城市轨道信号里程定测校验系统技术研究

2023-12-03孙晓明

交通工程 2023年6期

马浩, 孙晓明

(中铁建电气化局集团第三工程有限公司, 高碑店 074000)

0 引言

城市轨道信号系统是指挥、控制列车运行的重要系统,是保证城市轨道运输安全和高效有序运行的关键设备. 车载设备监测信息与地面设备监测信息进行综合分析和对比,以构建城市轨道信号综合分析监测系统被受重视. 作为基础数据的里程数据测量的准确性至关重要,直接影响监测系统的分析结果. 目前,采用轨道车载检测设备进行里程测量,这种方法在遇到颠簸时影响检测数据,如何进一步提高里程数据测量的准确性是需要解决的问题.

1 智能测量车运动控制系统

1.1 总体思路

小型可沿城市轨道移动的信号车,信号车包括底座和轮胎,信号车上设置电池、工控机、PLC控制器、摄像头、三维扫描仪、工控屏、编码器、振动传感器、激光指示器、电机和报警器. 信号车运行期间,通过摄像头、三维扫描仪、编码器、振动传感器、激光指示器进行现场数据采集,根据现场采集到的数据对里程数据进行修正,传送至上位机,以获得准确的城市轨道里程数据.

图1 里程定测校验系统构架

图2 信号车结构示意

1.2 工控机

用于数据处理,工控机连接工控屏、三维扫描仪和摄像头,工控屏用于提供人机交互界面,三维扫描仪用于测量轨道旁设备,工控机通过无线发射器与上位机建立交互.

1.3 PLC控制器

连接工控机,PLC控制器的信号输入端连接激光指示器、编码器和振动传感器,PLC控制器的信号输出端连接电机和报警器;编码器设置于轮胎用于里程测量;振动传感器设置于信号车用于检测信号车振动,分别设置于信号车左侧和右侧的左侧振动传感器和右侧振动传感器;电机通过驱动器连接PLC控制器的信号输出端,用于驱动信号车移动;激光指示器用于识别轨道旁设备安装位置;报警器用于声光报警.

1.4 摄像头

包括右摄像头、前置摄像头和左摄像头,左摄像头和右摄像头用于识别轨道旁设备,前置摄像头用于识别城市轨道机车.

1.5 轮胎

2个轮胎分别设置于信号车两侧的从动轮组,每个从动轮组包括左从动轮和右从动轮,左右从动轮分别连接电机,编码器分别设置于左从动轮和右从动轮.

2 城市轨道信号车里程定测校验方法

2.1 里程计算

获取编码器采集的转动数据、电机的减速比和轮胎直径,根据转动数据、减速比和轮胎直径计算里程数据,将里程数据发送到上位机.

计算里程数据的方法为:

设:左从动轮的编码器数据为w1;

右从动轮的编码器数据为w2;

轮子的直径为D,(mm);

电子齿轮比的分子为t;

电子齿轮比分母为e;

电机减速比为k;

电机实际转速为sv,(r/min);

编码器线数为f;

补偿系数为n;

当前里程数据为P,(mm);

信号车实际速度为sr,(km/h);

则:轮子周长C的计算公式为C=D×π;

单圈需要的脉冲数据as的计算公式为:

(1)

当前里程数据P的计算公式为:

(2)

里程数据P1的计算公式为:

(3)

信号车实际速度sr的计算公式为:

(4)

2.2 里程校准

包括CPIII校准、RTK校准和往复运动测量校准.

CPIII校准、RTK校准的方法:当信号车行驶多段区间时,将CPIII点作为里程中段校准;当RTK及编码器数据判断当前信号车位置接近CPIII点时,系统根据数据判断,自动减速至校准行驶速度;当根据右摄像头、前置摄像头和左摄像头采集的图像数据判断信号车当前基准面对准目标CPIII点时,信号车自动暂停;根据CPIII点的数据与编码器的实时数据,补偿校准误差值.

往复运动测量校准的方法:设定一目标距离,信号车来回往复行走,通过已知距离测量判断信号车正向及反向的行驶的误差,通过多组数据计算校准信号车的偏差系数.

