王延哲，陳志強(qiáng)，王雅婷

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081)

鐵道機(jī)車車輛輪對(duì)是2個(gè)對(duì)稱的近似圓錐體。列車在平行的直線軌面上運(yùn)行時(shí)，如有微小的激擾作用，輪對(duì)即可產(chǎn)生蛇行運(yùn)動(dòng)，即一方面沿軸線橫向移動(dòng)，另一方面繞通過其重心的鉛垂軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

在理想條件下，機(jī)車車輛運(yùn)行速度控制在一定范圍內(nèi)，輪對(duì)產(chǎn)生的蛇行運(yùn)動(dòng)可隨著時(shí)間的延續(xù)而減弱，即為穩(wěn)定的蛇行運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)行速度超過臨界速度后，蛇行運(yùn)動(dòng)的振幅隨著時(shí)間的延續(xù)而增強(qiáng)，進(jìn)入不穩(wěn)定的蛇行運(yùn)動(dòng)[1]。當(dāng)機(jī)車車輛的蛇行運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)后，蛇行運(yùn)動(dòng)振幅增大，引發(fā)輪緣和軌面摩擦加劇，甚至產(chǎn)生橫向沖擊，這樣不僅會(huì)使車輛的運(yùn)行性能惡化，旅客的舒適度下降，作用在車輛各零部件上的動(dòng)載荷增大，并且會(huì)損傷車輛及線路，甚至?xí)斐擅撥壥鹿?。所以蛇行運(yùn)動(dòng)是機(jī)車車輛實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行的一大障礙。而實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)機(jī)車車輛蛇行運(yùn)動(dòng)，可為改善車輛的舒適性和提高行車安全性提供客觀依據(jù)。

目前，監(jiān)測(cè)機(jī)車車輛蛇行運(yùn)動(dòng)的方法有接觸式直接測(cè)量和非接觸式間接測(cè)量2種類型。接觸式直接測(cè)量在轉(zhuǎn)向架或車體上安裝位移傳感器，通過測(cè)量轉(zhuǎn)向架或車體的橫向及縱向相對(duì)位置的變化，推算輪對(duì)在水平方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、頻響高、對(duì)車輛運(yùn)行安全影響較小的優(yōu)點(diǎn)，但是由于測(cè)點(diǎn)位置與輪對(duì)之間存在減振裝置，因此測(cè)量結(jié)果不能直接反映蛇行運(yùn)動(dòng)的狀況，只能作為定性研究的參考依據(jù)。王晗等[2]于2014年提出利用傳感器采集到的轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)信號(hào)，計(jì)算評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向架收斂能力的參數(shù)阻尼比，以判斷轉(zhuǎn)向架的失穩(wěn)情況。

非接觸式間接測(cè)量目前普遍采用機(jī)器視覺技術(shù)測(cè)量車輪(或車體)與鋼軌之間的相對(duì)位移關(guān)系，或者以激光測(cè)距傳感器判斷輪對(duì)鉛垂軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可直接測(cè)量蛇行運(yùn)動(dòng)的位移，數(shù)據(jù)結(jié)果可作為定量分析的依據(jù)，并可通過視頻監(jiān)控對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)研究與試驗(yàn)中，經(jīng)常采用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)運(yùn)行的輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架的位置、尺寸進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。文獻(xiàn)[3]中介紹了一種采用機(jī)器視覺技術(shù)測(cè)量車輛相對(duì)鋼軌的動(dòng)態(tài)偏移量的方法。

本文介紹了一種非接觸式間接測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用機(jī)器視覺技術(shù)并輔助以輪廓光，運(yùn)用Blob算法測(cè)量運(yùn)行中的車輪相對(duì)于鋼軌的橫向位移。

1 Blob算法

Blob算法是針對(duì)具有區(qū)別于背景的明顯特征且紋理單一的目標(biāo)而專門開發(fā)的算法。Blob算法即為查找圖像中的連通區(qū)域(也稱Blob)，并確定其數(shù)量、大小、面積、位置等信息的一種方法。通常Blob算法的主要步驟如圖1所示[4]。

圖1 Blob算法的主要步驟

連通區(qū)域標(biāo)記算法是Blob分析的核心，本文采用基于形態(tài)學(xué)的膨脹操作提取連通分量[5]。在連通區(qū)域的掃描過程中，同時(shí)獲取連通區(qū)域的幾何特征，包括連通區(qū)域的面積和幾何中心[6]。在衡量目標(biāo)區(qū)域O(x,y)面積大小時(shí)，該區(qū)域中的像素?cái)?shù)目S可以作為度量尺度，即

Si=區(qū)域Oi(x,y)中的像素?cái)?shù)目i=1，…,n

(1)

