城市軌道信號(hào)里程定測(cè)校驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)研究

馬 浩, 孫曉明

(中鐵建電氣化局集團(tuán)第三工程有限公司, 高碑店 074000)

0 引言

城市軌道信號(hào)系統(tǒng)是指揮、控制列車(chē)運(yùn)行的重要系統(tǒng),是保證城市軌道運(yùn)輸安全和高效有序運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備. 車(chē)載設(shè)備監(jiān)測(cè)信息與地面設(shè)備監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行綜合分析和對(duì)比,以構(gòu)建城市軌道信號(hào)綜合分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被受重視. 作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的里程數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要,直接影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分析結(jié)果. 目前,采用軌道車(chē)載檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行里程測(cè)量,這種方法在遇到顛簸時(shí)影響檢測(cè)數(shù)據(jù),如何進(jìn)一步提高里程數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性是需要解決的問(wèn)題.

1 智能測(cè)量車(chē)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

1.1 總體思路

小型可沿城市軌道移動(dòng)的信號(hào)車(chē),信號(hào)車(chē)包括底座和輪胎,信號(hào)車(chē)上設(shè)置電池、工控機(jī)、PLC控制器、攝像頭、三維掃描儀、工控屏、編碼器、振動(dòng)傳感器、激光指示器、電機(jī)和報(bào)警器. 信號(hào)車(chē)運(yùn)行期間,通過(guò)攝像頭、三維掃描儀、編碼器、振動(dòng)傳感器、激光指示器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)里程數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,傳送至上位機(jī),以獲得準(zhǔn)確的城市軌道里程數(shù)據(jù).

圖1 里程定測(cè)校驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)架

圖2 信號(hào)車(chē)結(jié)構(gòu)示意

1.2 工控機(jī)

用于數(shù)據(jù)處理,工控機(jī)連接工控屏、三維掃描儀和攝像頭,工控屏用于提供人機(jī)交互界面,三維掃描儀用于測(cè)量軌道旁設(shè)備,工控機(jī)通過(guò)無(wú)線發(fā)射器與上位機(jī)建立交互.

1.3 PLC控制器

連接工控機(jī),PLC控制器的信號(hào)輸入端連接激光指示器、編碼器和振動(dòng)傳感器,PLC控制器的信號(hào)輸出端連接電機(jī)和報(bào)警器;編碼器設(shè)置于輪胎用于里程測(cè)量;振動(dòng)傳感器設(shè)置于信號(hào)車(chē)用于檢測(cè)信號(hào)車(chē)振動(dòng),分別設(shè)置于信號(hào)車(chē)左側(cè)和右側(cè)的左側(cè)振動(dòng)傳感器和右側(cè)振動(dòng)傳感器;電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器連接PLC控制器的信號(hào)輸出端,用于驅(qū)動(dòng)信號(hào)車(chē)移動(dòng);激光指示器用于識(shí)別軌道旁設(shè)備安裝位置;報(bào)警器用于聲光報(bào)警.

1.4 攝像頭

包括右攝像頭、前置攝像頭和左攝像頭,左攝像頭和右攝像頭用于識(shí)別軌道旁設(shè)備,前置攝像頭用于識(shí)別城市軌道機(jī)車(chē).

1.5 輪胎

2個(gè)輪胎分別設(shè)置于信號(hào)車(chē)兩側(cè)的從動(dòng)輪組,每個(gè)從動(dòng)輪組包括左從動(dòng)輪和右從動(dòng)輪,左右從動(dòng)輪分別連接電機(jī),編碼器分別設(shè)置于左從動(dòng)輪和右從動(dòng)輪.

2 城市軌道信號(hào)車(chē)?yán)锍潭y(cè)校驗(yàn)方法

2.1 里程計(jì)算

獲取編碼器采集的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)、電機(jī)的減速比和輪胎直徑,根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)、減速比和輪胎直徑計(jì)算里程數(shù)據(jù),將里程數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī).

