車(chē)輛振動(dòng)補(bǔ)償在接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)中的應(yīng)用

摘 要：分析車(chē)輛振動(dòng)對(duì)鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)的影響，闡述了圖像標(biāo)定方法、相關(guān)的車(chē)體振動(dòng)參數(shù)及空間檢測(cè)目標(biāo)物分別在車(chē)體坐標(biāo)系與鋼軌坐標(biāo)系中的映射關(guān)系。采用高速面陣相機(jī)結(jié)合線(xiàn)型激光器隨車(chē)實(shí)時(shí)采集數(shù)字圖像，運(yùn)用圖像處理技術(shù)提取鋼軌特征點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算將得到的車(chē)輛相對(duì)于鋼軌的姿態(tài)數(shù)值補(bǔ)償給車(chē)載接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)數(shù)值中，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：車(chē)輛振動(dòng)補(bǔ)償;接觸網(wǎng);幾何參數(shù);坐標(biāo)系映射

一、概述

運(yùn)行中的列車(chē)車(chē)輛是具有彈簧懸掛裝置的多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，在實(shí)際線(xiàn)路上運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)理論的研究和實(shí)踐表明，這種復(fù)雜的振動(dòng)是由若干基本形式的振動(dòng)的組合的結(jié)果，即車(chē)體是一個(gè)由沉浮、橫擺、側(cè)滾、伸縮、搖頭、點(diǎn)頭共六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[1]。

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)裝置安裝固定于檢測(cè)列車(chē)車(chē)頂，檢測(cè)出的參數(shù)值是以車(chē)體坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，列車(chē)在不同速度下，車(chē)輛振動(dòng)狀態(tài)也不相同，由此將導(dǎo)致兩次檢測(cè)數(shù)據(jù)不一致。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須將檢測(cè)參數(shù)值映射至基于鋼軌坐標(biāo)系中，使得不同速度下的檢測(cè)數(shù)據(jù)都基于同一個(gè)參考坐標(biāo)系，便于數(shù)據(jù)的分析比對(duì)。另外，工區(qū)臺(tái)賬中的接觸線(xiàn)幾何參數(shù)值一般使用手持式測(cè)量?jī)x測(cè)得，該數(shù)值也是基于鋼軌坐標(biāo)系，車(chē)輛振動(dòng)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了車(chē)載檢測(cè)數(shù)據(jù)與手持式檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。

為獲得車(chē)體坐標(biāo)系與鋼軌坐標(biāo)系的映射關(guān)系，就得在列車(chē)運(yùn)行中實(shí)時(shí)取得車(chē)輛振動(dòng)的六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)值。本文采用了基于機(jī)器視覺(jué)的車(chē)輛振動(dòng)檢測(cè)方法，可以實(shí)時(shí)測(cè)量安裝于不同速度等級(jí)條件下的檢測(cè)列車(chē)的瞬時(shí)振動(dòng)狀態(tài)，無(wú)累積誤差，模塊化設(shè)計(jì)，應(yīng)用方便高效，不影響線(xiàn)路及其他檢測(cè)設(shè)備的正常運(yùn)行，并將該方法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)車(chē)載接觸網(wǎng)幾何參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償驗(yàn)證。

二、車(chē)輛振動(dòng)補(bǔ)償研究

由于接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)裝置通過(guò)列車(chē)行進(jìn)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的連續(xù)測(cè)量，故檢測(cè)列車(chē)行進(jìn)中的伸縮與檢測(cè)精度不相關(guān)，可以忽略。同時(shí)，某一時(shí)刻接觸網(wǎng)檢測(cè)區(qū)域?yàn)榇怪庇谲?chē)頂?shù)囊粋€(gè)截面，如若將車(chē)輛振動(dòng)補(bǔ)償裝置檢測(cè)區(qū)域也設(shè)置為此截面，則同一時(shí)刻該截面的點(diǎn)頭及搖頭運(yùn)動(dòng)均可忽略，所以本文中的車(chē)輛振動(dòng)補(bǔ)償只需研究沉浮、橫擺以及側(cè)滾三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)對(duì)檢測(cè)的影響。

