基于面投射踏面磨損測量預(yù)警系統(tǒng)研究

周子強(qiáng) 王睿 葛暢

摘 要：目前，輪對(duì)綜合參數(shù)自動(dòng)測量裝置的研制已成為我國數(shù)字化鐵路的一個(gè)主要研究方向，開發(fā)出安全性高、測量速度快、精度高的車輛輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)已經(jīng)成為實(shí)際輪對(duì)檢測工作中的迫切需求。為能夠有效推動(dòng)我國高速列車的進(jìn)一步快速發(fā)展，本文提出了基于面投射踏面磨損測量預(yù)警系統(tǒng)，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：面投射;踏面磨損;測量預(yù)警系統(tǒng)

0 引言

如今，輪對(duì)綜合參數(shù)自動(dòng)測量裝置的研制已成為我國數(shù)字化鐵路的一個(gè)主要研究方向，開發(fā)出安全性高、測量速度快、精度高的車輛輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)已經(jīng)成為實(shí)際輪對(duì)檢測工作中的迫切需求。基于上述發(fā)展背景，本文旨在利用激光照射投影，利用圖像處理技術(shù)將所得影像與標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)踏面進(jìn)行對(duì)比，以最終判斷輪對(duì)損耗情況這一基本原理，設(shè)計(jì)開發(fā)包含列車速度檢測、圖像信息采集、中央信息處理和踏面磨損預(yù)警四大模塊的高速車輛輪對(duì)檢測系統(tǒng)設(shè)備，從而推動(dòng)我國高速列車的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)為“交通強(qiáng)國”建設(shè)助力。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外學(xué)者的大量研究主要集中在列車輪對(duì)磨耗監(jiān)測及預(yù)測方面，對(duì)于輪對(duì)綜合參數(shù)的檢測方法可以分為靜態(tài)檢測和動(dòng)態(tài)檢測。

1.1 靜態(tài)檢測方法

車輛輪對(duì)靜態(tài)檢測技術(shù)是指鐵路車輛的輪對(duì)在檢修過程中，從車輛上卸下，用相應(yīng)的檢測儀器或裝置進(jìn)行測量，此種方法雖然精度較高，但是效率很低。國內(nèi)外靜態(tài)檢測方法主要包括專用卡尺法 、基于平行四邊形機(jī)構(gòu)的輪對(duì)自動(dòng)測量裝置等。

1.2 動(dòng)態(tài)測量方法

動(dòng)態(tài)檢測是指在車輛行進(jìn)時(shí)進(jìn)行的測量，具有精度穩(wěn)定、效率較高、檢測自動(dòng)化程度高和不占用車輛周轉(zhuǎn)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外動(dòng)態(tài)測量方法主要包括超聲遙測檢測裝置、加速度峰值評(píng)法、基于圖像的自動(dòng)檢測方法等。

2 基于面投射踏面磨損測量預(yù)警系統(tǒng)分析

本項(xiàng)目從操作方便性、安全性、測量速度、測量精度等方面出發(fā)，對(duì)高速列車輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)展開研究，針對(duì)目前高速列車輪對(duì)人工檢修方法存在的問題我國鐵路部門環(huán)境特點(diǎn)，以及輪對(duì)綜合參數(shù)自動(dòng)測量裝置的研制進(jìn)程進(jìn)行分析，以此進(jìn)行測量方法的不斷修正，從而開發(fā)出一套真正適應(yīng)于高速列車實(shí)際運(yùn)行情況下的基于面投射踏面磨損測量預(yù)警系統(tǒng)。

本項(xiàng)目包含列車速度監(jiān)測模塊、輪對(duì)踏面監(jiān)測的圖像信息采集模塊、中央處理模塊和踏面磨耗預(yù)警模塊。其中，基于面投射踏面磨損測量預(yù)警系統(tǒng)的模塊示意圖，如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)模塊

2.1.1 列車速度監(jiān)測模塊

擬用速度傳感器采集列車速度，列車運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有速度閾值，該閾值為查閱資料所得列車進(jìn)站時(shí)速度限制，當(dāng)監(jiān)測到列車速度等于或低于此值時(shí)，輪對(duì)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開始工作。

2.1.2 圖像信息采集模塊

該模塊包括平行激光束、接收屏和攝像頭，由安裝在轉(zhuǎn)向架上的接收屏獲得平行激光束照射后得到的踏面輪廓投影，再由攝像頭采集得到踏面輪廓曲線圖像并通過線路傳至中央處理模塊。

2.1.3 中央處理模塊

輪廓曲線圖像由樹莓派保存，通過輪廓提取算法處理得到真實(shí)踏面輪廓曲線，以標(biāo)準(zhǔn)的踏面輪廓曲線作為對(duì)比曲線，以上為圖像預(yù)處理階段，輪廓對(duì)比階段將兩曲線通過形狀匹配算法處理，得到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏移量、匹配度等匹配參數(shù)，從而得以分析磨耗情況。

