基于激光位移傳感器的城市軌道交通車輛輪對尺寸在線檢測系統*

李海玉 程曉卿 蘇釗頤 邢宗義 王曉浩 王 貴

(1.廣州地鐵集團有限公司,510308,廣州; 2.北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室,100044,北京//第一作者,高級工程師)

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基于激光位移傳感器的城市軌道交通車輛輪對尺寸在線檢測系統*

李海玉1程曉卿2蘇釗頤1邢宗義2王曉浩2王 貴2

(1.廣州地鐵集團有限公司,510308,廣州; 2.北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室,100044,北京//第一作者,高級工程師)

車輪磨損是城市軌道交通日常運營的一大安全隱患。提出了一種基于2D激光位移傳感器的列車輪對尺寸在線測量的新方法,闡明了該測量方法的系統構成及在線測量原理。系統由兩組激光位移傳感器和兩組激光對射開關組成,通過激光位移傳感器測量輪對外形輪廓線,然后根據踏面幾何關系得到輪緣高、輪緣厚尺寸值;提取同一車輪通過該在線測量系統時傳感器輸出的各時刻輪緣頂點坐標,經時空還原將輪緣頂點變換到同一時刻的輪緣頂點圓上;通過最小二乘擬合圓得到車輪直徑。現場試驗結果表明,該輪對尺寸在線測量系統能滿足輪對尺寸的現場實際測量要求,為輪對尺寸在線非接觸式測量提供了一種新的解決方案。

城市軌道交通車輛; 輪對尺寸; 激光位移傳感器; 在線測量

First-author′s address Guangzhou Metro Corporation,510308,Guangzhou,China

輪對作為地鐵車輛走行系的重要組成部件,承受來車輛的全部靜動載荷,對列車運行的安全性、舒適性起著關鍵作用[1]。及時準確地對列車的輪對外形尺寸進行檢測,掌握輪對外形尺寸的變化情況,對避免列車故障的發生及提高輪對的使用壽命有著重要意義。

輪對尺寸檢測主要采用人工接觸式測量和在線非接觸式測量兩種方法[2]。隨著CCD(電荷耦合器件)技術和激光技術的發展[3-4],在線非接觸式測量已成為輪對尺寸測量技術的主流。文獻[5]提出采用基于CCD圖像測量技術的光截圖像測量方法。文獻[6]采用激光掃描儀和照相機構成的測量系統測量車輪輪廓磨損、表面缺陷及車輪不圓度檢測。文獻[7]提出采用兩個激光位移傳感器和一個渦流定位傳感器構成檢測系統測量車輪直徑。

本文提出了一種基于激光位移傳感器的輪對尺寸在線檢測技術與系統:首先采用兩支激光位移傳感器實現踏面輪廓線的繪制,并根據踏面幾何關系獲取輪緣高與輪緣厚的值;然后采用時空變換法將不同時刻的輪緣頂點坐標等價為一組輪緣頂點圓上的點;最后采用最小二乘擬合圓的方法求得車輪直徑。所提出的系統僅采用兩個激光位移傳感器等簡單測量元件就可實現完整的輪對尺寸在線測量,具有成本低、操作簡單、精度高、非接觸式測量等優點。

1 輪對尺寸在線檢測系統的組成

1.1 輪對尺寸

車輛輪對是由兩個相同的車輪和一根車軸組成的整體。車輪滾壓在鋼軌上的接觸部分稱為踏面,車輪踏面內側有一沿圓周突起的凸緣稱為輪緣,其輪廓線如圖1所示。距離內側面70 mm處的踏面點稱為踏面基點,將踏面基點對應的車輪直徑值定義為該車輪的直徑,將基點到輪緣最高點的高度差定義為輪緣高,將內側面到比基點高出規定高度(一般為10 mm)所對應橫向距離定義為輪緣厚[8]。城市軌道交通列車常采用840標準輪對,其運用輪徑一般在770 mm至840 mm之間,其運用輪緣厚一般在26 mm至32 mm之間。

