基于線陣CCD的線路方向測量系統(tǒng)的開發(fā)

史 磊

（山西省自動化研究所，山西太原 030012）

1 系統(tǒng)概述

隨著鐵路列車的不斷提速，鐵路軌道在列車的動力作用下，變形不斷積累。曲線軌道的受力情況比直線軌道復(fù)雜，變形較快。一種最常見的表現(xiàn)方式為曲線軌道方向的錯亂。為確保行車的平穩(wěn)和安全，必須要定期檢查曲線軌道的方向，及時把它整正到原來的設(shè)計位置，并恢復(fù)其原來的曲率。

整正曲線的方法很多，目前在鐵路維修工作中，最常用的是繩正法，它利用曲線上正矢與曲率之間的關(guān)系，改正正矢，使之恢復(fù)原有的設(shè)計曲率。但采用繩正法時，長弦線不易拉直，人工對直尺讀數(shù)誤差較大，費時費力，精度不高。隨著列車速度的提高，對鐵路曲線軌道方向的要求越來越高，因此很有必要研制一種快速、便捷、智能化、高精度、基于線陣CCD的線路方向測量系統(tǒng)。

2 國內(nèi)現(xiàn)狀及系統(tǒng)建設(shè)的必要性

2.1 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對線路方向測量的現(xiàn)有方法:

一是通過軌檢車、添乘儀的打分，但里程不準(zhǔn)確而且沒有量化的偏差值;

二是工人現(xiàn)場對直線地段進行目測，曲線地段采用繩正法測量正矢［1］，效率低、精度差;

三是在特殊區(qū)段采用水準(zhǔn)儀定線穿焦點的方法測量方向，操作復(fù)雜，效率較低。

2.2 系統(tǒng)建設(shè)的必要性

隨著鐵路第六次大提速的結(jié)束，中國正式走向高鐵時代。行車速度已有很大的提高，即對既有鐵路線路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有了更高的要求，尤其是對既有鐵路曲線的維修提出了更高的要求。同時原來的鐵路線路維修方式日益被機械化維修所取代，尤其是大型養(yǎng)路機械的廣泛使用，這就要求維修人員改變觀念，改變傳統(tǒng)的維修方式，運用機械化進行線路維修養(yǎng)護，特別是線路方向維修養(yǎng)護。

隨著鐵路提速、重載的不斷發(fā)展，鐵路軌道受到列車的沖擊力越來越大，引起線路在水平和豎向方向的變形也相應(yīng)增大，變形積累到一定程度就會引起列車晃車，嚴(yán)重影響旅客乘坐舒適性和列車運行安全。因此，鐵路部門工務(wù)段一直把線路方向整治和消滅三角坑作為線路維修的重點。但目前現(xiàn)場作業(yè)只能采用目測和繩正法進行測量，效率較低且精度不高，難以滿足鐵路運輸?shù)陌l(fā)展，因此，研制開發(fā)一種快速、便捷、智能化、高精度、基于線陣CCD的線路方向測量系統(tǒng)是十分必要的。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

研究一種可在鋼軌上移動的基座，一端安裝準(zhǔn)直激光光源，一端安裝CCD測量裝置，測量時安裝準(zhǔn)直激光光源的基座固定，安裝CCD測量裝置的基座沿鋼軌移動，通過安裝在移動基座上的編碼器測量距離，CCD通過光學(xué)系統(tǒng)接收編碼標(biāo)尺的像素位移信號［2］，并將編碼器測量的1 m（或任意設(shè)定值）整數(shù)倍位置的像素位移信號進行記錄，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)把像素位移信號進行二值化處理后，將被測目標(biāo)的中心值從背景中分離出來。從而得到目標(biāo)相對CCD中心像元的偏離值。將測量數(shù)據(jù)傳輸至終端PC進行分析計算，判斷線路的方向并給出偏差量。

其關(guān)鍵技術(shù)為:

（1）CCD測量裝置的選擇和控制;

（2）編碼標(biāo)尺的設(shè)計和制作;

（3）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究;

（4）編碼器精度的控制;

（5）基座的設(shè)計。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)目標(biāo)及主要研究內(nèi)容

4.1 主要目標(biāo)

（1）研制開發(fā)一種快速、便捷、智能化、高精度、基于線陣CCD的線路方向測量裝置。要求便攜、準(zhǔn)確、經(jīng)濟、適用性強。

（2）自動完成測量作業(yè)，測量過程自動化，減少人為因素干擾，測量結(jié)果可在屏幕顯示并儲存，如測量過程中出現(xiàn)異常，可給出提示并顯示異常的原因。

