基于圖像處理的振動補償方法在接觸軌檢測中的應用

（西南交通大學電氣工程學院，610031，成都∥第一作者，碩士研究生）

基于圖像處理的振動補償方法在接觸軌檢測中的應用

鄭 銳 王元貴 于 龍 占 棟

（西南交通大學電氣工程學院，610031，成都∥第一作者，碩士研究生）

分析了傳統檢測車車體振動補償方式存在的缺陷，提出一種基于圖像處理的接觸軌檢測車車體振動補償方法。將激光攝像組件安裝于與車體連接的補償梁上，激光切面沿鋼軌斷面方向投射。高速攝像機獲取鋼軌斷面圖像。運用圖像處理技術獲取鋼軌特征點，并計算車體在多體動力學下振動偏移量，將以車體作為參考系的接觸軌檢測數據歸算至基準坐標系。該振動補償方法已運用于廣州地鐵接觸軌檢測車中。通過廣州地鐵4號線新造至黃村區間接觸軌檢測數據，驗證了該方法能有效提高接觸軌檢測數據精度。

接觸軌檢測；圖像處理；車體偏移；振動補償

First-author's address Electrical Engineering College，Southwest Jiaotong University，610031，Chendu，China

列車車輛是具有彈簧懸掛裝置的多自由度振動系統，在實際線路上運行時，會產生復雜的振動［1］，其主要包括浮沉振動、橫擺振動、伸縮振動、搖頭振動、仰伏振動、側滾振動。在非接觸式檢測中，檢測設備與車體相連，檢測數據均是基于車體坐標系，而接觸軌幾何參數軌高（接觸軌授流面至走行軌軌頂面的垂直距離）和軌偏值（接觸軌中軸線至走行軌軌頂面連線中垂線的距離）則以軌道平面為基準坐標系（橫坐標軸與軌頂平面相切，縱坐標軸垂直于軌頂平面，坐標原點為軌距中心點）［3］。參考坐標系（如圖1）不同，將導致檢測數據誤差，而利用檢測數據對接觸軌現場維護的意義也將減小。

圖1 車體多自由度振動及車體坐標系和基準坐標系

本文通過研究橫擺振動、側滾振動對接觸軌幾何參數檢測的影響，并計算其在基準坐標系下的偏移量，將以車體作為坐標系的接觸軌幾何參數檢測數據歸算至基準坐標系，以提高檢測數據精度。

1 傳統車體振動補償

傳統方法采用拉線式位移傳感器或電容式位移傳感器進行車體振動補償。

拉線位移傳感器方式是將拉線傳感器安裝在轉向架上，拉線縛在車體上，通過測量拉繩與移動距離成正比例的電信號，得到車體相對于轉向架的振動偏移。然而，由于拉線傳感器采用接觸式測量方式，存在機械磨損，不適合長期使用。

電容位移傳感器方式將一塊板極固定于車體，另一塊固定在軸箱，根據平行板電容器的電容量與板間距離呈反比關系，而電容量的測量可通過LC振蕩器頻率獲得進行偏移補償。文獻［4］將該方法應用于接觸網拉出值檢測中，拉出值誤差絕對值的平均值由34.41 mm減小到13.74 mm，補償效果明顯，但精度仍不能滿足精確測量的要求。

受到安裝位置限制，上述方式都存在局限性：只考慮車體相對于轉向架之間的振動偏移，忽略了車輪踏面和鋼軌之間的振動偏移。根據我國現行標準規定［5-6］，輪軌游間名義值機車為16 mm或14 mm，車輛為18 mm，輪軌游間最小值機車為11 mm或9 mm，車輛為14 mm。在極限狀態下，橫向輪軌間隙最大可達60 mm，因此出現補償后誤差依舊較大。

2 基于面陣相機振動補償

2.1 振動補償原理

利用鋼軌圖像特征點進行振動補償，關鍵在于將待測鋼軌圖像和標準鋼軌圖像進行重合比對。

2.1.1 確定待測圖像上特征點

圖2為標準鋼軌圖像與示意圖，分析標準鋼軌各部分的尺寸參數可知，軌腰和軌底之間的弧線為一圓Os1（xs1，ys1）的一部分，且圓心位置及半徑可知。在靜態定標時，用圓Os（xs，ys）（圓Os1和圓Os的圓心位置不同，半徑相同）從圖像最底端開始依次往上和鋼軌圖像邊緣相切，取與軌腰部分重合最多的圓的圓心Oρ1（xρ1，yρ1）作為靜態定標位置軌腰圓心，該點作為第一個點。取靜態定標鋼軌圖像上軌腰頂點（如圖3中點Aρ2（xρ2，yρ2））作為第二個點。

圖2 標準鋼軌圖像與示意圖

2.1.2 在標準鋼軌圖像中搜尋對應點

因為點Aρ2（xρ2，yρ2）與Oρ1（xρ1，yρ1）為已知，則兩點之間的距離為：

圖3 靜態定標鋼軌圖像與示意圖

在標準圖像中，從軌底向上搜索，對于標準鋼軌軌腰上每一點As（xs，ys），計算點As（xs，ys）與Os1（xs1，ys1）間的距離Ls：

直到Lρ=Ls，該點就是點As2（xs2，ys2）。

2.1.3 二維變換進行重合

設靜態定標位置圖像上，鋼軌輪廓像素坐標為（xρ，yρ），則其在標準圖像上對應點的像素坐標為：

將點Oρ1（xρ1，yρ1）、Os1（xs1，ys1）、Aρ2（xρ2，yρ2）、As2（xs2，ys2）代入式（3），可計算出a1、a2、a3、a4。

2.1.4 振動偏移量計算

設靜態軌腰圓心Oρ1（xρ1，yρ1）經過式（3）變換后在標準鋼軌圖像中的像素坐標為A（xs，ys）。動態檢測時，首先搜索動態鋼軌圖像軌腰圓心Oω1（xω1，yω1）（見圖4），將Oω1（xω1，yω1）帶入式（3），得到該點在標準圖像中映射像素的坐標B（x′s，y′s）。通過攝像機標定數據庫可查詢到A（xs，ys）、B（x′s，y′s）對應距離值分別為s、s′。則振動補償量計算如下：