圖1 車輪輪廓線示意圖

輪緣高、輪緣厚和車輪直徑可以基本反映出一個車輪的磨耗情況,當超過標準輪對尺寸數值時,證明車輪已經磨損,需要整修或者更換[9]。為了及時掌握輪緣厚、輪緣高及輪徑等尺寸的變化情況,對車輪外形尺寸進行精確檢測就顯得尤為必要。

1.2 系統結構

輪對尺寸在線檢測裝置包括兩組2D激光位移傳感器、激光對射開關、車號識別器、磁鋼、工控機等,其布局如圖2所示。

設t1時刻為橫坐標原點,即x1=0,則對n次采樣的橫坐標進行時空變換:

圖2 輪對尺寸在線檢測系統結構布局

圖3 激光位移傳感器安裝示意圖

2 系統工作原理

2.1 系統工作流程

簡單線性迭代聚類(Simple Linear Iterative Clustering，SLIC)是Achanta等人提出的一種思想簡單、實現方便、在局部進行比較計算的快速聚類算法。該方法首先將具有 RGB真彩圖像轉換到 CIELAB圖像空間中，再利用其顏色空間中的1個亮度分量(l)，2個顏色分量(a、b)，將3個分量以及坐標軸x、y構成一個五維空間[l,a,b,x,y]向量k-means聚類。算法步驟入下[8]：

十九大報告明確指出，推動形成全面開放新格局，要以“一帶一路”建設為重點，賦予自由貿易試驗區更大改革自主權，探索建設自由貿易港。從總體上看，“一帶一路”倡議與自貿試驗區建設互為補充，“一帶一路”建設的“五通”與自貿試驗區的“四化”兩者高度契合，共同推動形成全面開放新格局[注]張時立：《中國自貿區建設與“21 世紀海上絲綢之路”——以上海自貿區建設為例》，《社會科學研究》2016年第1期，第58頁。。

2.2 輪緣尺寸測量原理

經過以上縱坐標值的坐標旋轉和橫坐標值的時空變換,可獲得在同一時空坐標系下的n個輪緣頂點。

學習的最好刺激是對學習材料的興趣。多媒體集“聲、色、畫、樂”于一體，形象生動地展現教學內容。課程改革要求英語教學從知識、技能、情感態度、文化意識及學習策略方面對學生進行培養，發展學生的綜合語用能力（程曉堂，2004）。要求教師充分利用多媒體提供豐富的材料，讓學生進行有目的的閱讀實踐，加強對語言信息的理解，注重自主、探究、合作學習的意識培養，養成學習習慣，運用學習策略。下面根據《英語課程標準》相關要求，以牛津高中英語模塊二第三單元Reading部分The Curse of Mummy為例，具體闡釋多媒體在英語閱讀課堂的運用。

圖4 輪對尺寸在線檢測系統流程圖

(1)

(2)

對軌道內側激光位移傳感器輸出的二維坐標值根據以下公式進行坐標變換:

(3)

(4)

(1)～(4)式中:

β1、β2——傳感器與縱向豎直線的夾角;

軌道內側和外側兩支激光位移傳感器輸出數據坐標變換后,再通過式(5)和式(6)的數據融合得到踏面數據,如圖6所示。由圖6可見,輪對踏面輪廓線是由離散的數據點組成的。為了準確地計算出輪緣高、輪緣厚等尺寸,采用曲線擬合的方法將這些離散的點擬合成一條連續的輪廓線[11],再根據踏面輪廓幾何關系算出每個時刻數據融合后的輪緣高及輪緣厚,結果如表1所示。針對輪緣高及輪緣厚,去掉6組數據中的最大值和最小值,對剩余的4組數據求取平均值作為最終計算值。

(5)

(6)

式中:

(p,q)——外側傳感器的原始坐標原點在內側傳感器變換后的坐標系中的坐標值;

2.3 直徑測量原理

在列車運行過程中,當車輪進入激光位移傳感器有效探測區間時,激光位移傳感器可在每次測量時輸出輪緣頂點的坐標值,從而可以獲取一組輪緣頂點坐標;在列車運行速度已知的情況下,可以將這一組坐標值通過坐標旋轉與時空變換,得到在同一時空坐標系下的一組坐標值;然后通過最小二乘法進行輪緣直徑的擬合。

