焦明偉 吳啟勇 方 驊

(杭州中車車輛有限公司 浙江 杭州 311200)

0 引言

跨座式單軌列車運(yùn)行在混凝土制軌道梁(以下簡稱“PC軌道梁”)上。PC軌道梁底面固定在軌道地基上，上表面為走行面，供單軌列車的走行輪運(yùn)行，側(cè)面為穩(wěn)定面和導(dǎo)行面。單軌列車的導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪從軌道梁兩側(cè)夾緊軌道梁，使列車穩(wěn)定并控制列車沿軌道梁的方向運(yùn)行。在跨座式單軌的軌道梁兩側(cè)安裝有接觸軌，每側(cè)一根，通過電客車集電靴與復(fù)合軌的接觸為電力機(jī)車組提供電能。

跨座式單軌軌道檢修是檢測維護(hù)中十分重要的環(huán)節(jié)，為了單軌列車運(yùn)行的安全性，需要經(jīng)常對(duì)軌道梁表面是否存在缺陷、接觸軌的安裝位置及磨損程度進(jìn)行檢測。有鑒于此，針對(duì)蕪湖跨坐式單軌系統(tǒng)，研制出一種跨坐式單軌軌道巡檢系統(tǒng)，當(dāng)搭載檢測系統(tǒng)的工程車在單軌軌道上行進(jìn)時(shí)，該檢測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地獲取位置信息，分析接觸軌的磨損程度信息和軌道梁表面是否存在缺陷，并對(duì)線路進(jìn)行限界檢查，取代傳統(tǒng)的人工巡檢方式，節(jié)省了人力和時(shí)間，提高了檢測效率，統(tǒng)一檢測標(biāo)準(zhǔn)，檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

1 系統(tǒng)組成及檢測方法

該系統(tǒng)主要包括檢測系統(tǒng)主機(jī)、軌道梁信息采集裝置、接觸軌信息采集裝置、限界信息采集裝置和顯示器。

1.1 PC軌道梁檢測裝置

1.1.1設(shè)備概述

軌道梁檢測裝置用于實(shí)時(shí)監(jiān)測軌道梁的裂紋參數(shù)，及時(shí)獲知軌道梁工作情況，為用戶制定軌道梁維修計(jì)劃。裝置組成如圖1所示，檢測系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖1 PC軌道梁檢測裝置系統(tǒng)組成示意圖

圖2 軌道梁檢測系統(tǒng)示意圖

1.1.2軌道梁裂紋檢測

將線激光投射在軌道梁表面，采用高速線陣相機(jī)獲取軌道梁灰度圖像。軌道梁存在裂紋處，光條的強(qiáng)度會(huì)下降，通過分析光條的灰度值，可以獲取軌道梁的裂紋信息[1]。

采用光電編碼器控制線陣相機(jī)的采樣時(shí)間，保證等間距采樣，采樣間距為0.5 mm。在工程車行進(jìn)過程中，以15 km/h的速度為例，為了保證0.5 mm的采樣間距，線陣相機(jī)的采樣速率應(yīng)不小于8 334 Hz。選用分辨率為2 048×1的線陣相機(jī)，幀率最高可達(dá)51 kHz，可以滿足15 km/h的巡檢速度。

軌道梁走行面的寬度為690 mm，相機(jī)的像素為2 048，計(jì)算可得分辨率為690 mm/2 048=0.33 mm。走行面的總寬度為1 600 mm，每側(cè)各配置2臺(tái)線陣相機(jī)，相機(jī)總像素為4 096，計(jì)算可得分辨率為1 600 mm/4 096=0.39 mm。相機(jī)部署圖如圖3所示。

圖3 軌道梁走行面相機(jī)部署圖

軌道梁左右兩側(cè)為穩(wěn)定面，各有2個(gè)高清相機(jī)，圖像采集方向與軌道延伸方向垂直。同時(shí)在兩側(cè)分別有2個(gè)激光補(bǔ)光光源，如圖4所示。

圖4 軌道梁穩(wěn)定面相機(jī)部署圖

1.1.3指型板檢測

指型板探測器用于探測連接2根軌道梁的金屬指型板。指型板探測器采用電感式接近開關(guān)，安裝在工程車底部。當(dāng)下方為混凝土材質(zhì)的軌道梁時(shí)，接近開關(guān)向采集卡輸出低電平，當(dāng)下方出現(xiàn)金屬指型板時(shí)，接近開關(guān)向采集卡輸出高電平，圖像采集系統(tǒng)能夠通過指型板探測器確定指型板在圖像中出現(xiàn)的位置，指型板部分的圖像可被直接標(biāo)記，避免指型板干擾裂紋檢測，同時(shí)根據(jù)指型板探測器的電平信號(hào)，可以調(diào)取指型板圖像做針對(duì)性分析，通過圖像識(shí)別，實(shí)現(xiàn)指型板狀態(tài)檢測。