計(jì)算里程數(shù)據(jù)的方法為:

設(shè):左從動(dòng)輪的編碼器數(shù)據(jù)為w1;

右從動(dòng)輪的編碼器數(shù)據(jù)為w2;

輪子的直徑為D,(mm);

電子齒輪比的分子為t;

電子齒輪比分母為e;

電機(jī)減速比為k;

電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為sv,(r/min);

編碼器線數(shù)為f;

補(bǔ)償系數(shù)為n;

當(dāng)前里程數(shù)據(jù)為P,(mm);

信號(hào)車(chē)實(shí)際速度為sr,(km/h);

則:輪子周長(zhǎng)C的計(jì)算公式為C=D×π;

單圈需要的脈沖數(shù)據(jù)as的計(jì)算公式為:

(1)

當(dāng)前里程數(shù)據(jù)P的計(jì)算公式為:

(2)

里程數(shù)據(jù)P1的計(jì)算公式為:

(3)

信號(hào)車(chē)實(shí)際速度sr的計(jì)算公式為:

(4)

2.2 里程校準(zhǔn)

包括CPIII校準(zhǔn)、RTK校準(zhǔn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)測(cè)量校準(zhǔn).

CPIII校準(zhǔn)、RTK校準(zhǔn)的方法:當(dāng)信號(hào)車(chē)行駛多段區(qū)間時(shí),將CPIII點(diǎn)作為里程中段校準(zhǔn);當(dāng)RTK及編碼器數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前信號(hào)車(chē)位置接近CPIII點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)判斷,自動(dòng)減速至校準(zhǔn)行駛速度;當(dāng)根據(jù)右攝像頭、前置攝像頭和左攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)判斷信號(hào)車(chē)當(dāng)前基準(zhǔn)面對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)CPIII點(diǎn)時(shí),信號(hào)車(chē)自動(dòng)暫停;根據(jù)CPIII點(diǎn)的數(shù)據(jù)與編碼器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),補(bǔ)償校準(zhǔn)誤差值.

往復(fù)運(yùn)動(dòng)測(cè)量校準(zhǔn)的方法:設(shè)定一目標(biāo)距離,信號(hào)車(chē)來(lái)回往復(fù)行走,通過(guò)已知距離測(cè)量判斷信號(hào)車(chē)正向及反向的行駛的誤差,通過(guò)多組數(shù)據(jù)計(jì)算校準(zhǔn)信號(hào)車(chē)的偏差系數(shù).

在高速城市軌道勘測(cè)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)3個(gè)階段的平面、高程控制測(cè)量采用的統(tǒng)一的基準(zhǔn). 基準(zhǔn)等級(jí)包括CPI基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)、CPII線路控制網(wǎng)和CPIII基樁控制網(wǎng). CPIII平面測(cè)量采用自由設(shè)站邊角交會(huì)法測(cè)量.

CPIII及RTK校準(zhǔn)方式:當(dāng)信號(hào)車(chē)自動(dòng)行駛跨多段區(qū)間行駛時(shí),里程大于1km后,系統(tǒng)根據(jù)工程導(dǎo)入數(shù)據(jù)的CPIII點(diǎn)作為里程中段校準(zhǔn),當(dāng)RTK及編碼器數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前信號(hào)車(chē)位置接近可校準(zhǔn)CPIII點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)判斷,自動(dòng)減速至校準(zhǔn)行駛速度,當(dāng)前置相機(jī)及側(cè)邊相機(jī)判斷信號(hào)車(chē)當(dāng)前基準(zhǔn)面對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)CPIII時(shí),信號(hào)車(chē)自動(dòng)暫停,并結(jié)合CPIII點(diǎn)的數(shù)據(jù)與編碼器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判斷,并補(bǔ)償校準(zhǔn)誤差值,完成里程數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后,信號(hào)車(chē)自動(dòng)繼續(xù)執(zhí)行未完成的任務(wù). 往復(fù)運(yùn)動(dòng)測(cè)量校準(zhǔn)方式:設(shè)定1個(gè)目標(biāo)長(zhǎng)距離,信號(hào)車(chē)可來(lái)回往復(fù)行走,通過(guò)已知距離測(cè)量判斷信號(hào)車(chē)正向及反向的行駛的誤差,通過(guò)多組數(shù)據(jù)計(jì)算校準(zhǔn)信號(hào)車(chē)的偏差系數(shù),使得信號(hào)車(chē)?yán)锍叹雀咏咏珳?zhǔn)數(shù)據(jù).

2.3 振動(dòng)數(shù)據(jù)修正

獲取振動(dòng)傳感器采集的振動(dòng)數(shù)據(jù),和編碼器采集的編碼里程數(shù)據(jù),根據(jù)振動(dòng)數(shù)據(jù),基于CPIII基樁控制網(wǎng),對(duì)編碼里程數(shù)據(jù)進(jìn)行修正計(jì)算.

