CN110497930A - 一种全图像铁路道岔在线集成检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全图像铁路道岔在线集成检测装置及方法，包括有第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构，所述第一检测机构包括有第一面阵相机和第二面阵相机，及第三面阵相机，所述第二检测机构包括有第一线阵相机和第二线阵相机，及第一变焦球形面阵相机和第二变焦球形面阵相机，所述第三检测机构包括有第三线阵相机、第四线阵相机、第五线阵相机和第六线阵相机；该全图像铁路道岔在线集成检测装置及方法高效自动检测道岔日常维护全检项目；安全监测预警道岔病害和指导维修管理工作；多层次预防修含测量、甄别、排除车辆转向架等外来病害因素。

Description

一种全图像铁路道岔在线集成检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种铁路道岔检测领域，具体为一种全图像铁路道岔在线集成检测装置及方法。

背景技术

道岔在铁路和地铁行业是必备轨道基础设施，担负着正常运营时列车变轨运行的重要任务，尤其在地铁行业，高峰期每隔2分钟左右就要动作二次，完成一次轨道切换任务。道岔特殊结构要素：尖轨刨切垂向刚度变小；尖轨受轮对横向力约束弱；辙叉咽喉区三角危害域；导曲线及岔前岔后轨距、平顺影响。随着铁路提速后道岔新建和改造任务重大，其运行的可靠性直接影响到列车的行车安全。根据近10年来铁路信号设备故障统计分析，道岔故障占信号设备故障总数的比例一直在20％～30％左右，显然是影响运输效率的主要因素之一。据统计，全国信号连锁的道岔合计有14万套，广州地铁某线为例：正线道岔43组，车辆段68组，如此推算目前广州地铁运行300公里线路在用道岔总数超过1000组。这样，采用以往的道岔养护方法，安排维修“天窗”与维修人员安全以及设备安全检查方面均难以满足运维要求。

目前道岔故障在线诊断设计的装置主要由三部分组成：一是转辙机驱动的电压、电流和功率测量并通过扭力/功率参数换算过程扭力曲线；二是位移传感器和图像传感测量尖轨尖端与基本轨动静态密贴；三是动作过程转辙位置表示缺口测量到位与斥离。

上述的检测装置存在着问题：

1.准确性-扭力测量精度受电压、电流、相位测量精度影响和谐波影响；2.安全性-测量介入转辙机电路；3.适用性-ZY型液压、交直流驱动等方式使功率采样复杂且产生非线性和滞后问题；4.动态性-转辙机到位锁紧后电机停止，过车时振动、挤叉、撞击无法准确测量；5.全面性-未解决道岔维护人工作业量即岔区轨道几何尺寸日常繁重的检查测量。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种高效自动检测道岔日常维护全检项目；安全监测预警道岔病害和指导维修管理工作；多层次预防修含测量、甄别、排除车辆转向架等外来病害因素的全图像铁路道岔在线集成检测装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种全图像铁路道岔在线集成检测装置，包括有第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构，所述第一检测机构包括有用于交叉检测尖轨尖端的第一面阵相机和第二面阵相机，及用于检测转辙机拉杆图像的第三面阵相机，所述第二检测机构包括有用于测量动静态尖轨轨距、振动、xy向基本轨位移的第一线阵相机和第二线阵相机，及用于扫描完成道岔区关键部件与轨道轨距、平顺测量的第一变焦球形面阵相机和第二变焦球形面阵相机，所述第三检测机构包括有用于完成辙叉咽喉区变形测量和辙叉区轨距、高低、方向和水平动静态测量的第三线阵相机、第四线阵相机、第五线阵相机和第六线阵相机。

进一步的，所述第一面阵相机和第二面阵相机对称设置于道岔前部两侧，所述第一线阵相机和第二线阵相机对称设置于道岔中部两侧，所述第一变焦面阵相机和第二变焦面阵相机对称设置于道岔中部两侧，所述第三线阵相机和第四线阵相机对称设置于道岔后部两侧，所述第五线阵相机和第六线阵相机对称设置于道岔后部两侧。

进一步的，所述第三线阵相机和第四线阵相机与第五线阵相机和第六线阵相机对叉心组成双目测量结构，所述第五线阵相机与第六线阵相机组成上下股道过车时双目同步扫描、测量轮轴的转向平衡、轴向位移结构。

本发明所要解决的另一技术问题为提供一种全图像铁路道岔在线集成检测方法，包括以下步骤：

1)定义坐标系，其中x向为列车运动方向，Y向为平行轨面垂直于运动方向，列车运动方向左侧为正，Z向垂直于轨平面，向下为正；

2)在道岔的前部设置第一面阵相机和第二面阵相机，完成转辙机动作的尖轨刨切面、尖轨尖端高度、厚度和与基本轨密贴、斥离测量；与系统坐标系比对动态跟踪自校准；

3)在道岔的前部设置第三面阵相机，完成转辙过程拉杆到限位置、弹性变形测量，过车转向架轮对作用拉杆剪切力导致拉杆弹性变形测量，音频记录转辙过程表示杆位置卡锁解锁、电机驱动声响，音频记录过车转向架轮对撞击声响；

