地鐵接觸軌幾何參數測量的技術要點

吳木生

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610000）

在地鐵運行中，接觸軌是為列車提供能源的重要系統，確保接觸軌的幾何參數處于正常狀態，對于地鐵的安全運行具有重要影響。為了促進地鐵的安全運行，需要提高對地鐵接觸軌幾何參數的重視程度，對幾何參數的測量技術要點內容進行分析。

1 幾何參數測量基本原理

1.1 測量系統數學模型

在城市化進程不斷加快的時代背景下，地鐵的高效運行為緩解城市交通壓力起到了重要的作用。地鐵在運行中，需要以接觸軌為基礎，為列車的安全運行提供重要的能源支持。為了保證地鐵的安全運行，必須對接觸軌幾何參數進行測量，了解幾何參數測量的基本原理，建立測量系統數學模型。測量系統數學模型主要包含轉換坐標系、鏡頭畸變以及結構光三角測量三種數學模型，該數據模型以小孔成像原理為基礎構建[1]。

1.2 攝像機內參標定

在接觸軌幾何參數測量中，攝像機是主要的設備之一，為了保證測量數據的準確性，需要對攝像機內部固有的參數進行標定。張正友標定法的效率和提取精度相對較好，因此在攝像機標定中，張正友標定法的應用范圍較為廣泛。在對攝像機內部固有參數進行標定的過程中，主要包含空間圓的圓心偏差分析、空間圓環的圓心偏差分析、攝像機內參標定原理分析以及攝像機內參標定試驗等方面的內容。

以空間圓的圓心偏差分析為例，通過對投影變換的幾何關系進行分析可以得知，空間圓的圓心偏差可以數學模型的方式進行表示[2]。

1.3 光平面外參標定

光平面外參標定也是核心的內容之一。在對光平面外參進行確定的過程中，結構光平面和攝像機之間的外層是核心內容。光平面結構參數標定，對于檢測數據的精準性具有直接影響，因此在對接觸軌幾何參數進行測量中，光平面外參標定也是最為主要的內容之一。光平面外參標定主要包含外參標定原理、光平面特征點的提取方法、外參標定試驗三方面的內容。

以光平面特征點的提取方法為例，在對外參進行求取的過程中，已經建立了基礎的數學模型，為了不斷提高外參的精準度，需要對特征點的提取過程進行重點關注。光平面特征點的提取方法主要有直接提取法和間接提取法。

光平面特征點直接提取方法如圖1所示。

圖1 光平面特征點直接提取方法

光平面特征點的間接提取方法如圖2所示。

圖2 光平面特征點間接提取方法

2 光條主體提取方法

2.1 最大類間方差法

在對地鐵接觸軌幾何參數測量技術進行分析的過程中，光條主體提取方法是核心提取內容之一，只有保證光條主體提取工作的順利開展，才能保證接觸軌幾何參數測量工作的順利開展。最大類間方差法是主要的提取方法之一。

最大類間方差法在實際應用的過程中，以圖像的灰度特征為基礎，將圖像分為前景和背景兩個部分，以此實現提取。

2.2 形態學法

在對圖像進行處理的過程中，形態學法也是一種常用的處理方法，尤其是在對光源背景進行分離的過程中，形態學法的應用價值較高。在形態學法實際應用中，包含了膨脹、腐蝕等基本運算。形態學法的計算過程與卷積算法的計算過程相類似，都是以模板為核心進行集合運算。通過形態學法的應用，可以在接觸軌幾何參數測量中，將圖像中的噪點有效去除，保留實際需要的光源背景，最終得到需要保留的光條部分。

2.3 散射噪聲分割法

在對光條主體提取方法進行分析的過程中可以發現，除了最大類間方差法以及形態學法可以應用于光條主體提取外，散射噪聲分割法也是主要的一種提取方法。散射噪聲分割法是以感興趣區域為基礎應用的一種光條主體提取方法。在對圖像進行處理的過程中，通過最大類間方差法可以有效去除軌道背景和背景光源，但處理后的邊緣存在許多毛刺。在對這個位置進行線寬提取的過程中，難度相對較大。針對這種情況，可以對感興趣區域應用散射噪聲分割法進行提取。散射噪聲分割法在實際應用中，可以有效去除邊緣噪聲，得到線寬均勻的光條。將處理后的感興趣區域，接回到原有圖像之內，可以獲得所需要的光條主體圖像。

3 結構光中心特征點提取方法

3.1 結構光中心特征提取算法

在對地鐵接觸軌幾何參數進行測量中，除了要對幾何參數測量基本原理以及光條主體提取方法進行分析外，也需要對結構中心特征點提取方法進行探討。結構光中心特征提取算法主要指以Heesian矩陣為基礎的結構光中心特征提取算法[3]。結構光中心特征提取算法在實際應用的過程中，以曲線擬合法為基本原理。但在對像素法線方向進行定位的過程中，是以圖像的二階偏導數為基礎進行定位。與傳統的特征提取算法相比，結構光中心特征提取算法在提取精度方面具有較大優勢。

