接觸軌全自動(dòng)巡檢裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

談灝 許可 謝鵬程 米繼光

摘 要：針對目前國內(nèi)接觸軌巡檢工作的現(xiàn)狀，文章介紹一種接觸軌全自動(dòng)巡檢裝置。其利用三維激光對接觸軌受流面進(jìn)行掃描并測量出接觸軌的幾何參數(shù)，同時(shí)該裝置應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行進(jìn)功能，可高效準(zhǔn)確地完成接觸軌線路的巡檢工作。

關(guān)鍵詞：地鐵;接觸軌;全自動(dòng)巡檢;激光;設(shè)計(jì);應(yīng)用

中圖分類號：U231

接觸軌作為地鐵列車受流方式之一，為列車提供了持續(xù)、穩(wěn)定、可靠的電能。隨著高密度地鐵列車的運(yùn)營，接觸軌狀態(tài)參數(shù)也會(huì)發(fā)生一定的變化，為檢查接觸軌的狀態(tài)，目前通常采用的巡檢方式有人工測量、推行式接觸軌檢測小車、接觸網(wǎng)軌道車、地鐵綜合檢測車等。但這些傳統(tǒng)接觸軌巡檢方式具有一定的局限性，如勞動(dòng)強(qiáng)度大、需要專門的天窗時(shí)間、檢測靈活性差、效率不高等。為此，本文基于工業(yè)相機(jī)三維測量、高速高清成像和激光雷達(dá)掃描等技術(shù)設(shè)計(jì)了一種接觸軌全自動(dòng)巡檢裝置。

1 接觸軌全自動(dòng)巡檢裝置概述

1.1 工作原理

接觸軌全自動(dòng)巡檢裝置的工作原理是：裝置在自主行進(jìn)過程中拍攝受流面、膨脹接頭、防護(hù)罩搭接處等位置圖片，經(jīng)專用軟件進(jìn)行圖片分析、三維還原、特征識(shí)別、數(shù)據(jù)處理獲得所需的接觸軌參數(shù)值，并對上述區(qū)域的部件異常狀態(tài)實(shí)現(xiàn)智能判斷，進(jìn)而快速指導(dǎo)運(yùn)維人員對接觸軌線路進(jìn)行狀態(tài)檢修。

1.2 結(jié)構(gòu)及功能

接觸軌全自動(dòng)巡檢裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分硬件和軟件兩部分，硬件部分包括巡視模塊、檢測模塊和自主行進(jìn)模塊，軟件部分包括數(shù)據(jù)處理軟件模塊。其中，巡視模塊用于拍攝接觸軌線路的高清圖像，供后期分析接觸軌的技術(shù)狀態(tài);檢測模塊負(fù)責(zé)測量接觸軌的幾何參數(shù);自主行進(jìn)模塊負(fù)責(zé)控制裝置自主進(jìn)行測量，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障和自動(dòng)跟隨人員等功能;數(shù)據(jù)處理軟件模塊用于存儲(chǔ)和分析管理該裝置獲取的圖像和測量數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)表和風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告的輸出;具體如圖1所示。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 巡視模塊設(shè)計(jì)

巡視模塊主要由圖像采集模塊和光線補(bǔ)償模塊構(gòu)成。其中圖像采集模塊用于對接觸軌受流面、定位點(diǎn)、膨脹接頭和防護(hù)罩等部件進(jìn)行高清成像，同時(shí)能夠適應(yīng)強(qiáng)烈的光線變化，如夜間在隧道內(nèi)和白天在車輛段的作業(yè)場景。在線路巡視過程中，需要拍攝的視野寬度不應(yīng)低于整個(gè)接觸軌防護(hù)罩的寬度，本文采用寬度為159mm的防護(hù)罩，同時(shí)由于青島地鐵采用下部受流的接觸軌安裝方式，留給相機(jī)的安裝距離有限，該巡檢裝置設(shè)計(jì)的鏡頭到接觸軌面的最小物距D不大于140mm。為保證相機(jī)拍攝范圍能夠?qū)佑|軌實(shí)現(xiàn)全覆蓋，需要通過下列公式對相機(jī)視野進(jìn)行計(jì)算。