列車運行速度由激光對射開關采樣計算:

v=L1/(T1-T2)

(7)

式中:

L1——兩激光對射開關的安裝距離;

食品級殼聚糖（脫乙酰度＞95.38%，粒度0.178 mm，黏度50 mPa.s）由濟南海得貝海洋生物工程有限公司提供。抗氧化及血清激素劑試劑盒購買于南京建成生物工程研究所。

T1、T2——車輪通過激光對射開關1、2時觸發開關信號的時刻。

由于激光對射開關與激光位移傳感器的距離L2小于100 mm,因此可以認為激光對射開關計算得到的速度等于車輪通過激光位移傳感器有效探測區間的速度。圖5為有效區間的一組輪緣頂點示意圖。

目前各高校圖書館還不具備專業的布展設施，往往根據臨時的展覽活動需求及展覽規模，在館內現有空間內因地制宜尋找相應的展覽地點，并根據需要、展品珍貴程度、財力大小選擇租用陳列柜。但這在展覽的呈現效果及專業度上都顯得不足，展柜等配置不能與展品良好地匹配，無法營造較為專業化的觀展體驗。

圖5 有效區間的一組輪緣頂點示意圖

設在列車運行過程中,激光位移傳感器針對同一車輪總計有效采樣n次,采樣時刻為t1,t2,…,tn,輪緣頂點位置為a1,a2,…,an,其對應的坐標分別為(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)。對n次采樣得到的縱坐標值進行坐標旋轉:

Yi=yicos(90°-α)=yisin α,i=1,…,n

(8)

式中:

α——傳感器與縱向水平線的安裝角度,如圖5所示。

其次，這種觀點也會使得立法目的落空。如果以默示許可理論來理解平行進口，專利權人完全可以在合同中排除對中國專利的許可。這樣買方將無法將產品平行進口到中國境內，促進先進產品進入中國的政策目的就落空了。

兩個激光對射開關沿一條軌道外側并排安裝,兩者之間的安裝距離為L1;兩組激光位移傳感器分別成鏡面對稱安裝于激光對射開關之后的兩條軌道兩側,激光對射開關2與激光位移傳感器2的安裝距離為L2,L2在100 mm范圍內。兩組激光位移傳感器與軌道的相對距離L3、L4均在100～450 mm范圍內,激光位移傳感器的激光探測面處于同一平面,傳感器與鉛垂線的夾角為β1、β2,如圖3所示。

Xi=v(ti-t1)-(y1-yi)cotα

(9)

式中:

軌道內側和外側的激光位移傳感器同時探測車輪,得到兩組探測點坐標后,可通過坐標變換和坐標平移使輸出點融合到同一坐標系上。對軌道外側激光位移傳感器輸出的二維坐標值根據以下公式進行坐標變換:

v——列車運行速度。

如圖3所示,安裝于軌道內側的激光位移傳感器可以獲得內側面輪緣及部分踏面外側輪廓,安裝于軌道外側的激光位移傳感器可以獲得踏面及輪緣外側輪廓。兩支傳感器融合即可獲取完整的車輪輪廓線數據,從而進行輪緣尺寸的計算。

謝天謝地，呼倫沖進廚房的時候，水壺還在躥著熱氣。做錯事的丈母娘站在客廳，戰戰兢兢地給云夢講述事情的經過。云夢一邊安慰她，一邊偷看著呼倫的臉色。呼倫說沒事沒事，虛驚一場……其實我和云夢也常犯這樣的錯誤。既然女婿說沒事，老人也就放心了，忙打開電視看連續劇，嘴里念叨著好在沒晚好在沒晚。一邊的呼倫立刻傻了眼，電視劇竟然又他娘蹦出個三十集的續！心想指望客廳沒有動靜是不可能了，只能關緊書房的木門，再打開書房的窗戶，然后把自己包得像一只過冬的蛹。

