CN107097807A - 一种高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，包括：安装于减振构架上的包括编码结构光图像采集单元和惯性测量装置的数据采集系统、安装于车载控制平台中的数据处理系统和数据显示系统；减振构架通过顶部的固定装置与车厢底部连接，悬挂在转向架的构架的中央悬挂与轴箱悬挂之间的位置；编码结构光图像采集单元正对左右轮轨接触区域且成包围结构；数据处理系统根据编码结构光图像采集单元捕获的高清图像、惯性测量装置测量的加速度等数据，通过三维几何重构、表征参数识别和数据交互获得轮轨接触几何参数，进而获得轮轨关系谱；数据显示系统通过人机交互界面实时图像、数据和轮轨关系谱。本发明能实现轮轨动态接触状态的实时捕捉。
Description
技术领域
本发明涉及铁路运输技术领域。更具体地，涉及一种高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统。
背景技术
我国是世界上高速铁路发展最快、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家。截止2015年底，我国铁路运营里程已达到12.1万公里，其中高铁运营里程1.9万公里，占世界的60％以上，基本形成了以“四纵四横”为骨架的高速铁路网。我国高铁技术已经快速站到了世界前沿，实现了由“追赶者”到“引领者”的历史性跨越，正在引领世界高铁发展。
尽管我国高铁建设规模领先世界、高铁建造技术水平国际一流，然而由于我国高铁工程建设周期短，建造规模大，早期技术积累和运营经验不足。近年来，在我国高铁运营线路上涌现出了大量病害问题和现象，轨道方面病害：如开通时间较长的京津城际部分正线、到发线道岔存在曲尖轨侧磨，心轨鱼鳞纹等钢轨病害，磨耗及鱼鳞纹发展后将形成伤损，产生了安全隐患；京沪高铁开通后钢轨逐步出现波磨、顶面麻坑、鱼鳞纹等问题，且由于波磨引起弹条折断、“抖车”、轮轨颤振甚至轮轨脱空等亟需解决的病害现象；多条高速铁路累积400多组道岔出现尖轨纵向裂纹问题，严重威胁车辆运行安全，武广、京津城际、哈大、京沪等高速铁路频繁出现动车组构架横向加速度报警，至今总计出现报警400余次。以上病害的频繁出现，严重威胁高速铁路的安全运行，大大缩短了车辆及轨道部件的使用寿命，甚至导致了部分线路被迫降速，造成巨大的经济损失。
目前，针对上述病害，高铁养护维修部门只能采取频繁的轮对镟修、钢轨打磨措施进行定期整治，但整治效果不明显、轮轨相关异常现象反复出现，造成铁路工务、车务等部门疲于应对而又找不到有效措施。
这主要是由于对这些病害的发生及对轮轨动态接触关系的影响机理认识不清所导致的，但就目前的研究现状而言，现在还没有一种测试系统可以对轮轨动态接触状态进行准确测试，这严重制约了轮轨关系研究的发展。因此，亟需通过一种系统对轮轨的接触状态进行实时的测定。但由于高速列车行车速度快，轮轨接触状态瞬息万变，目前尚无可行的方式对其实时状态进行捕捉。
因此，需要提供一种能突破轮轨接触关系无法在线测试的技术瓶颈，实现轮轨动态接触状态的实时捕捉的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，该系统包括：
安装于减振构架上的数据采集系统、安装于车载控制平台中的数据处理系统和数据显示系统；
所述数据采集系统包括编码结构光图像采集单元和惯性测量装置；
所述减振构架通过顶部的固定装置与车厢底部连接，悬挂在转向架的构架的中央悬挂与轴箱悬挂之间的位置；
所述编码结构光图像采集单元正对左右轮轨接触区域且成包围结构；
所述编码结构光图像采集单元将其捕获的高清图像传输至数据处理系统，所述惯性测量装置将其测量得到的里程数据、速度数据和加速度数据传输至数据处理系统；所述数据处理系统根据高清图像、里程数据、速度数据和加速度数据，通过三维几何重构、表征参数识别和数据交互获得轮轨接触几何参数，进而获得包含轮轨接触关系和轮轨接触几何参数的轮轨关系谱；所述数据显示系统通过人机交互界面实时显示高清图像、里程数据、速度数据、加速度数据和轮轨关系谱，并实现报警预警和即时通讯，该人机交互界面可现实轮轨接触关系显示、轮轨接触几何参数显示和里程、速度、加速度显示的任意切换，轮轨接触关系包括车轮踏面测量参数、钢轨廓面测量参数和轮轨接触几何测量参数，轮轨接触几何参数包括轮对横移量测量参数、轮对摇头角测量参数和车轮侧滚角测量参数。
