【正文】 GJ4型軌檢車軌距軌向系統(tǒng)改造GJ3型和GJ4型軌距軌向檢測裝置的研制報告目 錄1. 國內(nèi)外軌檢車現(xiàn)狀 1 國內(nèi)軌檢車概況 1 國外軌檢車軌距軌向檢測系統(tǒng) 22. 軌距軌向檢測裝置研制的必要性與實現(xiàn)目標(biāo) 33．基本原理 4 軌距檢測系統(tǒng)基本原理 4 坐標(biāo)變換 6 10 10 系統(tǒng)標(biāo)定 17 系統(tǒng)構(gòu)成 18 軌向合成原理 23 利用GJ4型車原有慣性系統(tǒng)合成軌向 24 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng) 33 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 33 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 344. 轉(zhuǎn)向架部分改造方案 39 適應(yīng)新軌距軌向檢測系統(tǒng)的改造 39 建議對轉(zhuǎn)向架的進(jìn)一步改造 435. 系統(tǒng)測試與性能檢驗 47 系統(tǒng)精度檢驗 47 系統(tǒng)重復(fù)性檢驗 48 系統(tǒng)長途穩(wěn)定性檢驗 516. 結(jié)束語 52附件1 GJ4型軌檢車軌距軌向改造內(nèi)容 5357GJ3型和GJ4型軌距軌向檢測裝置的研制GJ3型和GJ4型軌距軌向檢測裝置的研制近年來GJ3型和GJ4型軌道檢查車被廣泛應(yīng)用于線路檢查工作，對保證鐵路運(yùn)輸安全和提高旅客列車的平穩(wěn)舒適性均發(fā)揮了重要作用。但GJ3和GJ4型軌檢車的軌距軌向測量裝置采用安裝于軸箱上的軌距吊梁檢測方式在安全性及可靠性方面不能滿足鐵路大提速的要求，為此XX運(yùn)輸局下發(fā)運(yùn)基設(shè)備[2000]312號文要求對GJ4型軌檢車的軌距軌向系統(tǒng)進(jìn)行改造。檢測中心開始對“新型軌距、軌向檢測系統(tǒng)”的技術(shù)展開研究，并在高速圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)方面形成突破，實現(xiàn)了采用攝像技術(shù)實時檢測軌距、軌向的功能。同時對GJ4車的波形顯示、編輯與打印報表等數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行了全面升級，經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試、驗收，于2003年12月底交付鄭州局使用。1. 國內(nèi)外軌檢車現(xiàn)狀 國內(nèi)軌檢車概況目前國內(nèi)軌檢車軌距、軌向測量裝置大量采用安裝于軸箱的軌距吊梁式檢測系統(tǒng)。隨著我國鐵路運(yùn)行速度不斷提高，一方面軌檢車的檢查密度增加，運(yùn)營更加頻繁；另一方面軌距吊梁工作環(huán)境惡化，承受的振動和沖擊加大；使軌距吊梁運(yùn)用中存在安全隱患，一旦發(fā)生斷梁事故，不僅中斷檢測工作，而且嚴(yán)重影響行車安全。同時檢測速度提高后，軌距吊梁相對于安裝基準(zhǔn)的振動位移加大，造成軌距、軌向測量準(zhǔn)確性顯著下降，甚至有時無法檢測，嚴(yán)重影響了線路檢查工作。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前，大部分GJ4型軌檢車檢測速度達(dá)到120公里/小時后，由于軌距吊梁的振蕩，軌距軌向無法正常檢測。少數(shù)軌檢車，如998386和998387軌檢車，在速度達(dá)到105公里/小時后，軌距吊梁就開始振蕩，導(dǎo)致軌距軌向無法檢測。實際上，從1997年開始，隨著檢測速度的提高，陸續(xù)發(fā)生了北京局97990、部9762成都局9773烏魯木齊局97742軌檢車斷梁事故，采用該種檢測方式的GJ4型和GJ3型軌檢車存在的安全隱患不能小視。