跨坐式单轨车载检测系统研制

2022-07-29焦明伟吴启勇

轨道交通装备与技术 2022年3期

焦明伟吴启勇方骅

(杭州中车车辆有限公司浙江杭州 311200)

0 引言

跨座式单轨列车运行在混凝土制轨道梁(以下简称“PC轨道梁”)上。PC轨道梁底面固定在轨道地基上，上表面为走行面，供单轨列车的走行轮运行，侧面为稳定面和导行面。单轨列车的导向轮和稳定轮从轨道梁两侧夹紧轨道梁，使列车稳定并控制列车沿轨道梁的方向运行。在跨座式单轨的轨道梁两侧安装有接触轨，每侧一根，通过电客车集电靴与复合轨的接触为电力机车组提供电能。

跨座式单轨轨道检修是检测维护中十分重要的环节，为了单轨列车运行的安全性，需要经常对轨道梁表面是否存在缺陷、接触轨的安装位置及磨损程度进行检测。有鉴于此，针对芜湖跨坐式单轨系统，研制出一种跨坐式单轨轨道巡检系统，当搭载检测系统的工程车在单轨轨道上行进时，该检测系统能够实时、准确地获取位置信息，分析接触轨的磨损程度信息和轨道梁表面是否存在缺陷，并对线路进行限界检查，取代传统的人工巡检方式，节省了人力和时间，提高了检测效率，统一检测标准，检测结果更加准确可靠。

1 系统组成及检测方法

该系统主要包括检测系统主机、轨道梁信息采集装置、接触轨信息采集装置、限界信息采集装置和显示器。

1.1 PC轨道梁检测装置

1.1.1设备概述

轨道梁检测装置用于实时监测轨道梁的裂纹参数，及时获知轨道梁工作情况，为用户制定轨道梁维修计划。装置组成如图1所示，检测系统示意图如图2所示。

图1 PC轨道梁检测装置系统组成示意图

图2 轨道梁检测系统示意图

1.1.2轨道梁裂纹检测

将线激光投射在轨道梁表面，采用高速线阵相机获取轨道梁灰度图像。轨道梁存在裂纹处，光条的强度会下降，通过分析光条的灰度值，可以获取轨道梁的裂纹信息[1]。

采用光电编码器控制线阵相机的采样时间，保证等间距采样，采样间距为0.5 mm。在工程车行进过程中，以15 km/h的速度为例，为了保证0.5 mm的采样间距，线阵相机的采样速率应不小于8 334 Hz。选用分辨率为2 048×1的线阵相机，帧率最高可达51 kHz，可以满足15 km/h的巡检速度。

轨道梁走行面的宽度为690 mm，相机的像素为2 048，计算可得分辨率为690 mm/2 048=0.33 mm。走行面的总宽度为1 600 mm，每侧各配置2台线阵相机，相机总像素为4 096，计算可得分辨率为1 600 mm/4 096=0.39 mm。相机部署图如图3所示。

图3 轨道梁走行面相机部署图

轨道梁左右两侧为稳定面，各有2个高清相机，图像采集方向与轨道延伸方向垂直。同时在两侧分别有2个激光补光光源，如图4所示。

图4 轨道梁稳定面相机部署图

1.1.3指型板检测

指型板探测器用于探测连接2根轨道梁的金属指型板。指型板探测器采用电感式接近开关，安装在工程车底部。当下方为混凝土材质的轨道梁时，接近开关向采集卡输出低电平，当下方出现金属指型板时，接近开关向采集卡输出高电平，图像采集系统能够通过指型板探测器确定指型板在图像中出现的位置，指型板部分的图像可被直接标记，避免指型板干扰裂纹检测，同时根据指型板探测器的电平信号，可以调取指型板图像做针对性分析，通过图像识别，实现指型板状态检测。

轨道梁检测系统可自动记录裂纹数据，存储在硬盘中。通过与多次历史数据进行比对，可以对裂纹变化的趋势进行分析，拟合出裂纹随时间变化的曲线，及时提醒相关人员对轨道梁进行维护。

1.2 接触轨检测装置

1.2.1设备概述

接触轨检测系统运用机器视觉技术[2]，搭载在工程车上，在工程车行进过程中，实时监测接触轨的磨耗、轮廓、偏移、倾斜等参数，对接触轨进行自动化、动态检测，及时获取接触轨工作情况。装置组成如图5所示。

图5 接触轨检测装置系统组成示意图

1.2.2接触轨几何参数检测

接触轨几何参数主要包括接触轨磨耗和接触轨偏移或倾斜。

接触轨磨耗：接触轨表面与集电靴长期接触摩擦，会产生磨耗，接触轨内侧没有与集电靴相互接触，因此接触轨内侧没有磨耗。测得接触轨内侧与其表面的高度差，即可获得接触轨磨耗。

接触轨偏移或倾斜值：接触轨相对于轨道梁在水平方向以及垂直方向的偏移。

如图6所示，采用线激光扫描技术[3]，在系统同步控制下，向接触轨表面投射直线型激光。

图6 接触轨检测示意图

当接触轨表面存在高度差时，光条会发生弯曲，光条的弯曲程度，对应着接触轨表面的高度信息。高度信息的变化，对应着接触轨的磨耗。选用面阵相机，分辨率为2 048×1 536，相机视野为350 mm，拍照分辨率为350 mm/2 048=0.17 mm。

