激光測量在高速鐵路扣件扣壓力檢測的適用性研究

余喆琦，朱洪濤，2，王志勇，2

(1.南昌大學機電工程學院，南昌 330031；2.江西日月明測控科技股份有限公司，南昌 330029)

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激光測量在高速鐵路扣件扣壓力檢測的適用性研究

余喆琦1，朱洪濤1，2，王志勇1，2

(1.南昌大學機電工程學院，南昌 330031；2.江西日月明測控科技股份有限公司，南昌 330029)

為了提高鐵路扣件扣壓力檢測的自動化程度，彌補人工檢測精度低、效率低等方面的不足，研發(fā)一種基于激光測量原理的扣件扣壓力自動檢測系統(tǒng)。首先基于人工檢測的原理建立高度差的測量模型，然后對測量系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析，通過數(shù)據(jù)噪聲處理、有效數(shù)據(jù)組的判定、特征點的提取得到測量模型所需結果，驗證系統(tǒng)的適用性和有效性。為了驗證特征值提取方法的有效性，對H-h高度差的提取結果與標準棒料直徑進行比對，精度達到0.0064，在提取效果上具有較優(yōu)的表現(xiàn)。測量系統(tǒng)的不確定度達到0.086，滿足檢測精度要求。

高速鐵路；激光測量;扣件;扣壓力;特征值提取

高速鐵路軌道扣件是用以聯(lián)結鋼軌和軌枕(或其他類型軌下基礎)的零件。其作用是將鋼軌固定在軌枕上，保持軌距和阻止鋼軌相對于軌枕的中橫向移動?？蹓毫κ怯煽蹓杭┘拥杰壍妆砻娴拇怪绷1]。扣件系統(tǒng)的扣壓力對軌道彈性和幾何尺寸起著重要作用，直接影響著高速列車運行的安全性和舒適性。在扣件系統(tǒng)中，形狀復雜的彈條是實現(xiàn)扣件系統(tǒng)功能的重要組成部分，對于扣壓力的取值和組裝方法，歐洲標準沒有做出具體的要求，但制定了扣壓力的測試方法[2]。參照歐洲標準，結合我國自身高速鐵路扣件的特點，我國暫行技術條件規(guī)定了扣件組裝以螺母擰緊的方式緊固彈條，彈條扣壓程度以三點接觸為準，即彈條中部前端下顎與絕緣塊接觸為準。

目前扣件扣壓力的檢測方式主要為實驗室的獨立檢測與在線的螺栓扭矩檢測。實驗室的獨立檢測是針對扣件的整體檢測，對于扣件自身的檢測比較準確，但只停留在理想環(huán)境下，不能反映扣件在實際工作中的狀態(tài)[3]。在線的螺栓扭矩檢測，快速簡單，但實際扣壓力的作用位置在彈條上，檢測螺栓扭矩不能夠準確反映扣壓力。高玉和[4]利用力轉移法將扣件系統(tǒng)作用在鋼軌上的扣壓力轉移到檢測裝置上，通過傳感器檢測出扣件的扣壓力。實際的靜態(tài)檢測應用中，鐵道部門對扣件的檢查采用人工檢測方式，檢測人員以塞尺作為檢測工具，輔助頭燈照明裝置，逐個檢測扣件的狀態(tài)。我國高速鐵路的軌道檢查在夜間進行，提供天窗時間段，因而使得這種檢測方式存在工作效率低、勞動強度大、人為因素影響多、檢測采樣率低等缺點，無法滿足高速鐵路軌道扣件服役狀態(tài)普查的要求。以激光測量為例，討論激光測距在扣壓力測量中的適用性。

采用激光檢測高速鐵路扣件扣壓力的大小作為一種新型的測量方法[5]，目前處于實驗分析階段?；诂F(xiàn)行的技術條件規(guī)定，實際的人工測量當中是以彈條中圈環(huán)下表面的最低點與絕緣墊片之間低于0.1 mm作為評價標準，然后用塞尺測量彈條中部前端下顎與絕緣墊片之間的縫隙。

