站臺(tái)限界測(cè)量小車(chē)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與研究

陳艷平 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 引言

高鐵站臺(tái)是鐵路沿線(xiàn)重要列車(chē)停靠設(shè)施，隨著線(xiàn)路的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，路基會(huì)發(fā)生沉降，且鋼軌位置也會(huì)發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致站臺(tái)限界尺寸發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生旅客踩空或車(chē)體擦刮，甚至發(fā)生撞車(chē)等安全事故。站臺(tái)限界養(yǎng)護(hù)單位面臨著工作強(qiáng)度逐年增大、減員增效計(jì)劃逐年推進(jìn)的新趨勢(shì)，站臺(tái)限界測(cè)量設(shè)備的效率需要大幅提高，站臺(tái)限界測(cè)量作業(yè)的科技水平依然有很大的提升空間。

目前測(cè)量高鐵站臺(tái)限界的儀器主要有站臺(tái)尺、限界檢查儀以及限界測(cè)量小車(chē)等儀器設(shè)備，利用機(jī)械電子測(cè)量、超聲波、激光器和機(jī)器視覺(jué)等測(cè)量方式。其中，站臺(tái)限界測(cè)量小車(chē)因操作便捷、實(shí)用高效、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)獲得了一定的市場(chǎng)。但其也存在搬運(yùn)不便、容易受外界光源干擾等不足。為此，需要在原有的基礎(chǔ)上對(duì)站臺(tái)限界測(cè)量小車(chē)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低測(cè)量小車(chē)重量，優(yōu)化圖像采集方式，并對(duì)外界干擾源進(jìn)行處理，提高其使用效率和測(cè)量可靠性。

2 測(cè)量小車(chē)

2.1 結(jié)構(gòu)原理

站臺(tái)限界測(cè)量小車(chē)的結(jié)構(gòu)主體是一個(gè)可拆分的金屬車(chē)架，包括走行車(chē)架和視覺(jué)采集支架，并配備有限界測(cè)量軟件，如圖1 所示。走形車(chē)架是限界測(cè)量小車(chē)的基準(zhǔn)平臺(tái)，雙軌搭靠于鋼軌之上，能始終保持與線(xiàn)路的相對(duì)垂直密貼姿態(tài)；走行車(chē)架內(nèi)部安裝有車(chē)體姿態(tài)采集傳感器，在小車(chē)推行過(guò)程中實(shí)時(shí)采集小車(chē)的軌距和超高信息。視覺(jué)采集支架通過(guò)定位孔安裝于走形車(chē)架一側(cè)，支架上安裝有激光發(fā)射器和面陣相機(jī)等視覺(jué)采集傳感器，系統(tǒng)工作時(shí)能夠?qū)崟r(shí)采集站臺(tái)輪廓圖像，為后續(xù)站臺(tái)限界解析、計(jì)算提供數(shù)據(jù)。

圖1 改進(jìn)前站臺(tái)限界測(cè)量小車(chē)

該站臺(tái)限界測(cè)量小車(chē)以軌面為測(cè)量基準(zhǔn)，采用基于機(jī)器視覺(jué)的非接觸式測(cè)量方式，通過(guò)線(xiàn)激光發(fā)生器發(fā)射的激光線(xiàn)在站臺(tái)上形成站臺(tái)輪廓線(xiàn)，由高分辨率的工業(yè)面陣相機(jī)攝取圖像，經(jīng)圖像采集識(shí)別處理后，綜合小車(chē)姿態(tài)數(shù)據(jù)最終獲得限界數(shù)值。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

站臺(tái)建筑限界包括站臺(tái)的橫向尺寸和垂向尺寸，橫向尺寸是指站臺(tái)側(cè)立面上的點(diǎn)至軌面中垂線(xiàn)的距離，其最近距離為軌心距；垂向尺寸是站臺(tái)頂面邊緣上的點(diǎn)至軌面的距離，其最大距離為豎高。站臺(tái)限界測(cè)量小車(chē)適用于高速鐵路車(chē)站站臺(tái)，能夠測(cè)量其所在位置的軌心距、豎高、超高和軌距。本方案具體技術(shù)指標(biāo)為：(1)橫向尺寸測(cè)量范圍：1 300 mm～2 000 mm，誤差范圍：-3 mm～0 mm，重復(fù)性：≤0.5 mm；(2)垂向尺寸測(cè)量范圍：900 mm～1 350 mm，誤差范圍：0 mm～-2 mm，重復(fù)性：≤0.5 mm；(3)軌距測(cè)量范圍：1 410 mm～1 470 mm，誤差范圍：±0.5 mm，重復(fù)性：≤0.5 mm；(4)超高測(cè)量范圍：-100 mm～100 mm，誤差范圍：±1 mm，重復(fù)性：≤0.5 mm。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

3.1 機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1所示改進(jìn)前站臺(tái)限界測(cè)量小車(chē)體積龐大而且笨重，需要4人協(xié)作完成搬運(yùn)，現(xiàn)場(chǎng)使用效果不理想。考慮到站臺(tái)限界測(cè)量小車(chē)采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)需要采集站臺(tái)輪廓來(lái)解析站臺(tái)限界尺寸，采集傳感器的安裝需要穩(wěn)定牢靠。因此，需要在保留足夠剛性的同時(shí)，可以大幅簡(jiǎn)化車(chē)體的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

