有軌電車線路槽型軌自動(dòng)清潔系統(tǒng)研究*

謝勇君 林澤楠，2 李海建，3 李進(jìn)桂 黃衍銘 黃曉杰

(1. 暨南大學(xué)軌道交通研究院， 519070， 珠海； 2.華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院， 510641， 廣州； 3. 桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 541004， 桂林∥第一作者， 副教授)

0 引言

有軌電車的線路大多采用埋入式的槽型軌，軌道鋪設(shè)于城市道路的中間或兩旁，和沿線道路上的其他車輛共享路權(quán)[1]。由于有軌電車軌道凹槽的特殊結(jié)構(gòu)，樹(shù)葉、砂石、泥土等異物容易堆積粘附在槽型軌內(nèi)部，甚至?xí)?duì)槽型軌造成腐蝕。

在國(guó)外，德國(guó)Zweiweg公司設(shè)計(jì)的軌道清潔車使用高壓水裝置對(duì)槽型軌內(nèi)的異物進(jìn)行清潔，但該產(chǎn)品設(shè)計(jì)距今較久，已無(wú)法滿足有軌電車軌道的清潔要求。英國(guó)的JOHNSTON、美國(guó)的ELGIN等公司設(shè)計(jì)的清潔車能夠?qū)愤M(jìn)行清潔作業(yè)，但并不是針對(duì)有軌電車的槽型軌道清潔而設(shè)計(jì)的，因此也無(wú)法滿足有軌電車槽型軌的清潔要求。

在國(guó)內(nèi)，目前針對(duì)有軌電車槽型軌內(nèi)異物的處理目前仍以人工手動(dòng)清潔為主，該方式耗時(shí)、耗力、效率低、揚(yáng)塵污染較為嚴(yán)重，并不適合有軌電車可持續(xù)發(fā)展的要求。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種有軌電車槽型軌清潔裝置，該裝置可將槽型軌中污物松動(dòng)，利用滾刷將污物掃起后經(jīng)由吸塵器吸走。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了軌道專用的清理維護(hù)車，該清潔車可利用鏟刀進(jìn)行清污，但鏟刀會(huì)對(duì)軌道面產(chǎn)生不可逆的機(jī)械性損傷。

利用高壓水流對(duì)有軌電車槽型軌內(nèi)粘附的垃圾進(jìn)行沖洗，并利用負(fù)壓裝置吸走污水和異物，可達(dá)到較好的清潔效果，也可以避免與軌道槽直接接觸，對(duì)其造成無(wú)法修復(fù)的磨損。文獻(xiàn)[4-5]為了獲得高壓水射流對(duì)有軌電車槽型軌軌面的最佳清洗效果，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析軟件FLUENT，對(duì)水射流的清洗過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真，得出在指定的條件下射流的最佳靶距為10～15 cm、最佳入射角為25°的結(jié)論。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的槽型鋼軌清潔車裝滿水后只能清洗6 km長(zhǎng)度的軌道。文獻(xiàn)[7]研制的軌道清潔車由多個(gè)系統(tǒng)組成，利用水流沖洗或負(fù)壓對(duì)污物進(jìn)行抽吸。上述利用高壓水或負(fù)壓對(duì)槽型軌的清潔方式是粗放型的清潔方式，即使部分軌道槽內(nèi)并沒(méi)有垃圾等異物，清潔車在工作過(guò)程中均使用水流來(lái)沖洗軌道，這樣既造成了水資源的大量浪費(fèi)，又使得清潔車的工作里程較短，需要不斷補(bǔ)充清潔水源。

此外，目前關(guān)于軌道異物清潔的研究(包括軌面提取、軌道異物識(shí)別等)大多與工字軌相關(guān)，針對(duì)槽型軌內(nèi)異物識(shí)別的相關(guān)研究較少。為解決現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)有軌電車軌道清潔裝備技術(shù)落后的現(xiàn)狀，本文研發(fā)了一套適用于有軌電車槽型軌的自動(dòng)清潔系統(tǒng)。

1 自動(dòng)清潔系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 自動(dòng)清潔系統(tǒng)的工作流程設(shè)計(jì)