1 激光測量系統(tǒng)的測量原理

文章提出的激光測量系統(tǒng)的設計目標是在無需定位扣件位置的情況下，實現(xiàn)對扣件快速、準確地測量[6]。激光測量硬件系統(tǒng)主要包括上位機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、下位機供電系統(tǒng)、激光采集系統(tǒng)等。激光測量扣件系統(tǒng)如圖1所示，激光器發(fā)出的線激光與Y軸平行，一次激光掃描，可以得到一組數(shù)量為800的數(shù)據(jù)點信息，包含Y軸和Z軸方向的距離值。當車載激光測量系統(tǒng)沿著鋼軌X方向移動時，激光測量系統(tǒng)掃過一個完整的扣件，根據(jù)設定的采樣頻率，可以得到若干組800個數(shù)據(jù)點。

圖1 激光測量示意

圖2 測量示意

激光測量以人工測量方法作為參照，根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)，找出垂向彈條中圈環(huán)上最高點的高度，絕緣墊片的垂向高度。如圖2所示，H為激光器測量到的中圈環(huán)最高點的高度，h為激光器測量到的軌下絕緣墊片的垂向高度。

考慮激光傳感器的精度以及彈條中圈環(huán)直徑的非線性因素，將其作為誤差補償u，從而提高測量結果的精度，得到縫隙的大小。測量模型如式(1)表示為

式中，ε為縫隙大小；H為激光測量得到中圈環(huán)上最高點的高度；h為激光測量得到絕緣墊片的垂向高度；D為彈條直徑；u為誤差補償， mm。

2 數(shù)據(jù)點的處理

根據(jù)測量模型，從圖3可知，測量模型的特征區(qū)域落在螺栓所在區(qū)域處，當二維線激光測量落在數(shù)據(jù)組有效區(qū)域時，由于螺栓是整個扣件系統(tǒng)中可測的最高位置，將數(shù)據(jù)組中的最高數(shù)據(jù)點與螺栓高度做匹配，以此作為有效數(shù)據(jù)的判定條件。

圖3 有效數(shù)據(jù)組所在特征區(qū)域

采集到的二維激光數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)去噪預處理，有效數(shù)據(jù)組的判定、數(shù)據(jù)點的分割以及數(shù)據(jù)點特征位置的提取，最后根據(jù)測量模型的計算得到最終的扣件彈條中圈環(huán)最低點到絕緣墊板之間的縫隙大小。每一組的數(shù)據(jù)處理基本流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程

2.1 數(shù)據(jù)預處理

在有效數(shù)據(jù)組的判定、數(shù)據(jù)點的分割以及特征位置的提取過程中，不可避免地存在由于測量粗差或者噪點造成的影響。在采用二維激光的數(shù)據(jù)采集過程中，噪聲的產(chǎn)生是不可避免的。而不合理的噪聲點的存在會對后期數(shù)據(jù)的判定和處理有比較大的影響，使得結果產(chǎn)生較大的偏差[7]。因此，在數(shù)據(jù)判定的前期，應該將噪聲從數(shù)據(jù)點序列中剔除。在綜合角度監(jiān)察法和弦高差法后，提出以下方法。

將測量的數(shù)據(jù)點作為點集U={P1，P2，…，Pi，…，Pn}，i表示數(shù)據(jù)點的點數(shù)。根據(jù)下面的式子，得出Pi，Pi+1，Pi+2兩兩之間的距離d1，d2和d3

圖5 點的分布

如圖5所示，θ1、θ2、θ3為方向角，取逆時針為正方向。判斷噪聲點準則。

(1)當σ1的值為負時，或者小于閾值σ時，計算得到θ1、θ2的值。如果θ1與θ2異號，則Pi點為噪聲點，予以剔除；如果θ1與θ2同號，計算θ3的值，如果θ1與θ3的值異號，則Pi點為噪聲點，予以剔除；如果θ1與θ3的值同號，μ1的值小于μ時，認為該點為噪聲點，予以剔除；否則保留該點。

(2)當σ1的值大于σ且μ1的值小于μ時，計算得到θ1、θ2的值。如果θ1與θ2異號，則Pi點為噪聲點，予以剔除；如果θ1與θ2同號，計算θ3的值，如果θ1與θ3的值異號，則Pi點為噪聲點，予以剔除；如果θ1與θ3的值同號，保留該點。