式中:n為區(qū)域的數(shù)目。

幾何中心也是連通區(qū)域的一個(gè)重要參量，將其定義為(x0,y0)，計(jì)算公式為

x0=M01[Oi(x,y)]/M00[Oi(x,y)]

(2)

y0=M10[Oi(x,y)]/M00[Oi(x,y)]

(3)

其中，Mpq的定義為

(4)

式中：f(x,y)為區(qū)域的分布函數(shù)。

Blob算法在該測(cè)量系統(tǒng)中的分析過程如下：

1)對(duì)原始圖像進(jìn)行低通濾波降噪；

2)根據(jù)閾值進(jìn)行二值化處理；

3)依據(jù)目標(biāo)面積進(jìn)行分析、篩選、排序，獲得符合要求的車輪踏面和軌面Blob；

4)計(jì)算獲得的2個(gè)Blob幾何中心；

5)計(jì)算輪軌之間的偏移物理量。

本文采用該算法計(jì)算車輪踏面和軌面的幾何中心之間相對(duì)位置偏差，具有如下優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算模型較為簡單，計(jì)算量小，無需建立模型庫，無需模型匹配，降低由于外部光線變化引起的計(jì)算誤差。

利用Blob算法對(duì)輪軌橫向位移進(jìn)行測(cè)算，需要進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定，步驟如下：

1)截取靜態(tài)圖像；

2)分別設(shè)置車輪踏面和軌面的輪廓實(shí)際尺寸以及邊緣點(diǎn)，獲得圖像測(cè)算分辨率；

3)根據(jù)圖像特點(diǎn)設(shè)置閾值，利用Blob算法獲得車輪踏面和軌面的輪廓。

2 系統(tǒng)簡介

機(jī)器視覺技術(shù)采用計(jì)算機(jī)來模擬生物視覺功能，是一種涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)、光學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)、模式識(shí)別和人工智能的綜合技術(shù)[7]。近年來，利用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)尺寸、形狀進(jìn)行精確測(cè)量和定位已經(jīng)在制造、交通運(yùn)輸、土木建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但在高速運(yùn)行的列車上進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量的應(yīng)用較少，部分鐵道綜合檢測(cè)車上安裝的軌面視頻測(cè)量設(shè)備也僅僅是定性對(duì)比。

該系統(tǒng)將高清高速攝像裝置懸掛在車體底部輪對(duì)附近，借助輪廓光識(shí)別車輪及軌面，并對(duì)二者之間的橫向位移關(guān)系進(jìn)行定量測(cè)量，標(biāo)定后的測(cè)量精度最高可達(dá)0.3 mm。

該系統(tǒng)由視頻采集設(shè)備和處理分析軟件組成。視頻采集設(shè)備包括具有千兆以太網(wǎng)接口的高清高速攝像機(jī)、輪廓光源、車底懸掛裝置、車載供電設(shè)備以及采集處理計(jì)算機(jī)。處理分析軟件可進(jìn)行視頻采集、視頻顯示、視頻回放以及在線計(jì)算橫向位移量。

系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。首先將2束輪廓光分別照射車輪踏面和鋼軌軌面，高速高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝2處輪廓光斑，接著進(jìn)行尺寸標(biāo)定，最后進(jìn)行測(cè)算。車輛運(yùn)行過程中，軟件可跟蹤2處光斑幾何中心并實(shí)時(shí)計(jì)算二者橫向的相對(duì)位移，即可得到輪軌之間橫向位移數(shù)值。

圖2 系統(tǒng)工作原理示意

圖3為該測(cè)量系統(tǒng)的軟件流程。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)軟件流程

3 系統(tǒng)改進(jìn)措施

3.1 存在問題

系統(tǒng)開發(fā)完成后進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)如下問題：

1)測(cè)算能力低。測(cè)算速度僅為30幀/s，未能達(dá)到采用高速攝像機(jī)的目的。

2)測(cè)算穩(wěn)定性差。在測(cè)算過程中，當(dāng)橫向位移固定不變時(shí)，測(cè)量結(jié)果波動(dòng)較大，最大可達(dá)±0.3 mm；而當(dāng)環(huán)境光照發(fā)生緩慢變化時(shí)，測(cè)算結(jié)果也會(huì)隨之發(fā)生漂移。

3)測(cè)算精度低。在±10 mm的測(cè)量范圍內(nèi)，最大誤差超過±0.7 mm。

3.2 改進(jìn)措施

為提升系統(tǒng)測(cè)算能力和精度，采用了如下措施來優(yōu)化系統(tǒng)資源：

1)標(biāo)定時(shí)設(shè)置感興趣區(qū)域，可大幅降低計(jì)算量，在不提升硬件配置的情況下提高計(jì)算速度。

2)優(yōu)化邊緣識(shí)別算法，采用如圖4所示的改進(jìn)算法流程，以提高計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。

