

軌道位移采集模塊由4組高清工業(yè)相機(jī)及照明光源組成的，分別對(duì)同一測(cè)量斷面處上下行線路各兩條鋼軌進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量相機(jī)采用分辨率為640*480的工業(yè)數(shù)字相機(jī)，該相機(jī)外形尺寸僅為29mm*29mm，具有小巧，可靠性高的特點(diǎn)，能滿足軌道位移現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件的要求。相機(jī)鏡頭采用C—Mount工業(yè)鏡頭，焦距根據(jù)相機(jī)安裝位置距被測(cè)軌道距離確定。照明光源采用LED聚光光源。

紅外溫度傳感器采用OS211-LT型紅外傳感器，測(cè)量溫度范圍-20℃～100℃，測(cè)量精度±1℃，輸出信號(hào)4～20mA。傳感器采用不銹鋼封裝，緊固牢靠，環(huán)境適用性好。溫度信號(hào)采集設(shè)備采用DAM-3058R數(shù)據(jù)采集模塊，8通道差分模擬量輸入，能滿足每個(gè)檢測(cè)位置4路溫度信號(hào)的采集，采樣頻率10Hz，精度0.2%，通信接口RS485/RS232。

檢測(cè)主機(jī)采用研華ARK-1123型嵌入式無風(fēng)扇工控機(jī)，CPU為INTEL E3825雙核處理器，內(nèi)存4GB，帶千兆以太網(wǎng)接口1個(gè)，串行通信接口2個(gè)，尺寸為133.8x43.1x94.2mm。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸方式選擇

軌道位移和溫度數(shù)據(jù)采集單元分布在無縫鋼軌軌道線路沿線，數(shù)據(jù)傳輸量小，可根據(jù)需要設(shè)置為每分鐘至每小時(shí)傳輸一次數(shù)據(jù)，每個(gè)測(cè)量位置每次測(cè)量數(shù)據(jù)量僅為20字節(jié)左右，可采用移動(dòng)電話GPRS網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

本方案采用宏電H7210 DTU無線數(shù)據(jù)終端，通過RS232接收檢測(cè)主機(jī)處理好的檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)信息，由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至軌道位移溫度監(jiān)測(cè)云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫。H7210 DTU內(nèi)嵌內(nèi)嵌PPP、TCP/IP 協(xié)議棧，支持RTU與DSC透明數(shù)據(jù)傳輸，支持TCP/UDP/短信三種通信方式，采用工業(yè)化設(shè)計(jì)，支持在惡劣的工業(yè)化環(huán)境下提供高速、永遠(yuǎn)在線的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 終端監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端監(jiān)控軟件可部署在維修中心任意能連接INTRNET的工作電腦上，主要功能包括：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示，軌道位移計(jì)溫度的變化曲線實(shí)時(shí)顯示，監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比查看，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)超限報(bào)警，超限數(shù)據(jù)設(shè)置，數(shù)據(jù)傳輸頻率的設(shè)置等。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本文所設(shè)計(jì)的非接觸式無縫鋼軌位移和溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某地鐵線路預(yù)計(jì)軌道位移變化較大的高架橋橋梁接頭路段進(jìn)行了測(cè)試運(yùn)行，結(jié)果如圖2和圖3所示。

解讀圖中數(shù)據(jù)可知，在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)，溫度的最大變化為30℃左右，內(nèi)側(cè)鋼軌最大位移量變化為43mm，外側(cè)鋼軌最大變化量為37mm。雖然內(nèi)外側(cè)鋼軌測(cè)量零點(diǎn)設(shè)置不同，但鋼軌位移變化基本一致，且與溫度變化趨勢(shì)一致。

4 結(jié)語

本文介紹了利用圖像處理和紅外測(cè)溫方法測(cè)量無縫鋼軌位移和溫度的在線監(jiān)測(cè)方法，完成了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。該方案經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試運(yùn)行，監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能滿足無縫鋼軌位移長期在線監(jiān)測(cè)的目的。

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