(3)上訴條件都不滿足的點，均保留。

自此，數(shù)據(jù)的去噪處理完成。根據(jù)上述的去噪算法，對測量得到的一組有效數(shù)據(jù)，如圖6(a)所示，進行去噪處理后得到去噪效果如圖6(b)所示。

2.2 有效數(shù)據(jù)組判定

在數(shù)據(jù)預處理之后，對數(shù)據(jù)進行有效性的判斷，落在特征區(qū)域的數(shù)據(jù)組為有效數(shù)據(jù)，落在特征區(qū)域外的數(shù)據(jù)組作為判定扣件緊固狀態(tài)時的無效數(shù)據(jù)，不予采用。有效數(shù)據(jù)組的判定作為整個數(shù)據(jù)處理關鍵的一步[8，9]。一旦有效數(shù)據(jù)被誤判成無效數(shù)據(jù)，將不能找到判定扣件緊固狀態(tài)的縫隙值。一旦無效數(shù)據(jù)被誤判為有效數(shù)據(jù)，得到的縫隙值將影響對扣件狀態(tài)的判斷。

判定數(shù)據(jù)組的有效性的基本算法流程，具體表述如下。

根據(jù)Step1的判定結果，有以下兩種情況。

Case1：滿足公式條件，認為此組數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。

Case2：不滿足公式條件，則剔除該點，在剩下的799個數(shù)據(jù)點中找最高點，重復Step1。如果在剩下數(shù)據(jù)點中都沒有找到符合條件的點，則此組數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)。

2.3 特征值提取

由于測量模型中彈條直徑D為已知的，根據(jù)測量到的數(shù)據(jù)組，提取H-h成為整個特征提取過程的重點。在第500個點之后的數(shù)據(jù)是鐵軌軌底的數(shù)據(jù)，為了不讓軌底的數(shù)據(jù)影響到數(shù)據(jù)分割。在有效數(shù)據(jù)組判定過程中得到的最高點進行保留。然后將數(shù)據(jù)從最高點截取到第500個點。即將特征值的數(shù)據(jù)點保留，剔除軌底的數(shù)據(jù)。

由于數(shù)據(jù)中的拐點較多，再加上局部高點的影響，使得靠拐點來判定數(shù)據(jù)的分割有一定的難度。因此，先將對數(shù)據(jù)點進行濾波。根據(jù)對多組數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，除了特征位置以外的數(shù)據(jù)點密度較小，點與點之間的高差較大，即斜率較大。根據(jù)這一特點，為了將截下來的數(shù)據(jù)點進行分段，將除特征位置以外的數(shù)據(jù)點，通過濾波的手段將其剔除，判定式如下

(6)

式中，ai為任意一點；ai+n為ai點往后n個數(shù)據(jù)點。

將每n個點進行一次斜率計算，斜率在臨界值以下的數(shù)據(jù)全部保留，大于臨界值的予以剔除。濾波之后，可以將數(shù)據(jù)中除拐點之外的點全部剔除。根據(jù)多次試驗得到，n取2，臨界值取0.2時，濾波效果較好。對噪聲處理后的有效數(shù)據(jù)點(圖7(a))進行數(shù)據(jù)截取，得到圖7(b)，通過上述濾波算法得到分段數(shù)據(jù)點，效果如圖7(c)所示。

圖7 數(shù)據(jù)點濾波分段示意

經(jīng)過濾波之后，連續(xù)的數(shù)據(jù)點變成了一段一段的數(shù)據(jù)點。保留了所有拐點和特征點所在的位置，剔除一些容易導致誤判的局部高點。對后期的特征值的提取做好了準備。

如圖7(c)所示，數(shù)據(jù)點經(jīng)過濾波分段后被分成了7個數(shù)據(jù)段，其中第5段和第6段即為H和h所在的數(shù)據(jù)段。由于扣件彈條和螺栓之間縫隙的存在，不同位置處采集到的數(shù)據(jù)組濾波分段后得到的數(shù)據(jù)段數(shù)量都不相同，因此從左到右很難定位特征位置的數(shù)據(jù)段。從數(shù)據(jù)分段結果來看，從右到左的3段數(shù)據(jù)沒有其它位置的影響，所以采用從后往前的數(shù)據(jù)段判定方式，可以準確地找到圖中的第5段和第6段，即倒數(shù)的第3段和倒數(shù)第2段，以下簡稱為H段和h段。