而且，為防止斷梁事故，一般列車運(yùn)行10萬公里要更換檢測梁，但這只是解決安全隱患的補(bǔ)救措施，不能從根本上解決問題。同時隨著列車運(yùn)行速度的提高，維護(hù)檢測精度的難度增加，維修工作量大大增加，在快速線路檢查中，經(jīng)常出現(xiàn)因來不及維修而出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。因此，有必要采用新技術(shù)對原有裝備進(jìn)行改造，以提高軌道檢測系統(tǒng)的可靠性，滿足鐵路提速后對線路質(zhì)量狀況監(jiān)測的要求。 國外軌檢車軌距軌向檢測系統(tǒng)上世紀(jì)80年代以來，通常采用一維光電位移傳感器，為滿足測量系統(tǒng)的定位要求，安裝基準(zhǔn)一般選擇在以輪對為剛體的結(jié)構(gòu)上。如美國ENSCO公司T10系列軌檢車、德國軌檢車等，從測量原理角度來看，測量鏈的簡捷有助于提高測量系統(tǒng)的精度。但是，隨著檢測速度的提高，輪軌作用力的增大，軸箱的振動隨之增大，工作環(huán)境的惡劣束縛了檢測系統(tǒng)的性能。隨著傳感器技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，開始采用二維光電位移傳感器，如面陣CCD、PSD、CMOS芯片等。較為典型的系統(tǒng)如美國Imagemap公司的Laserall系統(tǒng)及日本“黃色醫(yī)生”軌檢車。前者采用線型激光光源、攝像機(jī)、圖像處理系統(tǒng)，通過對鋼軌斷面輪廓圖像的測量獲得軌距、軌向測量值。后者采用線型激光光源、二維PSD敏感器件、信號處理系統(tǒng)，通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定的幾何關(guān)系獲得到被測點的測量值。因此，上世紀(jì)90年代末期，滿足于更高精度和檢測速度的激光和攝像技術(shù)獲得應(yīng)用并逐步取代了原有的其他檢測系統(tǒng)。目前，當(dāng)今世界高速鐵路發(fā)達(dá)的國家，激光和攝像檢測技術(shù)獲得了廣泛的應(yīng)用，而且，已成為目前世界上軌道檢測系統(tǒng)的主流。如日本、美國、法國、德國、意大利等 ，均不同程度采用了該檢測技術(shù)，從而提高了系統(tǒng)檢測速度、精度和可靠性。2. 軌距軌向檢測裝置研制的必要性與實現(xiàn)目標(biāo)鑒于GJ3型和GJ4型軌檢車軌距軌向系統(tǒng)安全性的缺陷和其較高的故障率，該檢測子系統(tǒng)的更新?lián)Q代成為當(dāng)務(wù)之急。本項目的主要研究目標(biāo)采用國產(chǎn)的軌距軌向子系統(tǒng)集成到現(xiàn)有國內(nèi)大量使用的GJ3型和GJ4型軌檢車的檢測系統(tǒng)中。借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗，研制出攝像方式的軌距、軌向測量系統(tǒng)。同時，隨著現(xiàn)代社會數(shù)據(jù)處理手段和信息化程度的不斷提高，原有GJ3型和GJ4型軌檢車的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已無法適應(yīng)當(dāng)前鐵路“提速、高速、重載和信息化”的要求。具體表現(xiàn)如下：（1）由于GJ4型軌檢車檢測系統(tǒng)采用熱敏繪圖儀輸出檢測波形，熱敏繪圖儀屬進(jìn)口產(chǎn)品，維修成本很高，很難提供及時的零配件供應(yīng)；熱敏繪圖紙的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的復(fù)印紙，而且用繪圖紙記錄檢測波形，工作人員在查找線路病害、進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)對比，以及對檢測波形圖進(jìn)行保存等方面很不方便。