3.2 Steger算法優化

在對結構光中心特征點提取方法進行分析的過程中可以發現，結構光中心特征提取算法，是一種應用價值相對較高的提取方法。但隨著時代的進步和發展，該算法也必須與實際情況相結合，不斷進行優化，才能為接觸軌幾何參數測量工作的全面開展提供重要的支持。在對Steger算法進行優化的過程中，主要包含光條骨架定位、簡化卷積運算兩方面的內容[4]。以簡化運算為例，傳統的Steger法在實際運算中，運算量十分龐大。簡化之后，在對某一行光帶進行中心點提取的過程中，只需要計算一次，使Heesian矩陣的計算效率得以大幅度提升，對于提高結構光中心提取速度也有積極影響。

3.3 提取試驗

在地鐵接觸軌幾何參數測量中，想要對結構光中心特征點提取方法進行驗證，就需要開展提取試驗，對測量數據的準確性進行有效的評估。在提取試驗正式開展中，需要以地鐵接觸軌模型為前提，利用結構光檢測裝置對地鐵接觸軌模型進行試驗。地鐵接觸軌在實際應用的過程中，會存在表面深度差距，因此在試驗中不同光條存在偏折和斷聯的現象。通過提取試驗可以得知，以結構光中心特征提取算法為基礎的新型算法，在實際應用中，整體的運算時間大幅度縮減，提取效果也得到提高，還能夠規避傳統端部提取中多個特征點的問題。

4 幾何參數特征提取

4.1 提取方法分析

在地鐵接觸軌幾何參數測量中，了解幾何參數測量基本原理，確定光條主體提取方法，且對結構光中心特征點提取方法進行優化后，需要對幾何參數特征進行提取。常用的提取方法有基于切片統計的特征提取法和建立約束連線的特征提取法。以建立約束連線的特征提取法為例，在對幾何參數特征進行提取的過程中，由于特征點較少，在提取中很容易出現較大的誤差。針對這種情況，可以利用約束連線的方式提取，能夠反映實際幾何參數的特征點。

4.2 系統全局標定

全局標定是以ICP算法為基礎，實現的系統全局標定。ICP算法于1992年被首次提出，ICP算法主要應用于三維空間的點云配準。通過ICP算法的應用，可以有效實現點集間的配準，在逆向工程、計算機視覺和曲面質量檢測等領域，ICP算法都有重要的應用價值。在對系統進行全局標定中，也可以以ICP算法為基本原理，設計新型的標定方法。想要在系統全局標定過程中，對ICP算法進行充分應用，首先要了解ICP算法的基本原理，在試驗中對全局標定結果進行檢測。通過試驗可以得知，以ICP算法為基礎的系統全局標定，能夠實現點集間高精度的配準，具有良好的穩定性，在系統的全局標定過程中具有較高的應用價值[5]。

5 幾何參數檢測技術的建設要點

5.1 檢測系統硬件建設要點

隨著地鐵的快速進步和發展，地鐵實際運行中承載的人數也越來越多，需要不斷提高地鐵的安全水平，這也是開展地鐵接觸軌幾何參數檢測的重要目的。在幾何參數檢測中，首先需要對檢測部分的硬件進行設計，其次需要對標定及測量試驗平臺進行設計，保證檢測工作的全面開展。檢測部分硬件主要包含顯示器、控制按鈕、水平校準模塊、電源、單片機、控制板、激光發射器、CCD相機、微型工控機等硬件設備。

檢測系統主要硬件模塊如圖3所示。

圖3 檢測系統主要硬件模塊

5.2 檢測系統軟件建設要點

接觸軌幾何參數檢測的全面應用，與檢測系統軟件具有密切的關系。只有保證軟件建設的標準性，才能保證檢測工作的順利開展，這也是保證檢測數據準確性的重要基礎條件。因此，應當提高對檢測系統軟件建設要點的關注程度，對軟件結構和軟件界面進行設計。以軟件界面設計為例，軟件界面要直觀地顯示幾何參數的測量結果，還要有能夠反映測量過程數據、存儲情況、通信狀態的相關指示標識。用戶在實際測量中，才能夠對當前的檢測狀態進行全面了解，對于提高地鐵接觸軌幾何參數檢測工作效率具有積極影響，也是在信息化時代背景下提高檢測技術應用價值的一種重要方式。

5.3 驗證試驗

為了對地鐵接觸軌幾何參數檢測技術的實際應用價值進行評估，需要通過試驗的方式進行驗證。在驗證中，需要開展傳統接觸軌測量尺測量試驗、系統參數標定、暗光環境下接觸軌檢測試驗、外界光照環境下接觸軌檢測試驗等四方面的內容。驗證檢測系統在不同的環境下的穩定性，對于提高接觸軌幾何參數檢測數據的準確性具有重要作用。以暗光環境下接觸軌檢測試驗為例，地鐵在實際運行中，大部分都是在地下軌道運行，暗光環境下接觸軌檢測試驗具有較高的價值。在整個試驗中，室內不能提供光源，且要對測量結果和測量中所消耗的時間進行準確記錄。除此之外，為了對系統的穩定性進行檢測，同一個位置至少需要測試10次，取10次測試結果的平均值作為最終的檢測結果。

6 結語

地鐵接觸軌幾何參數測量工作對于保證地鐵安全運行有重要的意義。在實際測量中，要對幾何測量參數基本原理進行分析，對光條主體提取方法、結構光中心特征點提取方法以及幾何參數檢測技術的建設要點進行全面分析，不斷提高接觸軌幾何參數檢測工作的準確性，保證地鐵的安全運行。