（3）測量精度小于1 mm。

4.2 主要研究內(nèi)容

基于線陣CCD的線路方向測量系統(tǒng)中測量裝置的測量原理是在鋼軌上架設(shè)線路方向測量裝置，線路方向測量裝置由光學(xué)系統(tǒng)（準(zhǔn)直激光光源［3］）、線陣CCD相機、圖像采集電路、信號處理電路、控制及顯示電路、軟件等組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 測量系統(tǒng)原理圖

在待測點固定線路方向測量裝置，編碼標(biāo)尺作為測量目標(biāo)，通過安裝在移動基座的編碼器測量移動的距離，在距離測量裝置1 m（或任意設(shè)定值）整數(shù)倍位置分別對測量目標(biāo)進行測量，編碼標(biāo)尺通過線路方向測量裝置的準(zhǔn)直激光光學(xué)系統(tǒng)在光敏面元上形成光學(xué)圖像（如圖2）。

圖2 CCD成像實測圖

CCD器件將光學(xué)圖像輸出，得到被測對象的視頻信號。視頻信號處理電路對CCD輸出的視頻信號進行二值化處理后，將被測目標(biāo)的中心值從背景中分離出來。從而得到目標(biāo)相對CCD中心像元的偏離值。

5 m、10 m、15 m處等距離的偏離值經(jīng)過相減，即可得到該段軌道線路的方向偏移量。

本系統(tǒng)測量裝置主要由光學(xué)測量系統(tǒng)、距離測量系統(tǒng)、可移動基座、計算處理系統(tǒng)、管理系統(tǒng)組成。

（1）光學(xué)測量系統(tǒng)

光學(xué)測量系統(tǒng)由CCD成像儀和編碼標(biāo)尺組成（見圖3）。

圖3 測量示意圖

在測量工作開始前，CCD成像儀通過固定基座固定于待測鋼軌起點處，將編碼標(biāo)尺通過移動基座固定鋼軌上，通過控制按鈕使編碼標(biāo)尺成像于CCD上，移動條碼標(biāo)尺，再次通過控制按鈕使條碼標(biāo)尺成像于CCD，再移動，再次成像……以此類推?？刂葡到y(tǒng)自動計算編碼標(biāo)尺在5 m、10 m、15 m……處距離的偏離值，經(jīng)過相減，即可得到該段軌道各測點處的正矢量。

（2）距離測量系統(tǒng)

距離測量主要靠安裝在基座車輪上的編碼器實現(xiàn)，編碼器與車輪同軸安裝。通過車輪半徑（周長）和編碼器的旋轉(zhuǎn)輸出脈沖即可計算出基座的行走距離。

（3）移動和固定基座

基座主要用來固定CCD成像儀和編碼標(biāo)尺。必須滿足快捷安裝要求，并保證CCD成像儀和條碼標(biāo)尺距鋼軌內(nèi)側(cè)頂面下16 mm處有相同距離。

（4）計算處理系統(tǒng)

能夠根據(jù)輸入的特定值（如1 m、5 m等）的整數(shù)倍距離，控制CCD成像儀對編碼標(biāo)尺的圖像進行采集、并對圖像進行分析，計算出各測點的正矢值進行儲存和顯示。

（5）管理系統(tǒng)

根據(jù)圓曲線和緩和曲線計劃正矢的計算，編制計算機程序，能夠根據(jù)輸入的曲線軌道特征值計算出曲線軌道各處正矢值并與測量值進行比較，計算撥量值。

5 系統(tǒng)上線試驗結(jié)論

該系統(tǒng)在太焦線的三個曲線段上多次試驗，并對測量結(jié)果用繩正法進行復(fù)核，效果良好。

實際應(yīng)用表明:針對鐵路曲線測量現(xiàn)狀研制的“基于線陣CCD的線路方向測量系統(tǒng)”總體思路符合鐵路工務(wù)部門大中修規(guī)范的要求。檢測操作便捷、精度高，可以避免繩正法在風(fēng)力較大時產(chǎn)生過大誤差的問題。另外，通過上位機管理軟件的開發(fā)將正矢測量與撥道量計算集為一體，大大縮短了正矢測量→撥道量計算→撥道實施的時間，提高了工作效率。本系統(tǒng)的研制開發(fā)，提高了鐵路工務(wù)部門在線路維護方面的測量精度和工作效率，有利于保持線路的穩(wěn)定性和安全性，適合在鐵路及其他軌道運輸行業(yè)中推廣。

［1］蔣偉.繩正法存在的問題及解決途徑［J］.大連鐵道學(xué)院學(xué)報，2005（3）:92-94.

［2］路杰，楊博雄.基于多線陣CCD的激光投線儀數(shù)字化檢測［J］.計量技術(shù)，2010（12）:50-53.

［3］張東梅，尚春民，喬彥峰.提高CCD激光自準(zhǔn)直測量系統(tǒng)精度的一種方法［J］.電光與控制，2006（2）:38-40.