式（1）～式（3）中，F(xiàn)OV為相機(jī)的視野范圍;FOVW為橫向視野分量;FOVH為縱向視野分量;FL為鏡頭焦距，mm;w為選用相機(jī)的傳感器橫向尺寸，mm;h 為選用相機(jī)的傳感器縱向尺寸，mm。

若所選相機(jī)的鏡頭焦距為6 mm，相機(jī)傳感器的橫向尺寸為7.18 mm，縱向尺寸為5.32 mm，則通過上述公式可以計(jì)算出橫向視野和縱向視野為：

計(jì)算得到的橫向視野范圍為167 mm，大于接觸軌防護(hù)罩的159mm。選用相機(jī)的分辨率為1600像素×1200像素，可以得出每一像素所代表的實(shí)際物理尺寸為：167/1 600≈0.1mm，124/1200≈0.1 mm。因此對于接觸軌出現(xiàn)的形變和損傷，都能清晰成像。同時(shí)該巡檢裝置設(shè)計(jì)的巡檢速度為3km/h，即每秒前進(jìn)約為833mm。若按照相機(jī)拍攝幀率FPS為15幀/s計(jì)算，則相機(jī)每秒拍攝的最大接觸軌距離之和Smax根據(jù)下式計(jì)算：

即167×15 = 2505mm，大于設(shè)計(jì)速度833mm/s 的要求。

根據(jù)上述計(jì)算，可以得出該裝置采用的工業(yè)相機(jī)滿足巡視中視野、清晰度以及速度的要求。該巡檢裝置選用尺寸為50 mm×20 mm的LED光線補(bǔ)償模塊，可為工業(yè)相機(jī)在暗光環(huán)境下提供穩(wěn)定的照明光源，從而滿足相機(jī)拍攝曝光時(shí)間短和成像質(zhì)量要求高的特點(diǎn)。圖2分別展示了傳統(tǒng)工業(yè)相機(jī)在接觸軌定位點(diǎn)、膨脹接頭和防護(hù)罩搭接位置拍攝的照片。

2.2 檢測模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 參數(shù)測量原理

如圖3建立的坐標(biāo)系，所檢測的點(diǎn)是以數(shù)對形式（X，Y）表示坐標(biāo)系中的點(diǎn)，則該點(diǎn)在坐標(biāo)系內(nèi)的X坐標(biāo)值為拉出值，Y坐標(biāo)值為導(dǎo)高值。

導(dǎo)高值的測量模型為：

式（5）中，Y為導(dǎo)高值（接觸軌軌面中心點(diǎn)至鋼軌軌面的垂直距離）;Y1為三維掃描相機(jī)測得接觸軌軌面距離相機(jī)基準(zhǔn)面的高度;Y2為三維掃描相機(jī)基準(zhǔn)面距離鋼軌軌面的高度。

拉出值的測量模型為：

式（6）中，X為拉出值（接觸軌軌面中心點(diǎn)至鋼軌軌面的水平距離）;X1為三維掃描相機(jī)測得接觸軌軌面距離相機(jī)基準(zhǔn)面的水平距離（為保證掃描相機(jī)能在接觸軌軌面中心點(diǎn)的正下方，故X1設(shè)計(jì)值取0）;X2為三維掃描相機(jī)基準(zhǔn)面距離鋼軌軌面的水平距離。

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的接觸軌受流面的外形尺寸，可以精確地計(jì)算出磨損面積以及硬點(diǎn)的尺寸大小。受流面磨損和硬點(diǎn)的測量數(shù)學(xué)模型為：