在高速城市轨道勘测、施工、运营维护3个阶段的平面、高程控制测量采用的统一的基准. 基准等级包括CPI基础平面控制网、CPII线路控制网和CPIII基桩控制网. CPIII平面测量采用自由设站边角交会法测量.

CPIII及RTK校准方式:当信号车自动行驶跨多段区间行驶时,里程大于1km后,系统根据工程导入数据的CPIII点作为里程中段校准,当RTK及编码器数据判断当前信号车位置接近可校准CPIII点时,系统根据数据判断,自动减速至校准行驶速度,当前置相机及侧边相机判断信号车当前基准面对准目标CPIII时,信号车自动暂停,并结合CPIII点的数据与编码器的实时数据判断,并补偿校准误差值,完成里程数据校准后,信号车自动继续执行未完成的任务. 往复运动测量校准方式:设定1个目标长距离,信号车可来回往复行走,通过已知距离测量判断信号车正向及反向的行驶的误差,通过多组数据计算校准信号车的偏差系数,使得信号车里程精度更加接近精准数据.

2.3 振动数据修正

获取振动传感器采集的振动数据,和编码器采集的编码里程数据,根据振动数据,基于CPIII基桩控制网,对编码里程数据进行修正计算.

用户在工控屏中选择定测功能、导入excel工作表且开始运行;excel中包含各轨道旁设备的里程数据以及CPIII点的里程数据;PLC控制驱动器驱动电机控制下车自主运行;PLC根据动力轮电机自带的编码器以及从动轮编码器计量里程;PLC检测到振动传感器数据突变后,丢弃对应轮子编码器数据而采用其他轮子编码数据;左侧振动传感器数据突变,此时修正振动时刻前后100 ms的里程增量数据采用右从动轮的编码器数据;反右侧振动传感器数据突变,此时修正振动时刻前后100 ms的里程增量数据采用左从动轮的编码器数据;接近CPIII点PLC控制电机减速运行,摄像头识别CPIII立柱点后校准里程信息;PLC里程计量到需要安装轨旁设备位置后停止并启动激光指示器指示安装位置,工控机播报安装设备信息及里程数据.

图3 信号车俯视结构示意

在CPIII所设置的标记物间隔里程外,通过CPIII核定并修正里程误差;在CPIII所设置的标记物间隔里程内,通过振动传感器数据核定并修正里程误差. 编码器数据修正过程主要修正轨道上面有小石子,轨缝、道岔等引起的随机误差;CPIII点里程校准主要修正由于长时间运行信号车里程计量数据长时间累计误差,远距离的累计误差容易导致数据误差的巨大化,通过识别CPIII点立柱将累计误差锁定在CPIII点之间.

为了进一步说明CPIII点具体的修正方法,采集大量CPIII点样本图像;标注所有样本图像中CPIII点所在区域;标注后的数据和图像输入至骨干网络;在网络中对训练集中的样本图像进行归一化并缩放至的整数倍大小;设置边界回归横块中初始选框的宽度;开始迭代训练预测模型;完成训练后生成预测模型并导出;使用预测模型对实际检测图像进行推理;根据预设的类别置信度阈值及重叠度阈值对检测结果进行过滤,得到最终的检测结果.

图4 CPIII点修正方法流程

2.4 横向位移校准

获取振动传感器采集的振动数据、编码器采集的编码里程数据和三维扫描仪采集的轨道旁设备限界数据,根据振动数据、编码里程数据对轨道旁设备限界数据进行校准.

由于信号车运行过程特别是转弯以及过城市轨道道岔过程中信号车在城市轨道轨面上会有一定的横向位移,每次测量轨旁设备限界数据时进行校准过程. 如图5所示,图中PLC指PLC控制器,动力轮电机指电机. 横向位移校准具体方法:工控屏中选择限界测量功能、导入excel工作表且运行;excel中包含各轨道旁设备的里程数据以及CPIII点的里程数据;PLC控制驱动器驱动电机控制信号车自主运行;PLC根据动力轮电机自带的编码器以及从动轮编码器计量里程;PLC检测到振动传感器数据突变后,丢弃对应轮子编码器数据而采用其他轮子编码器数据;接近CPIII点PLC控制电机减速运行,摄像头识别CPIII立柱点后校准里程信息;PLC里程计量到距离轨旁设备5m后停止并启动三维扫描仪测量左右侧轨道距离校准扫描仪位置;PLC低速驱动电机、扫描设备与城市轨道中心水平距离;完成测量,工控机报实际设备名称及限界数据.

