地鐵第三軌檢測系統(tǒng)的研發(fā)

程朝陽 趙延峰 劉正毅 強(qiáng)偉樂 張建 魏世斌

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081

地鐵的主要供電方式有第三軌（又稱接觸軌，見圖1）供電和架空接觸網(wǎng)供電。與后者相比，第三軌供電具有建設(shè)成本低、使用壽命長、維護(hù)方便、對城市景觀影響小等優(yōu)點(diǎn)。第三軌和走行軌的幾何位置關(guān)系到第三軌的受流性能［1］，直接影響地鐵運(yùn)營的安全和效率，故第三軌的定期檢測維護(hù)十分必要。目前第三軌的檢測主要采用傳統(tǒng)的人工測量方式，效率低，誤差大，且數(shù)據(jù)管理不便。

圖1 第三軌位置

地鐵第三軌檢測系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光圖像處理技術(shù)，可以提高檢測速度和精度［2］，減少人工測量的工作量。其主要測量參數(shù)為第三軌拉出值和導(dǎo)高。拉出值指同一橫斷面內(nèi)第三軌的軌距點(diǎn)距離軌道中心線的橫向距離，導(dǎo)高指同一橫斷面內(nèi)第三軌的軌頂點(diǎn)距離軌道中心線的垂向距離。

受線路環(huán)境和牽引力的影響，檢測梁會發(fā)生側(cè)滾、搖頭和振動［3］，所以檢測梁相對于軌道的空間位置隨時在發(fā)生變化。第三軌線激光像機(jī)組件和走行軌線激光像機(jī)組件安裝于轉(zhuǎn)向架端部的同一檢測梁，分別檢測第三軌和走行軌，并對第三軌幾何參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，消除檢測梁姿態(tài)變化引起的誤差，從而得到較為精確的第三軌幾何參數(shù)。

1 地鐵第三軌檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地鐵第三軌檢測系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。車廂內(nèi)安裝QNX（Quick UNIX）實(shí)時處理單元、圖像處理單元以及數(shù)據(jù)處理單元。

圖2 地鐵第三軌檢測系統(tǒng)架構(gòu)

QNX實(shí)時處理單元安裝有QNX實(shí)時操作系統(tǒng)、計(jì)數(shù)器卡和CAN（Controller Area Network）數(shù)據(jù)通信卡［4］。由QNX實(shí)時處理單元觸發(fā)圖像處理單元中的圖像采集卡，同步采集第三軌和走行軌的圖像信號。同時采用2臺圖像處理機(jī)分別處理第三軌和走行軌的圖像數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)的處理速度。QNX實(shí)時處理單元接收來自車輪軸端的編碼器脈沖，通過計(jì)算按0.25 m間隔發(fā)出脈沖信號，控制第三軌和走行軌的圖像采集和處理，并接收圖像處理機(jī)輸出的軌距點(diǎn)和軌頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而合成第三軌的幾何參數(shù)。發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元，供用戶使用。

2 實(shí)時處理算法

2.1 第三軌幾何參數(shù)采集與處理

走行軌的單邊軌距和高低的測量由左右走行軌線激光像機(jī)組件完成。第三軌軌面向下，距走行軌軌面的垂直距離僅200 mm，內(nèi)側(cè)面有尼龍防護(hù)罩遮擋，相機(jī)測量空間受到限制。同時第三軌檢測系統(tǒng)的相機(jī)安裝位置必須滿足車輛限界要求和GB 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中轉(zhuǎn)向架上部組件距第三軌凈距大于150 mm的要求。目前主流的工業(yè)相機(jī)和激光器因安裝空間不夠不便拍攝，因此在線激光攝像組件中采用直角棱鏡，對激光器和相機(jī)鏡頭前的光路進(jìn)行90°偏轉(zhuǎn)，如圖3所示。

