基于圖像處理的振動補(bǔ)償方法在接觸軌檢測中的應(yīng)用

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，610031，成都∥第一作者，碩士研究生）

基于圖像處理的振動補(bǔ)償方法在接觸軌檢測中的應(yīng)用

鄭 銳 王元貴 于 龍 占 棟

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，610031，成都∥第一作者，碩士研究生）

分析了傳統(tǒng)檢測車車體振動補(bǔ)償方式存在的缺陷，提出一種基于圖像處理的接觸軌檢測車車體振動補(bǔ)償方法。將激光攝像組件安裝于與車體連接的補(bǔ)償梁上，激光切面沿鋼軌斷面方向投射。高速攝像機(jī)獲取鋼軌斷面圖像。運(yùn)用圖像處理技術(shù)獲取鋼軌特征點(diǎn)，并計(jì)算車體在多體動力學(xué)下振動偏移量，將以車體作為參考系的接觸軌檢測數(shù)據(jù)歸算至基準(zhǔn)坐標(biāo)系。該振動補(bǔ)償方法已運(yùn)用于廣州地鐵接觸軌檢測車中。通過廣州地鐵4號線新造至黃村區(qū)間接觸軌檢測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該方法能有效提高接觸軌檢測數(shù)據(jù)精度。

接觸軌檢測；圖像處理；車體偏移；振動補(bǔ)償

First-author's address Electrical Engineering College，Southwest Jiaotong University，610031，Chendu，China

列車車輛是具有彈簧懸掛裝置的多自由度振動系統(tǒng)，在實(shí)際線路上運(yùn)行時，會產(chǎn)生復(fù)雜的振動［1］，其主要包括浮沉振動、橫擺振動、伸縮振動、搖頭振動、仰伏振動、側(cè)滾振動。在非接觸式檢測中，檢測設(shè)備與車體相連，檢測數(shù)據(jù)均是基于車體坐標(biāo)系，而接觸軌幾何參數(shù)軌高（接觸軌授流面至走行軌軌頂面的垂直距離）和軌偏值（接觸軌中軸線至走行軌軌頂面連線中垂線的距離）則以軌道平面為基準(zhǔn)坐標(biāo)系（橫坐標(biāo)軸與軌頂平面相切，縱坐標(biāo)軸垂直于軌頂平面，坐標(biāo)原點(diǎn)為軌距中心點(diǎn)）［3］。參考坐標(biāo)系（如圖1）不同，將導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)誤差，而利用檢測數(shù)據(jù)對接觸軌現(xiàn)場維護(hù)的意義也將減小。

圖1 車體多自由度振動及車體坐標(biāo)系和基準(zhǔn)坐標(biāo)系

本文通過研究橫擺振動、側(cè)滾振動對接觸軌幾何參數(shù)檢測的影響，并計(jì)算其在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的偏移量，將以車體作為坐標(biāo)系的接觸軌幾何參數(shù)檢測數(shù)據(jù)歸算至基準(zhǔn)坐標(biāo)系，以提高檢測數(shù)據(jù)精度。

1 傳統(tǒng)車體振動補(bǔ)償

傳統(tǒng)方法采用拉線式位移傳感器或電容式位移傳感器進(jìn)行車體振動補(bǔ)償。

拉線位移傳感器方式是將拉線傳感器安裝在轉(zhuǎn)向架上，拉線縛在車體上，通過測量拉繩與移動距離成正比例的電信號，得到車體相對于轉(zhuǎn)向架的振動偏移。然而，由于拉線傳感器采用接觸式測量方式，存在機(jī)械磨損，不適合長期使用。

電容位移傳感器方式將一塊板極固定于車體，另一塊固定在軸箱，根據(jù)平行板電容器的電容量與板間距離呈反比關(guān)系，而電容量的測量可通過LC振蕩器頻率獲得進(jìn)行偏移補(bǔ)償。文獻(xiàn)［4］將該方法應(yīng)用于接觸網(wǎng)拉出值檢測中，拉出值誤差絕對值的平均值由34.41 mm減小到13.74 mm，補(bǔ)償效果明顯，但精度仍不能滿足精確測量的要求。

受到安裝位置限制，上述方式都存在局限性：只考慮車體相對于轉(zhuǎn)向架之間的振動偏移，忽略了車輪踏面和鋼軌之間的振動偏移。根據(jù)我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［5-6］，輪軌游間名義值機(jī)車為16 mm或14 mm，車輛為18 mm，輪軌游間最小值機(jī)車為11 mm或9 mm，車輛為14 mm。在極限狀態(tài)下，橫向輪軌間隙最大可達(dá)60 mm，因此出現(xiàn)補(bǔ)償后誤差依舊較大。

