地鐵接觸軌幾何參數(shù)測量的技術(shù)要點(diǎn)

吳木生

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

在地鐵運(yùn)行中，接觸軌是為列車提供能源的重要系統(tǒng)，確保接觸軌的幾何參數(shù)處于正常狀態(tài)，對于地鐵的安全運(yùn)行具有重要影響。為了促進(jìn)地鐵的安全運(yùn)行，需要提高對地鐵接觸軌幾何參數(shù)的重視程度，對幾何參數(shù)的測量技術(shù)要點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行分析。

1 幾何參數(shù)測量基本原理

1.1 測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

在城市化進(jìn)程不斷加快的時代背景下，地鐵的高效運(yùn)行為緩解城市交通壓力起到了重要的作用。地鐵在運(yùn)行中，需要以接觸軌為基礎(chǔ)，為列車的安全運(yùn)行提供重要的能源支持。為了保證地鐵的安全運(yùn)行，必須對接觸軌幾何參數(shù)進(jìn)行測量，了解幾何參數(shù)測量的基本原理，建立測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型主要包含轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系、鏡頭畸變以及結(jié)構(gòu)光三角測量三種數(shù)學(xué)模型，該數(shù)據(jù)模型以小孔成像原理為基礎(chǔ)構(gòu)建[1]。

1.2 攝像機(jī)內(nèi)參標(biāo)定

在接觸軌幾何參數(shù)測量中，攝像機(jī)是主要的設(shè)備之一，為了保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對攝像機(jī)內(nèi)部固有的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。張正友標(biāo)定法的效率和提取精度相對較好，因此在攝像機(jī)標(biāo)定中，張正友標(biāo)定法的應(yīng)用范圍較為廣泛。在對攝像機(jī)內(nèi)部固有參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定的過程中，主要包含空間圓的圓心偏差分析、空間圓環(huán)的圓心偏差分析、攝像機(jī)內(nèi)參標(biāo)定原理分析以及攝像機(jī)內(nèi)參標(biāo)定試驗(yàn)等方面的內(nèi)容。

以空間圓的圓心偏差分析為例，通過對投影變換的幾何關(guān)系進(jìn)行分析可以得知，空間圓的圓心偏差可以數(shù)學(xué)模型的方式進(jìn)行表示[2]。

1.3 光平面外參標(biāo)定

光平面外參標(biāo)定也是核心的內(nèi)容之一。在對光平面外參進(jìn)行確定的過程中，結(jié)構(gòu)光平面和攝像機(jī)之間的外層是核心內(nèi)容。光平面結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定，對于檢測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性具有直接影響，因此在對接觸軌幾何參數(shù)進(jìn)行測量中，光平面外參標(biāo)定也是最為主要的內(nèi)容之一。光平面外參標(biāo)定主要包含外參標(biāo)定原理、光平面特征點(diǎn)的提取方法、外參標(biāo)定試驗(yàn)三方面的內(nèi)容。

以光平面特征點(diǎn)的提取方法為例，在對外參進(jìn)行求取的過程中，已經(jīng)建立了基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型，為了不斷提高外參的精準(zhǔn)度，需要對特征點(diǎn)的提取過程進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。光平面特征點(diǎn)的提取方法主要有直接提取法和間接提取法。

光平面特征點(diǎn)直接提取方法如圖1所示。

圖1 光平面特征點(diǎn)直接提取方法

光平面特征點(diǎn)的間接提取方法如圖2所示。

圖2 光平面特征點(diǎn)間接提取方法

2 光條主體提取方法

2.1 最大類間方差法

在對地鐵接觸軌幾何參數(shù)測量技術(shù)進(jìn)行分析的過程中，光條主體提取方法是核心提取內(nèi)容之一，只有保證光條主體提取工作的順利開展，才能保證接觸軌幾何參數(shù)測量工作的順利開展。最大類間方差法是主要的提取方法之一。

最大類間方差法在實(shí)際應(yīng)用的過程中，以圖像的灰度特征為基礎(chǔ)，將圖像分為前景和背景兩個部分，以此實(shí)現(xiàn)提取。

2.2 形態(tài)學(xué)法

在對圖像進(jìn)行處理的過程中，形態(tài)學(xué)法也是一種常用的處理方法，尤其是在對光源背景進(jìn)行分離的過程中，形態(tài)學(xué)法的應(yīng)用價值較高。在形態(tài)學(xué)法實(shí)際應(yīng)用中，包含了膨脹、腐蝕等基本運(yùn)算。形態(tài)學(xué)法的計算過程與卷積算法的計算過程相類似，都是以模板為核心進(jìn)行集合運(yùn)算。通過形態(tài)學(xué)法的應(yīng)用，可以在接觸軌幾何參數(shù)測量中，將圖像中的噪點(diǎn)有效去除，保留實(shí)際需要的光源背景，最終得到需要保留的光條部分。