优选地，所述编码结构光图像采集单元包括编码结构光投影仪和与之匹配的高清高速摄像机，所述编码结构光投影仪对车轮、钢轨以及轮轨接触区域投射编码结构光栅条纹面，所述高清高速摄像机对所述编码结构光栅条纹面进行捕捉拍摄，捕获高清图像。其中，编码结构光投影仪的分辨率>1024*768、投影距离50-100cm、频率不低于120Hz，可外部触发；高清高速摄像机的最高像素分辨率≥1000×1000、帧率≥500fps、最大曝光时间≤3μs、像素精度≥10Bit。
优选地，所述编码结构光投影仪分布于左右轮轨接触检测区域前后，具体共4台，左右轮轨接触检测区域前后各分布1台，与车轮圆心和轮轨接触点所连成的半径线段成30度夹角的另两个左右对称的半径线段所对应的车轮踏面处为投射范围上限，在钢轨廓面上的垂向投影线为投影下限，上限与下限之间为编码结构光栅条纹面覆盖区域。
优选地，所述高清高速摄像机分布于左右轮轨接触检测区域前后，具体共8台，左右轮轨接触检测区域前后各分布2台，且左右对称分布，其中一侧轮轨接触检测区域前侧两台摄像机分布于编码结构光投影仪两侧，且两台摄像机的拍摄范围覆盖了投影的全部范围，两台摄像机的拍摄范围在钢轨廓面和车轮踏面上有重合区域。
优选地，惯性测量装置安装于减振构架中部，所述惯性测量装置包括测量水平方向的加速度计、测量车体摇头和滚动角速率的陀螺仪、确定列车所在里程的定位装置和轨距传感器，所述加速度计安装于减振构架中部两侧，所述轨距传感器安装于减振构架横向中心线位置。
优选地，所述减振构架骑行于轮对之上，所述减振构架下侧为两个平行于轮轴且分布于车轮前后的条状横梁，横梁两端各设有两根立柱用于连接减振构架上方的条状纵梁，纵梁两端各设有一个用于与车厢底部连接的四爪形固定装置。
优选地，所述减振构架横梁两端除设有编码结构光图像采集单元外，在其上表面两立柱之间设有照明系统，用于加强轮轨接触区域的光线，提高图像采集质量，同时在横梁中部上表面设有一台高清高速摄像机，用于拍摄整个车轮的运动状态。
优选地，所述数据处理系统包括高速网络交换设备、高速存储阵列、高性能图形工作站、GPGPU图形加速处理单元和中央控制器，中央控制器触发启动编码结构光图像采集单元和惯性测量装置进行协调同步工作，高速网络交换设备进行多通道海量数据的快速同步传输，高速存储阵列进行海量数据的同步存储和高效访问，高性能图形工作站和GPGPU图形加速处理单元对图像进行去噪增强处理和三维结构重建，将获得的轮轨关系谱输出并再次存储。
优选地，所述轨距传感器启动测量时，轨距传感器测量得到单边轨距测量值和高低位移测量值，通过计算，可得出左右单边轨距值，若左右单边轨距值相等，则轮对对称分布于线路中心线两侧，轮对横移量为0，若左右单边轨距值不相等，则其差值的绝对值即为轮对横移量。由车辆轨道动力学可知，通过关系公式可由横移量计算出车轮侧滚角。
优选地，由于轮轨接触区域属于遮挡区域，高清高速摄像机无法进行捕捉拍摄，所以数据处理系统需对轮轨接触区域周围分布的(4台)高清高速摄像机捕获的高清图像进行拼接还原和三维重构，获得轮轨接触斑。
本发明的有益效果如下：
本发明能实现轮轨动态接触状态的实时捕捉，区别于以往非接触式测量方法如超声波测量、电磁测量和被动光学测量，本发明基于高精度主动光学，能够同步获取车轮、钢轨、轮轨接触区域瞬时图像和其它运动参数，首次提出并获得轮轨关系谱，促使轮轨动力学理论研究上一个新台阶，并推动计算机科学、铁道工程、轮轨动力学等多学科的交叉融合和发展。同时，本发明为目前亟需完善的轮轨结构优化设计、养护维修(如病害整治、断面廓形打磨)等研究工作提供重要的理论和数据支撑；突破轮轨关系无法实时检测的技术瓶颈，既可为轮轨接触理论研究提供重要的测试手段，又可为高速铁路的安全运营和科学维护提供理论支撑和技术保障，大幅减少养护维修工作量和成本。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统中数据采集系统示意图。