找到H段和h段之后，提取H段中的最高點，作為H的值，h段中存在拐點，截取拐點之間平坦的數(shù)據(jù)，進行平均，作為h的值。得到H和h的值之后，計算出兩者的差值。

整個特征提取過程的流程如圖8所示。

圖8 特征提取流程

3 測量數(shù)據(jù)實驗與結果分析

為了驗證特征值提取方法的有效性，采用標準直徑圓柱鐵棒放入標準水平試驗臺上，對H-h高度差的測量與標準棒料直徑進行比對，將測量值與標準值的差值作為評價精度的標準，具體計算公式如下

(7)

4 不確定度分析

分析測量模型可知，高度H和h由激光器直接測量得到，對縫隙ε的測量不確定度的主要影響因素有：高度H和h的測量重復性引起不確定度u1、u2；激光傳感器誤差引起的u3。下面分別計算各主要因素引起的不確定度分量[11]。

(1)高度H和h的測量重復性引起的標準不確定度分量u1、u2，由儀器的使用說明書獲得[12]高度H和h的測量標準不確定度為0.06 mm。又因為

故由高度H和h測量重復性引起的不確定度分量為

(2)對比人工塞尺測量，雖然采用激光測量可以有效地避免人工測量造成的誤差，但是，彈條在同時引入彈條直徑帶來的誤差以及激光測量儀器的系統(tǒng)誤差。由儀器說明書獲得激光傳感器的示值誤差范圍為±0.018，取均勻分布，按式(10)計算儀器的標準不確定度

(11)

由此引起的高度H和h測量的不確定度分量分別為

則有系統(tǒng)測量示值所得到的總不確定度為

(3)不確定度合成，因不確定度分量u1、u2、u3相互獨立，即rij=0，按式(14)得體積測量的合成標準不確定度

(14)

5 結語

基于現(xiàn)行的技術條件規(guī)定，針對扣件扣壓力人工檢測效率、測量精度低等問題，提出了使用激光傳感器代替塞尺，對彈條中部前端下顎與絕緣塊之間的縫隙進行測量。根據(jù)激光傳感器測量的數(shù)據(jù)組，判定出效數(shù)據(jù)組，提出采用濾波的方法，保留所有拐點和特征點，并對數(shù)據(jù)進行了分段，從分段數(shù)據(jù)中獲得了扣件關鍵特征點的坐標數(shù)據(jù)。為了驗證特征值提取方法的有效性，采用標準直徑圓柱鐵棒放入標準水平試驗臺上，對H-h高度差的測量與標準棒料直徑進行比對，可以看出在提取效果上具有較優(yōu)的表現(xiàn)。

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Applicability of Laser Measurement in High-speed Rail Fastener Buckle Pressure Detection

YU Zhe-qi1, ZHU Hong-tao1，2, WANG Zhi-yong1，2

(1.School of Mechatronics Engineering， Nanchang University， Nanchang 330031， China；2.Jiangxi Everbright Measurement and Control Technology Co.， Ltd.， Nanchang 330029， China)

In order to improve the automatic rail fastener buckle pressure detection， and compensate the deficiency of artificial detection in precision and speed， an automatic fastener pressure detection system is developed based on laser measurement. First of all， a height difference measurement model is established based on artificial detection and then the data collected by the measuring system are analyzed. The applicability and effectiveness of the system are verified by the results obtained through noise data processing， effective judgment of data set and the extraction of feature points. To verify the validity of the eigenvalue extraction method， extraction results of H-h height difference are compared with the standard bar diameter， and the precision reaches 0.006 4 with better extraction performance. The uncertainty of measurement system is 0.086， satisfying the required accuracy．

High-speed railway; Laser measurement; Fasteners; Buckle pressure; Feature extraction

2016-04-19；

2016-05-11

國家自然科學基金(51468042)

余喆琦(1992—)，女，碩士研究生，E-mail：zenithyuzheqi@163.com。

朱洪濤(1962—)，男，教授，E-mail:308035414@qq.com。

1004-2954(2016)12-0041-04

U238; U212.24

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.010