跨坐式單軌車載檢測系統(tǒng)研制

焦明偉 吳啟勇 方 驊

(杭州中車車輛有限公司 浙江 杭州 311200)

0 引言

跨座式單軌列車運行在混凝土制軌道梁(以下簡稱“PC軌道梁”)上。PC軌道梁底面固定在軌道地基上，上表面為走行面，供單軌列車的走行輪運行，側面為穩(wěn)定面和導行面。單軌列車的導向輪和穩(wěn)定輪從軌道梁兩側夾緊軌道梁，使列車穩(wěn)定并控制列車沿軌道梁的方向運行。在跨座式單軌的軌道梁兩側安裝有接觸軌，每側一根，通過電客車集電靴與復合軌的接觸為電力機車組提供電能。

跨座式單軌軌道檢修是檢測維護中十分重要的環(huán)節(jié)，為了單軌列車運行的安全性，需要經常對軌道梁表面是否存在缺陷、接觸軌的安裝位置及磨損程度進行檢測。有鑒于此，針對蕪湖跨坐式單軌系統(tǒng)，研制出一種跨坐式單軌軌道巡檢系統(tǒng)，當搭載檢測系統(tǒng)的工程車在單軌軌道上行進時，該檢測系統(tǒng)能夠實時、準確地獲取位置信息，分析接觸軌的磨損程度信息和軌道梁表面是否存在缺陷，并對線路進行限界檢查，取代傳統(tǒng)的人工巡檢方式，節(jié)省了人力和時間，提高了檢測效率，統(tǒng)一檢測標準，檢測結果更加準確可靠。

1 系統(tǒng)組成及檢測方法

該系統(tǒng)主要包括檢測系統(tǒng)主機、軌道梁信息采集裝置、接觸軌信息采集裝置、限界信息采集裝置和顯示器。

1.1 PC軌道梁檢測裝置

1.1.1設備概述

軌道梁檢測裝置用于實時監(jiān)測軌道梁的裂紋參數，及時獲知軌道梁工作情況，為用戶制定軌道梁維修計劃。裝置組成如圖1所示，檢測系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖1 PC軌道梁檢測裝置系統(tǒng)組成示意圖

圖2 軌道梁檢測系統(tǒng)示意圖

1.1.2軌道梁裂紋檢測

將線激光投射在軌道梁表面，采用高速線陣相機獲取軌道梁灰度圖像。軌道梁存在裂紋處，光條的強度會下降，通過分析光條的灰度值，可以獲取軌道梁的裂紋信息[1]。

采用光電編碼器控制線陣相機的采樣時間，保證等間距采樣，采樣間距為0.5 mm。在工程車行進過程中，以15 km/h的速度為例，為了保證0.5 mm的采樣間距，線陣相機的采樣速率應不小于8 334 Hz。選用分辨率為2 048×1的線陣相機，幀率最高可達51 kHz，可以滿足15 km/h的巡檢速度。

軌道梁走行面的寬度為690 mm，相機的像素為2 048，計算可得分辨率為690 mm/2 048=0.33 mm。走行面的總寬度為1 600 mm，每側各配置2臺線陣相機，相機總像素為4 096，計算可得分辨率為1 600 mm/4 096=0.39 mm。相機部署圖如圖3所示。

圖3 軌道梁走行面相機部署圖

軌道梁左右兩側為穩(wěn)定面，各有2個高清相機，圖像采集方向與軌道延伸方向垂直。同時在兩側分別有2個激光補光光源，如圖4所示。

圖4 軌道梁穩(wěn)定面相機部署圖

1.1.3指型板檢測

指型板探測器用于探測連接2根軌道梁的金屬指型板。指型板探測器采用電感式接近開關，安裝在工程車底部。當下方為混凝土材質的軌道梁時，接近開關向采集卡輸出低電平，當下方出現金屬指型板時，接近開關向采集卡輸出高電平，圖像采集系統(tǒng)能夠通過指型板探測器確定指型板在圖像中出現的位置，指型板部分的圖像可被直接標記，避免指型板干擾裂紋檢測，同時根據指型板探測器的電平信號，可以調取指型板圖像做針對性分析，通過圖像識別，實現指型板狀態(tài)檢測。