图2示出依托于减振构架的各部件安装布设示意图。
图3示出编码结构光图像采集单元工作原理图。
图4示出编码结构光图像采集单元布局后视图。
图5示出编码结构光图像采集单元图像采集侧视细部图。
图6示出码结构光图像采集单元布局俯视细部图。
图7示出单台摄像机采集的局部区域信号示意图。
图8示出局部图像拼接还原后的完整接触斑示意图。
图9示出人机交互界面示意图。
图10示出本发明流程框图。
附图中：1-钢轨，2-车轮，3-编码结构光图像采集单元，4-减振构架，5-照明系统，6-惯性测量装置，7-车轮，8-编码结构光条纹面，9-编码结构光条纹面盲区，10-高清高速摄像机拍摄的重合区域，11-接触斑，12-超限报警区，301-编码结构光投影仪，302-高清高速摄像机，401-减振构架的横梁，402-减振构架的立柱，403-减振构架的纵梁，404-四爪形固定装置。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明公开的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，包括安装于减振构架上的数据采集系统、安装于车载控制平台中的数据处理系统和数据显示系统。数据采集系统，包括编码结构光图像采集单元和惯性测量装置，分别用于捕获的轮轨接触的高清图像和测量里程数据、速度数据及加速度数据；数据处理系统，包括三维几何重建功能单元和里程数据、速度数据及加速度数据处理功能单元，分别用于多视角局部三维几何图像拼接和表征参数识别；数据显示系统为多功能人机交互界面，用于轮轨接触关系、轮轨接触几何参数和里程数据、速度数据、加速度数据的实时显示，可实现自动报警、即时通讯。
如图1所示，减振构架4通过顶部的四爪形固定装置404与车厢底部连接，悬挂在转向架的构架的中央悬挂与轴箱悬挂之间的位置，减振构架4骑行轮对之上，悬挂于车厢底部，减振构架4下侧为两个平行于轮轴且分布于车轮2前后的条状横梁401，横梁401两端各设有两根立柱402用于连接减振构架上方的条状纵梁403，纵梁403两端各设有一个四爪形固定装置404，用于车厢底部与减振构架4的连接。
如图2所示，减振构架4横梁两端设有编码结构光图像采集单元3，其中编码结构光图像采集单元3由一台编码结构光投影仪301和两台高清高速摄像机302组成，一个减振构架4共设有四组编码结构光图像采集单元3，即四台编码结构光投影仪301和八台高清高速摄像机302。此外，在其上表面两立柱402之间另设有照明系统5，一个减振构架4共设有四个照明系统5，用于加强轮轨接触区域的光线，提高图像采集质量，同时在横梁401中部上表面还设有一台高清高速摄像机302，用于拍摄整个车轮7的运动状态。惯性测量装置6安装于横梁401中部，惯性测量装置6两侧横梁401上表面装有由两个加速度计组成的一个加速度计组。
如图3所示，编码结构光投影仪301在钢轨1廓面上投射编码结构光条纹面8，与之匹配的高清高速摄像机302对编码结构光条纹面8进行捕捉拍摄，其中轮轨接触区域9是遮挡区域，属于投影仪投射盲区，无编码结构光条纹面8。
如图4、图5和图6所示，编码结构光投影仪301共四台，左右轮轨接触检测区域前后各分布一台，与车轮圆心和轮轨接触点所连成的半径线段成30度夹角的另两个左右对称的半径线段所对应的车轮踏面处为投影范围上限，上限在钢轨廓面上的垂向投影线为投影下限，上限与下限之间为编码结构光栅条纹面8覆盖区域。高清高速摄像机302共八台，左右轮轨接触检测区域前后各分布两台，且左右对称分布，其中一侧轮轨接触检测区域前侧两台摄像机302分布于编码结构光投影仪301两侧，对轮轨接触区域形成了包围结构，且两台摄像机302的拍摄范围覆盖了投影的全部范围，两台摄像机302的拍摄范围在钢轨廓面和车轮踏面上有重合区域10。