本文研發(fā)的有軌電車槽型軌自動(dòng)清潔系統(tǒng)在工作時(shí)首先打開(kāi)清潔車上軌道槽吸口，吸走軌面上普通的灰塵、沙子，接著通過(guò)清潔車上的車載高速攝像頭獲取槽型軌道的實(shí)時(shí)圖像。該系統(tǒng)的工作流程如圖1所示，當(dāng)槽型軌異物快速檢測(cè)算法檢測(cè)到槽型軌中有異物存在時(shí)，上位機(jī)和PLC(可編程邏輯控制器)將自動(dòng)調(diào)用清潔車上的高壓水流，配合吸口實(shí)現(xiàn)對(duì)異物的自動(dòng)清理。

圖1 有軌電車槽型軌自動(dòng)清潔系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 Operation flow chart of the automatic cleaning system for the grooved track of tram

1.2 公鐵兩用槽型軌清潔車的總體結(jié)構(gòu)

將該自動(dòng)清潔系統(tǒng)應(yīng)用于公鐵兩用槽型軌清潔車[8](以下簡(jiǎn)稱“清潔車”)，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖3所示，有軌電車大多采用埋入式槽型軌道[1]，其特殊的結(jié)構(gòu)增加了清潔車在快速移動(dòng)下對(duì)異物的檢測(cè)與清理的難度。為獲得清潔車以20 km/h的速度行駛過(guò)程時(shí)槽型軌的圖像，本文設(shè)計(jì)一款專用的高速攝像頭夾具，以輔助固定高速攝像頭。該夾具安裝在清潔車底盤(pán)內(nèi)(見(jiàn)圖2的位置5)，共有2個(gè)移動(dòng)自由度和2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，可方便高速攝像頭調(diào)焦，適用于各類清潔環(huán)境。夾頭部分的橡膠墊可增大夾具與攝像頭間的摩擦力，也能起到一定的緩沖減震作用，并有效減輕清潔車在工作過(guò)程中產(chǎn)生的攝像機(jī)抖動(dòng)。

注：1——主車體； 2——前置低壓降塵水路； 3——前置刷盤(pán)； 4——前變軌導(dǎo)向裝置； 5——高速攝像頭夾具； 6——低壓隔膜水泵； 7——高壓柱塞水泵； 8——洗車槍； 9——后變軌導(dǎo)向裝置； 10——中間軌面負(fù)壓吸口； 11——軌道槽清洗裝置； 12——軌道槽吸口； 13——軌道槽高壓水路； 14——污水箱； 15——液壓泵與油箱； 16——風(fēng)機(jī)； 17——柴油副發(fā)動(dòng)機(jī)； 18——清水箱； 19——警報(bào)器。

圖3 槽型軌道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of the grooved track

1.3 槽型軌道異物快速檢測(cè)算法

針對(duì)傳統(tǒng)幀間差分法不能檢測(cè)出完整目標(biāo)、易產(chǎn)生空洞現(xiàn)象、對(duì)運(yùn)動(dòng)緩慢的物體不敏感等局限，為了匹配清潔車較快的行駛速度，本文提出了槽型軌異物的快速檢測(cè)算法，其計(jì)算流程如圖4所示。

1.3.1 步驟一：圖像預(yù)處理

為降低車載左、右軌道攝像頭采集得到的視頻序列幀中背景光照、行車振動(dòng)等因素的干擾，自動(dòng)清潔系統(tǒng)用高斯濾波器和中值濾波器進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的平滑減噪，以減小高分辨率圖像帶來(lái)的圖像噪聲干擾。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步將視頻幀數(shù)量減少至原始視頻流的1/10，并轉(zhuǎn)化為灰度圖，以提高檢測(cè)算法的處理速度。

圖4 槽型軌異物快速檢測(cè)算法計(jì)算流程圖Fig.4 Calculation flow chart of grooved track foreign object rapid detection algorithm

1.3.2 步驟二：提取槽型軌軌面

首先，使用Canny算法對(duì)灰度圖進(jìn)行軌道邊緣檢測(cè)，包括采用Sobel算子計(jì)算圖像的梯度幅度和方向，對(duì)梯度幅度應(yīng)用非極大值抑制來(lái)細(xì)化邊緣，用雙閾值算法檢測(cè)和連接邊緣以得到圖像輪廓。接著，通過(guò)概率霍夫變換算法檢測(cè)出圖中存在的直線線段并進(jìn)行篩選，最終分割出槽型軌軌面。

1.3.3 步驟三：異物檢測(cè)