2.3 散射噪聲分割法

在對光條主體提取方法進(jìn)行分析的過程中可以發(fā)現(xiàn)，除了最大類間方差法以及形態(tài)學(xué)法可以應(yīng)用于光條主體提取外，散射噪聲分割法也是主要的一種提取方法。散射噪聲分割法是以感興趣區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)應(yīng)用的一種光條主體提取方法。在對圖像進(jìn)行處理的過程中，通過最大類間方差法可以有效去除軌道背景和背景光源，但處理后的邊緣存在許多毛刺。在對這個位置進(jìn)行線寬提取的過程中，難度相對較大。針對這種情況，可以對感興趣區(qū)域應(yīng)用散射噪聲分割法進(jìn)行提取。散射噪聲分割法在實(shí)際應(yīng)用中，可以有效去除邊緣噪聲，得到線寬均勻的光條。將處理后的感興趣區(qū)域，接回到原有圖像之內(nèi)，可以獲得所需要的光條主體圖像。

3 結(jié)構(gòu)光中心特征點(diǎn)提取方法

3.1 結(jié)構(gòu)光中心特征提取算法

在對地鐵接觸軌幾何參數(shù)進(jìn)行測量中，除了要對幾何參數(shù)測量基本原理以及光條主體提取方法進(jìn)行分析外，也需要對結(jié)構(gòu)中心特征點(diǎn)提取方法進(jìn)行探討。結(jié)構(gòu)光中心特征提取算法主要指以Heesian矩陣為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)光中心特征提取算法[3]。結(jié)構(gòu)光中心特征提取算法在實(shí)際應(yīng)用的過程中，以曲線擬合法為基本原理。但在對像素法線方向進(jìn)行定位的過程中，是以圖像的二階偏導(dǎo)數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行定位。與傳統(tǒng)的特征提取算法相比，結(jié)構(gòu)光中心特征提取算法在提取精度方面具有較大優(yōu)勢。

3.2 Steger算法優(yōu)化

在對結(jié)構(gòu)光中心特征點(diǎn)提取方法進(jìn)行分析的過程中可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)光中心特征提取算法，是一種應(yīng)用價值相對較高的提取方法。但隨著時代的進(jìn)步和發(fā)展，該算法也必須與實(shí)際情況相結(jié)合，不斷進(jìn)行優(yōu)化，才能為接觸軌幾何參數(shù)測量工作的全面開展提供重要的支持。在對Steger算法進(jìn)行優(yōu)化的過程中，主要包含光條骨架定位、簡化卷積運(yùn)算兩方面的內(nèi)容[4]。以簡化運(yùn)算為例，傳統(tǒng)的Steger法在實(shí)際運(yùn)算中，運(yùn)算量十分龐大。簡化之后，在對某一行光帶進(jìn)行中心點(diǎn)提取的過程中，只需要計算一次，使Heesian矩陣的計算效率得以大幅度提升，對于提高結(jié)構(gòu)光中心提取速度也有積極影響。

3.3 提取試驗(yàn)

在地鐵接觸軌幾何參數(shù)測量中，想要對結(jié)構(gòu)光中心特征點(diǎn)提取方法進(jìn)行驗(yàn)證，就需要開展提取試驗(yàn)，對測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行有效的評估。在提取試驗(yàn)正式開展中，需要以地鐵接觸軌模型為前提，利用結(jié)構(gòu)光檢測裝置對地鐵接觸軌模型進(jìn)行試驗(yàn)。地鐵接觸軌在實(shí)際應(yīng)用的過程中，會存在表面深度差距，因此在試驗(yàn)中不同光條存在偏折和斷聯(lián)的現(xiàn)象。通過提取試驗(yàn)可以得知，以結(jié)構(gòu)光中心特征提取算法為基礎(chǔ)的新型算法，在實(shí)際應(yīng)用中，整體的運(yùn)算時間大幅度縮減，提取效果也得到提高，還能夠規(guī)避傳統(tǒng)端部提取中多個特征點(diǎn)的問題。

4 幾何參數(shù)特征提取

4.1 提取方法分析

在地鐵接觸軌幾何參數(shù)測量中，了解幾何參數(shù)測量基本原理，確定光條主體提取方法，且對結(jié)構(gòu)光中心特征點(diǎn)提取方法進(jìn)行優(yōu)化后，需要對幾何參數(shù)特征進(jìn)行提取。常用的提取方法有基于切片統(tǒng)計的特征提取法和建立約束連線的特征提取法。以建立約束連線的特征提取法為例，在對幾何參數(shù)特征進(jìn)行提取的過程中，由于特征點(diǎn)較少，在提取中很容易出現(xiàn)較大的誤差。針對這種情況，可以利用約束連線的方式提取，能夠反映實(shí)際幾何參數(shù)的特征點(diǎn)。