圖3 工業(yè)相機(jī)安裝位置

走行軌的線激光攝像組件從軌道的斜上方拍攝，相機(jī)視窗內(nèi)鋼軌斷面的圖像清晰，上部圖像無遮擋，在提取軌道特征點(diǎn)時可以軌頂面為基準(zhǔn)，先提取圖像中的軌頂點(diǎn)，然后在軌頂點(diǎn)以下16 mm處找出軌距點(diǎn)。測量第三軌時因第三軌軌面朝下，內(nèi)側(cè)面有防護(hù)罩、支撐架和其他設(shè)施，軌頂面區(qū)域的圖像易受其他因素干擾。從現(xiàn)場采集的圖像來看，第三軌內(nèi)側(cè)邊緣不受磨損，特征穩(wěn)定［5］，因此將其作為鋼軌特征點(diǎn)提取基準(zhǔn)。采用圖像匹配的方式找出第三軌內(nèi)側(cè)邊緣，可以更加精準(zhǔn)找出第三軌的軌距點(diǎn)和高低點(diǎn)。

圖像匹配主要包括灰度匹配［6］和幾何特征匹配［7-8］兩種?；叶绕ヅ渌俣瓤?，但所采集的第三軌圖像需要和對比模板中的角度、大小相近；幾何特征匹配耗時較長，在第三軌的角度和圖像變化較大時依然可以和模板準(zhǔn)確匹配。綜合檢測車在運(yùn)行時其相對于軌道的位置、角度均在發(fā)生變化，因此選用恰當(dāng)?shù)哪０?，并采用灰度匹配和幾何特征匹配相結(jié)合的方式，在不同位置及存在陽光干擾、軌面不清晰等狀態(tài)下仍能快速準(zhǔn)確地檢測第三軌。

2.2 車體振動補(bǔ)償技術(shù)

1#、2#線激光攝像組件用于跟蹤走行軌的特征點(diǎn)，3#、4#線激光攝像組件用于跟蹤第三軌的特征點(diǎn)。將傳感器、檢測梁看作剛體，1#、2#線激光攝像組件測量該剛體相對軌道的偏移量，補(bǔ)償3#、4#線激光攝像組件測量的第三軌幾何參數(shù)。

軌道橫截面方向軌距點(diǎn)連線的中心點(diǎn)為O′w（圖4），過O′w垂直于鋼軌截面作O′wz′w，O′wx′w與O′wz′w垂直，建立全局坐標(biāo)系O′wx′wy′wz′w。列車靜止時，建立靜態(tài)坐標(biāo)系O′0x′0y′0z′0。兩坐標(biāo)系的平面O′0x′0y′0、O′wx′wy′w重合。

圖4 全局坐標(biāo)系及靜態(tài)坐標(biāo)系

無論是列車靜止時還是在行駛過程中，1#、2#線激光攝像組件均可準(zhǔn)確測量走行軌軌距點(diǎn)距檢測梁水平距離的變化量以及軌頂點(diǎn)距檢測梁垂直距離的變化量。設(shè)1#線激光攝像組件的測量值為x′1、y′1，2#線激光攝像組件的測量值為x′2、y′2，則靜態(tài)坐標(biāo)系原點(diǎn)O′0在全局坐標(biāo)系O′wx′wy′wz′w中的坐標(biāo)為

式中：O1O2為檢測梁的長度。

設(shè)列車行駛過程中1#線激光攝像組件的測量值為x1、y1，2#線激光攝像組件的測量值為x2、y2，則動態(tài)坐標(biāo)系O0x0y0z0（圖5）的原點(diǎn)O0在全局坐標(biāo)系O′wx′wy′wz′w中的坐標(biāo)為

圖5 動態(tài)坐標(biāo)系

列車行駛過程中檢測梁沿著x0軸、y0軸的偏移量分別為x和y。經(jīng)過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換得到

將x和y作為振動修正分量，對動態(tài)坐標(biāo)系中測量的第三軌數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，即可得到全局坐標(biāo)系中第三軌的拉出值及導(dǎo)高。