如图7所示，每侧轮轨接触区域布置的四台高清高速摄像机302，每台摄像机302均拍摄钢轨廓面局部区域信号，四台摄像机302可对轮轨接触区域进行全方位拍摄，且拍摄区域相互间存在重合区域，数据处理系统获取的四部分局部区域图像，需进行拼接还原，三维重构，从而可最终获得轮轨接触斑11的形状及位置，如图8所示，具体重构步骤如下：
(1)对采集图像进行增强去噪处理，基于计算机图像识别学科和主动光学测量知识，解码结构光并获得每台摄像机拍摄的钢轨局部区域的深度图，从而还原得到钢轨整体三维轮廓图以及钢轨表面结构光投影区域所在位置。
(2)以钢轨整体三维轮廓图为基准，进行四台摄像机所采集的局部图像信号精准拼接，即将四台摄像机所各自还原得到的四个钢轨整体三维轮廓图进行平移旋转，使其完全重合。
(3)重合后，每个钢轨表面均有局部结构光投影区域，四个区域将有重叠部分，且构成了整个轮轨接触区域的全包络曲面。
(4)全包络曲面中心信号盲区，即为轮轨接触斑形状和位置。
综上所述，可将获取的相关参数指标等进行实时在线显示，如图9所示。由于上述各参数均为瞬间同步某一时刻数据，而本发明公开的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统是连续采集、实时显示的，基于此，便可获得每一个参数的时程曲线，各参数的时程曲线共同组成轮轨关系谱，且每一参数均设有容许上限和容许下限，如轮对横移量yw上下限分别为B1和B2，在数据采集过程中，只要某一参数不在容许限界范围12内，如yw>B1，或yw<B2，系统均会自动报警，相关人员结合报警情况，再次进行人工判读，从而决定是否需向有关部门通讯通报。
如图10所示，本发明公开的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统的工作流程中的数据采集和处理流程如下：
惯性测量装置中的水平加速度计可采集列车运行状态下的水平振动加速度信号惯性测量装置外两侧的加速度计组可获得列车运行时的垂向振动加速度最大值惯性测量装置中的陀螺仪可获取列车运行时的摇头角信号ψsignal及滚动角速率信号ωsignal，惯性测量装置中的定位装置可以获得列车行驶瞬时所在里程标信号DKsignal，惯性测量装置中的轨距传感器可以获得左右单边轨距信号
将上述多源信号ψsignal、ωsignal、DKsignal、利用高速网络交换设备进行多通道海量数据的快速同步传输，利用高速存储阵列进行海量数据的同步存储，从而可将信号存储于磁盘阵列中，与此同时，数据处理系统可对上述信号进行高速访问、信息交互、加工处理，从而获取列车运动参数，具体过程如下：
(1)当处理加速度信号时，可输出振动加速度时程图并读取时程图峰值，进而得到列车水平振动加速度最大值和垂向振动加速度最大值
(2)当处理陀螺仪信号ψsignal和ωsignal时，陀螺仪的水平转动角即为列车的摇头角ψ，陀螺仪的滚动角速度与滚动半径乘积即为列车行驶速度，即V＝ω×r。
(3)当处理定位装置里程标DKsignal时，处理系统借助射频技术，实现定位装置、接收天线、人造卫星之间的相互信息交互。基于现有的卫星工作平台如GPS、北斗导航系统，定位并确定轮轨接触点的里程坐标DK。
(4)当处理轨距传感器信号左右单边轨距信号时，首先判断是否成立，若成立，即轮对纵向中心线与线路纵向中心线重合，此时轮对两车轮对称分布于两钢轨廓面上，轮对不存在横移量，即轮对横移量yω＝0，若不成立，即此时轮对存在横移量，横移量数值基于车辆轨道动力学知识，由横移量yω，可得轮对侧滚角其中λ、b为常数。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，该系统包括：
安装于减振构架上的数据采集系统、安装于车载控制平台中的数据处理系统和数据显示系统；
所述数据采集系统包括编码结构光图像采集单元和惯性测量装置；
所述减振构架通过顶部的固定装置与车厢底部连接，悬挂在转向架的构架的中央悬挂与轴箱悬挂之间的位置；
所述编码结构光图像采集单元正对左右轮轨接触区域且成包围结构；