輕量化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分兩部分設(shè)計(jì)研究，首先是減輕相機(jī)激光支架尺寸和重量。改進(jìn)前相機(jī)激光立桿支架笨重而且推行時(shí)會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)，因此去掉立桿支架，把視覺(jué)測(cè)量支架改成直接通過(guò)定位孔安裝在車(chē)架一側(cè)頂面處的視覺(jué)采集模塊，改進(jìn)后測(cè)量時(shí)相機(jī)相對(duì)于站臺(tái)的拍攝角度就從上往下拍變成了從下往上拍，其視覺(jué)采集模塊如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后視覺(jué)采集模塊

其次是減輕走行車(chē)架的尺寸和重量。改進(jìn)前限界測(cè)量小車(chē)走行車(chē)架為了保證支架上激光和相機(jī)的穩(wěn)固可靠，采用兩邊長(zhǎng)為0.9 m 的H 形車(chē)架結(jié)構(gòu)，增加了車(chē)架的整體重量。采用圖2 所示的改進(jìn)視覺(jué)采集模塊設(shè)計(jì)以后，在保證車(chē)架穩(wěn)定的前提下，把H 形結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)縮短為0.5 m，同時(shí)部分采用鏤空設(shè)計(jì)，從而有效減輕了車(chē)架重量，改進(jìn)后限界測(cè)量小車(chē)車(chē)架如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后限界測(cè)量小車(chē)車(chē)架

3.2 干擾圖像優(yōu)化處理

限界測(cè)量小車(chē)改進(jìn)后圖像采集方式為相機(jī)從下而上采集站臺(tái)圖像，在拍取站臺(tái)輪廓圖像時(shí)，由于可能存在干擾光源進(jìn)入相機(jī)拍攝范圍，干擾相機(jī)對(duì)站臺(tái)輪廓的采集，進(jìn)而導(dǎo)致解析軌心距和豎高出現(xiàn)錯(cuò)誤，干擾圖像如圖4(a)所示。

圖4 處理前后相機(jī)采集圖像對(duì)比

為了盡量排除環(huán)境光源對(duì)圖像采集的干擾，從兩方面進(jìn)行優(yōu)化處理。第一，根據(jù)激光發(fā)生器光線(xiàn)的波長(zhǎng)特點(diǎn)，選擇窄帶相機(jī)帶通濾光片，其作用是把大部分其他波長(zhǎng)的光線(xiàn)濾除，只有在濾光片范圍內(nèi)波長(zhǎng)的光線(xiàn)可以被相機(jī)采集。同時(shí)，選擇光源穩(wěn)定性好的激光發(fā)生器，適當(dāng)增大其輸出功率，減小相機(jī)鏡頭曝光量，同樣能減少干擾光源進(jìn)入相機(jī)。

第二，通過(guò)改進(jìn)圖像處理算法，對(duì)相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行干擾處理。基于站臺(tái)輪廓具有一定的相似性，因此相機(jī)采集的圖像也具有一定可預(yù)判大概輪廓。使用數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，主要采用以下步驟：

（1）每個(gè)站臺(tái)測(cè)量第一個(gè)點(diǎn)后，建立測(cè)量點(diǎn)的站臺(tái)輪廓模型；

（2）對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波處理，進(jìn)行灰度域值變換；

（3）之后每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)根據(jù)上一點(diǎn)的模型判斷有無(wú)干擾，如無(wú)干擾則更新輪廓模型；如有干擾則根據(jù)上一點(diǎn)模型獲得輪廓線(xiàn)區(qū)域位置，根據(jù)算法獲得輪廓線(xiàn)斜率

（4）得出斜率值，將斜線(xiàn)中不清楚的地方進(jìn)行補(bǔ)線(xiàn)；

（5）將斜線(xiàn)附近5 個(gè)像素點(diǎn)位置進(jìn)行黑化處理，去除干擾；

經(jīng)過(guò)圖像處理算法處理后的圖片如圖4(b)所示，可以看出處理后圖像基本還原了站臺(tái)輪廓線(xiàn)，從而能夠準(zhǔn)確解析出站臺(tái)限界尺寸值。

根據(jù)以上改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，研制出一臺(tái)改進(jìn)型站臺(tái)限界測(cè)量小車(chē)，如圖5所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證，改進(jìn)方案達(dá)到預(yù)期效果，小車(chē)只需2人即可完成搬運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)，同時(shí)能有效避免外界光線(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。

圖5 改進(jìn)型站臺(tái)限界測(cè)量小車(chē)現(xiàn)場(chǎng)使用

4 結(jié)束語(yǔ)

本文改進(jìn)設(shè)計(jì)后的站臺(tái)限界測(cè)量小車(chē)在徐州東等車(chē)站使用，效果良好。相較于改進(jìn)前的測(cè)量小車(chē)，車(chē)體變小、重量減輕，轉(zhuǎn)場(chǎng)搬運(yùn)更加方便。同時(shí)排除外界光源干擾對(duì)圖像采集的影響，測(cè)量限界結(jié)果也更加穩(wěn)定可靠，顯著地提高了測(cè)量作業(yè)效率。