（一）原理方案

系統(tǒng)由發(fā)射器、接收器及圖像分析處理計(jì)算機(jī)構(gòu)成。發(fā)射器是激光、接收器是CCD相機(jī)，根據(jù)反射物反射的激光形成的圖像變化，檢測(cè)反射物的輪廓、方位角。在車(chē)輛底部?jī)蓚?cè)分別對(duì)稱(chēng)安裝包含有激光相機(jī)的檢測(cè)模塊。激光器將激光線(xiàn)垂直照射到兩側(cè)軌道，激光線(xiàn)垂直照射到的距軌頭頂面下16mm模擬線(xiàn)與輪廓線(xiàn)交點(diǎn)為檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)[2][3]，在車(chē)輛相對(duì)于軌道位移時(shí)，激光線(xiàn)始終照射到基準(zhǔn)點(diǎn)，確保相機(jī)拍攝到的圖像中始終有基準(zhǔn)點(diǎn)的出現(xiàn)。相機(jī)拍攝基準(zhǔn)點(diǎn)處圖像，以基準(zhǔn)點(diǎn)為中心點(diǎn)形成的物象框，在車(chē)輛相對(duì)于軌道位移時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)始終在物象框內(nèi)。

（二）相機(jī)標(biāo)定

在圖像測(cè)量過(guò)程以及機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中，為確定空間某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，必須建立相機(jī)成像的幾何模型，即對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定過(guò)程采用尺寸已知的標(biāo)準(zhǔn)棋盤(pán)格，利用空間中與某平面平行的直線(xiàn)相較于消失點(diǎn)[4]這一性質(zhì)，如圖1所示，對(duì)圖像中各條邊緣進(jìn)行直線(xiàn)擬合，計(jì)算出圖像像素點(diǎn)與空間位置的映射關(guān)系，建立相機(jī)圖像標(biāo)定數(shù)組表，便于實(shí)際應(yīng)用中查詢(xún)使用。

（三）車(chē)體振動(dòng)參數(shù)

由于兩側(cè)檢測(cè)模塊均與車(chē)體剛性連接，所以?xún)赡K坐標(biāo)系可以統(tǒng)一成車(chē)體坐標(biāo)系。將列車(chē)靜態(tài)停放在標(biāo)準(zhǔn)軌距及左右軌超高為零的情況下，相機(jī)采集激光照射于鋼軌輪廓下的圖像并識(shí)別基準(zhǔn)點(diǎn)所在的像素點(diǎn)坐標(biāo)，此坐標(biāo)即為車(chē)輛坐標(biāo)系中的零點(diǎn)坐標(biāo)，記為A、B。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行時(shí)，獲取某一時(shí)刻采集到的基準(zhǔn)點(diǎn)像素坐標(biāo)A′、B′，計(jì)算該坐標(biāo)與零點(diǎn)坐標(biāo)的偏移量，查詢(xún)相機(jī)圖像標(biāo)定數(shù)組表，便可解析出各基準(zhǔn)點(diǎn)在車(chē)體坐標(biāo)系中空間移動(dòng)數(shù)值。將兩側(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)連接起來(lái)，顯然線(xiàn)段AB及A′B′的長(zhǎng)度為軌距，兩條線(xiàn)段的夾角為車(chē)體相對(duì)于鋼軌的側(cè)滾角度，線(xiàn)段中點(diǎn)在兩坐標(biāo)軸方向的移動(dòng)距離即為車(chē)體相對(duì)于鋼軌的沉浮、橫擺數(shù)值[5]。

（四）車(chē)體坐標(biāo)系與鋼軌坐標(biāo)系的映射關(guān)系

式中，X0、Y0以及θ可以通過(guò)實(shí)時(shí)分析列車(chē)運(yùn)行時(shí)與靜態(tài)停放時(shí)兩側(cè)鋼軌陣列圖像計(jì)算獲得。根據(jù)上述映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了將車(chē)載接觸線(xiàn)幾何參數(shù)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)到的空間參數(shù)值轉(zhuǎn)換為鋼軌坐標(biāo)系下的靜態(tài)空間參數(shù)值。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及驗(yàn)證