（2）由于現(xiàn)有的GJ4型軌檢車數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用的操作系統(tǒng)為QNX，采用命令行進(jìn)行超限編輯，用數(shù)據(jù)文件對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。用戶在操作和維護(hù)等方面存在很多不便，同時也很難對其數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、分析和再利用。大大束縛了利用軌檢車數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，從而科學(xué)、有效指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修線路的能力。因此，為提高軌檢車的數(shù)據(jù)處理水平，提高軌檢行業(yè)的信息化程度，擬對軌檢車系統(tǒng)進(jìn)行如下改進(jìn)工作：在windows2000系統(tǒng)下編寫波形圖顯示打印軟件，實現(xiàn)功能包括：用計算機(jī)實時存儲、顯示、打印波形圖，可進(jìn)行波形圖準(zhǔn)確測量，實現(xiàn)當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行波形對比，綜合比較分析軌道變化原因等功能，取代原有的熱敏波形繪圖儀。在windows2000系統(tǒng)下編寫超限編輯軟件，實現(xiàn)原有GJ4型軌檢車的所有功能，如超限編輯和報表輸出。同時將軌道檢測相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在軌道管理數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行管理和利用，并保證各種型號軌檢車數(shù)據(jù)庫格式的統(tǒng)一。改造后的軌檢車超限數(shù)據(jù)庫采用通用數(shù)據(jù)庫方式，便于檢測數(shù)據(jù)的再利用并與新型軌檢車一致，可下載到檢測中心正在建設(shè)的檢測數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫，打印表格規(guī)范統(tǒng)一。3．基本原理 軌距檢測系統(tǒng)基本原理該裝置采用圖像測量技術(shù)，由攝像傳感器獲取鋼軌斷面輪廓圖像，對該圖像進(jìn)行實時處理，從而得到鋼軌上被測點的空間位置信號。該方案又分為機(jī)器視覺方案和激光測距方案兩種。激光測距方案成本高，技術(shù)難度大。我們采用機(jī)器視覺方案并配備一套帶狀結(jié)構(gòu)光源照明系統(tǒng)，所以又稱為光取斷面法。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示：激光光源攝像頭軌向加速度計 圖1 在理想情況下，用光源照亮被測物體的斷面輪廓線，用攝像機(jī)采集斷面垂直方向的圖像，即可提取斷面輪廓圖像。但這種理想情況是無法實現(xiàn)的：首先，被測物體表面被照亮的部分不是厚度為零的亮線，而是有一定厚度的亮帶。其次，由于現(xiàn)場安裝條件所限，不可能在斷面垂直方向安裝攝像機(jī)，只能從斜側(cè)方向采集圖像。因而我們必須解決兩大問題：一是必須找到亮帶的中心線，二是對圖像進(jìn)行幾何矯正。鋼軌斷面檢測系統(tǒng)的光機(jī)配置如圖2所示，系統(tǒng)工作原理框圖如圖3所示。各方框的功能介紹如下：圖像采集：調(diào)用圖像卡庫函數(shù)，將視頻圖像采集到計算機(jī)內(nèi)存。圖 2 圖3亮帶搜索：亮帶圖像只占視頻圖像的一部分。為提高處理速度，應(yīng)根據(jù)亮帶的某些特征，提取出亮帶圖像的上下左右邊界，用窗口套住亮帶圖像，只處理窗口內(nèi)的圖像，不處理窗口外的圖像。圖像處理：包括低通濾波，中值濾波，灰度校正，直方圖均衡，二值化，分區(qū)標(biāo)號等。亮帶細(xì)化：目的是找出亮帶的中心線。有兩種方法：一是二值圖像的細(xì)線化算法，包括細(xì)線化，消除短枝和間隙等。