2 基于面陣相機(jī)振動補(bǔ)償

2.1 振動補(bǔ)償原理

利用鋼軌圖像特征點(diǎn)進(jìn)行振動補(bǔ)償，關(guān)鍵在于將待測鋼軌圖像和標(biāo)準(zhǔn)鋼軌圖像進(jìn)行重合比對。

2.1.1 確定待測圖像上特征點(diǎn)

圖2為標(biāo)準(zhǔn)鋼軌圖像與示意圖，分析標(biāo)準(zhǔn)鋼軌各部分的尺寸參數(shù)可知，軌腰和軌底之間的弧線為一圓Os1（xs1，ys1）的一部分，且圓心位置及半徑可知。在靜態(tài)定標(biāo)時，用圓Os（xs，ys）（圓Os1和圓Os的圓心位置不同，半徑相同）從圖像最底端開始依次往上和鋼軌圖像邊緣相切，取與軌腰部分重合最多的圓的圓心Oρ1（xρ1，yρ1）作為靜態(tài)定標(biāo)位置軌腰圓心，該點(diǎn)作為第一個點(diǎn)。取靜態(tài)定標(biāo)鋼軌圖像上軌腰頂點(diǎn)（如圖3中點(diǎn)Aρ2（xρ2，yρ2））作為第二個點(diǎn)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)鋼軌圖像與示意圖

2.1.2 在標(biāo)準(zhǔn)鋼軌圖像中搜尋對應(yīng)點(diǎn)

因?yàn)辄c(diǎn)Aρ2（xρ2，yρ2）與Oρ1（xρ1，yρ1）為已知，則兩點(diǎn)之間的距離為：

圖3 靜態(tài)定標(biāo)鋼軌圖像與示意圖

在標(biāo)準(zhǔn)圖像中，從軌底向上搜索，對于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌軌腰上每一點(diǎn)As（xs，ys），計(jì)算點(diǎn)As（xs，ys）與Os1（xs1，ys1）間的距離Ls：

直到Lρ=Ls，該點(diǎn)就是點(diǎn)As2（xs2，ys2）。

2.1.3 二維變換進(jìn)行重合

設(shè)靜態(tài)定標(biāo)位置圖像上，鋼軌輪廓像素坐標(biāo)為（xρ，yρ），則其在標(biāo)準(zhǔn)圖像上對應(yīng)點(diǎn)的像素坐標(biāo)為：

將點(diǎn)Oρ1（xρ1，yρ1）、Os1（xs1，ys1）、Aρ2（xρ2，yρ2）、As2（xs2，ys2）代入式（3），可計(jì)算出a1、a2、a3、a4。

2.1.4 振動偏移量計(jì)算

設(shè)靜態(tài)軌腰圓心Oρ1（xρ1，yρ1）經(jīng)過式（3）變換后在標(biāo)準(zhǔn)鋼軌圖像中的像素坐標(biāo)為A（xs，ys）。動態(tài)檢測時，首先搜索動態(tài)鋼軌圖像軌腰圓心Oω1（xω1，yω1）（見圖4），將Oω1（xω1，yω1）帶入式（3），得到該點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)圖像中映射像素的坐標(biāo)B（x′s，y′s）。通過攝像機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)庫可查詢到A（xs，ys）、B（x′s，y′s）對應(yīng)距離值分別為s、s′。則振動補(bǔ)償量計(jì)算如下：

式中：

α---相機(jī)與鋼軌平面安裝夾角；

δ---靜態(tài)定標(biāo)時傾角傳感器夾角；

δ′---動態(tài)檢測時傾角傳感器夾角。

2.2 圖像處理面振動補(bǔ)償優(yōu)點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)振動補(bǔ)償方式，采用圖像處理進(jìn)行振動補(bǔ)償具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過鋼軌圖像直接進(jìn)行補(bǔ)償并歸算到基準(zhǔn)坐標(biāo)，避免了因分步計(jì)算車體相對于轉(zhuǎn)向架的振動偏移，輪軌之間的振動偏移進(jìn)行疊加產(chǎn)生的累積誤差；

圖4 動態(tài)鋼軌圖像與示意圖

（2）軌腰和軌底圓弧部分不存在磨耗，通過圖像識別算法能夠穩(wěn)定提取圖像特征點(diǎn)，補(bǔ)償數(shù)據(jù)更為精確。

3 檢測數(shù)據(jù)分析

廣州地鐵4號線采用鋼鋁復(fù)合型接觸軌，通過下部授流方式供電。標(biāo)準(zhǔn)接觸軌軌高和軌偏值分別為200 mm±5 mm、1 510 mm±5 mm。目前，該檢測裝置主要用于對接觸軌軌高及軌偏值進(jìn)行動態(tài)實(shí)時檢測。