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)設(shè)備及車(chē)輛振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備安裝于檢測(cè)列車(chē)上，其中接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)梁安裝于車(chē)輛頂部，某一時(shí)刻的檢測(cè)區(qū)域?yàn)榇怪庇诹熊?chē)行進(jìn)方向向上的一個(gè)平面，車(chē)輛振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備分別對(duì)稱(chēng)安裝于列車(chē)底部，模塊與車(chē)體的安裝接口可微調(diào)，保證其檢測(cè)區(qū)域平面與接觸網(wǎng)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)區(qū)域平面重合。系統(tǒng)于2018年11月底在上海局管轄九景衢高鐵線(xiàn)路常山-楊林區(qū)間內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容有：在靜態(tài)條件下對(duì)接觸線(xiàn)幾何參數(shù)及車(chē)輛振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證、動(dòng)態(tài)條件下分別以80km/h、120km/h、160km/h三個(gè)速度等級(jí)對(duì)車(chē)輛振動(dòng)補(bǔ)償后的接觸線(xiàn)幾何參數(shù)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

車(chē)輛振動(dòng)檢測(cè)界面如圖4所示，兩側(cè)相機(jī)分別拍攝兩側(cè)鋼軌，并實(shí)時(shí)處理圖像數(shù)據(jù)，找出距軌頂16mm模擬線(xiàn)與軌廓的交點(diǎn)作為特征點(diǎn)，兩側(cè)特征點(diǎn)的組合可計(jì)算出車(chē)體相對(duì)于鋼軌的橫向、沉浮、側(cè)滾數(shù)值，并通過(guò)UDP廣播至幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)補(bǔ)償檢測(cè)值。

幾何參數(shù)波形圖如圖5所示，分別繪制了曲線(xiàn)段處的拉出值、導(dǎo)高值及底面磨耗值，顯然，車(chē)輛振動(dòng)對(duì)拉出值影響較大，這符合理論分析[6]，其中上方曲線(xiàn)為車(chē)載幾何參數(shù)檢測(cè)設(shè)備輸出的拉出值，下方曲線(xiàn)為補(bǔ)償了車(chē)輛振動(dòng)參數(shù)后的拉出值。

按照車(chē)體坐標(biāo)系與鋼軌坐標(biāo)系的映射關(guān)系，將車(chē)輛振動(dòng)數(shù)值補(bǔ)償進(jìn)車(chē)載幾何參數(shù)值后，在80km/h、120km/h、160km/h速度等級(jí)下分別作了兩次測(cè)量，分別將各補(bǔ)償后拉出值作為樣本與手持式測(cè)量拉出值（靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值）相比較，計(jì)算得出樣本誤差平均值（單位mm）為2、-1、-2、-6、4、-8，樣本誤差標(biāo)準(zhǔn)差（單位mm）為4、5、5、5、6、6。由概率統(tǒng)計(jì)區(qū)間估計(jì)理論可知：

其中X-、S為樣本均值及樣本標(biāo)準(zhǔn)差，u為總體均值，n為樣本點(diǎn)數(shù)。則在0.95置信水平的情況下，得出總體誤差均值的置信區(qū)間分別為（1.3，3.6）、（-2.4，0.5）、（-3.3，-0.5）、（-7.6，-46）、（2.2，5.4）、（-9.7，-6.2），均滿(mǎn)足25mm的精度技術(shù)要求[7]。

四、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)車(chē)輛沉浮、橫擺、側(cè)滾3個(gè)自由度的振動(dòng)檢測(cè)進(jìn)行了研究，并將其應(yīng)用于車(chē)載接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)中，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，精度均符合技術(shù)要求。此外，若在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展成兩套裝置分別安裝于兩個(gè)車(chē)端，根據(jù)杠桿原理可細(xì)化計(jì)算得出點(diǎn)頭和搖頭兩個(gè)自由度參數(shù)，完成車(chē)輛振動(dòng)的全方位測(cè)量，實(shí)時(shí)掌握運(yùn)行車(chē)輛整車(chē)的空間姿態(tài)，進(jìn)一步可以滲透到目前軌道交通車(chē)輛自動(dòng)駕駛等新興領(lǐng)域。

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作者簡(jiǎn)介：吳立群（1985-），男，漢族，上海人，本科，工程師，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研究生部，中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所，研究方向：鐵路供電檢測(cè)技術(shù)。