式（7）中，M為受流面磨損程度;C為三維掃描相機(jī)深度測量修正常數(shù)（視域深度和像素的比值）;M1為三維掃描相機(jī)測得接觸軌受流面的磨損量。

基于三維掃描相機(jī)的測量頻率F、移動(dòng)時(shí)間s、移動(dòng)速度V和測量次數(shù)N即可獲得膨脹接頭間隙值和防護(hù)罩搭接量Z的測量數(shù)學(xué)模型，即

基于三維掃描相機(jī)測得的接觸軌軌面與其夾角 W1，加上測量基準(zhǔn)面（鋼軌平面）修正常數(shù)C，即可獲得接觸軌受流面和鋼軌平行度W的測量數(shù)學(xué)模型，即

2.2.2 模塊設(shè)計(jì)

三維檢測技術(shù)主要利用工業(yè)相機(jī)、光學(xué)鏡頭和激光發(fā)射器組合構(gòu)建成三維掃描相機(jī)。其通過激光束照射被測物體表面形成高亮度圖像，經(jīng)過三角測量法測量出物體的3D形狀，可用于生成物體的3D圖像、尺寸檢測、體積測量或識(shí)別外形缺陷。該巡檢裝置選用了分辨率為2 560像素×832像素的工業(yè)相機(jī)和12mm 的光學(xué)鏡頭。測量原理如圖4所示，在工業(yè)相機(jī)距離接觸軌受流面160 mm位置的情況下，可以計(jì)算出寬度視野范圍最小為265 mm和測量分辨率為0.103mm，從而可計(jì)算出接觸軌的拉出值。在對接觸軌導(dǎo)高值的測量中，先使用激光束從垂直方向照射受流面，而工業(yè)相機(jī)從與激光束夾角α為35°的方向拍攝受流面，然后相機(jī)分析由傳感器獲取的圖像并定位圖像中的激光束。沿著受流面寬度點(diǎn)位的激光束位置越高，受流面該點(diǎn)位的實(shí)際位置就越高，通過計(jì)算可得到高度視野范圍最小為105 mm，并獲得高度的最小分辨率為0.11 mm。

在測量過程中，該巡檢裝置中的里程傳感器每間隔0.3 mm會(huì)觸發(fā)一次檢測模塊中的工業(yè)相機(jī)進(jìn)行拍攝和數(shù)據(jù)分析，從而完成對整條線路接觸軌及其周圍零部件的精確掃描測量。

2.3 自主行進(jìn)模塊設(shè)計(jì)

該巡檢裝置的自主行進(jìn)模塊主要由無刷電機(jī)、鋰電池組和激光雷達(dá)3部分構(gòu)成，如圖5所示。無刷電機(jī)的減速比為1：10，與之配套的輪子直徑為94 mm，經(jīng)過計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)最高運(yùn)行速度5 km/h。模塊的鋰電池組采用24 V（15 Ah）的動(dòng)力鋰電池，可實(shí)現(xiàn)4 h連續(xù)工作，續(xù)航里程可達(dá)到20 km，可保證在一個(gè)作業(yè)天窗點(diǎn)時(shí)間內(nèi)持續(xù)工作。

自主行進(jìn)模塊的核心是通過激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)巡檢裝置的自主避障和人員跟隨2個(gè)功能。自主避障功能是需要實(shí)現(xiàn)該巡檢裝置對前方指定距離范圍內(nèi)的障礙物做出避障處理，能夠及時(shí)停止行駛，直到障礙物移除后自主恢復(fù)行進(jìn)。人員跟隨功能是需要實(shí)時(shí)判斷后方巡檢人員的距離，如果跟隨的巡檢人員距離超過預(yù)先設(shè)置的距離，巡檢裝置應(yīng)自動(dòng)停止行進(jìn)，進(jìn)行等待，當(dāng)巡檢人員進(jìn)入設(shè)備設(shè)置的距離內(nèi)，其自動(dòng)恢復(fù)向前行進(jìn)。根據(jù)這兩點(diǎn)要求，該巡檢裝置采用激光雷達(dá)作為關(guān)鍵傳感器。激光雷達(dá)通過360°發(fā)射激光并檢測返回光的強(qiáng)度，可以得到一個(gè)以巡檢裝置為中心的點(diǎn)云集合，每個(gè)點(diǎn)均包含空間坐標(biāo)信息（x，y，z）以及光強(qiáng)度信息（i），將軌道兩側(cè)外的點(diǎn)集合刪除后可以得到軌道前后的所有點(diǎn)集合;通過判斷設(shè)置區(qū)域內(nèi)是否有點(diǎn)集合的存在，則可以實(shí)現(xiàn)對前方障礙物和后方跟隨人員的判斷功能。