3 第三軌檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確度驗(yàn)證與應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

3.1.1 第三軌導(dǎo)高、拉出值靜態(tài)準(zhǔn)確度驗(yàn)證

根據(jù)第三軌檢測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝和應(yīng)用情況設(shè)計(jì)了等間距陣列標(biāo)定針板，分別對第三軌和走行軌的線激光攝像組件進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定完成后，首先采用在鋼軌內(nèi)側(cè)貼標(biāo)準(zhǔn)量塊的方法［9］對線激光攝像組件的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。然后將可移動的標(biāo)定靶頭（圖6）安裝在第三軌線激光攝像組件的標(biāo)定插槽中，分別橫向、垂向移動靶頭到不同位置，通過波形軟件查看左（右）第三軌拉出值、導(dǎo)高的變化，驗(yàn)證第三軌拉出值、導(dǎo)高的靜態(tài)檢測精度。

圖6 第三軌檢測系統(tǒng)靜態(tài)準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

3.1.2 第三軌導(dǎo)高、拉出值動態(tài)準(zhǔn)確度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證第三軌拉出值、導(dǎo)高的動態(tài)準(zhǔn)確度［10］，在實(shí)驗(yàn)室搭建了第三軌測試環(huán)境（圖7），檢測梁安裝在六自由度高精度電動平臺上，第三軌和走行軌保持不動，檢測梁橫向、垂向以固定幅值、頻率進(jìn)行正弦振動，驗(yàn)證系統(tǒng)測量結(jié)果是否小于規(guī)定閾值。

圖7 第三軌檢測系統(tǒng)動態(tài)準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

檢測梁分別以橫向40 mm、垂向30 mm幅值正弦波形式振動時第三軌拉出值、導(dǎo)高的輸出值（圖8）與標(biāo)準(zhǔn)值（第三軌與走行軌保持靜止時標(biāo)準(zhǔn)值為0）的最大誤差分別為0.8、0.7 mm，滿足系統(tǒng)檢測精度（±2 mm）的要求。實(shí)際上列車行駛過程中僅第三軌彎頭部分垂向位置變化較大，其他地方第三軌和走行軌的垂向位置變化較小。

圖8 檢測梁正弦振動時第三軌檢測系統(tǒng)輸出結(jié)果

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

在無錫地鐵試驗(yàn)線上選取兩處第三軌檢測系統(tǒng)檢測值較大的超限區(qū)段，采用第三軌檢測尺進(jìn)行人工復(fù)核。第三軌檢測系統(tǒng)的檢測值與現(xiàn)場復(fù)核值非常接近，見圖9。

圖9 第三軌檢測系統(tǒng)檢測值與現(xiàn)場復(fù)核值對比

3.3 動態(tài)重復(fù)性

2014年5月采用第三軌檢測系統(tǒng)對無錫地鐵1號線上下行線K3—K7連續(xù)5 km進(jìn)行動態(tài)檢測。參考TJ/GW 126—2014《軌道檢測系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》，對兩次檢測結(jié)果差值的95%分位數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。可見：左右導(dǎo)高、拉出值差值的95%分位數(shù)均小于0.6 mm。說明該系統(tǒng)檢測結(jié)果重復(fù)性較好。

表1 兩次檢測結(jié)果差值的95%分位數(shù) mm

4 結(jié)語

基于結(jié)構(gòu)光圖像處理技術(shù)和車體振動補(bǔ)償技術(shù)的地鐵第三軌檢測系統(tǒng)通過數(shù)次實(shí)驗(yàn)室動靜態(tài)測試，檢測精度均滿足現(xiàn)場要求，已應(yīng)用于無錫地鐵1號線的定期檢測。該系統(tǒng)有助于合理制定養(yǎng)護(hù)維修決策，打造安全、高效、經(jīng)濟(jì)的軌道交通。