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      基于圖像處理技術(shù)的無縫鋼軌位移在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2018-04-16 08:56董瀚駿龔昭赫曾明
      中國科技縱橫 2018年5期
      關(guān)鍵詞:圖像處理

      董瀚駿 龔昭赫 曾明

      摘 要:本文在分析接觸式無縫鋼軌位移測(cè)量方法不足的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套非接觸式無縫鋼軌位移及溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證,方案可行。

      關(guān)鍵詞:無縫鋼軌;縱向位移;圖像處理

      中圖分類號(hào):U216.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-2064(2018)05-0024-02

      無縫鋼軌可以減少鋼軌與車輪間的撞擊,減少列車運(yùn)行時(shí)的沖擊和振動(dòng),降低噪聲,延長列車和軌道設(shè)備的使用壽命,大幅度提高旅客乘車的舒適度,具有多方綜合效益,因此,無論是城市軌道交通還是高速鐵路都大量采用無縫鋼軌線路。

      但是,鋼軌是通過扣件固定在基座上的,當(dāng)鋼軌扣件的作用力不足以抵消鋼軌溫度變化所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力時(shí),鋼軌便會(huì)產(chǎn)生縱向位移,由于無縫軌長度很長,這種縱向位移的累積可能造成脹軌現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)還可能造成斷軌,危及行車安全。因此,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無縫軌的縱向位移以及溫度變化,對(duì)列車運(yùn)營安全具有十分重大的意義。

      目前,對(duì)鋼軌位移的在線監(jiān)測(cè)基本上采用的都是接觸式測(cè)量,位移傳感器(通常采用電位器式位移計(jì)、振弦式位移傳感器或者磁致伸縮式位移傳感器)一端通過夾具固定在鋼軌上,另一端固定在道床上,通過光纜將檢測(cè)信息引出至信息接收單元,然后分析處理。

      接觸式測(cè)量存在以下不足:

      (1)列車通過時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。長期的鋼軌振動(dòng)會(huì)造成位移傳感器的機(jī)械傷損,除縮短傳感器使用壽命外,還會(huì)導(dǎo)致測(cè)量可靠性降低。(2)布置在鋼軌和道床上的傳感器和數(shù)據(jù)采集單元極易受到損壞,一旦發(fā)生器件或線纜松脫,將給行車帶來安全隱患。

      為消除接觸式測(cè)量的不足,本文介紹了一種基于非接觸式測(cè)量的測(cè)量方法。

      1 非接觸式無縫鋼軌位移和溫度的測(cè)量原理

      圖像測(cè)量技術(shù)是當(dāng)前較為成熟和先進(jìn)的非接觸測(cè)量技術(shù),其原理是由CCD圖像傳感器對(duì)被測(cè)零件進(jìn)行掃描,然后將掃描得到的零件圖型進(jìn)行分析、特征提取、分類識(shí)別并進(jìn)行判斷,計(jì)算并輸出檢測(cè)結(jié)果。

      將高清工業(yè)數(shù)字相機(jī)固定在無縫軌旁的測(cè)量箱內(nèi),鎖定焦距和光圈,對(duì)標(biāo)注在鋼軌上的測(cè)量標(biāo)記成像,在不同測(cè)量時(shí)間測(cè)量標(biāo)記的位置變化,即可計(jì)算出鋼軌相對(duì)于測(cè)量基準(zhǔn)(固定相機(jī)的線路基礎(chǔ))的位移變化量。測(cè)量標(biāo)記為標(biāo)記在鋼軌側(cè)面的直徑為40mm的紅色油漆噴涂圓斑。利用數(shù)字圖像處理算法計(jì)算出的圓心位置為數(shù)字圖像中的像素坐標(biāo)位置,需要通過一定的標(biāo)定算法換算成實(shí)際空間位置。由于測(cè)量相機(jī)安裝位置及焦距等參數(shù)固定,而標(biāo)記圓斑的實(shí)際直徑已知,可根據(jù)擬合出的像素直徑換算出在鋼軌縱向位移方向,像素值和實(shí)際位置值之間的比例關(guān)系。

      另外,將紅外溫度傳感器安裝在軌旁測(cè)量箱內(nèi),對(duì)準(zhǔn)軌道上測(cè)量位置,實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道溫度的非接觸式測(cè)量。因?yàn)樽匀唤缰械乃形矬w,當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度(-273.15℃),由于內(nèi)部的熱運(yùn)動(dòng),都會(huì)以不同波長的電磁波形式向外輻射能量,其波長主要處于0.8~15.0μm的紅外區(qū)內(nèi)。物體紅外輻射能量的大小按其波長分布,與物體表面溫度有十分密切的關(guān)系。對(duì)物體自身輻射的紅外能量進(jìn)行測(cè)量,便能準(zhǔn)確地感知物體的表面溫度。

      2 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建

      2.1 系統(tǒng)方案

      系統(tǒng)方案如圖1所示,由軌旁數(shù)據(jù)采集單元、維修中心終端監(jiān)控單元、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成。軌旁設(shè)備安裝在軌道旁邊電力支柱上或者是高架橋梁欄桿上的設(shè)備箱內(nèi),不侵入車輛行車限界,不需要在鋼軌和道床上安裝任何測(cè)量設(shè)備和線纜,不影響行車安全。位移測(cè)量相機(jī)輸出的圖像數(shù)據(jù)通過千兆網(wǎng)絡(luò)傳輸至檢測(cè)主機(jī),進(jìn)行圖像分析處理,換算成鋼軌位移數(shù)據(jù)。紅外溫度傳感器輸出的模擬量信號(hào)通過溫度信號(hào)采集設(shè)備進(jìn)行調(diào)理和采集后,傳輸至檢測(cè)主機(jī),計(jì)算成溫度信息,與鋼軌位移信息和線路位置信息一起,通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至公用云服務(wù)器,保存在服務(wù)器檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)庫內(nèi)。