軌道梁檢測系統(tǒng)可自動(dòng)記錄裂紋數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在硬盤中。通過與多次歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可以對(duì)裂紋變化的趨勢進(jìn)行分析，擬合出裂紋隨時(shí)間變化的曲線，及時(shí)提醒相關(guān)人員對(duì)軌道梁進(jìn)行維護(hù)。

1.2 接觸軌檢測裝置

1.2.1設(shè)備概述

接觸軌檢測系統(tǒng)運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)[2]，搭載在工程車上，在工程車行進(jìn)過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測接觸軌的磨耗、輪廓、偏移、傾斜等參數(shù)，對(duì)接觸軌進(jìn)行自動(dòng)化、動(dòng)態(tài)檢測，及時(shí)獲取接觸軌工作情況。裝置組成如圖5所示。

圖5 接觸軌檢測裝置系統(tǒng)組成示意圖

1.2.2接觸軌幾何參數(shù)檢測

接觸軌幾何參數(shù)主要包括接觸軌磨耗和接觸軌偏移或傾斜。

接觸軌磨耗：接觸軌表面與集電靴長期接觸摩擦，會(huì)產(chǎn)生磨耗，接觸軌內(nèi)側(cè)沒有與集電靴相互接觸，因此接觸軌內(nèi)側(cè)沒有磨耗。測得接觸軌內(nèi)側(cè)與其表面的高度差，即可獲得接觸軌磨耗。

接觸軌偏移或傾斜值：接觸軌相對(duì)于軌道梁在水平方向以及垂直方向的偏移。

如圖6所示，采用線激光掃描技術(shù)[3]，在系統(tǒng)同步控制下，向接觸軌表面投射直線型激光。

圖6 接觸軌檢測示意圖

當(dāng)接觸軌表面存在高度差時(shí)，光條會(huì)發(fā)生彎曲，光條的彎曲程度，對(duì)應(yīng)著接觸軌表面的高度信息。高度信息的變化，對(duì)應(yīng)著接觸軌的磨耗。選用面陣相機(jī)，分辨率為2 048×1 536，相機(jī)視野為350 mm，拍照分辨率為350 mm/2 048=0.17 mm。

光條覆蓋接觸軌的表面和軌道梁。光條被接觸軌上表面、軌道梁側(cè)面分為兩節(jié)。根據(jù)兩節(jié)光條的水平距離，可以測得接觸軌水平方向的偏移值；根據(jù)光條距離接觸軌和軌道梁上表面的距離，可以測得接觸軌垂直方向的偏移值，相機(jī)視野為800 mm，拍照分辨率為800 mm/2 048=0.39 mm。

接觸軌檢測系統(tǒng)可自動(dòng)記錄磨耗數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在硬盤中。通過與多次歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)磨耗變化的趨勢進(jìn)行分析，擬合出磨耗隨時(shí)間變化的曲線，推導(dǎo)磨耗到限的時(shí)間，可及時(shí)提醒相關(guān)人員對(duì)供電軌進(jìn)行維護(hù)。

1.2.3接觸軌壓力檢測

采用輕型合金壓力傳感器結(jié)合加速度計(jì)測量接觸軌壓力。4個(gè)力傳感器分別安裝在特制集電靴滑板的四角，測出的力分別用F1、F2、F3、F4表示。假設(shè)FJ是待測的接觸軌力，m是滑板的當(dāng)量質(zhì)量，a是滑板的加速度。FJ=F1+F2+F3+F4±m(xù)a，式中，m是固定數(shù)值，不需測量，只要測出4個(gè)傳感器的F1、F2、F3、F4，用加速度計(jì)測出a，就可以計(jì)算出接觸軌力FJ。

采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，輸出電平為±5 V，輸出4 096個(gè)數(shù)字量，則壓力計(jì)的分辨率為100 N/2 048=0.05 N，誤差為100 N×0.017%=0.017 N。每個(gè)測力板由4個(gè)壓力計(jì)組成，則4個(gè)壓力計(jì)的誤差和為0.017 N×4=0.068 N。

假設(shè)滑板的重量為1 kg。加速度計(jì)的誤差為5g×0.1%=0.005g，造成的壓力誤差為0.005g×1=0.05 N。

綜合考慮壓力計(jì)誤差和加速度計(jì)誤差，最終接觸軌壓力的誤差為0.068 N+0.05 N=0.118 N。

1.2.4接觸軌硬點(diǎn)檢測

集電靴滑板經(jīng)過接觸軌硬點(diǎn)時(shí)，會(huì)在接觸瞬間，產(chǎn)生較大的沖擊力，加速度可達(dá)100g，故采用加速度傳感器對(duì)接觸軌硬點(diǎn)進(jìn)行檢測。

加速度計(jì)安裝在特制集電靴滑板后方，用于測定集電靴滑板通過接觸軌硬點(diǎn)時(shí)所受到的沖擊加速度。

采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，輸出電平為±5 V，輸出4 096個(gè)數(shù)字量，則加速度分辨率為150g/2 048=0.073g。當(dāng)測量的范圍為±100g時(shí)，誤差為100g×1%=1g。