所述编码结构光图像采集单元将其捕获的高清图像传输至数据处理系统，所述惯性测量装置将其测量得到的里程数据、速度数据和加速度数据传输至数据处理系统；所述数据处理系统根据高清图像、里程数据、速度数据和加速度数据，通过三维几何重构、表征参数识别和数据交互获得轮轨接触几何参数，进而获得包含轮轨接触关系和轮轨接触几何参数的轮轨关系谱；所述数据显示系统通过人机交互界面实时显示高清图像、里程数据、速度数据、加速度数据和轮轨关系谱，并实现报警预警和即时通讯。
2.根据权利要求1所述的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，所述编码结构光图像采集单元包括编码结构光投影仪和与之匹配的高清高速摄像机，所述编码结构光投影仪对车轮、钢轨以及轮轨接触区域投射编码结构光栅条纹面，所述高清高速摄像机对所述编码结构光栅条纹面进行捕捉拍摄，捕获高清图像。
3.根据权利要求2所述的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，所述编码结构光投影仪分布于左右轮轨接触检测区域前后，与车轮圆心和轮轨接触点所连成的半径线段成30度夹角的另两个左右对称的半径线段所对应的车轮踏面处为投射范围上限，在钢轨廓面上的垂向投影线为投影下限，上限与下限之间为编码结构光栅条纹面覆盖区域。
4.根据权利要求3所述的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，所述高清高速摄像机分布于左右轮轨接触检测区域前后，且左右对称分布，其中一侧轮轨接触检测区域前侧两台摄像机分布于编码结构光投影仪两侧，且两台摄像机的拍摄范围覆盖了投影的全部范围，两台摄像机的拍摄范围在钢轨廓面和车轮踏面上有重合区域。
5.根据权利要求2所述的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，惯性测量装置安装于减振构架中部，所述惯性测量装置包括测量水平方向的加速度计、测量车体摇头和滚动角速率的陀螺仪、确定列车所在里程的定位装置和轨距传感器，所述加速度计安装于减振构架中部两侧，所述轨距传感器安装于减振构架横向中心线位置。
6.根据权利要求1所述的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，所述减振构架骑行于轮对之上，所述减振构架下侧为两个平行于轮轴且分布于车轮前后的条状横梁，横梁两端各设有两根立柱用于连接减振构架上方的条状纵梁，纵梁两端各设有一个用于与车厢底部连接的四爪形固定装置。
7.根据权利要求6所述的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，所述减振构架横梁两端上表面两立柱之间设有照明系统横梁中部上表面设有一台高清高速摄像机。
8.根据权利要求1所述的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，所述数据处理系统包括高速网络交换设备、高速存储阵列、高性能图形工作站、GPGPU图形加速处理单元和中央控制器，中央控制器触发启动编码结构光图像采集单元和惯性测量装置进行协调同步工作，高速网络交换设备进行多通道海量数据的快速同步传输，高速存储阵列进行海量数据的同步存储和高效访问，高性能图形工作站和GPGPU图形加速处理单元对图像进行去噪增强处理和三维结构重建，将获得的轮轨关系谱输出并再次存储。
9.根据权利要求5所述的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，所述轨距传感器测量得到单边轨距测量值和高低位移测量值。
10.根据权利要求4所述的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，由于轮轨接触区域属于遮挡区域，高清高速摄像机无法进行捕捉拍摄，所以数据处理系统需对轮轨接触区域周围分布的高清高速摄像机捕获的高清图像进行拼接还原和三维重构，获得轮轨接触斑。
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