用戶(hù)在工控屏中選擇定測(cè)功能、導(dǎo)入excel工作表且開(kāi)始運(yùn)行;excel中包含各軌道旁設(shè)備的里程數(shù)據(jù)以及CPIII點(diǎn)的里程數(shù)據(jù);PLC控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制下車(chē)自主運(yùn)行;PLC根據(jù)動(dòng)力輪電機(jī)自帶的編碼器以及從動(dòng)輪編碼器計(jì)量里程;PLC檢測(cè)到振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)突變后,丟棄對(duì)應(yīng)輪子編碼器數(shù)據(jù)而采用其他輪子編碼數(shù)據(jù);左側(cè)振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)突變,此時(shí)修正振動(dòng)時(shí)刻前后100 ms的里程增量數(shù)據(jù)采用右從動(dòng)輪的編碼器數(shù)據(jù);反右側(cè)振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)突變,此時(shí)修正振動(dòng)時(shí)刻前后100 ms的里程增量數(shù)據(jù)采用左從動(dòng)輪的編碼器數(shù)據(jù);接近CPIII點(diǎn)PLC控制電機(jī)減速運(yùn)行,攝像頭識(shí)別CPIII立柱點(diǎn)后校準(zhǔn)里程信息;PLC里程計(jì)量到需要安裝軌旁設(shè)備位置后停止并啟動(dòng)激光指示器指示安裝位置,工控機(jī)播報(bào)安裝設(shè)備信息及里程數(shù)據(jù).

圖3 信號(hào)車(chē)俯視結(jié)構(gòu)示意

在CPIII所設(shè)置的標(biāo)記物間隔里程外,通過(guò)CPIII核定并修正里程誤差;在CPIII所設(shè)置的標(biāo)記物間隔里程內(nèi),通過(guò)振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)核定并修正里程誤差. 編碼器數(shù)據(jù)修正過(guò)程主要修正軌道上面有小石子,軌縫、道岔等引起的隨機(jī)誤差;CPIII點(diǎn)里程校準(zhǔn)主要修正由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行信號(hào)車(chē)?yán)锍逃?jì)量數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間累計(jì)誤差,遠(yuǎn)距離的累計(jì)誤差容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差的巨大化,通過(guò)識(shí)別CPIII點(diǎn)立柱將累計(jì)誤差鎖定在CPIII點(diǎn)之間.

為了進(jìn)一步說(shuō)明CPIII點(diǎn)具體的修正方法,采集大量CPIII點(diǎn)樣本圖像;標(biāo)注所有樣本圖像中CPIII點(diǎn)所在區(qū)域;標(biāo)注后的數(shù)據(jù)和圖像輸入至骨干網(wǎng)絡(luò);在網(wǎng)絡(luò)中對(duì)訓(xùn)練集中的樣本圖像進(jìn)行歸一化并縮放至的整數(shù)倍大小;設(shè)置邊界回歸橫塊中初始選框的寬度;開(kāi)始迭代訓(xùn)練預(yù)測(cè)模型;完成訓(xùn)練后生成預(yù)測(cè)模型并導(dǎo)出;使用預(yù)測(cè)模型對(duì)實(shí)際檢測(cè)圖像進(jìn)行推理;根據(jù)預(yù)設(shè)的類(lèi)別置信度閾值及重疊度閾值對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行過(guò)濾,得到最終的檢測(cè)結(jié)果.

圖4 CPIII點(diǎn)修正方法流程

2.4 橫向位移校準(zhǔn)

獲取振動(dòng)傳感器采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)、編碼器采集的編碼里程數(shù)據(jù)和三維掃描儀采集的軌道旁設(shè)備限界數(shù)據(jù),根據(jù)振動(dòng)數(shù)據(jù)、編碼里程數(shù)據(jù)對(duì)軌道旁設(shè)備限界數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn).