采用背景自動(dòng)更新的背景差分法對(duì)槽型軌中的異物進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)式(1)計(jì)算差分圖像，背景幀的更新策略如式(2)所示。

At(u,v)=|It(u,v)-Bt(u,v)|

(1)

(2)

式中：

At(u,v)——差分圖像函數(shù)；

It(u,v)——當(dāng)前幀圖像函數(shù)；

Bt(u,v)——背景幀圖像函數(shù)；

u、v——分別表示圖像幀中水平方向、豎直方向的像素點(diǎn)；

t——圖像幀序號(hào)；

α——圖像幀的更新率。

試驗(yàn)表明，當(dāng)α取0.2時(shí)考慮了像素點(diǎn)時(shí)空之間的關(guān)聯(lián)性，能夠有效檢測(cè)出槽型軌的圖像序列中變化不夠明顯的異物目標(biāo)，并且可以防止運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)突然消失。

1.3.4 步驟四：目標(biāo)提取

設(shè)定二值化處理的閾值θ(θ=40)，對(duì)差分圖像進(jìn)行二值化處理，得到的二值化圖Tt(u,v)如式(3)所示，并與步驟二中提取出的槽型軌軌面進(jìn)行相與運(yùn)算，初步提取出槽型軌中異物的圖像。為緩解空洞效應(yīng)的影響，采用形態(tài)學(xué)濾波的方法對(duì)異物圖像進(jìn)行進(jìn)一步的處理，以得到目標(biāo)結(jié)果。

(3)

1.3.5 步驟五：計(jì)算異物位置

通過(guò)提取到的目標(biāo)物體的中心距離計(jì)算出異物的質(zhì)心在圖像中的坐標(biāo)，進(jìn)一步結(jié)合清潔車的實(shí)際運(yùn)行速度，計(jì)算出異物與軌道槽負(fù)壓吸口及高壓水噴嘴之間的實(shí)際距離。

通過(guò)上述5個(gè)步驟可實(shí)現(xiàn)槽型軌內(nèi)異物實(shí)時(shí)位置的獲取。當(dāng)異物進(jìn)入高壓水噴嘴和軌道槽負(fù)壓吸口清潔范圍之內(nèi)時(shí)，可對(duì)異物進(jìn)行清潔。

1.4 清潔裝置的自動(dòng)控制

工控機(jī)對(duì)檢測(cè)算法識(shí)別到的異物位置信息進(jìn)行處理，向清潔車上的PLC發(fā)送控制信息，控制電磁離合器、電隔膜泵、電磁閥等工具調(diào)用清潔裝置進(jìn)行清潔作業(yè)。

清潔裝置控制模塊包括低壓水降塵、高壓水沖洗、負(fù)壓吸污、掃盤(pán)洗刷等4個(gè)子系統(tǒng)，其中：低壓水降塵子系統(tǒng)分為前置掃盤(pán)降塵水路、左右槽型軌間軌面降塵水路及污水箱內(nèi)降塵水路，均由電隔膜水泵帶動(dòng)；高壓水沖洗子系統(tǒng)由軌道槽沖洗水路、污水箱內(nèi)清淤水路及高壓水沖洗槍組成；負(fù)壓吸污子系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)抽吸左、右槽型軌之間的污水及軌道槽負(fù)壓吸口處的污水；掃盤(pán)洗刷子系統(tǒng)中，液壓馬達(dá)負(fù)責(zé)控制掃盤(pán)裝置，對(duì)左、右槽型軌之間的軌面進(jìn)行清潔。

考慮高壓水泵流量與軌道面清洗工況等因素，在保證最佳清污效果下最大化節(jié)約水資源，對(duì)高壓水噴嘴、風(fēng)機(jī)吸口進(jìn)行設(shè)計(jì)[7]，噴嘴出口水流速度的理論計(jì)算式如下：

(4)

式中：

p——噴嘴的入口壓力；

v——水流速度；

λ——噴嘴出口水流速度系數(shù)。

如圖5所示，利用FLUENT軟件對(duì)水射流的清洗過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真，得出結(jié)論如下：在工作壓力為6 MPa、噴嘴出口直徑為1.6 mm時(shí)，設(shè)置靶距為10～15 cm，入射角為25°，高壓水射流能達(dá)到最佳清污效果。