軌道梁檢測系統(tǒng)可自動記錄裂紋數據，存儲在硬盤中。通過與多次歷史數據進行比對，可以對裂紋變化的趨勢進行分析，擬合出裂紋隨時間變化的曲線，及時提醒相關人員對軌道梁進行維護。

1.2 接觸軌檢測裝置

1.2.1設備概述

接觸軌檢測系統(tǒng)運用機器視覺技術[2]，搭載在工程車上，在工程車行進過程中，實時監(jiān)測接觸軌的磨耗、輪廓、偏移、傾斜等參數，對接觸軌進行自動化、動態(tài)檢測，及時獲取接觸軌工作情況。裝置組成如圖5所示。

圖5 接觸軌檢測裝置系統(tǒng)組成示意圖

1.2.2接觸軌幾何參數檢測

接觸軌幾何參數主要包括接觸軌磨耗和接觸軌偏移或傾斜。

接觸軌磨耗：接觸軌表面與集電靴長期接觸摩擦，會產生磨耗，接觸軌內側沒有與集電靴相互接觸，因此接觸軌內側沒有磨耗。測得接觸軌內側與其表面的高度差，即可獲得接觸軌磨耗。

接觸軌偏移或傾斜值：接觸軌相對于軌道梁在水平方向以及垂直方向的偏移。

如圖6所示，采用線激光掃描技術[3]，在系統(tǒng)同步控制下，向接觸軌表面投射直線型激光。

圖6 接觸軌檢測示意圖

當接觸軌表面存在高度差時，光條會發(fā)生彎曲，光條的彎曲程度，對應著接觸軌表面的高度信息。高度信息的變化，對應著接觸軌的磨耗。選用面陣相機，分辨率為2 048×1 536，相機視野為350 mm，拍照分辨率為350 mm/2 048=0.17 mm。

光條覆蓋接觸軌的表面和軌道梁。光條被接觸軌上表面、軌道梁側面分為兩節(jié)。根據兩節(jié)光條的水平距離，可以測得接觸軌水平方向的偏移值；根據光條距離接觸軌和軌道梁上表面的距離，可以測得接觸軌垂直方向的偏移值，相機視野為800 mm，拍照分辨率為800 mm/2 048=0.39 mm。

接觸軌檢測系統(tǒng)可自動記錄磨耗數據，存儲在硬盤中。通過與多次歷史數據進行比對，對磨耗變化的趨勢進行分析，擬合出磨耗隨時間變化的曲線，推導磨耗到限的時間，可及時提醒相關人員對供電軌進行維護。

1.2.3接觸軌壓力檢測

采用輕型合金壓力傳感器結合加速度計測量接觸軌壓力。4個力傳感器分別安裝在特制集電靴滑板的四角，測出的力分別用F1、F2、F3、F4表示。假設FJ是待測的接觸軌力，m是滑板的當量質量，a是滑板的加速度。FJ=F1+F2+F3+F4±m(xù)a，式中，m是固定數值，不需測量，只要測出4個傳感器的F1、F2、F3、F4，用加速度計測出a，就可以計算出接觸軌力FJ。

采用12位A/D轉換器，輸出電平為±5 V，輸出4 096個數字量，則壓力計的分辨率為100 N/2 048=0.05 N，誤差為100 N×0.017%=0.017 N。每個測力板由4個壓力計組成，則4個壓力計的誤差和為0.017 N×4=0.068 N。

假設滑板的重量為1 kg。加速度計的誤差為5g×0.1%=0.005g，造成的壓力誤差為0.005g×1=0.05 N。

綜合考慮壓力計誤差和加速度計誤差，最終接觸軌壓力的誤差為0.068 N+0.05 N=0.118 N。

1.2.4接觸軌硬點檢測

集電靴滑板經過接觸軌硬點時，會在接觸瞬間，產生較大的沖擊力，加速度可達100g，故采用加速度傳感器對接觸軌硬點進行檢測。

加速度計安裝在特制集電靴滑板后方，用于測定集電靴滑板通過接觸軌硬點時所受到的沖擊加速度。

采用12位A/D轉換器，輸出電平為±5 V，輸出4 096個數字量，則加速度分辨率為150g/2 048=0.073g。當測量的范圍為±100g時，誤差為100g×1%=1g。