1.3 限界檢測裝置

1.3.1設(shè)備概述

跨坐式單軌限界檢測系統(tǒng)利用激光雷達(dá)，安裝在工程車前段，在行進(jìn)過程中，對(duì)線路限界進(jìn)行自動(dòng)化動(dòng)態(tài)檢測，對(duì)超限限界位置進(jìn)行聲光警示，且超限數(shù)據(jù)具有紅色警示，將超限信息與位置信息融合，便于返查。

1.3.2限界檢測

限界檢測主要手段為激光雷達(dá)斷面掃描[4]。

所用激光雷達(dá)掃描角度為190°，角度分辨率為0.25°，掃描頻率100 Hz，測量距離≥30 m，測距分辨率為±12 mm。為了實(shí)現(xiàn)360°掃描，系統(tǒng)總共布置2臺(tái)激光雷達(dá)，分別位于車頭的兩側(cè)。在車速低于10 km/h時(shí)，激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)無間距掃描。

并且激光雷達(dá)具備三維重建功能，根據(jù)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以繪制線路的三維圖像。

同時(shí)可配備視頻監(jiān)控，針對(duì)整條檢測線路進(jìn)行全過程監(jiān)控并錄像，便于對(duì)全線路的宏觀監(jiān)控。

1.4 綜合定位

綜合定位子系統(tǒng)由光電編碼器、RFID閱讀器及組合導(dǎo)航系統(tǒng)組成，實(shí)時(shí)發(fā)送出經(jīng)過修正的位置信息。光電編碼器安裝在車輛轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，所構(gòu)成的里程計(jì)通過光電轉(zhuǎn)換將角位移信息轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)，提供速度值以及里程數(shù)。但由于在檢測車運(yùn)行過程中，線路存在諸多原因，如彎道、打滑、空轉(zhuǎn)等情況都可能造成定位誤差，RFID閱讀器通過讀取軌道上的電子標(biāo)簽信息，獲得準(zhǔn)確的站點(diǎn)信息，用于補(bǔ)償里程計(jì)誤差；組合導(dǎo)航系統(tǒng)可提供工程車實(shí)時(shí)位置信息，沒有累計(jì)誤差。組合導(dǎo)航系統(tǒng)采用導(dǎo)航高精度MEMS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，集成了GPS功能與慣導(dǎo)功能，定位精度可達(dá)到1.5 m，但是在某些路段，GPS信號(hào)可能會(huì)被遮擋，組合導(dǎo)航系統(tǒng)無法提供準(zhǔn)確定位。因此采用多傳感器融合定位可以彌補(bǔ)里程計(jì)的累計(jì)誤差，同時(shí)也避免了GPS信號(hào)受遮擋情況下無法定位的缺陷。

1.5 車體振動(dòng)補(bǔ)償

運(yùn)行中車體存在多個(gè)自由度振動(dòng)，檢測設(shè)備安裝于車體上，需考慮車體隨機(jī)振動(dòng)引起的隨機(jī)誤差。

車體振動(dòng)補(bǔ)償是通過接觸軌圖像特征點(diǎn)提取及計(jì)算來實(shí)現(xiàn)的。由于接觸軌磨耗發(fā)生在接觸軌表面，其內(nèi)側(cè)并未磨損。隨著列車的運(yùn)行，相機(jī)獲取的接觸軌圖像中，接觸軌內(nèi)側(cè)的光條形狀保持不變。列車的振動(dòng)只會(huì)引起接觸軌內(nèi)側(cè)特征點(diǎn)位置的變化，而不會(huì)引起特征點(diǎn)形狀的變化。首先利用高清面陣相機(jī)對(duì)激光束光切面所在接觸軌圖像進(jìn)行拍攝，其次利用圖像增強(qiáng)、圖像平滑等數(shù)字圖像處理算法及數(shù)字圖像特征提取算法實(shí)時(shí)提取接觸軌表面特征點(diǎn)，并以此作為基準(zhǔn)點(diǎn)。通過追蹤相鄰兩幀圖像中基準(zhǔn)點(diǎn)的位置變化，計(jì)算出車體振動(dòng)，反饋到控制系統(tǒng)，對(duì)檢測結(jié)果進(jìn)行校正。

2 結(jié)束語

所研制的搭載于巡檢工程車上的跨坐式單軌軌

道檢測系統(tǒng)，集成了接觸軌檢測、軌道梁檢測、限界檢測三種功能，檢測準(zhǔn)確快捷，節(jié)省了人力和時(shí)間，提高了檢測效率。

該單軌軌道檢測系統(tǒng)于2021年11月交付并通過驗(yàn)收，已運(yùn)用于蕪湖軌道交通1號(hào)線、2號(hào)線一期項(xiàng)目，使用至今設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定，未有故障投訴。針對(duì)用戶提出的增加諸如軌道梁平整度異常、指型板平整度和螺栓緊固異常等檢測功能需求，目前團(tuán)隊(duì)正在對(duì)新增功能進(jìn)行設(shè)計(jì)及試制，使該系統(tǒng)具備更完善的檢測功能。