圖4 輪軌測(cè)量改進(jìn)算法流程

3)在視頻顯示算法中，降低圖像的顯示幀頻，減少系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。

4)提高鏡頭倍數(shù)，提高圖像測(cè)算分辨率。

采用上述改進(jìn)措施后，本系統(tǒng)得到如下改進(jìn)：

1)測(cè)算能力提高，在60幀/s視頻的測(cè)算中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源占用率僅為60%。

2)測(cè)算結(jié)果的精度提高1倍。

3)測(cè)算結(jié)果的波動(dòng)降低到±0.1 mm以內(nèi)。

4 測(cè)試結(jié)果分析

本文分別采用改進(jìn)前后的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試輪軌橫向位移，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。

4.1 測(cè)試基本情況

測(cè)試環(huán)境為室內(nèi)，車輪模擬物為寬度79.2 mm的金屬板，鋼軌模擬物為寬度81.4 mm的金屬板。鋼軌模擬物靜置，車輪模擬物固定在游標(biāo)卡尺滑尺上(最小刻度0.02 mm)。實(shí)際橫向位移通過游標(biāo)卡尺讀取，橫向位移測(cè)量結(jié)果由系統(tǒng)測(cè)出。

4.2 測(cè)試結(jié)果

4.2.1 標(biāo)定

測(cè)試開始前，首先對(duì)測(cè)量像素進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見表1。

表1 測(cè)量像素標(biāo)定結(jié)果 mm/像素

4.2.2 偏差測(cè)量

相同光照條件下改進(jìn)前后的測(cè)量結(jié)果見表2。本次統(tǒng)計(jì)結(jié)果為每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均值。由于篇幅有限，表2只列舉了實(shí)際橫向位移-15～15 mm的部分測(cè)試數(shù)據(jù)。

表2 測(cè)量結(jié)果 mm

圖5為改進(jìn)前測(cè)量結(jié)果及校正結(jié)果，可知，改進(jìn)前系統(tǒng)測(cè)量偏差隨著橫向位移的增大而增加，在實(shí)際橫向位移-30～30 mm內(nèi)，最大測(cè)量偏差可達(dá)1.6 mm。通過對(duì)測(cè)量偏差結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，再利用回歸結(jié)果對(duì)測(cè)量偏差進(jìn)行校正，獲得校正偏差，校正偏差的最大范圍為-0.49～+0.65 mm。

圖5 改進(jìn)前測(cè)量結(jié)果及校正結(jié)果

圖6 改進(jìn)后測(cè)量結(jié)果

圖6為改進(jìn)后測(cè)量結(jié)果，可知，在實(shí)際橫向位移-15～15 mm內(nèi)，改進(jìn)后系統(tǒng)最大測(cè)量偏差不超過0.1 mm，且線性相關(guān)度為1，因此不需要校正。

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后的系統(tǒng)測(cè)量誤差最大僅為像素精度的1/3，因此具有工程意義。

4.2.3 環(huán)境光對(duì)測(cè)試的影響

由于本系統(tǒng)利用光學(xué)原理進(jìn)行測(cè)算，因此環(huán)境光的變化會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。故本系統(tǒng)利用室內(nèi)照明燈的開關(guān)來模擬環(huán)境光的變化，改進(jìn)后測(cè)試結(jié)果見表3。測(cè)試結(jié)果表明，開關(guān)燈前后的測(cè)量值變化最大可達(dá)0.33 mm，因此該系統(tǒng)受環(huán)境光的影響不可忽視。

表3 環(huán)境光對(duì)測(cè)試的影響 mm

5 結(jié)論及建議

1)由于輪廓光的照射均勻性的影響，測(cè)量偏差隨真實(shí)橫向位移的增大而增加，因此建議將系統(tǒng)應(yīng)用的輪軌橫向位移測(cè)量范圍限制在±15 mm以內(nèi)，此時(shí)測(cè)量偏差在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。

2)2次測(cè)試采用的鏡頭分別為16 mm和25 mm焦距，增大焦距可降低像素精度，進(jìn)而降低系統(tǒng)的固有誤差，提高測(cè)量精度。

3)由于輪廓光發(fā)散角較小，其打出的光帶寬度不均勻，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的誤差較大，因此建議更換發(fā)散角大且光帶寬度較為均勻的“一”字線型激光器。

4)鑒于環(huán)境光的影響，應(yīng)進(jìn)一步摸索通過調(diào)整相機(jī)參數(shù)來提高系統(tǒng)測(cè)量的穩(wěn)定性。

5)繼續(xù)進(jìn)行大量摸索測(cè)試，確定不同環(huán)境下的相關(guān)參數(shù)規(guī)律，通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行誤差修正以減小測(cè)量誤差，以期本系統(tǒng)可實(shí)際應(yīng)用于動(dòng)車組的運(yùn)行試驗(yàn)中。