高速鐵路道岔的數字化檢測及多通道可視化?

吳淑定，王培俊，李文濤

（西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031）

0 引言

道岔作為列車軌道間的連接、轉換設備，是整個軌道系統的重要組成部分。因其功能需要，道岔在設計和造型上具有明顯區別于鐵軌的獨特性。如道岔的尖軌和護軌相對構造薄弱，但是在列車方向改變的時候卻要承受列車變向帶來的強大沖擊。道岔的特殊功能決定了它在軌道系統中的重要性，其自身工作性能保持優良與否將直接影響列車運行的安全性與平穩性，因此需定期對其進行檢測與維護，保持道岔處于良好的工作狀態下，確保列車行車安全。

本文綜合利用虛擬現實、數字化檢測、CAD等多種技術，采用立體顯示的方法將所檢測的道岔直觀呈現在觀察者面前，便于對道岔的外觀狀態和磨損磨耗情況有直接的感知。由于多種技術手段交互使用，相輔相成，不僅可對檢測對象進行嚴謹的數據分析，也可直接展示檢測對象的實體狀況。

1 道岔檢測與數字化測量

道岔常用的檢測方式是接觸式測量。接觸式測量指的是測量工具與被測對象有物理接觸，常用的有三維坐標機CMM和游標卡尺等各類量具，使用的主要工具有軌道幾何狀態測量儀、軌距尺、支距尺、方尺、100m長卷尺、游標卡尺、平尺、塞尺、繃線器、軌溫計等，它們分別用于測量：軌距、支距、道岔始端鋼軌是否對齊（岔枕垂直度和直線度）；軌頂、心軌和尖軌降低值；工作邊線直線度和軌溫等［1］。目前道岔檢測仍靠人工去測量道岔的幾何外觀，以其外觀磨損程度為主要依據來判斷該部件的狀態。

數字化測量則更加注重于對所獲得數據的后期分析、比較，利用計算機軟件測量的方式取代傳統的人工測量來完成對目標實體各參數的測量，并與標準值進行比較分析。數字化檢測在采集物體三維外形數據方面的理論研究和具體應用上都已發展到較為成熟的階段，并且已經在常規軌道的檢測中有所應用，故本文考慮結合當前較為成熟的數字化檢測技術，利用相關檢測設備以當下流行的技術手段代替傳統手工測量，對鐵路道岔進行數字化分析檢測，并通過數字可視化技術實現測量數據的實景展示。

2 數字可視化研究

虛擬現實的實現需要依靠機器設備模擬現實的情況，擬合出虛擬的場景［2］。該場景將通過感官視覺、聽覺和觸覺等方式表達出設定的場景信息，使體驗者在虛擬的場景中仿佛感覺置身于真實情境下［3］。虛擬場景還會響應體驗者的部分行為反饋，模擬真實情況發生相關變換，實現與體驗者的交互，讓用戶在一個虛構的環境中得以盡情發揮想象力。

2.1 單通道立體顯示與多通道立體顯示

在圖像投影方式上，根據所用設備和技術手段不同可分為單通道投影與多通道投影。單通道立體顯示一般是指將立體圖像經同一數據通道傳達投影設備并投影顯示的技術過程。將立體像對的左、右視圖經過劃分處理，分別通過兩個獨立的數據顯示通道同時投影顯示在屏幕上的立體投影技術，稱為雙通道立體顯示。當數據顯示通道有兩個及兩個以上時，即稱為多通道立體顯示。本文采用雙通道立體顯示。

2.2 主動式立體顯示與被動式立體顯示

當觀察者的左、右眼分別看到相對應的視圖時，顯示的圖像將出現立體感。在接受投影圖像的環節上，目前一般需要借助立體眼鏡的幫助。根據不同原理研究開發的立體眼鏡工作方式不同，因而將相應的立體顯示方法分為主動式（active）立體顯示與被動式（passive）立體顯示。比起主動式立體顯示，被動式立體顯示需要更多的投影設備（使用的投影機數量一般為投影通道數的兩倍）。目前主要使用的技術手段有4種，簡稱為分色技術、分光技術、分時技術和分柵技術。

3 數字化測量技術的應用

本文以西南交通大學高校機車博物園內某型號道岔尖軌為研究對象，對尖軌的5mm工作面、20mm工作面及35mm工作面3個關鍵段進行實地檢測，采集數據，并對三維點云數據進行還原和分析處理。使用便攜式非接觸三維掃描儀（掃描精度＜0.05mm），通過多角度掃描與階梯亮度多次掃描，并進行數據自動高精度拼接，得到最終的點云數據。5mm工作面段原始點云數據如圖1所示。

圖1 5mm工作面段原始點云數據

為提高檢測效率與精度，對原始點云數據進行點云數據預處理，包括去噪、填充孔、精簡等技術操作，同時依據規格建立尖軌的三維模型［4］，為進一步的分析做好準備。

點云數據的修整工作完成后，根據所得的點云數據逆向還原出相關的實體模型，通過對實體模型的測量則可得到所需的參數。在進行最后的測量前，還需將所得點云數據與還原的CAD數據進行分析比較。“寬5mm尖軌斷面”區段點云數據與還原實體偏差如圖2所示。尖軌轉轍角對比見表1，尖軌相對基本軌降低值對比見表2，尖軌與基本軌相對間隙值對比見表3。