由于信號(hào)車(chē)運(yùn)行過(guò)程特別是轉(zhuǎn)彎以及過(guò)城市軌道道岔過(guò)程中信號(hào)車(chē)在城市軌道軌面上會(huì)有一定的橫向位移,每次測(cè)量軌旁設(shè)備限界數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)過(guò)程. 如圖5所示,圖中PLC指PLC控制器,動(dòng)力輪電機(jī)指電機(jī). 橫向位移校準(zhǔn)具體方法:工控屏中選擇限界測(cè)量功能、導(dǎo)入excel工作表且運(yùn)行;excel中包含各軌道旁設(shè)備的里程數(shù)據(jù)以及CPIII點(diǎn)的里程數(shù)據(jù);PLC控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制信號(hào)車(chē)自主運(yùn)行;PLC根據(jù)動(dòng)力輪電機(jī)自帶的編碼器以及從動(dòng)輪編碼器計(jì)量里程;PLC檢測(cè)到振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)突變后,丟棄對(duì)應(yīng)輪子編碼器數(shù)據(jù)而采用其他輪子編碼器數(shù)據(jù);接近CPIII點(diǎn)PLC控制電機(jī)減速運(yùn)行,攝像頭識(shí)別CPIII立柱點(diǎn)后校準(zhǔn)里程信息;PLC里程計(jì)量到距離軌旁設(shè)備5m后停止并啟動(dòng)三維掃描儀測(cè)量左右側(cè)軌道距離校準(zhǔn)掃描儀位置;PLC低速驅(qū)動(dòng)電機(jī)、掃描設(shè)備與城市軌道中心水平距離;完成測(cè)量,工控機(jī)報(bào)實(shí)際設(shè)備名稱(chēng)及限界數(shù)據(jù).

具體的,校準(zhǔn)掃描儀位置的計(jì)算方法如下:

設(shè):l左為左側(cè)鐵軌距離三維掃描儀水平距離;

l右為右側(cè)鐵軌距離三維掃描儀水平距離;

n左為三維掃描儀左側(cè)修正參數(shù);

n右為三維掃描儀右側(cè)修正參數(shù);

l測(cè)為軌旁設(shè)備距離軌道中心水平測(cè)量距離;

l實(shí)為軌旁設(shè)備距離軌道中心水平實(shí)際距離;

則:n左=717.5-l左;n右=717.5-l右;

左側(cè):l實(shí)=l實(shí)+n左; 右側(cè):l實(shí)=l實(shí)+n右

2.5 三維掃描與攝像頭圖像的識(shí)別和匹配

獲取攝像頭拍攝的圖像數(shù)據(jù)、當(dāng)前的里程數(shù)據(jù)和三維掃描儀采集的軌道旁設(shè)備限界數(shù)據(jù),根據(jù)圖像數(shù)據(jù)和當(dāng)前的里程數(shù)據(jù)對(duì)軌道旁設(shè)備限界數(shù)據(jù)進(jìn)行修正.

具體的,系統(tǒng)里程確認(rèn)進(jìn)入限界測(cè)量目標(biāo)軌旁設(shè)備5 m時(shí),小車(chē)速度降低并開(kāi)啟三維掃描,三維掃描截面數(shù)據(jù)附加里程數(shù)據(jù);攝像頭開(kāi)啟拍照功能,每幀圖片亦附加里程數(shù)據(jù);系統(tǒng)將每幀圖像與訓(xùn)練后的模型匹配識(shí)別;識(shí)別到軌旁設(shè)備且設(shè)備處于圖像中心時(shí)記錄附加的里程數(shù)據(jù)l圖;由于左右攝像頭與三維掃描儀安裝在小車(chē)Z軸向有一固定距離l差,所以實(shí)際設(shè)備應(yīng)是l圖-l差的三維數(shù)據(jù)處,由于軌旁設(shè)備均有一定寬度選取l圖-l差處±10 cm范圍的三維數(shù)據(jù)選取最小的3個(gè)數(shù)值作為實(shí)際測(cè)量限界值.

