地下礦山有軌運輸非接觸式動態軌距檢測系統設計與實現

崔雅婷，王 鵬，李吉民，凡勇剛，詹浩東，任高峰，張聰瑞

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070；2.武鋼資源集團程潮礦業有限公司，湖北 鄂州 436050)

0 引 言

隨著無人駕駛、人工智能等技術的發展，無人駕駛電機車有軌運輸系統已在礦山廣泛應用[1]。盡管無人駕駛運輸系統的應用解決了傳統運輸環節管理難度大、作業環境差、運輸效率低等問題，但無人駕駛運輸系統的高效運行加速了運輸軌道的變形、松動[2-3]。軌道運輸狀態是電機車安全運行、無人駕駛運輸系統高效運行的根本保障，無論是地面鐵路運輸軌道還是地下礦山運輸軌道，軌距都是重要的檢測內容，軌距的改變將直接導致軌道運輸礦車脫軌或卡道，影響無人駕駛電機車運輸系統的運輸效率[4]。地下礦山運輸軌道路徑長、范圍廣，而傳統的人工巡檢方法工作效率低、耗時長，難以滿足現代化無人駕駛有軌運輸系統的要求，軌道快速檢測已成為無人駕駛運輸系統的迫切需要。

近年來，激光掃描技術和計算機科學的迅速發展推動了有軌運輸軌道檢測的深刻變革，三維激光掃描技術、計算機視覺處理技術取得了突破性的進展，高精度掃描儀器的廣泛應用促進了軌道檢測的快速發展[5-7]，促進了高鐵軌檢車的迅速發展。盡管地下礦山的外在條件與高鐵有所不同，但高鐵軌檢技術為地下礦山無人駕駛軌道檢測的研究和應用奠定了基礎，也為無人駕駛電機車軌道檢測系統的研究指明了方向。

閔永智等[8]提出一種基于PNDT提取軌道輪廓中心線定位軌距測量點的方法，采用距離變換的方法得到了軌道輪廓中心線，并定位軌距測量點，將激光技術與CCD圖像式傳感器相結合，實現實時在線軌距測量，建立了車載軌距機器視覺檢測系統；鄭樹彬等[9]提出了一種基于雙目立體視覺技術的軌距檢測方法，采用提取分量的方式對圖像的目標區域和背景區域進行分割，并去除噪聲，通過膨脹和細化算法得到軌道的截面輪廓線，有效地實現了軌距參數的高精度動態測量，精度可達到0.07 mm；史紅梅等[10]研發了一種安裝于路軌兩棲綜合檢測車上的軌距檢測系統，利用基于CPLD的同步信號觸發模塊保證各傳感器數據同步，實時提取軌距特征點并計算顯示當前斷面軌距值。

1 軌距檢測原理及算法

1.1 檢測原理

單個二維激光位移計檢測原理如圖1所示，以梯形(檢測區域)中心為原點形成一個平面二維直角坐標系，在一定安裝高度上固定后，二維激光位移計平面光會與鋼軌相交形成鋼軌截面幾何輪廓[10-12]。根據其定義，鋼軌踏面下16 mm范圍內兩股鋼軌工作邊之間的最小距離稱為軌距[10,12]。在輪廓平面內軌頭頂部往下16 mm處，設置一條水平固定線，水平固定線與鋼軌輪廓線相交于一點，通過計算可得出此交點到X軸和Z軸的距離，實現激光位移計對物體截面距離上的二維檢測。

圖1 二維激光位移計檢測示意圖

1.2 軌距檢測算法

根據軌距定義與二維激光位移計檢測原理，軌距算法與求解流程如下所述(圖2)。

圖2 軌距檢測算法示意圖

當檢測梁與軌面平行安裝時，軌距等于左右兩邊激光位移計橫向檢測值與激光位移計中心距離之和，計算公式見式(1)。

L=GL+GR+D

(1)

當檢測梁傾斜，傾斜角度為θ時，整個軌距一般計算步驟及公式如下所述。

①初始值求解。將軌距檢測裝置安裝于標準軌距路段，求得初始軌距。②GL和GR求解。確定檢測點，通過平面坐標三角關系，利用角度和距離關系求得檢測梁平面的橫向距離GL和GR。③軌距補償值D。 初始軌距值減GL和GR檢測值，即得軌距補償值的精確值。 ④軌距計算。 軌距補償值與實時檢測值相加得出軌距實時檢測值，軌距計算公式見式(2)。

(2)

2 軌距檢測系統設計與實現

2.1 總體結構設計

地下礦山非接觸式動態軌距檢測系統的總體結構設計主要由上位機和下位機兩部分組成(圖3)。上位機位于檢測系統的上端部分，裝載數據采集處理軟件，工控機PC端的分析處理軟件可對下位機傳感器采集的數據進行實時分析處理，可根據設置的閾值范圍對檢測數據超限預警，工控機PC端對數據進行后處理，完成檢測數據報表的輸出，為工人進行定點維修提供信息；下位機位于檢測系統的下端部分，主要由各種傳感器組成，包括二維激光位移計、定位基站、定位標簽，可輸出軌道檢測信息，軌檢車當前位置信息。