4.2 系統(tǒng)全局標(biāo)定

全局標(biāo)定是以ICP算法為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)全局標(biāo)定。ICP算法于1992年被首次提出，ICP算法主要應(yīng)用于三維空間的點(diǎn)云配準(zhǔn)。通過ICP算法的應(yīng)用，可以有效實(shí)現(xiàn)點(diǎn)集間的配準(zhǔn)，在逆向工程、計算機(jī)視覺和曲面質(zhì)量檢測等領(lǐng)域，ICP算法都有重要的應(yīng)用價值。在對系統(tǒng)進(jìn)行全局標(biāo)定中，也可以以ICP算法為基本原理，設(shè)計新型的標(biāo)定方法。想要在系統(tǒng)全局標(biāo)定過程中，對ICP算法進(jìn)行充分應(yīng)用，首先要了解ICP算法的基本原理，在試驗(yàn)中對全局標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行檢測。通過試驗(yàn)可以得知，以ICP算法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)全局標(biāo)定，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)集間高精度的配準(zhǔn)，具有良好的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)的全局標(biāo)定過程中具有較高的應(yīng)用價值[5]。

5 幾何參數(shù)檢測技術(shù)的建設(shè)要點(diǎn)

5.1 檢測系統(tǒng)硬件建設(shè)要點(diǎn)

隨著地鐵的快速進(jìn)步和發(fā)展，地鐵實(shí)際運(yùn)行中承載的人數(shù)也越來越多，需要不斷提高地鐵的安全水平，這也是開展地鐵接觸軌幾何參數(shù)檢測的重要目的。在幾何參數(shù)檢測中，首先需要對檢測部分的硬件進(jìn)行設(shè)計，其次需要對標(biāo)定及測量試驗(yàn)平臺進(jìn)行設(shè)計，保證檢測工作的全面開展。檢測部分硬件主要包含顯示器、控制按鈕、水平校準(zhǔn)模塊、電源、單片機(jī)、控制板、激光發(fā)射器、CCD相機(jī)、微型工控機(jī)等硬件設(shè)備。

檢測系統(tǒng)主要硬件模塊如圖3所示。

圖3 檢測系統(tǒng)主要硬件模塊

5.2 檢測系統(tǒng)軟件建設(shè)要點(diǎn)

接觸軌幾何參數(shù)檢測的全面應(yīng)用，與檢測系統(tǒng)軟件具有密切的關(guān)系。只有保證軟件建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)性，才能保證檢測工作的順利開展，這也是保證檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要基礎(chǔ)條件。因此，應(yīng)當(dāng)提高對檢測系統(tǒng)軟件建設(shè)要點(diǎn)的關(guān)注程度，對軟件結(jié)構(gòu)和軟件界面進(jìn)行設(shè)計。以軟件界面設(shè)計為例，軟件界面要直觀地顯示幾何參數(shù)的測量結(jié)果，還要有能夠反映測量過程數(shù)據(jù)、存儲情況、通信狀態(tài)的相關(guān)指示標(biāo)識。用戶在實(shí)際測量中，才能夠?qū)Ξ?dāng)前的檢測狀態(tài)進(jìn)行全面了解，對于提高地鐵接觸軌幾何參數(shù)檢測工作效率具有積極影響，也是在信息化時代背景下提高檢測技術(shù)應(yīng)用價值的一種重要方式。

5.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了對地鐵接觸軌幾何參數(shù)檢測技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用價值進(jìn)行評估，需要通過試驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證。在驗(yàn)證中，需要開展傳統(tǒng)接觸軌測量尺測量試驗(yàn)、系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定、暗光環(huán)境下接觸軌檢測試驗(yàn)、外界光照環(huán)境下接觸軌檢測試驗(yàn)等四方面的內(nèi)容。驗(yàn)證檢測系統(tǒng)在不同的環(huán)境下的穩(wěn)定性，對于提高接觸軌幾何參數(shù)檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性具有重要作用。以暗光環(huán)境下接觸軌檢測試驗(yàn)為例，地鐵在實(shí)際運(yùn)行中，大部分都是在地下軌道運(yùn)行，暗光環(huán)境下接觸軌檢測試驗(yàn)具有較高的價值。在整個試驗(yàn)中，室內(nèi)不能提供光源，且要對測量結(jié)果和測量中所消耗的時間進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。除此之外，為了對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測，同一個位置至少需要測試10次，取10次測試結(jié)果的平均值作為最終的檢測結(jié)果。

6 結(jié)語

地鐵接觸軌幾何參數(shù)測量工作對于保證地鐵安全運(yùn)行有重要的意義。在實(shí)際測量中，要對幾何測量參數(shù)基本原理進(jìn)行分析，對光條主體提取方法、結(jié)構(gòu)光中心特征點(diǎn)提取方法以及幾何參數(shù)檢測技術(shù)的建設(shè)要點(diǎn)進(jìn)行全面分析，不斷提高接觸軌幾何參數(shù)檢測工作的準(zhǔn)確性，保證地鐵的安全運(yùn)行。