      布置在維修中心的終端監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過線路運(yùn)營公司網(wǎng)絡(luò)連接至INTERNET,實(shí)時(shí)讀取現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù),顯示檢測(cè)結(jié)果數(shù)值及變化曲線,可對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析處理,超限報(bào)警提示。

      2.2 軌旁數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

      軌旁數(shù)據(jù)采集單元主要由軌道位移采集模塊、紅外溫度采集模塊、檢測(cè)主機(jī)組成。

      軌道位移采集模塊由4組高清工業(yè)相機(jī)及照明光源組成的,分別對(duì)同一測(cè)量斷面處上下行線路各兩條鋼軌進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量相機(jī)采用分辨率為640*480的工業(yè)數(shù)字相機(jī),該相機(jī)外形尺寸僅為29mm*29mm,具有小巧,可靠性高的特點(diǎn),能滿足軌道位移現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件的要求。相機(jī)鏡頭采用C—Mount工業(yè)鏡頭,焦距根據(jù)相機(jī)安裝位置距被測(cè)軌道距離確定。照明光源采用LED聚光光源。

      紅外溫度傳感器采用OS211-LT型紅外傳感器,測(cè)量溫度范圍-20℃~100℃,測(cè)量精度±1℃,輸出信號(hào)4~20mA。傳感器采用不銹鋼封裝,緊固牢靠,環(huán)境適用性好。溫度信號(hào)采集設(shè)備采用DAM-3058R數(shù)據(jù)采集模塊,8通道差分模擬量輸入,能滿足每個(gè)檢測(cè)位置4路溫度信號(hào)的采集,采樣頻率10Hz,精度0.2%,通信接口RS485/RS232。

      檢測(cè)主機(jī)采用研華ARK-1123型嵌入式無風(fēng)扇工控機(jī),CPU為INTEL E3825雙核處理器,內(nèi)存4GB,帶千兆以太網(wǎng)接口1個(gè),串行通信接口2個(gè),尺寸為133.8x43.1x94.2mm。

      2.3 數(shù)據(jù)傳輸方式選擇

      軌道位移和溫度數(shù)據(jù)采集單元分布在無縫鋼軌軌道線路沿線,數(shù)據(jù)傳輸量小,可根據(jù)需要設(shè)置為每分鐘至每小時(shí)傳輸一次數(shù)據(jù),每個(gè)測(cè)量位置每次測(cè)量數(shù)據(jù)量僅為20字節(jié)左右,可采用移動(dòng)電話GPRS網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

      本方案采用宏電H7210 DTU無線數(shù)據(jù)終端,通過RS232接收檢測(cè)主機(jī)處理好的檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)信息,由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至軌道位移溫度監(jiān)測(cè)云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫。H7210 DTU內(nèi)嵌內(nèi)嵌PPP、TCP/IP 協(xié)議棧,支持RTU與DSC透明數(shù)據(jù)傳輸,支持TCP/UDP/短信三種通信方式,采用工業(yè)化設(shè)計(jì),支持在惡劣的工業(yè)化環(huán)境下提供高速、永遠(yuǎn)在線的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

      2.4 終端監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

      系統(tǒng)終端監(jiān)控軟件可部署在維修中心任意能連接INTRNET的工作電腦上,主要功能包括:實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示,軌道位移計(jì)溫度的變化曲線實(shí)時(shí)顯示,監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比查看,監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)超限報(bào)警,超限數(shù)據(jù)設(shè)置,數(shù)據(jù)傳輸頻率的設(shè)置等。

      3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

      本文所設(shè)計(jì)的非接觸式無縫鋼軌位移和溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某地鐵線路預(yù)計(jì)軌道位移變化較大的高架橋橋梁接頭路段進(jìn)行了測(cè)試運(yùn)行,結(jié)果如圖2和圖3所示。

      解讀圖中數(shù)據(jù)可知,在測(cè)量時(shí)間段內(nèi),溫度的最大變化為30℃左右,內(nèi)側(cè)鋼軌最大位移量變化為43mm,外側(cè)鋼軌最大變化量為37mm。雖然內(nèi)外側(cè)鋼軌測(cè)量零點(diǎn)設(shè)置不同,但鋼軌位移變化基本一致,且與溫度變化趨勢(shì)一致。

      4 結(jié)語

      本文介紹了利用圖像處理和紅外測(cè)溫方法測(cè)量無縫鋼軌位移和溫度的在線監(jiān)測(cè)方法,完成了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。該方案經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試運(yùn)行,監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,能滿足無縫鋼軌位移長期在線監(jiān)測(cè)的目的。

      參考文獻(xiàn)

      [1]史紅梅,等.高速鐵路無縫鋼軌縱向位移在線監(jiān)測(cè)方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2016,37(4):811-817.

      [2]劉永前等.無縫線路鋼軌溫度力測(cè)試的位移法[J].鐵道學(xué)報(bào),2005,27(4):125-128.

      [3]孫北林.鋼軌縱向位移在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].北京交通大學(xué),2013.

      [4]房振峰,劉昆,檀學(xué)瑩.論非接觸測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械檢測(cè)上的必要性[J].中國設(shè)備工程2017,11(下): 73-74.

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