圖5 高壓水射流清洗仿真模型界面截圖

工作人員可通過(guò)清潔車上面的物理控制面板或上位機(jī)軟件界面上的按鈕手動(dòng)控制相關(guān)清潔裝置工作，也可設(shè)置清潔車采用自動(dòng)清潔模式，即檢測(cè)到有異物時(shí)清潔車自行進(jìn)行清潔。

在自動(dòng)清潔模式下，軌道槽負(fù)壓吸口下降至工作高度并打開(kāi)風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)軌道槽吸口吸污。高速攝像頭實(shí)時(shí)獲取左、右槽型軌道的圖像后，通過(guò)檢測(cè)算法程序快速識(shí)別出槽型軌內(nèi)有無(wú)異物，并對(duì)異物位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。若檢測(cè)到軌道槽內(nèi)有異物，自動(dòng)清潔系統(tǒng)將關(guān)閉回水回路，打開(kāi)高壓水回路沖射軌道槽，污物將經(jīng)由軌道槽吸口吸走；若沒(méi)有檢測(cè)到有異物，自動(dòng)清潔系統(tǒng)將關(guān)閉高壓水回路，不做清潔。自動(dòng)清潔模式的工作流程如圖6所示。

圖6 自動(dòng)清潔模式的工作流程圖Fig.6 Operation flow chart of automatic cleaning mode

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文通過(guò)清潔車對(duì)存在異物的槽型軌進(jìn)行清潔試驗(yàn)，使用WP-UF500高速攝像頭獲取清潔車快速行駛過(guò)程中的軌面圖像。從圖7可以看出，本文提出的槽型軌異物快速檢測(cè)算法能夠檢測(cè)出槽型軌道內(nèi)的泥土、砂石、樹(shù)葉等異物。經(jīng)計(jì)算，本次試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)檢測(cè)的成功率超過(guò)92%，處理每幀圖像的平均耗時(shí)為31.6 ms。由此可認(rèn)為：本文提出的自動(dòng)清潔系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，可滿足清潔車20 km/h的清潔速度，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的人工清潔速度(4～5 km/h)。

a) 軌面上異物實(shí)圖

b) 異物的檢測(cè)效果圖圖7 采用自動(dòng)清潔系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)的檢測(cè)效果Fig.7 Detection effect of adopting automatic cleaning system for tests

根據(jù)水射流仿真的結(jié)果調(diào)整軌道槽的清洗射流噴嘴，將射流靶距設(shè)為10 cm、入射角設(shè)為25°，清潔車在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)槽型軌進(jìn)行清潔，達(dá)到了良好的清潔效果，如圖8所示。

圖8 槽型軌清潔后的實(shí)際效果Fig.8 Actual effect of grooved track after cleaning

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)有軌電車槽型軌自動(dòng)清潔的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，所提出的槽型軌異物快速檢測(cè)算法能夠準(zhǔn)確地提取槽型軌的軌面圖像，對(duì)槽內(nèi)異物檢測(cè)的成功率高、檢測(cè)時(shí)間較短，能夠滿足清潔車以20 km/h速度行駛過(guò)程中獲取異物位置并對(duì)其進(jìn)行清潔的需求。自動(dòng)清潔系統(tǒng)在有軌電車槽型軌中得以應(yīng)用，既可提高槽型軌道內(nèi)異物的清潔效率，又有利于降低腐蝕性垃圾對(duì)槽型軌的污染，減少導(dǎo)電物對(duì)有軌電車正常運(yùn)行的影響，有助于推動(dòng)有軌電車行業(yè)的發(fā)展。

本文克服了傳統(tǒng)人工手持工具清潔槽型軌道效率低下、成本較高的不足，解決了普通清潔車工作時(shí)全程噴水沖洗槽型軌浪費(fèi)大量水資源、清潔車因耗水嚴(yán)重導(dǎo)致清潔里程較短等問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)多次的試驗(yàn)測(cè)試，該自動(dòng)清潔系統(tǒng)的硬件和軟件均能夠協(xié)同穩(wěn)定地工作，但軌道槽清洗裝置還無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔的全方位清潔，因此，進(jìn)一步提高槽型軌中異物檢測(cè)成功率及槽型軌道的清潔效率，將是有軌電車槽型軌自動(dòng)清潔系統(tǒng)優(yōu)化的重點(diǎn)。