高速鐵路站臺限界測量小車的研制

王正權　上海鐵路局科研所

1　引言

隨著鐵路的大提速以及高速鐵路的迅速發(fā)展，對鐵路站臺限界管理提出了更高的要求。運營中的線路路基會存在不同程度的沉降，另外站臺也會存在不同程度沉降、變形等現象，從而影響到站臺與線路的相對位置，站臺位置超限時可能會影響動車組車門的開啟和關閉，嚴重超限時可能會發(fā)生車體擦刮等安全事故。房建段作為路局建筑限界的管理單位，負責對建筑限界進行技術管理和日常維護，有序實施建筑限界的管理、監(jiān)控工作，承擔著大量繁重的站臺限界測量任務，為了適應鐵路高速發(fā)展帶來的對站臺限界測量的變化，急需一種效率高、測量準確性高、勞動強度低的先進測量儀器設備。

2　技術要求

站臺建筑限界包括站臺豎高（縱向尺寸）和站臺軌心距（橫向尺寸）,軌心距：以軌道面為測量基準，站臺側立面中最近點至軌道中垂面的距離；豎高：以軌面為為測量基準，站臺頂面距邊緣0mm～100mm的范圍中最高點距軌道平面的距離；軌距：鋼軌頭部踏面下16mm范圍內兩股鋼軌工作邊之間的最小距離(直線軌距標準為1435mm)。

站臺限界測量小車適用的測量對象為客運專線鐵路站臺，能夠測量其所處位置的軌心距、豎高和軌距，并記錄站臺限界測量小車經過的里程，其測量范圍必需滿足《鐵路技術管理規(guī)程》與《標準軌距鐵路建筑限界》規(guī)定的站臺建筑限界要求，并符合《鐵路建筑實際限界測量和數據格式》規(guī)定的測量允許偏差的要求。

具體測量范圍是：（1）軌心距測量范圍1500mm～2000 mm，最大允許偏差-20mm～0mm；（2）豎高測量范圍1000 mm～1400mm ，最大允許偏差 0mm～20mm；（3）軌距測量范圍1410mm～1470mm，最大允許偏差±0.5mm。

3　技術原理

3.1　測量系統(tǒng)標定

搭建標定平臺，對測量系統(tǒng)進行定標，對軌距、超高的基準值對應的傳感器碼值進行定標，并建立照片像素與激光發(fā)生器發(fā)出的激光所在的斷面內的實際尺寸的映射關系。

3.2　信號采集系統(tǒng)

推行測量小車時，下位機實時采集車架姿態(tài)信息（車架傾角、位移傳感器值）和推行距離（里程編碼值）并上傳給上位機。

3.3　視覺測量系統(tǒng)采集圖像

激光發(fā)生器發(fā)出激光線，在站臺表面和側面形成一條激光輪廓線，當測量小車推行距離達到設定里程間隔時，上位機控制相機進行拍攝成像，相機將圖像信號變?yōu)閿底中盘枺ㄟ^數據接口存入計算機內存。

3.4　視覺測量系統(tǒng)計算限界尺寸

上位機上的數據分析處理軟件對所采集到的圖像進行預處理，提取站臺輪廓信息，并通過查表計算出站臺相對于測量小車的相對尺寸，最終換算得出站臺相對于線路的限界尺寸值（軌心距和高度）以及線路幾何尺寸（軌距、里程等）。

3.5　站臺限界管理系統(tǒng)生成報表

當完成整個站臺的測量后，站臺限界管理系統(tǒng)形成數據報表，并可按對應里程值自動繪制出整個站臺的高度和軌心距曲線。

4　關鍵技術的研究

4.1　測量方法

站臺限界測量方法主要包含接觸測量和非接觸測量。測量基準主要以大地為基準和以軌面為基準。站臺限界測量小車以軌道面為測量基準面，采用基于機器視覺的非接觸式動態(tài)測量方式，通過線激光發(fā)生器發(fā)射的激光在站臺上形成站臺輪廓線，由高分辨率的工業(yè)面陣相機攝取圖像，經圖像識別處理后，綜合軌道基礎數據最終獲得限界數值，即測量人員推著測量小車沿站臺前進，系統(tǒng)按照設定可靜態(tài)定點或定距間隔自動進行測量，示意圖見圖1。

圖1　測量原理示意圖

要測量到精準的限界數據，必須對站臺輪廓上的所有相關點進行測量，而傳統(tǒng)的激光測距也只能滿足逐點測量要求，完成一個完整的站臺輪廓尺寸數據測量，耗時長，效率低，且只能滿足靜測。基于機器視覺的非接觸式測量方式因采用工業(yè)面陣相機攝取站臺輪廓線圖像，數據一次采集完畢，時間短，效率高，從而可實現動態(tài)測量。

4.2　車體結構及外觀設計

基本思路：能在鋼軌上推行，并滿足對高速鐵路站臺的限界尺寸動態(tài)檢測需求，外形美觀、拆裝方便、操作簡便、結構穩(wěn)定、測量數據可靠的新一代站臺限界測量小車，為此，設計中著重研究解決影響其性能的如下幾種因素：

4.2.1小車走行平順性

車架底部采用H形走形機構，橫向裝有彈性適度的伸縮機構，保證了動態(tài)測量時站臺限界測量小車車體的穩(wěn)定性，既能在線路上平穩(wěn)推行、不脫軌，又能始終保持與線路的相對垂直密貼姿態(tài)。