2.6 編碼器誤差修改正

若單個(gè)從動(dòng)輪對(duì)應(yīng)振動(dòng)傳感器檢測(cè)到振動(dòng)值超標(biāo),則使用另一側(cè)從動(dòng)輪編碼器計(jì)量里程;若2個(gè)從動(dòng)輪對(duì)應(yīng)振動(dòng)傳感器都檢測(cè)到振動(dòng)值超標(biāo),則使用振動(dòng)值超標(biāo)前10 ms時(shí)刻的速度計(jì)算振動(dòng)前后 20 ms信號(hào)車(chē)運(yùn)行距離,計(jì)算公式為:S=V×T,其中,S為信號(hào)車(chē)運(yùn)行距離,V為信號(hào)車(chē)的速度,T為振動(dòng)前后的時(shí)刻.根據(jù)振動(dòng)傳感器在平整的平地或坡地上行駛所采集的數(shù)據(jù)設(shè)定振動(dòng)傳感器的環(huán)境振動(dòng)值μ0,根據(jù)振動(dòng)傳感器在有石子或有凹坑的平地或坡地上行駛所采集到的數(shù)據(jù)峰值設(shè)定振動(dòng)傳感器的振動(dòng)值閾值μx,將大中小石子或凹坑所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)峰值一一記錄,形成振動(dòng)值閾值區(qū)間[μ0,μx1],[μx1,μx2],[μx2,μx3],根據(jù)振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)所回傳的數(shù)據(jù)μ實(shí)以及所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t實(shí)判斷是否振動(dòng)值超標(biāo):若μ實(shí)max∈[0,μ0],則判斷振動(dòng)值未超標(biāo).

若μ實(shí)max∈(μx2,μx3],統(tǒng)計(jì)μ實(shí)在區(qū)間(μx2,μx3]內(nèi)的時(shí)間t3,當(dāng)t3≤tx3,則判斷振動(dòng)值未超標(biāo),當(dāng)t3>tx3,則判斷振動(dòng)值超標(biāo).其中tx3為振動(dòng)值區(qū)間(μx2,μx3]內(nèi)所設(shè)定的時(shí)間閾值,一般為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值,也可是經(jīng)驗(yàn)值,tx3一般情況下小于tx2.

若μ實(shí)max∈(μx3,∞),則判斷振動(dòng)值超標(biāo).

3 城市軌道信號(hào)車(chē)?yán)锍潭y(cè)校驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 城市軌道信號(hào)車(chē)?yán)锍潭y(cè)校驗(yàn)系統(tǒng)

通過(guò)專(zhuān)用的信號(hào)車(chē)在城市軌道上運(yùn)行進(jìn)行城市軌道里程測(cè)量,取代目前軌道車(chē)檢測(cè)的方法,軌道車(chē)車(chē)體大,運(yùn)行成本高,并且里程數(shù)據(jù)檢測(cè)精度有待提高;信號(hào)車(chē)運(yùn)行期間,通過(guò)攝像頭、三維掃描儀、編碼器、振動(dòng)傳感器、激光指示器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)里程數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,能獲取振動(dòng)傳感器采集的振動(dòng)數(shù)據(jù),和編碼器采集的編碼里程數(shù)據(jù),根據(jù)振動(dòng)數(shù)據(jù),基于CPIII基樁控制網(wǎng),對(duì)編碼里程數(shù)據(jù)進(jìn)行修正計(jì)算;并且能獲取振動(dòng)傳感器采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)、編碼器采集的編碼里程數(shù)據(jù)和三維掃描儀采集的軌道旁設(shè)備限界數(shù)據(jù),根據(jù)振動(dòng)數(shù)據(jù)、編碼里程數(shù)據(jù)對(duì)軌道旁設(shè)備限界數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn). 數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射器傳送至上位機(jī),有利于提高里程測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性. 信號(hào)車(chē)行駛期間,PLC控制器根據(jù)三維掃描儀采集的數(shù)據(jù),當(dāng)有人員及障礙物時(shí)啟動(dòng)報(bào)警;作為本實(shí)例的優(yōu)選方案,三維掃描儀采用型號(hào):SICK LMS151-10100;激光指示器采用型號(hào):R638UL120-5;信號(hào)車(chē)攝像頭檢測(cè)到行進(jìn)方向2 m處有人員及障礙物時(shí)報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警.

3.2 城市軌道信號(hào)車(chē)?yán)锍潭y(cè)校驗(yàn)方法

對(duì)編碼器采集的里程數(shù)據(jù),通過(guò)里程校準(zhǔn)、振動(dòng)數(shù)據(jù)修正、橫向位移校準(zhǔn)、編碼器誤差修改正、三維掃描與攝像頭圖像的識(shí)別和匹配,提高里程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出1種城市軌道信號(hào)車(chē)?yán)锍潭y(cè)校驗(yàn)系統(tǒng)和方法,以提供專(zhuān)用于城市軌道里程測(cè)量的城市軌道信號(hào)里程智能測(cè)量車(chē),提高城市軌道里程測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.