2.1.4 踏面磨耗預(yù)警模塊

由中央處理模塊最終的分析結(jié)果判斷是否作出預(yù)警處理，預(yù)警信息發(fā)送至駕駛室顯示屏及有關(guān)維修管理人員處。

2.2 系統(tǒng)的工作原理

基于面投射踏面磨損測量預(yù)警系統(tǒng)的工作原理為：第一，使用平行激光源沿車輪踏面切線方向照射車輪踏面，在另一側(cè)接收屏上得到車輪踏面輪廓二維投影曲線，該曲線反映踏面輪廓的真實(shí)形狀;第二，使用樹莓派作為移動(dòng)信息處理平臺(tái)，高分辨率攝像機(jī)作為信息采集設(shè)備，對(duì)投影得到踏面輪廓曲線進(jìn)行拍攝、儲(chǔ)存;第三，使用去噪技術(shù)、輪廓提取技術(shù)處理踏面輪廓曲線圖片，以車輪徑向?yàn)榭v坐標(biāo)，得到在平面坐標(biāo)系下踏面輪廓曲線的點(diǎn)集;第四，通過對(duì)相機(jī)的標(biāo)定，計(jì)算輪廓曲線的實(shí)際參數(shù);第五，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)得到與前述輪廓表示方法相同的標(biāo)準(zhǔn)踏面輪廓曲線的表示;確定系統(tǒng)誤差的影響，制定踏面輪廓曲線偏差閾值;第六，計(jì)算實(shí)際踏面輪廓曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線縱坐標(biāo)方向的偏差，各點(diǎn)偏差、平均偏差等參數(shù)與閾值對(duì)比確定踏面磨損情況，根據(jù)情況制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案。

通過有效運(yùn)用基于面投射踏面磨損測量預(yù)警系統(tǒng)，能夠有效解決動(dòng)車車輪踏面參數(shù)的非接觸測量、磨損情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測。其中包含：第一，踏面輪廓曲線各點(diǎn)坐標(biāo)的精確計(jì)算;第二，分析列車行駛過程中不可避免的震動(dòng)影響，分析采集圖像中邊緣色彩不明確的影響;第三， 控制圖像采集區(qū)域光照環(huán)境，保證圖像采集設(shè)備的工作環(huán)境;第四，分析圖像中邊緣色彩不明確帶來的系統(tǒng)誤差;第五，合理控制采樣時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)車輪圓周上各采樣點(diǎn)的均勻分布。

2.3 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)與特色

基于面投射踏面磨損測量預(yù)警系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)與特色，主要包括：

第一，多樣性，即采用多種設(shè)備和融合多種算法，輪對(duì)踏面圖像監(jiān)測具有快速、高精度、實(shí)時(shí)和非接觸式的特點(diǎn)，且具有較強(qiáng)的抗干擾性; 第二，直接性，即本研究的車輪踏面形狀獲得方法直接，并對(duì)其進(jìn)行細(xì)化處理，能得到更為準(zhǔn)確的圖像信息; 第三，低成本，即本系統(tǒng)研究采用的設(shè)備成本較低、同時(shí)本系統(tǒng)節(jié)約了大量的管理時(shí)間及費(fèi)用，符合鐵路部門當(dāng)前自動(dòng)化管理的發(fā)展趨勢; 第四，及時(shí)性，即在判斷依據(jù)方面，本研究采取定量分析方法，通過形狀匹配算法快速獲取相對(duì)于正常輪對(duì)的匹配參數(shù)，分析判斷及時(shí)性高; 第五，精準(zhǔn)性，即本研究考慮到了列車運(yùn)行時(shí)輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架間相對(duì)位移的影響，通過圖像識(shí)別中的插值處理抵消車輪振動(dòng)的影響，使得檢測結(jié)果更為精準(zhǔn)，能夠及時(shí)預(yù)警; 第六，方便性，即本系統(tǒng)的圖像提取設(shè)備裝于轉(zhuǎn)向架上，圖像信息直接通過線路傳輸?shù)街醒胩幚碓O(shè)備，使用和管理更為方便。

2.4 系統(tǒng)運(yùn)用的預(yù)期效果

基于面投射踏面磨損測量預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)用的預(yù)期效果，主要包括：第一，激光光源平行度好、光照方向與車輪切線平行度誤差小;第二，接收屏上成像清晰、無外界環(huán)境光影響;第三，所得踏面輪廓曲線圖像邊緣清晰;第四，圖像采集設(shè)備定位準(zhǔn)確;第五，實(shí)現(xiàn)快速的、高精度的、非接觸的、實(shí)時(shí)的、抗干擾性強(qiáng)的車輪踏面參數(shù)檢測及磨損情況分析，實(shí)時(shí)保證列車行駛條件，幫助制定修程，幫助分析車輪磨損原因。

3 小結(jié)

綜上所述，本文提出的基于面投射踏面輪廓的檢測方法，相對(duì)于大多數(shù)線型激光檢測方法有著更高的檢測精度，將得到的輪廓曲線與標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線對(duì)比，數(shù)據(jù)處理更為簡便，能夠更快得出檢測判斷結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

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