基于面投射踏面磨損測量預警系統研究

周子強 王睿 葛暢

摘 要：目前，輪對綜合參數自動測量裝置的研制已成為我國數字化鐵路的一個主要研究方向，開發出安全性高、測量速度快、精度高的車輛輪對動態檢測系統已經成為實際輪對檢測工作中的迫切需求。為能夠有效推動我國高速列車的進一步快速發展，本文提出了基于面投射踏面磨損測量預警系統，具有重要意義。

關鍵詞：面投射;踏面磨損;測量預警系統

0 引言

如今，輪對綜合參數自動測量裝置的研制已成為我國數字化鐵路的一個主要研究方向，開發出安全性高、測量速度快、精度高的車輛輪對動態檢測系統已經成為實際輪對檢測工作中的迫切需求。基于上述發展背景，本文旨在利用激光照射投影，利用圖像處理技術將所得影像與標準輪對踏面進行對比，以最終判斷輪對損耗情況這一基本原理，設計開發包含列車速度檢測、圖像信息采集、中央信息處理和踏面磨損預警四大模塊的高速車輛輪對檢測系統設備，從而推動我國高速列車的進一步發展，同時為“交通強國”建設助力。

1 國內外研究現狀

目前，國內外學者的大量研究主要集中在列車輪對磨耗監測及預測方面，對于輪對綜合參數的檢測方法可以分為靜態檢測和動態檢測。

1.1 靜態檢測方法

車輛輪對靜態檢測技術是指鐵路車輛的輪對在檢修過程中，從車輛上卸下，用相應的檢測儀器或裝置進行測量，此種方法雖然精度較高，但是效率很低。國內外靜態檢測方法主要包括專用卡尺法 、基于平行四邊形機構的輪對自動測量裝置等。

1.2 動態測量方法

動態檢測是指在車輛行進時進行的測量，具有精度穩定、效率較高、檢測自動化程度高和不占用車輛周轉時間等優點。國內外動態測量方法主要包括超聲遙測檢測裝置、加速度峰值評法、基于圖像的自動檢測方法等。

2 基于面投射踏面磨損測量預警系統分析

本項目從操作方便性、安全性、測量速度、測量精度等方面出發，對高速列車輪對動態檢測系統展開研究，針對目前高速列車輪對人工檢修方法存在的問題我國鐵路部門環境特點，以及輪對綜合參數自動測量裝置的研制進程進行分析，以此進行測量方法的不斷修正，從而開發出一套真正適應于高速列車實際運行情況下的基于面投射踏面磨損測量預警系統。

本項目包含列車速度監測模塊、輪對踏面監測的圖像信息采集模塊、中央處理模塊和踏面磨耗預警模塊。其中，基于面投射踏面磨損測量預警系統的模塊示意圖，如圖1所示。

2.1 系統模塊

2.1.1 列車速度監測模塊

擬用速度傳感器采集列車速度，列車運行系統內設有速度閾值，該閾值為查閱資料所得列車進站時速度限制，當監測到列車速度等于或低于此值時，輪對狀態監測系統開始工作。

2.1.2 圖像信息采集模塊

該模塊包括平行激光束、接收屏和攝像頭，由安裝在轉向架上的接收屏獲得平行激光束照射后得到的踏面輪廓投影，再由攝像頭采集得到踏面輪廓曲線圖像并通過線路傳至中央處理模塊。

2.1.3 中央處理模塊

輪廓曲線圖像由樹莓派保存，通過輪廓提取算法處理得到真實踏面輪廓曲線，以標準的踏面輪廓曲線作為對比曲線，以上為圖像預處理階段，輪廓對比階段將兩曲線通過形狀匹配算法處理，得到相應的標準偏移量、匹配度等匹配參數，從而得以分析磨耗情況。

2.1.4 踏面磨耗預警模塊

由中央處理模塊最終的分析結果判斷是否作出預警處理，預警信息發送至駕駛室顯示屏及有關維修管理人員處。

2.2 系統的工作原理

基于面投射踏面磨損測量預警系統的工作原理為：第一，使用平行激光源沿車輪踏面切線方向照射車輪踏面，在另一側接收屏上得到車輪踏面輪廓二維投影曲線，該曲線反映踏面輪廓的真實形狀;第二，使用樹莓派作為移動信息處理平臺，高分辨率攝像機作為信息采集設備，對投影得到踏面輪廓曲線進行拍攝、儲存;第三，使用去噪技術、輪廓提取技術處理踏面輪廓曲線圖片，以車輪徑向為縱坐標，得到在平面坐標系下踏面輪廓曲線的點集;第四，通過對相機的標定，計算輪廓曲線的實際參數;第五，根據標準得到與前述輪廓表示方法相同的標準踏面輪廓曲線的表示;確定系統誤差的影響，制定踏面輪廓曲線偏差閾值;第六，計算實際踏面輪廓曲線與標準曲線縱坐標方向的偏差，各點偏差、平均偏差等參數與閾值對比確定踏面磨損情況，根據情況制定相應的應對方案。

通過有效運用基于面投射踏面磨損測量預警系統，能夠有效解決動車車輪踏面參數的非接觸測量、磨損情況的實時監測。其中包含：第一，踏面輪廓曲線各點坐標的精確計算;第二，分析列車行駛過程中不可避免的震動影響，分析采集圖像中邊緣色彩不明確的影響;第三， 控制圖像采集區域光照環境，保證圖像采集設備的工作環境;第四，分析圖像中邊緣色彩不明確帶來的系統誤差;第五，合理控制采樣時間間隔，實現車輪圓周上各采樣點的均勻分布。

2.3 系統創新點與特色

基于面投射踏面磨損測量預警系統的創新點與特色，主要包括：

第一，多樣性，即采用多種設備和融合多種算法，輪對踏面圖像監測具有快速、高精度、實時和非接觸式的特點，且具有較強的抗干擾性; 第二，直接性，即本研究的車輪踏面形狀獲得方法直接，并對其進行細化處理，能得到更為準確的圖像信息; 第三，低成本，即本系統研究采用的設備成本較低、同時本系統節約了大量的管理時間及費用，符合鐵路部門當前自動化管理的發展趨勢; 第四，及時性，即在判斷依據方面，本研究采取定量分析方法，通過形狀匹配算法快速獲取相對于正常輪對的匹配參數，分析判斷及時性高; 第五，精準性，即本研究考慮到了列車運行時輪對與轉向架間相對位移的影響，通過圖像識別中的插值處理抵消車輪振動的影響，使得檢測結果更為精準，能夠及時預警; 第六，方便性，即本系統的圖像提取設備裝于轉向架上，圖像信息直接通過線路傳輸到中央處理設備，使用和管理更為方便。

2.4 系統運用的預期效果

基于面投射踏面磨損測量預警系統運用的預期效果，主要包括：第一，激光光源平行度好、光照方向與車輪切線平行度誤差小;第二，接收屏上成像清晰、無外界環境光影響;第三，所得踏面輪廓曲線圖像邊緣清晰;第四，圖像采集設備定位準確;第五，實現快速的、高精度的、非接觸的、實時的、抗干擾性強的車輪踏面參數檢測及磨損情況分析，實時保證列車行駛條件，幫助制定修程，幫助分析車輪磨損原因。

3 小結

綜上所述，本文提出的基于面投射踏面輪廓的檢測方法，相對于大多數線型激光檢測方法有著更高的檢測精度，將得到的輪廓曲線與標準輪廓曲線對比，數據處理更為簡便，能夠更快得出檢測判斷結果。

參考文獻：

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