2.4 數(shù)據(jù)處理軟件模塊設(shè)計(jì)

在測量數(shù)據(jù)通過USB接口導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件后，系統(tǒng)將導(dǎo)入的測量數(shù)據(jù)和巡檢現(xiàn)場圖片信息與本地已有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后自動(dòng)對導(dǎo)入的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和篩選，并自動(dòng)識(shí)別定位點(diǎn)、膨脹接頭、電連接和端部彎頭等重要部件。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)測量算法計(jì)算出的數(shù)值對整個(gè)測量過程中的超限數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并形成超限數(shù)據(jù)庫;數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)測量的數(shù)據(jù)生成和顯示接觸軌的三維信息圖像，并將計(jì)算出的接觸軌每一個(gè)測量點(diǎn)的幾何參數(shù)形成數(shù)據(jù)列表和數(shù)據(jù)曲線圖進(jìn)行顯示。對于超限的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理軟件將以Excel報(bào)表的形式輸出給用戶，并生成測量曲線圖;同時(shí)根據(jù)輸出的數(shù)據(jù)報(bào)表和實(shí)際的線路情況形成本次測量的風(fēng)險(xiǎn)評估報(bào)告，指導(dǎo)運(yùn)維人員對其進(jìn)行檢修作業(yè)。數(shù)據(jù)處理軟件工作流程如圖6所示。

3 接觸軌全自動(dòng)巡檢裝置實(shí)證

以青島地鐵下部受流接觸軌為例，其主要安裝參數(shù)如表1所示。

根據(jù)青島地鐵接觸軌的運(yùn)維要求，設(shè)計(jì)接觸軌全自動(dòng)巡檢裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

接觸軌全自動(dòng)巡檢裝置實(shí)物如圖7所示。該巡檢裝置自青島地鐵3號線投入使用以來，經(jīng)過36個(gè)天窗點(diǎn)的試用，總共巡檢線路382 km，巡檢作業(yè)時(shí)獲得的導(dǎo)高值、拉出值、接觸軌平行度、接觸軌磨耗值和硬點(diǎn)值等參數(shù)的測量范圍和測量精度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具體數(shù)據(jù)輸出（以雙山路—長沙路段為例）如表3所示。

4 結(jié)束語

目前我國已經(jīng)有北京、天津、青島、廣州、武漢等城市的部分或全部地鐵線路采用了接觸軌供電方式，而且所用城市和線路數(shù)量都在不斷增加，而接觸軌巡檢方式的優(yōu)化和技術(shù)的提高是保障地鐵運(yùn)營的重要一環(huán)。本文介紹的接觸軌全自動(dòng)巡檢裝置的工作效率比傳統(tǒng)巡檢作業(yè)有大幅的提高，可有效提高線路故障檢出率，縮短巡檢時(shí)間，減少巡檢人員數(shù)量，降低作業(yè)強(qiáng)度。該巡檢裝置將是地鐵智慧運(yùn)維的重要基礎(chǔ)裝備，為地鐵的運(yùn)營安全提供可靠技術(shù)支撐和保障。

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收稿日期 2020-05-22

責(zé)任編輯 黨選麗