1.3 限界檢測裝置

1.3.1設備概述

跨坐式單軌限界檢測系統(tǒng)利用激光雷達，安裝在工程車前段，在行進過程中，對線路限界進行自動化動態(tài)檢測，對超限限界位置進行聲光警示，且超限數據具有紅色警示，將超限信息與位置信息融合，便于返查。

1.3.2限界檢測

限界檢測主要手段為激光雷達斷面掃描[4]。

所用激光雷達掃描角度為190°，角度分辨率為0.25°，掃描頻率100 Hz，測量距離≥30 m，測距分辨率為±12 mm。為了實現360°掃描，系統(tǒng)總共布置2臺激光雷達，分別位于車頭的兩側。在車速低于10 km/h時，激光雷達可實現無間距掃描。

并且激光雷達具備三維重建功能，根據采集的點云數據，可以繪制線路的三維圖像。

同時可配備視頻監(jiān)控，針對整條檢測線路進行全過程監(jiān)控并錄像，便于對全線路的宏觀監(jiān)控。

1.4 綜合定位

綜合定位子系統(tǒng)由光電編碼器、RFID閱讀器及組合導航系統(tǒng)組成，實時發(fā)送出經過修正的位置信息。光電編碼器安裝在車輛轉動軸上，所構成的里程計通過光電轉換將角位移信息轉化為脈沖數，提供速度值以及里程數。但由于在檢測車運行過程中，線路存在諸多原因，如彎道、打滑、空轉等情況都可能造成定位誤差，RFID閱讀器通過讀取軌道上的電子標簽信息，獲得準確的站點信息，用于補償里程計誤差；組合導航系統(tǒng)可提供工程車實時位置信息，沒有累計誤差。組合導航系統(tǒng)采用導航高精度MEMS組合導航系統(tǒng)，集成了GPS功能與慣導功能，定位精度可達到1.5 m，但是在某些路段，GPS信號可能會被遮擋，組合導航系統(tǒng)無法提供準確定位。因此采用多傳感器融合定位可以彌補里程計的累計誤差，同時也避免了GPS信號受遮擋情況下無法定位的缺陷。

1.5 車體振動補償

運行中車體存在多個自由度振動，檢測設備安裝于車體上，需考慮車體隨機振動引起的隨機誤差。

車體振動補償是通過接觸軌圖像特征點提取及計算來實現的。由于接觸軌磨耗發(fā)生在接觸軌表面，其內側并未磨損。隨著列車的運行，相機獲取的接觸軌圖像中，接觸軌內側的光條形狀保持不變。列車的振動只會引起接觸軌內側特征點位置的變化，而不會引起特征點形狀的變化。首先利用高清面陣相機對激光束光切面所在接觸軌圖像進行拍攝，其次利用圖像增強、圖像平滑等數字圖像處理算法及數字圖像特征提取算法實時提取接觸軌表面特征點，并以此作為基準點。通過追蹤相鄰兩幀圖像中基準點的位置變化，計算出車體振動，反饋到控制系統(tǒng)，對檢測結果進行校正。

2 結束語

所研制的搭載于巡檢工程車上的跨坐式單軌軌

道檢測系統(tǒng)，集成了接觸軌檢測、軌道梁檢測、限界檢測三種功能，檢測準確快捷，節(jié)省了人力和時間，提高了檢測效率。

該單軌軌道檢測系統(tǒng)于2021年11月交付并通過驗收，已運用于蕪湖軌道交通1號線、2號線一期項目，使用至今設備狀態(tài)穩(wěn)定，未有故障投訴。針對用戶提出的增加諸如軌道梁平整度異常、指型板平整度和螺栓緊固異常等檢測功能需求，目前團隊正在對新增功能進行設計及試制，使該系統(tǒng)具備更完善的檢測功能。