光条覆盖接触轨的表面和轨道梁。光条被接触轨上表面、轨道梁侧面分为两节。根据两节光条的水平距离，可以测得接触轨水平方向的偏移值；根据光条距离接触轨和轨道梁上表面的距离，可以测得接触轨垂直方向的偏移值，相机视野为800 mm，拍照分辨率为800 mm/2 048=0.39 mm。

接触轨检测系统可自动记录磨耗数据，存储在硬盘中。通过与多次历史数据进行比对，对磨耗变化的趋势进行分析，拟合出磨耗随时间变化的曲线，推导磨耗到限的时间，可及时提醒相关人员对供电轨进行维护。

1.2.3接触轨压力检测

采用轻型合金压力传感器结合加速度计测量接触轨压力。4个力传感器分别安装在特制集电靴滑板的四角，测出的力分别用F1、F2、F3、F4表示。假设FJ是待测的接触轨力，m是滑板的当量质量，a是滑板的加速度。FJ=F1+F2+F3+F4±ma，式中，m是固定数值，不需测量，只要测出4个传感器的F1、F2、F3、F4，用加速度计测出a，就可以计算出接触轨力FJ。

采用12位A/D转换器，输出电平为±5 V，输出4 096个数字量，则压力计的分辨率为100 N/2 048=0.05 N，误差为100 N×0.017%=0.017 N。每个测力板由4个压力计组成，则4个压力计的误差和为0.017 N×4=0.068 N。

假设滑板的重量为1 kg。加速度计的误差为5g×0.1%=0.005g，造成的压力误差为0.005g×1=0.05 N。

综合考虑压力计误差和加速度计误差，最终接触轨压力的误差为0.068 N+0.05 N=0.118 N。

1.2.4接触轨硬点检测

集电靴滑板经过接触轨硬点时，会在接触瞬间，产生较大的冲击力，加速度可达100g，故采用加速度传感器对接触轨硬点进行检测。

加速度计安装在特制集电靴滑板后方，用于测定集电靴滑板通过接触轨硬点时所受到的冲击加速度。

采用12位A/D转换器，输出电平为±5 V，输出4 096个数字量，则加速度分辨率为150g/2 048=0.073g。当测量的范围为±100g时，误差为100g×1%=1g。

1.3 限界检测装置

1.3.1设备概述

跨坐式单轨限界检测系统利用激光雷达，安装在工程车前段，在行进过程中，对线路限界进行自动化动态检测，对超限限界位置进行声光警示，且超限数据具有红色警示，将超限信息与位置信息融合，便于返查。

1.3.2限界检测

限界检测主要手段为激光雷达断面扫描[4]。

所用激光雷达扫描角度为190°，角度分辨率为0.25°，扫描频率100 Hz，测量距离≥30 m，测距分辨率为±12 mm。为了实现360°扫描，系统总共布置2台激光雷达，分别位于车头的两侧。在车速低于10 km/h时，激光雷达可实现无间距扫描。

并且激光雷达具备三维重建功能，根据采集的点云数据，可以绘制线路的三维图像。

同时可配备视频监控，针对整条检测线路进行全过程监控并录像，便于对全线路的宏观监控。

1.4 综合定位

综合定位子系统由光电编码器、RFID阅读器及组合导航系统组成，实时发送出经过修正的位置信息。光电编码器安装在车辆转动轴上，所构成的里程计通过光电转换将角位移信息转化为脉冲数，提供速度值以及里程数。但由于在检测车运行过程中，线路存在诸多原因，如弯道、打滑、空转等情况都可能造成定位误差，RFID阅读器通过读取轨道上的电子标签信息，获得准确的站点信息，用于补偿里程计误差；组合导航系统可提供工程车实时位置信息，没有累计误差。组合导航系统采用导航高精度MEMS组合导航系统，集成了GPS功能与惯导功能，定位精度可达到1.5 m，但是在某些路段，GPS信号可能会被遮挡，组合导航系统无法提供准确定位。因此采用多传感器融合定位可以弥补里程计的累计误差，同时也避免了GPS信号受遮挡情况下无法定位的缺陷。

1.5 车体振动补偿

运行中车体存在多个自由度振动，检测设备安装于车体上，需考虑车体随机振动引起的随机误差。

车体振动补偿是通过接触轨图像特征点提取及计算来实现的。由于接触轨磨耗发生在接触轨表面，其内侧并未磨损。随着列车的运行，相机获取的接触轨图像中，接触轨内侧的光条形状保持不变。列车的振动只会引起接触轨内侧特征点位置的变化，而不会引起特征点形状的变化。首先利用高清面阵相机对激光束光切面所在接触轨图像进行拍摄，其次利用图像增强、图像平滑等数字图像处理算法及数字图像特征提取算法实时提取接触轨表面特征点，并以此作为基准点。通过追踪相邻两帧图像中基准点的位置变化，计算出车体振动，反馈到控制系统，对检测结果进行校正。