3.1 補(bǔ)償裝置可靠性及補(bǔ)償速度

2011年9月，補(bǔ)償裝置研制完成并投入到廣州地鐵4號線接觸軌幾何參數(shù)動態(tài)檢測中。至2012年9月，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能夠滿足現(xiàn)場工況。其可靠性指標(biāo)見表1。

表1 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

補(bǔ)償速度主要受接觸軌檢測車行駛速度及補(bǔ)償高清攝像機(jī)采樣幀率影響。目前，該裝置所用高清攝像機(jī)采樣幀率為60幀/s，檢測車速度與采樣間隔關(guān)系見表2。

表2 速度與采樣間隔距離關(guān)系

3.2 精度驗(yàn)證

選取廣州地鐵4號線新造---黃村下行區(qū)間進(jìn)行實(shí)時檢測。檢測系統(tǒng)采樣頻率為0.5 m/點(diǎn)，檢測車行駛速度約為40 km/h，取公里標(biāo)K23+000---K22+900間100 m共計(jì)200點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。為驗(yàn)證振動補(bǔ)償數(shù)據(jù)精度，間隔5 m取一個點(diǎn)共計(jì)20個點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測，并和動態(tài)實(shí)時檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，見表3及圖5與圖6。

表3 振動補(bǔ)償前后數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證 mm

圖5 軌高補(bǔ)償前后精度驗(yàn)證

若以人工實(shí)測接觸軌垂直高度和水平距離值作為期望，由表3和圖5、圖3可以得出，振動補(bǔ)償后接觸軌幾何參數(shù)更接近期望值，且最大誤差均能控制在±3 mm之內(nèi)。

3.3 補(bǔ)償前后數(shù)據(jù)比對

接觸軌垂直高度和水平距離補(bǔ)償前后數(shù)據(jù)對比如圖7與圖8，其補(bǔ)償量見圖9與圖10。

圖6 軌偏值補(bǔ)償前后精度驗(yàn)證

4 結(jié)語

標(biāo)準(zhǔn)要求接觸軌正常偏差范圍為±5 mm，對接觸軌動態(tài)檢測精度要求較高。同時，運(yùn)行中的檢測車存在多自由度振動，將影響檢測數(shù)據(jù)精度。為了達(dá)到高精度檢測，需要克服振動帶來的隨機(jī)誤差。

圖7 垂直高度補(bǔ)償前后數(shù)據(jù)比對

圖8 水平距離補(bǔ)償前后數(shù)據(jù)比對

圖9 垂直高度補(bǔ)償量

圖10 水平距離補(bǔ)償量

在廣州地鐵4號線接觸軌幾何參數(shù)檢測中使用基于圖像處理的振動補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償后，接觸軌軌高和軌偏值的實(shí)時檢測精度都能控制在±3 mm之內(nèi)，能夠滿足精確測量的要求。同時，通過振動補(bǔ)償將檢測數(shù)據(jù)歸算到基準(zhǔn)坐標(biāo)，更方便對檢測數(shù)據(jù)精度進(jìn)行評價，對接觸軌運(yùn)營維護(hù)也更有實(shí)際意義。

［1］ 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2002：341.

［2］ 中華人民共和國建設(shè)部.城市軌道交通接觸軌系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）［S］.

［3］ CJJ 96-2003地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］ 諸昌鈴，倪守平，高洪杰.電容式車體位移補(bǔ)償裝置及其在接觸網(wǎng)檢測車中的應(yīng)用［J］.鐵道學(xué)報，1990，12（1）：21.

［5］ TB/B 1010-85車輛用車輛類型及尺寸［S］.

［6］ TB/T 449-2003機(jī)車車輛車輪輪緣踏面外形［S］.

Application of Vibration Compensation Method in Conductor Rail Inspection Based on Image Processing

Zheng Rui，Wang Yuangui，Yu Long，Zhan Dong

The traditional compensation mode of vehicle vibrationand its defects are analyzed，a measurement method based on image processing technique isput forward.This technique installs laserphoto-grammetric components on the compensation beam，which could be directly connected with the vehicles.Because the laser plane is perpendicular on the track cross section，thus the high speed camera will obtain the rail profile image.By using image processing technique for rail feature point extraction and vehicle vibration offset calculationunder multi-body dynamics，the conductor rail inspecting databased on the vehicle reference frame and the track reference framecould be reduced.The vibration compensation method has been applied in Guangzhou metro conductor rail inspection successfully，and the experimental resultsshow that this method can effectively improve the inspection accuracy.

conductor rail inspection；image processing；vehicle deviation；vibration compensation

U 231.8

2012-05-09）