高速動車組智能測量設備研制

李 騫

(中國鐵路沈陽局集團有限公司 沈陽動車段，遼寧 沈陽 110000 )

高速動車組整車落成后多采用傳統測量工具與輔助人工測量的方式，需要人工記錄測量結果，手動輸入高速動車組檢修管理信息系統，測量效率低且存在人為操作誤差。本文采用關鍵項點數據智能測量技術，利用智能設備測量，可大大提高測量效率，測量結果直接利用計算機上傳到動車組檢修管理信息系統，自動生成檢修記錄，不僅減少了人為操作誤差，同時具備數字化、信息化和智能化的特點。

1 總體方案

智能測量設備采用人工操作或自走行的循跡方式，利用非接觸式測量技術對高速動車組相關部件和部位進行尺寸測量，將測量結果進行計算與分析。每個部件測量結束后，提示作業人員對部件尺寸進行調整，測量結束通過無線網絡將檢修記錄自動上傳至動車組檢修管理信息系統。

2 技術路線

2.1 高精度姿態補償

運用室內自導航車載移動平臺，測得動車組的加速度，計算出動車組即時位置。利用導航誤差不隨時間積累的外部參數信號，定期或不定期地對平臺的漂移進行校正，進行組合導航。通過使用遺傳算法的慣導平臺自補償方案，在Kalman濾波器池中使用遺傳算法找到最優的濾波參數，改善濾波性能，應用于組合導航方案中并仿真研究。結合加速度計、重力梯度儀與方位余弦矩陣，將復雜的動態問題轉化成簡單的靜態問題來處理，優化平臺漂移在線、閉路觀測與補償方案[1-2]。

2.2 視覺影像特征精準定位

機器視覺是將計算機的軟件與硬件相結合，起到觀測、監視等功能。將動車組的三維物體影像通過攝像頭等圖像采集設備轉化為機器語言，并利用定位軟件根據特征進行分析和提取，最終達到識別與定位的目的。

通過圖像的預處理，使圖像更加清晰，邊緣更加突出，特征更加明顯，并可去除不必要的圖像噪點及特征，提高定位軟件的定位準確率和定位數量。利用基于Hexsight軟件的運行架構，對比分析數據，對預處理前后的圖像識別率給出定量分析。圖像的后處理等結合基線擬合法和Y型模板擬合法，利用已經識別的特征對未能有效識別的蜂窩孔中心位置進行擬合預定位[3]。

2.3 視覺影像非接觸測量

采用雙相機的高精度測量方案，兼具基準確定和輪廓測量功能，實現水平尺寸輪廓的自動匹配。在相機標定時，類比極坐標系的原理，應用輪廓還原法，運用雙目立體視覺測量原理，制定標準輪廓對比方案，從而完成從硬件到軟件再到算法的整合。通過精準提取結構光中心條紋，對圖像處理算法進行研究，排除測量過程中光照對于條紋提取的影響，實現動車組水平尺寸輪廓還原與自動匹配，完成水平尺寸的非接觸測量[4]。

2.4 多維傳感數據配準

經過適當配準非接觸測量的不同視角多傳感器圖像，可以在像素級直接融合形成融合圖像，然后在此基礎上完成目標探測、特征提取和目標識別。從待配準的每幅圖像中提取控制結構并匹配，進行幾何變換并對其參數進行估計，同時還對幾種變換的效果進行評估[5]。

通過基于邊緣子集一致性的配準算法，使用多尺度邊緣探測技術恢復表面邊界邊緣，去掉與當前匹配參數不一致的邊緣，在每次迭代過程中細化參數。實現兩路激光掃描傳感器的數據同步采集，以獲得準確的同一斷面數據，通過USB接口將數據實時發送給便攜式計算機，提高目標探測概率，降低虛警率[6]。

3 方案設計與驗證

動車組整車落成非接觸式智能尺寸測量系統主要由服務終端、數據處理中心、室內自導航車載移動平臺、信息化檢具幾部分組成，具有極高的柔性和自動化程度，可實現6～8 h檢測任務，其中包括機器人運動軌跡規劃、視覺系統圖像采集處理、數據處理整合形成報表等各項檢修數據。室內自導航車載移動平臺由自動導引運輸車(Automated Guided Vehicle,AGV)和協作臂組成。AGV通過磁條導航和視覺引導完成平臺定位，協作臂搭載視覺系統進行精準定位，保證視覺系統的檢測精度。智能檢測裝置需要布置于車組兩側，同時對檢測項點進行測量。借助人工將輔助測量工具固定到項點位置，通過磁性吸附、螺紋連接等對動車組無損傷非接觸測量；針對被測項點，采用無線傳輸式游標卡尺、有線數據傳輸內徑卡規、卷尺等，人工觸發讀數至數據庫中。本文以關鍵項點車鉤高度與掃石器高度測量為例進行分析。

3.1 車鉤高度

車鉤高度測量過程如下：在鉤頭伸出后，協作臂對攝像機進行精定位，帶動攝像機采集鉤舌中心線與軌道上表面投影圖像，分析計算出車鉤高度、1/2車鉤高度，二者相減，計算出車鉤高度差，如圖1所示。

圖1 車鉤高度測量

本文采用CRH5型動車組進行車鉤高度測量試驗。CRH5型動車組車鉤高度為(750±1) mm，1/2車鉤高度為(375±1) mm，標準高度差為375 mm。圖2為車鉤高度測量現場，測量結果如表1所示。

圖2 車鉤高度測量現場

表1 車鉤高度測量結果 mm

由表1可知，手動測量誤差平均值為2.68 mm，智能自動測量設備測量誤差平均值為0.29 mm，自動測量設備測量平均誤差減小了89.18%?？梢姡詣訙y量誤差值減小效果十分明顯，測試效果良好。

3.2 掃石器高度

掃石器高度測量過程如下：由協作臂帶動攝像機運動采集圖像，視覺算法識別出掃石器最低點與軌面，計算差值，如圖3所示。

圖3 掃石器高度測量

采用CRH5型動車組和CRH380型動車組進行掃石器高度測量試驗。CRH5型動車組掃石器距軌面高度約150～180 mm；CRH380型動車組掃石器距軌面高度約230～270 mm。圖4為掃石器高度測量現場，測量結果如表2、表3所示。

圖4 掃石器高度測量現場

對比表2的CRH5型動車組測量數據可知，智能自動測量設備測量平均誤差減小了63.87%；對比表3的CRH380型動車組測量數據可知，智能自動測量設備測量平均誤差減小了76.74%。

表2 CRH5型動車組掃石器高度測量結果 mm

4 結束語

通過對3組數據分析可知，智能自動測量設備誤差分別減小了89.18%、63.87%、76.74%，平均誤差減小了76.60%，驗證了非接觸式智能尺寸測量設備的優越性。

動車組水平非接觸測量技術的應用，不但解決了人工接觸測量的短板，還給整個動車管理體系打下了集成化、統一化的管理基礎，能夠積極推動我國高速動車組的發展。