圖3 軌距檢測系統總體設計圖

2.2 系統硬件組成

地下礦山無人駕駛有軌運輸非接觸式動態軌距檢測系統由二維激光位移計、檢測梁、控制器、定位裝置及上位機軟件系統組成。兩個滑塊和導軌組成檢測梁，滑塊在導軌上可以滑動到任意位置固定，二維激光位移計通過結構件固定于滑塊上，系統硬件組成連接圖如圖4所示。

圖4 系統硬件組成連接圖

2.3 系統軟件設計

非接觸式動態軌距檢測系統軟件功能模塊組成如圖5所示。軟件功能模塊包括登錄模塊、檢測參數設置模塊、數據處理、動態檢測、超限預警和分類報表6個模塊。其功能分別為：登錄模塊設置初始登錄賬號；檢測參數設置模塊用于初始檢測輪廓注冊、激光輪廓檢測曝光頻率、數據輸設定、檢測范圍等參數設定；數據處理模塊對檢測數據及機車定位數據進行融合處理；動態檢測模塊以窗口的形式實時顯示檢測數據；超限預警模塊主要用于對數據預警范圍和預警方式進行設置；分類報表對軌距和高差數據進行選擇查詢、分類輸出。

圖5 軟件功能模塊組成圖

3 現場測試應用

3.1 礦山現場測試

3.1.1 檢測梁安裝

將設計的檢測梁安裝到無人駕駛電機車上(圖6)，二維激光位移計安裝于檢測梁上，將二維激光位移計固定于標準軌距處，連接控制器的24 V電源線與電機車PLC控制的電源線，待激光位移計出現藍色的線激光后，調整滑塊使得二維激光位移計掃描中線在鐵軌內側邊緣處(圖6)，此時固定滑塊的鎖扣和二維激光位移計與鐵軌的相對位置，完成傳感器的固定。 在900 mm的標準軌距軌道上求解軌距補償值，輸入系統，完成標準軌道初始參數設置。

圖6 二維激光位移計的安裝

3.1.2 測試過程

設置軌距檢測范圍為895～905 mm，初始參數設置完成后，動態檢測窗口3實時顯示軌距動態，窗口6實時顯示高差動態，檢測值在閾值范圍內窗口數據顯示為綠色，超限數據顯示紅色。電機車駛入被測軌道，在被測路段進行三個往返的測試，窗口顯示動態檢測數據、輸出數據，完成地下礦山軌道運輸軌距檢測系統現場測試，輸出檢測數據報表，根據報表對軌距超限位置，用軌距尺進行人工復測。維修工人可以根據此次測試產生數據報表(表1)進行軌道的定點維修。

表1 軌道檢測數據報表

3.2 測試結果與誤差分析

3.2.1 數據分析

軌距動態檢測變化如圖7所示。由圖7可知，軌距測量值在892～905 mm范圍內波動，相鄰點之間的波動范圍在0.5 mm以內，曲線平滑，從整個軌距檢測過程來看，測試路段基于二維激光位移計的軌距檢測系統能夠實時精準完成地下礦山有軌運輸軌道軌距檢測。

圖7 軌距動態檢測曲線圖

高差檢測變化如圖8所示，圖中顯示軌道高差在1 mm左右，波動范圍在1.075～1.115 mm之間，檢測數據波動較小，符合實際軌道的檢測要求。

圖8 高差檢測數據曲線圖

對軌距檢測系統檢測數據超限位置及誤差較大處進行人工復測，對比分析見表2。通過分析比較，軌距檢測系統與人工復測結果相差均在1 mm以內，誤差較小。結果表明，軌距檢測系統檢測結果準確可靠。

表2 檢測數據對比表

3.2.2 誤差分析

1) 非接觸式動態軌距檢測系統最大優點是解決了電機車左右晃動而引起的偏差補償問題。由于兩個傳感器與電機車近似剛性連接，因此受電機車動態檢測時左右晃動的影響很小，其間距基本保持不變，從而能夠準確檢測軌距變化，與其他檢測方法相比，沒有補償誤差的影響，數據更加真實可靠。

2) 通過數據分析認為大部分數據均在檢測范圍內，部分數據超出檢測閾值范圍，經過人工復核測量分析認為，軌距偏大位置是由于機車長期運行造成的軌距偏大。

3) 檢測過程中傳感器與檢測梁不能實現完全剛性連接，在振動情況下導致激光傳感器會產生微小偏移，從而影響檢測精度，對系統組裝提出了更高要求。

4 結 論

1) 基于二維激光位移計的動態非接觸式軌道檢測方案解決了礦山無人駕駛有軌運輸的軌道檢測問題。根據軌距動態檢測方案設計檢測梁，并將其安裝于無人駕駛電機車上，在礦山現場測試應用，軌距檢測系統可以實時動態檢測當前位置軌距和高差，并可實現超限預警，能夠適應地下振動、潮濕、塵多等特殊環境。

2) 基于二維激光位移計的動態非接觸式軌道檢測系統在礦山地下環境能夠準確識別軌道參數變化。設計的檢測梁可以很好地連接電機車和檢測傳感器，在軌道軌距檢測過程中識別精度高達0.001 mm。

3) 利用井下無人駕駛電機車改造的軌檢車，能夠生成數據報表，可精確定位到軌道檢測地點，指導檢修工人對問題路段進行檢修，定位精度為0.5 m，提高了軌道檢測效率，為無人駕駛有軌運輸的高效運行保駕護航。