4.2.2相機架穩(wěn)固及拆裝精度

相機架采用三角形支柱鋼結構，確保了支架穩(wěn)固不變形，與H形走行機構用導柱定位、面接觸穩(wěn)定連接，確保拆裝精度。

4.2.3底部同一水平基準

經過精密定標，確保走形機構兩側共4個走行輪在同一水平面、兩側的3個導向輪也在同一水平面。

4.2.4站臺限界測量小車絕緣性

底部采用分體式結構，兩部分聯(lián)結體之間用加裝絕緣墊片，所有車輪采用尼龍材料，兩級隔離確保車體與軌道絕緣，從而不影響電務軌道電路工作。

4.2.5激光器、相機的精密調整

安裝位置設置固定鎖死機構，確保射出的激光形成的斷面與車體垂直.可調整焦距和亮度，確保成像精度。

4.2.6外觀整體化

電子電路大都封裝在殼體內，整體性好，防護性強，外型簡潔，可以避免電子裝置因外露而被碰撞損壞。

4.3　采集軌道基礎數據和圖像標定

4.3.1傳感器選型及標定

采用高精度位移傳感器、里程編碼器和傾角傳感器等手段采集軌道基礎數據，參考了相關技術資料后，選定了KTS-100位移傳感器，分辨率：0.001mm、線性精度：±0.1%、重復精度：0.013mm；里程傳感器型號：SCM-S101G-1212-C100-CAW，編碼種類：格雷碼，時鐘頻率：100kHz～2MHz每轉分辨率：12Bits。傾角傳感器型號：DA-A-15，測量范圍：±15°，測量精度：≤0.005°(含溫度補償)。這些技術指標完全滿足技術要求。

在實驗室進行組裝定型后，在標準軌距、超高檢定臺上進行軌距、超高和里程的標定，軌距分別選擇軌距值為1410mm、1435mm、1470mm三組參量對軌距測量單元線性度標定。站內線路的軌道超高一般在-150mm～+150mm之間，所以軌道分別選擇軌距值為-150mm、0mm、+150mm三組參量對超高測量單元線性度標定。

4.3.2圖像坐標映射關系確立

圖像坐標映射關系確立至關重要，它關系到測量的精度，另外實物成像后，其圖像坐標不是均值分布的，所以視覺定標系統(tǒng)需經過大量試驗驗證，為此，在圖像處理和標定中最終采用透視變換法。透視變換是指利用透視中心、像點、目標點三點共線的條件，按透視旋轉定律使承影面（透視面）繞跡線（透視軸）旋轉某一角度，破壞原有的投影光線束，仍能保持承影面上投影幾何圖形不變的變換,常用于圖象的校正。一個二維平面圖像經過透視變換，成為另一個平面圖像，這個過程可以由下式定義：

其中：

（x，y）是參考圖像坐標系中的象素坐標。

（u，v）是變換圖像坐標系中相應的象素坐標。

a，b，c，d，e，f，g和h是變換系數。

給定4個點及其相應的變換空間的點，就可以得到8個線性方程，只要其中的所有的任意三個點都不在一條直線上，就可以解出8個變換參數，從而得到透視變換前后的變換關系，即可實現對圖形透視變換后的空間坐標定位而達到還原圖形的目的（見圖2）。通過這種方法確保規(guī)定的測量范圍內圖像中的像素位置與實際激光橫斷面的空間位置準確。

圖2　透視變換前后對比圖

5　系統(tǒng)構成

站臺限界測量小車的結構主體是一個可拆分的金屬車架，如圖3所示。通過計算機控制其安裝的測量部件實現對站臺限界的測量，系統(tǒng)數據流如圖4所示。

圖3　站臺限界測量小車

圖4　系統(tǒng)數據流圖

站臺限界測量小車按照功能劃分，主要由H形走形機構、信號采集系統(tǒng)、視覺測量系統(tǒng)和站臺限界管理軟件四部分組成。其中：

（1）H形走行機構是站臺限界測量小車的車架的底部機構，是整個測量系統(tǒng)的基準平臺，能始終保持與線路的相對垂直密貼姿態(tài)。

（2）信號采集系統(tǒng)由位于車架內部的下位機(微型計算機)和位移、里程、傾角傳感器等組成，主要負責采集站臺限界測量小車在各測量點位時各傳感器的數值并通過RS232通訊發(fā)送至上位機。

（3）視覺測量系統(tǒng)由車架豎梁上的線激光發(fā)生器、工業(yè)面陣相機和安裝在推手上的上位機 (筆記本電腦或手簿)組成，主要負責采集處理站臺圖像，并解析、計算出各測量點位站臺相關限界尺寸。

（4）站臺限界管理系統(tǒng)即安裝于上位機中的站臺限界管理軟件，主要整理相關數據文件和圖表，匯總車站所有站臺的限界測量數據，并按照站臺限界管理部門的需求形成相關報表，站臺限界管理軟件的操作界面主要由主界面、信息錄入界面、參數設置和傳感器標定及數據查詢、報表等構成。

6　結束語

2016年8月小車先后在上海北郊站、上海西站、上海虹橋站、滬寧城際花橋站進行現場試驗。通過與手工傳統(tǒng)測量、站臺尺等進行靜態(tài)比對，以及動、靜態(tài)重復性測量等試驗，小車基本滿足測量要求。隨著高速鐵路客運專線不斷建成開通，站臺數量越來越多，目前現有傳統(tǒng)站臺限界測量方法和設備已無法滿足實際需求。高速鐵路站臺限界測量小車具有測量效率與精度高的優(yōu)點，具備測量數據顯示、存儲、分析、統(tǒng)計和管理等功能，小車投入使用后，可大大提升站臺限界的測量作業(yè)效率。