二是灰度圖像的細(xì)化算法。坐標(biāo)變換：目的是對圖像進(jìn)行幾何校正。數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)庫：將實測輪廓線與標(biāo)準(zhǔn)輪廓線進(jìn)行比較，并測量其左、右軌距的偏差值。圖像庫：壓縮存儲視頻圖像。系統(tǒng)標(biāo)定：在亮帶細(xì)化和坐標(biāo)變換中，通常有八個參數(shù)需要確定，系統(tǒng)標(biāo)定就是要得到這些參數(shù)。為了在工作中參數(shù)保持不變，光源與攝像機(jī)應(yīng)安裝在一個堅固構(gòu)件上，使其相對幾何位置保持不變。光源照射平面應(yīng)與鋼軌縱軸保持垂直。作到上述兩點，既能保證標(biāo)定參數(shù)不變。 坐標(biāo)變換攝像傳感器的物像共軛關(guān)系如圖 4所示，E為物平面（地平面），P為像平面（CCD光敏面），S為投影中心（物鏡的物方節(jié)點和像方節(jié)點合二而一）。P平面與E平面相交于跡線TT (又稱為透視軸)。過S點作P平面的垂線，與P平面相交于像主點o,與E平面相交于o的相應(yīng)點O,即為物鏡的主光軸,So即為物鏡的主焦距f。過S點作E平面的垂線，與 P平面的交點為像底點n，與E平面相交于N，SN為物鏡的物距H。包含主光軸SO和鉛垂線SN的平面W為主縱面（又稱為主垂面）。W與E平面的交線VV為攝影方向線。主光軸SO和鉛垂線SN的夾角α為相片傾角。W與P平面的交線vv與相片坐標(biāo)系y軸的夾角k為相片旋轉(zhuǎn)角。在主縱面內(nèi)過S點作傾角α的平分線，與像平面P的交點為等角點c，在E平面上的相應(yīng)點為C。過S作直線平行于VV，與P平面相交于主合點i. 過S作直線SI平行于vv，與E平面交點為I，稱為遁點。在像平面P上以等角點c為原點取直角坐標(biāo)系cxcyc,cxc垂直于主縱面W，cyc在W中與vv重合。 圖 4在物平面E上，以等角點c的對應(yīng)點C為原點，取直角坐標(biāo)系CXcYc，CXc垂直于W，Cyc在W中，并與攝影方向線VV重合。 物平面上一點A在像平面上的像為a，A在CxcYc坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（Xc,Yc），a在cxcyc坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（xc,yc）。根據(jù)幾何關(guān)系有 XC/xc=SA1/Sa1=H/Sd因為∠Sia1=α,所以Sd=a1i*sinα=(cica1)sinα在直角三角形Soi中，因為∠Soi=90度，∠Sia1=α，所以∠iSo=90α，∠iSc=∠iSo+α/2=90α/2。在直角三角形Soc中，因為∠Soc=90度，∠oSc＝α/2，所以 ∠icS=90α/2＝∠iSc因而△Sic是等腰三角形，所以Sd=(Siyc)sinα=(f/sinαyc)sinα=fycsinα得XC=xc (1)同樣在W平面內(nèi)，因為△SCA1∽△Sea1得YC/ea1=SA1/Sa1=SN/Sd=H/Sd因為△ea1c∽△Sic, △Sic是等腰三角形，所以△ea1c也是等腰三角形，則a1e=a1c=yc,所以YC=yc (2)可進(jìn)一步化簡為XC=xc (3)YC=yc (4)式中H=H/sinα=SI (5)F=f/ sinα=Si (6)對一張圖片而言是定值，SI和Si是極平行四邊形的兩個邊。 上面得出了一種像點與對應(yīng)物點在以等角點C為原點的坐標(biāo)系中的關(guān)系式。根據(jù)需要還可以得出其他形式的坐標(biāo)關(guān)系式，如：1） 以像主點o和對應(yīng)點O為原點的坐標(biāo)關(guān)系式： XO=xo (7) YO=yo (8)2) 以像主點o和底點N為原點的坐標(biāo)關(guān)系式： XN=xo (9) YN=H (10)3) 以主合點i和遁點I為原點的坐標(biāo)關(guān)系式： XI= (11) YI=