圖2 “寬5mm尖軌斷面”區段點云數據與還原實體偏差圖

由表1可看出，所檢測對象的轉轍角在3處監測區域磨損程度不一，各自區段的檢測值與手工測量值的差別不一。尖軌前段磨損較為嚴重，偏差程度較大。

由于數據采集是在室外環境下進行的，因此對周圍環境的控制與調整較弱，所采集的數據不可避免帶有因環境因素帶來的外界誤差。從表2、表3中可看出，由于數據限制，在還原實體時圓角與曲面處理引入新的誤差，使手動測量與模型測量結果間出現了相對穩定的2mm左右的偏差。

表1 尖軌轉轍角對比

表2 尖軌相對基本軌降低值對比 mm

表3 尖軌與基本軌相對間隙值對比 mm

4 雙通道立體顯示系統的設計與實現

本文設計了雙通道立體顯示軟件模塊，可對將要投影顯示的道岔三維模型進行數據處理、圖像繪制、編輯設定［5］。

4.1 總體設計

本立體顯示系統編制了相應的程序，用戶可通過程序窗口的菜單欄、命令按鈕和功能按鍵實現人機交互。人機交互功能主要有模型選擇、背景選擇和相關的基本操作，用于編輯設定將要投影顯示的內容。軟件模塊程序功能框架如圖3所示。本程序具體的功能有：①實現模型與數據間的顯示切換，可按具體需求導入新模型和數據；②顯示窗口在普通尺寸與全屏顯示二者間自如切換；③多種背景顏色切換，使模型與背景間對比突出，強化顯示效果；④設置按鍵命令，使用戶可通過鼠標和鍵盤控制模型顯示姿態、觀察角度和旋轉速度；⑤操作說明，介紹相關操作按鍵的功能明細，方便用戶使用。

圖3 雙通道立體顯示系統軟件模塊程序功能框架

4.2 實現過程

4.2.1 導入與顯示三維模型

使用數據轉換軟件將掃描所得點云數據轉換成.h格式的數據文件，在程序中使用include語句將其添入程序中。創建顯示列表，使用switch…case…語句實現不同模型的轉換，實現結果如圖4所示。

4.2.2 背景顏色設置與窗口全屏顯示

根據調色盤程序調試各RGB組合，獲得所需的數值。在窗口菜單欄中創建相應的命令按鈕，添加消息響應函數，通過消息響應函數將各RGB數值賦予變量red、green、blue。同時在窗口菜單欄中創建全屏顯示的命令按鈕，添加消息響應函數，調用內部函數，獲取屏幕最大尺寸，并將顯示窗口擴至最大。點擊后窗口全屏顯示，按下鍵盤“Esc”鍵恢復原窗口尺寸。點擊窗口菜單欄中背景色按鍵后，出現二級菜單，用不同按鍵將各RGB數值分別賦予變量red、green、blue，實現背景顏色變換。

圖4 程序實現效果圖

4.2.3 設置操作按鍵及編寫操作說明對話框

對鍵盤按鍵和鼠標按鍵進行設置，使單個按鍵分別對應一種響應功能，當某一具體按鍵被按下，觸發響應消息。對操作設置歸納整理，以非模態對話框顯示操作信息，方便新用戶使用。

在程序實例中，通過鍵盤按鍵和鼠標可實現以下功能：分別按下鍵盤按鍵“W”、“S”、“A”、“D”使觀察模型可以上、下、左、右移動；通過按鍵“Q”、“E”可以來實現放大或者縮小；通過鍵盤的上下箭頭按鍵“↑”、“↓”可調整觀察模型自動旋轉的速度，其初始速度設為零；按住鼠標左鍵，移動鼠標，可以實現手動旋轉，調整觀察模型的姿態。程序界面如圖5所示，實地投影效果如圖6所示。

圖5 程序界面圖

圖6 實地投影效果圖

5 總結

本文結合高速鐵路道岔檢測的需求與現狀，嘗試使用數字化檢測技術和立體顯示技術相結合的辦法對鐵路道岔的磨損情況進行研究和展示。綜合運用虛擬現實、數字化檢測、CAD等多種技術，提出了光學掃描與立體顯示相結合的檢測方法，可對檢測對象進行嚴謹的數據分析，也可直接展示檢測對象的實體狀況，獲得了較高的檢測精度，達到了直觀、逼真、形象的效果。

［1］ 歐陽敏.高速道岔工務參數檢測儀的設計與實現［D］.成都：西南交通大學，2008：5－6.

［2］ 張軍，梁楚華.基于Geomagic的實體模型逆向重構［J］.機械工程與自動化，2010（5）：192－194.

［3］ 賀毅岳.多通道三維交互研究與在城市規劃系統中的應用［D］.西安：西北大學，2009：2－3.

［4］ 汪洋.基于視覺測量的鐵路列車鉤舌檢測流水線關鍵技術研究［D］.大連：大連海事大學，2011：71－76.

［5］ 曹彤，鮑泓.沉浸式雙通道虛擬博物館的設計與開發［J］.系統仿真學報，2008（13）：3593－3595.