具体的,校准扫描仪位置的计算方法如下:

设:l左为左侧铁轨距离三维扫描仪水平距离;

l右为右侧铁轨距离三维扫描仪水平距离;

n左为三维扫描仪左侧修正参数;

n右为三维扫描仪右侧修正参数;

l测为轨旁设备距离轨道中心水平测量距离;

l实为轨旁设备距离轨道中心水平实际距离;

则:n左=717.5-l左;n右=717.5-l右;

左侧:l实=l实+n左; 右侧:l实=l实+n右

2.5 三维扫描与摄像头图像的识别和匹配

获取摄像头拍摄的图像数据、当前的里程数据和三维扫描仪采集的轨道旁设备限界数据,根据图像数据和当前的里程数据对轨道旁设备限界数据进行修正.

具体的,系统里程确认进入限界测量目标轨旁设备5 m时,小车速度降低并开启三维扫描,三维扫描截面数据附加里程数据;摄像头开启拍照功能,每帧图片亦附加里程数据;系统将每帧图像与训练后的模型匹配识别;识别到轨旁设备且设备处于图像中心时记录附加的里程数据l图;由于左右摄像头与三维扫描仪安装在小车Z轴向有一固定距离l差,所以实际设备应是l图-l差的三维数据处,由于轨旁设备均有一定宽度选取l图-l差处±10 cm范围的三维数据选取最小的3个数值作为实际测量限界值.

2.6 编码器误差修改正

若单个从动轮对应振动传感器检测到振动值超标,则使用另一侧从动轮编码器计量里程;若2个从动轮对应振动传感器都检测到振动值超标,则使用振动值超标前10 ms时刻的速度计算振动前后 20 ms信号车运行距离,计算公式为:S=V×T,其中,S为信号车运行距离,V为信号车的速度,T为振动前后的时刻.根据振动传感器在平整的平地或坡地上行驶所采集的数据设定振动传感器的环境振动值μ0,根据振动传感器在有石子或有凹坑的平地或坡地上行驶所采集到的数据峰值设定振动传感器的振动值阈值μx,将大中小石子或凹坑所产生的数据峰值一一记录,形成振动值阈值区间[μ0,μx1],[μx1,μx2],[μx2,μx3],根据振动传感器实时所回传的数据μ实以及所对应的时刻t实判断是否振动值超标:若μ实max∈[0,μ0],则判断振动值未超标.

若μ实max∈(μx2,μx3],统计μ实在区间(μx2,μx3]内的时间t3,当t3≤tx3,则判断振动值未超标,当t3>tx3,则判断振动值超标.其中tx3为振动值区间(μx2,μx3]内所设定的时间阈值,一般为实验测量值,也可是经验值,tx3一般情况下小于tx2.

若μ实max∈(μx3,∞),则判断振动值超标.

3 城市轨道信号车里程定测校验系统特点

3.1 城市轨道信号车里程定测校验系统

通过专用的信号车在城市轨道上运行进行城市轨道里程测量,取代目前轨道车检测的方法,轨道车车体大,运行成本高,并且里程数据检测精度有待提高;信号车运行期间,通过摄像头、三维扫描仪、编码器、振动传感器、激光指示器进行现场数据采集,根据现场采集到的数据对里程数据进行修正,能获取振动传感器采集的振动数据,和编码器采集的编码里程数据,根据振动数据,基于CPIII基桩控制网,对编码里程数据进行修正计算;并且能获取振动传感器采集的振动数据、编码器采集的编码里程数据和三维扫描仪采集的轨道旁设备限界数据,根据振动数据、编码里程数据对轨道旁设备限界数据进行校准. 数据通过无线发射器传送至上位机,有利于提高里程测量数据的准确性. 信号车行驶期间,PLC控制器根据三维扫描仪采集的数据,当有人员及障碍物时启动报警;作为本实例的优选方案,三维扫描仪采用型号:SICK LMS151-10100;激光指示器采用型号:R638UL120-5;信号车摄像头检测到行进方向2 m处有人员及障碍物时报警器发出声光报警.