采用最小二乘擬合圓對輪緣頂點圓上n個點的坐標(Xi,Yi)進行直徑計算,

斯里蘭卡是寶石王國，擁有紅寶石、藍寶石、貓眼、紫水晶、翡翠等80多個寶石品種，斯里蘭卡整個國家90%的國土都分布著出產寶石的母巖，且有"寶石如白菜"之說。充分體現了這座寶石之國礦產的豐富與國土的富饒。3000多年來斯里蘭卡向全世界供應了不計其數的寶石，美國國家博物館中80%的高檔寶石來自斯里蘭卡，世界上最大的藍寶石，星光紅寶，星光藍寶，貓眼，亞歷山大石（變石）均來自斯里蘭卡。

輪對尺寸在線檢測系統工作流程如圖4所示。

(10)

式中,a=-2x0,b=-2y0,并且

其中C、D、E、G、H為中間參數,分別如下:

Dm為輪緣頂點圓直徑,減去兩倍輪緣高即為該車輪的直徑。

3 實例分析

在廣州地鐵集團有限公司赤沙列車段進行了輪對尺寸在線檢測系統的現場試驗。兩個激光對射開關的安裝距離為200 mm,即L1=200 mm;激光位移傳感器與鉛垂線安裝夾角為45°,即β1=β2=45°;與軌向水平線安裝夾角為45°,即α1=α2=45°。試驗過程中列車以低于3 km/h的限速通過檢測系統,激光對射開關觸發時間差為132 ms,激光位移傳感器采樣間隔為33 ms。

列車通過輪對尺寸在線檢測系統時,針對待測輪對,激光位移傳感器輸出6組有效數據,即n=6。將(t1,t2,…,t6)時刻的傳感器輸出數據按式(1)和式(2)進行坐標變換：

將坐標變換后的兩組數據進行融合:

但我們也應當清醒地意識到，與發達國家相比，在綠色農藥的新結構、新品種、環境友好新劑型的研究開發方面，與國際先進水平仍有較大的差距。同時，行業長期以來的粗放式發展，安全環保事故頻發，處于產業鏈低端，且大宗產品產能過剩，使得部分地方與民眾對農藥生產持有強烈的抵觸情緒和反對態度，使行業發展蒙上陰影。但是，目前不加區別的一刀切式強令停工停產，迫使農藥制造有加速向印度等國轉移的趨勢。一旦失去了包括農藥工業在內的中國制造業優勢，可能再也回不來了。中國改革開放以來巨大的進步和發展證明：“化工及農藥生產解決了我們的衣食住行，改善并將繼續改善我們美好的生活”。

針對得到的6組數據繪制的輪廓線,提取縱坐標最小的點,即得到不同時刻輪緣頂點坐標,其結果如表2所示。

圖6 在傳感器固有坐標系下數據融合的踏面位置坐標

mm

表2 不同時刻的輪緣頂點縱坐標值 mm

將提取的縱坐標按式(8)進行坐標變換:

海納曦花園小區庭院位于臨沂市羅莊區，總面積235.1 m2，地勢平坦.屬暖溫帶季風區大陸性氣候，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽干燥，冬季干冷少雨.具有氣候適宜，四季分明，光照充足等特點.年平均氣溫13.3 ℃，年均降水量793.9 mm，年日照時間2314 h.受季風帶影響，春季盛行東風和東南風，夏季盛行南風和東南風，秋季多為西風和西南風，冬天多為北風和西北風，多年平均風速為2.7 m/s.

“小弟,說話別帶刺兒!”孫曼玲教誨弟弟,轉臉又對徐進步說,“‘地包’是我們哈爾濱市的一個區,我家住那區。”

Yi=yi·sin45°。

按式(8)變換結果如表3所示。

表3 經坐標旋轉后縱坐標值 mm

對n次采樣的橫坐標按式(9)進行時空變換:

Xi= v(ti-t1)-(y1-yi)cot45°

其中t1=0,ti=(i-1)×33 ms。

根據激光對射開關的觸發時間T1、T2及兩激光對射開關的安裝距離L1,按式(7)可得列車運行速度為：

土墻日光溫室前坎改造主要是杜絕砼圈梁熱傳導散熱，傳統方法是前坎外挖防寒溝，填埋草秸等輕質保溫材料，現可以采用外墻外保溫技術，隔熱材料宜選用模塑聚苯乙烯泡沫塑料板貼前坎外沿，阻斷熱傳導。對于前坎室內坡面風化和坍塌，采用包磚、漿砌石護坡處理，或包覆塑料薄膜[4]。對畦面下沉幅度達到1.3m以上的半地下式土墻日光溫室，可以將溫室內的行走通道和水渠重新布置到前坎下，形成前通道方式的布局，充分利用溫室內后部光照、熱量良好的優勢進行生產，光照少的南端前坎下部可以用于通道、水渠等非生產用地，可以充分利用寶貴的溫室內土地資源[5]。

v=200 m/132 s=1.515 m/s

則時空變換后的橫坐標如表4所示。

直到前段時間去希臘的圣托里尼海島餐館，我對于死亡的定義才得以更新。看了傳說中最美的日落，走過藍頂教堂、白色小巷、彩色沙灘，嬉水在蔚藍海灘邊，我和同行的朋友乘興隨意漫步在伊亞小鎮。海島風情獨特，引人入勝，可最令我驚嘆的，還是幾乎家家門前都可見的小玻璃柜。

表4 經時空變換的橫坐標值 mm

將表3和表4中的6個坐標點通過式(10)的最小二乘擬合圓法,可求得直徑Dm為849.88 mm,則車輪直徑為:

Dfinal=Dm-2×28 mm=793.88 mm

輪對尺寸在線檢測系統測量得到的輪緣厚為28.25 mm,輪緣高均值為28 mm,輪徑為793.88 mm。現場操作工對同一車輪進行復核測量,人工測量得到的輪緣厚為28.1 mm,輪緣高為27.9 mm,輪徑為794.3 mm。輪對尺寸在線檢測系統測量結果與人工現場測量結果的誤差很小,其中輪緣尺寸偏差小于0.2 mm,輪徑尺寸偏差小于0.5 mm。由此可見,本文提出的輪對尺寸在線檢測系統能夠滿足現場輪對尺寸測量及維修的需求。

4 結論

本文提出了一種城市軌道交通列車輪對尺寸在線測量的方法,通過2D激光位移傳感器和激光對射開關構成的輪對尺寸在線測量系統,實現了輪對尺寸的精確測量。通過計算現場實際采集數據得出結果與實際人工測量結果相比對,計算結果與實際值之間的誤差滿足現場要求,可以用該系統對正常運行的列車車輪尺寸進行動態在線測量。該系統具有成本低、操作簡單、非接觸式測量等特點,為實現輪對尺寸在線非接觸測量提供了一種新的解決方案。

通過現場試驗發現,該方法的輪對尺寸檢測精度對車輪通過該系統時的速度檢測精度要求較高,下一步的工作將就如何提高列車運行速度的檢測精度進行深入研究。

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Online Measurement System of Urban Rail Transit Wheel Set Size Based on Laser Displacement SensorLI Haiyu, CHENG Xiaoqing, SU Zhaoyi, XING Zongyi, WANG Xiaohao, WANG Gui

Rail transit wheel wear has become increasingly prominent in daily operation. A new method with train online measurement of wheel size based on 2D laser displacement sensor is proposed, the system configuration and the online measurement principle are illustrated. The system consists of two laser displacement sensors and two laser beam switches, which are used to measure the contour of the wheelsets, get the rim height and rim thickness dimension based on the tread surface geometric relationship, and extract the sensor outputs about rim vertex coordinates based on the same wheel when the train passes through the system at different moments. The time and space reduction transformation of the rim vertex coordinates from different moments is used to obtain a series of points on the rim vertex circle. Finally, the wheel diameter is calculated by the least squares method. The field test results show that the online measurement system of wheel size can satisfy the actual site measurement requirements, and provides a new solution to the online non-contact measurement of wheel size.

urban rail transit vehicle; wheel set size; laser displacement sensor; online measurement

*國家重點研發計劃項目(2016YFB1200402)

U 270.331+.1

10.16037/j.1007-869x.2016.09.003

2014-11-30)