站臺限界測量小車的改進設計與研究

陳艷平 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 引言

高鐵站臺是鐵路沿線重要列車停靠設施，隨著線路的長期運營，路基會發生沉降，且鋼軌位置也會發生偏移，從而導致站臺限界尺寸發生變化，嚴重時可能發生旅客踩空或車體擦刮，甚至發生撞車等安全事故。站臺限界養護單位面臨著工作強度逐年增大、減員增效計劃逐年推進的新趨勢，站臺限界測量設備的效率需要大幅提高，站臺限界測量作業的科技水平依然有很大的提升空間。

目前測量高鐵站臺限界的儀器主要有站臺尺、限界檢查儀以及限界測量小車等儀器設備，利用機械電子測量、超聲波、激光器和機器視覺等測量方式。其中，站臺限界測量小車因操作便捷、實用高效、測量精度高等優點獲得了一定的市場。但其也存在搬運不便、容易受外界光源干擾等不足。為此，需要在原有的基礎上對站臺限界測量小車進行改進優化設計，降低測量小車重量，優化圖像采集方式，并對外界干擾源進行處理，提高其使用效率和測量可靠性。

2 測量小車

2.1 結構原理

站臺限界測量小車的結構主體是一個可拆分的金屬車架，包括走行車架和視覺采集支架，并配備有限界測量軟件，如圖1 所示。走形車架是限界測量小車的基準平臺，雙軌搭靠于鋼軌之上，能始終保持與線路的相對垂直密貼姿態；走行車架內部安裝有車體姿態采集傳感器，在小車推行過程中實時采集小車的軌距和超高信息。視覺采集支架通過定位孔安裝于走形車架一側，支架上安裝有激光發射器和面陣相機等視覺采集傳感器，系統工作時能夠實時采集站臺輪廓圖像，為后續站臺限界解析、計算提供數據。

圖1 改進前站臺限界測量小車

該站臺限界測量小車以軌面為測量基準，采用基于機器視覺的非接觸式測量方式，通過線激光發生器發射的激光線在站臺上形成站臺輪廓線，由高分辨率的工業面陣相機攝取圖像，經圖像采集識別處理后，綜合小車姿態數據最終獲得限界數值。

2.2 技術指標

站臺建筑限界包括站臺的橫向尺寸和垂向尺寸，橫向尺寸是指站臺側立面上的點至軌面中垂線的距離，其最近距離為軌心距；垂向尺寸是站臺頂面邊緣上的點至軌面的距離，其最大距離為豎高。站臺限界測量小車適用于高速鐵路車站站臺，能夠測量其所在位置的軌心距、豎高、超高和軌距。本方案具體技術指標為：(1)橫向尺寸測量范圍：1 300 mm～2 000 mm，誤差范圍：-3 mm～0 mm，重復性：≤0.5 mm；(2)垂向尺寸測量范圍：900 mm～1 350 mm，誤差范圍：0 mm～-2 mm，重復性：≤0.5 mm；(3)軌距測量范圍：1 410 mm～1 470 mm，誤差范圍：±0.5 mm，重復性：≤0.5 mm；(4)超高測量范圍：-100 mm～100 mm，誤差范圍：±1 mm，重復性：≤0.5 mm。

3 改進設計方案

3.1 機械輕量化設計

根據圖1所示改進前站臺限界測量小車體積龐大而且笨重，需要4人協作完成搬運，現場使用效果不理想。考慮到站臺限界測量小車采用機器視覺技術需要采集站臺輪廓來解析站臺限界尺寸，采集傳感器的安裝需要穩定牢靠。因此，需要在保留足夠剛性的同時，可以大幅簡化車體的機械結構。

輕量化機械結構設計主要分兩部分設計研究，首先是減輕相機激光支架尺寸和重量。改進前相機激光立桿支架笨重而且推行時會出現晃動，因此去掉立桿支架，把視覺測量支架改成直接通過定位孔安裝在車架一側頂面處的視覺采集模塊，改進后測量時相機相對于站臺的拍攝角度就從上往下拍變成了從下往上拍，其視覺采集模塊如圖2所示。

圖2 改進后視覺采集模塊

其次是減輕走行車架的尺寸和重量。改進前限界測量小車走行車架為了保證支架上激光和相機的穩固可靠，采用兩邊長為0.9 m 的H 形車架結構，增加了車架的整體重量。采用圖2 所示的改進視覺采集模塊設計以后，在保證車架穩定的前提下，把H 形結構邊長縮短為0.5 m，同時部分采用鏤空設計，從而有效減輕了車架重量，改進后限界測量小車車架如圖3所示。

圖3 改進后限界測量小車車架

3.2 干擾圖像優化處理

限界測量小車改進后圖像采集方式為相機從下而上采集站臺圖像，在拍取站臺輪廓圖像時，由于可能存在干擾光源進入相機拍攝范圍，干擾相機對站臺輪廓的采集，進而導致解析軌心距和豎高出現錯誤，干擾圖像如圖4(a)所示。

圖4 處理前后相機采集圖像對比

為了盡量排除環境光源對圖像采集的干擾，從兩方面進行優化處理。第一，根據激光發生器光線的波長特點，選擇窄帶相機帶通濾光片，其作用是把大部分其他波長的光線濾除，只有在濾光片范圍內波長的光線可以被相機采集。同時，選擇光源穩定性好的激光發生器，適當增大其輸出功率，減小相機鏡頭曝光量，同樣能減少干擾光源進入相機。

第二，通過改進圖像處理算法，對相機采集到的圖像進行干擾處理。基于站臺輪廓具有一定的相似性，因此相機采集的圖像也具有一定可預判大概輪廓。使用數字圖像處理技術，對采集的圖像進行處理，主要采用以下步驟：

（1）每個站臺測量第一個點后，建立測量點的站臺輪廓模型；

（2）對圖像進行中值濾波處理，進行灰度域值變換；

（3）之后每一個測量點根據上一點的模型判斷有無干擾，如無干擾則更新輪廓模型；如有干擾則根據上一點模型獲得輪廓線區域位置，根據算法獲得輪廓線斜率

（4）得出斜率值，將斜線中不清楚的地方進行補線；

（5）將斜線附近5 個像素點位置進行黑化處理，去除干擾；

經過圖像處理算法處理后的圖片如圖4(b)所示，可以看出處理后圖像基本還原了站臺輪廓線，從而能夠準確解析出站臺限界尺寸值。

根據以上改進設計方案，研制出一臺改進型站臺限界測量小車，如圖5所示。通過現場使用驗證，改進方案達到預期效果，小車只需2人即可完成搬運轉場，同時能有效避免外界光線對測量結果的干擾。

圖5 改進型站臺限界測量小車現場使用

4 結束語

本文改進設計后的站臺限界測量小車在徐州東等車站使用，效果良好。相較于改進前的測量小車，車體變小、重量減輕，轉場搬運更加方便。同時排除外界光源干擾對圖像采集的影響，測量限界結果也更加穩定可靠，顯著地提高了測量作業效率。