式中：

α---相機與鋼軌平面安裝夾角；

δ---靜態定標時傾角傳感器夾角；

δ′---動態檢測時傾角傳感器夾角。

2.2 圖像處理面振動補償優點

相較于傳統振動補償方式，采用圖像處理進行振動補償具有以下優點：

（1）通過鋼軌圖像直接進行補償并歸算到基準坐標，避免了因分步計算車體相對于轉向架的振動偏移，輪軌之間的振動偏移進行疊加產生的累積誤差；

圖4 動態鋼軌圖像與示意圖

（2）軌腰和軌底圓弧部分不存在磨耗，通過圖像識別算法能夠穩定提取圖像特征點，補償數據更為精確。

3 檢測數據分析

廣州地鐵4號線采用鋼鋁復合型接觸軌，通過下部授流方式供電。標準接觸軌軌高和軌偏值分別為200 mm±5 mm、1 510 mm±5 mm。目前，該檢測裝置主要用于對接觸軌軌高及軌偏值進行動態實時檢測。

3.1 補償裝置可靠性及補償速度

2011年9月，補償裝置研制完成并投入到廣州地鐵4號線接觸軌幾何參數動態檢測中。至2012年9月，該裝置運行穩定、可靠，能夠滿足現場工況。其可靠性指標見表1。

表1 系統可靠性指標

補償速度主要受接觸軌檢測車行駛速度及補償高清攝像機采樣幀率影響。目前，該裝置所用高清攝像機采樣幀率為60幀/s，檢測車速度與采樣間隔關系見表2。

表2 速度與采樣間隔距離關系

3.2 精度驗證

選取廣州地鐵4號線新造---黃村下行區間進行實時檢測。檢測系統采樣頻率為0.5 m/點，檢測車行駛速度約為40 km/h，取公里標K23+000---K22+900間100 m共計200點進行數據分析。為驗證振動補償數據精度，間隔5 m取一個點共計20個點進行實測，并和動態實時檢測數據進行比對分析，見表3及圖5與圖6。

表3 振動補償前后數據精度驗證 mm

圖5 軌高補償前后精度驗證

若以人工實測接觸軌垂直高度和水平距離值作為期望，由表3和圖5、圖3可以得出，振動補償后接觸軌幾何參數更接近期望值，且最大誤差均能控制在±3 mm之內。

3.3 補償前后數據比對

接觸軌垂直高度和水平距離補償前后數據對比如圖7與圖8，其補償量見圖9與圖10。

圖6 軌偏值補償前后精度驗證

4 結語

標準要求接觸軌正常偏差范圍為±5 mm，對接觸軌動態檢測精度要求較高。同時，運行中的檢測車存在多自由度振動，將影響檢測數據精度。為了達到高精度檢測，需要克服振動帶來的隨機誤差。

圖7 垂直高度補償前后數據比對

圖8 水平距離補償前后數據比對

圖9 垂直高度補償量

圖10 水平距離補償量

在廣州地鐵4號線接觸軌幾何參數檢測中使用基于圖像處理的振動補償系統進行補償后，接觸軌軌高和軌偏值的實時檢測精度都能控制在±3 mm之內，能夠滿足精確測量的要求。同時，通過振動補償將檢測數據歸算到基準坐標，更方便對檢測數據精度進行評價，對接觸軌運營維護也更有實際意義。

［1］ 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網［M］.成都：西南交通大學出版社，2002：341.

［2］ 中華人民共和國建設部.城市軌道交通接觸軌系統技術規范（征求意見稿）［S］.

［3］ CJJ 96-2003地鐵限界標準［S］.

［4］ 諸昌鈴，倪守平，高洪杰.電容式車體位移補償裝置及其在接觸網檢測車中的應用［J］.鐵道學報，1990，12（1）：21.

［5］ TB/B 1010-85車輛用車輛類型及尺寸［S］.

［6］ TB/T 449-2003機車車輛車輪輪緣踏面外形［S］.

Application of Vibration Compensation Method in Conductor Rail Inspection Based on Image Processing

Zheng Rui，Wang Yuangui，Yu Long，Zhan Dong

The traditional compensation mode of vehicle vibrationand its defects are analyzed，a measurement method based on image processing technique isput forward.This technique installs laserphoto-grammetric components on the compensation beam，which could be directly connected with the vehicles.Because the laser plane is perpendicular on the track cross section，thus the high speed camera will obtain the rail profile image.By using image processing technique for rail feature point extraction and vehicle vibration offset calculationunder multi-body dynamics，the conductor rail inspecting databased on the vehicle reference frame and the track reference framecould be reduced.The vibration compensation method has been applied in Guangzhou metro conductor rail inspection successfully，and the experimental resultsshow that this method can effectively improve the inspection accuracy.

conductor rail inspection；image processing；vehicle deviation；vibration compensation

U 231.8

2012-05-09）