4)在道岔的中部设置第一线阵相机和第二线阵相机，第一线阵相机和第二线阵相机设计轨底xy向标记Δ精确定位及叉枕漂移测量，作为定点xyz坐标系参考基准由人工尺引入量值传递、标定静态参数；组成双目同步扫描、测量轮轴的转向平衡、轴向位移；

5)在道岔的中部设置第一变焦球形面阵相机和第二变焦球形面阵相机，扫描完成道岔区关键部件与轨道轨距、平顺测量；与系统坐标系比对动态跟踪自校准；

6)在道岔的后部设置第三线阵相机、第四线阵相机、第五线阵相机和第六线阵相机，其中第三线阵相机与第四线阵相机和第五线阵相机与第六线阵相机对叉心组成双目测量，第五线阵相机与第六线阵相机对各自外股轨道检测设计轨底xy向标记Δ精确定位及叉枕漂移测量，作为定点xyz坐标系参考基准并由人工尺引入量值传递、标定静态参数，第五线阵相机与第六线阵相机组成上下股道过车时双目同步扫描、测量轮轴的转向平衡、轴向位移。

进一步的，在步骤4)中，所述叉枕漂移测量算法为，枕心x向偏移＝(dx2-dx1)/2，枕叉中心线沿z轴旋转；枕心y向偏移＝(dy2-dy1)/2，枕叉中心偏离轨道中心，枕心z向偏移＝(dy2+dy1)/2，叉枕平面偏离z0距离，其中dx、dy分别为x向偏离和y向偏移距离。

本发明的有益效果是：

1，自动图像测量道岔日常维护检查保养项目；2，适应各种不同转辙机驱动方式的拉杆图像阻力曲线测量；3，便于实时监测管理和现场视像记录；4，对车辆转向架病害管理减少道岔病害；设备简约、高效和准确、可靠。

附图说明

图1为道岔全图像检测设计方案图；

图2为空间矢量测量方案图；

图3为叉枕嵌入附助标记图；

图4为道岔车国内病害关联预防施&盲点示意图；

图5为线路道岔日常维护工作检测示意图；

图6为远程用户界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种全图像铁路道岔在线检测方法；基于图像微变形线性测量转辙机12拉杆动作过程作用力；适应于各种转辙机12驱动过程的快速、线性安全测量；动态准确检测拉杆在过车振动、挤叉、撞击；全面测量尖轨、基本轨和心轨振动、x y向位移测量；自动检测道岔日常维护全检项目并自动测量、甄别车辆转向架等外来病害因素。

参阅图1所示，主要技术设计如下：

坐标系定义：x向为列车运动方向；Y向为平行轨面垂直于运动方向，列车运动方向左侧为正；Z向垂直于轨平面，向下为正。

将检测区域分别A1、B1、C1三个区域，其中C1区域包裹B1区域，B1区域包裹A1区域，A1区域功能为：视频检测尖轨尖端和轨身刨切面形状、密贴、拉杆阻力、振动、过车挤叉撞击、声音检测；B1区域功能为:尖轨轨距及过车时该处的尖轨及基本轨变形、振动检测；道岔全区域部件与轨道平顺检查；C1区域功能为：辙叉咽喉区变形、振动、方向、轨距动静态检测。

在A1区域内设置第一面阵相机1和第二面阵相机2，其中，第一面阵相机1和第二面阵相机2为高分辨面阵相机，第一面阵相机1和第二面阵相机2设置于轨旁交叉检测尖轨尖端设计视像，y向宽度设计为320mm，保证图像识别具有0.3mm高分辨力，用测量数理统计方法可以分辨0.1mm，完成转辙机12动作的尖轨刨切面、尖轨尖端高度、厚度和与基本轨密贴、斥离测量；与系统坐标系比对动态跟踪自校准。

在A1区域内设置第三面阵相机3，其中，第三面阵相机3为高分辨面阵相机，第三面阵相机3设置于轨旁检测转辙机12拉杆图像设计视像，z向高度为250mm，保证拉杆z、y向图像测量具有0.1mm高分辨力，用测量统计方法可以分辨至0.03mm。完成转辙过程拉杆到限位置、弹性变形测量；过车转向架轮对作用拉杆剪切力导致拉杆弹性变形测量；音频记录转辙过程表示杆位置卡锁解锁、电机驱动声响；音频记录过车转向架轮对撞击声响。

在B1区域设置第一线阵相机4和第二线阵相机5，其中第一线阵相机4和第二线阵相机5高分辨线阵相机，第一线阵相机4和第二线阵相机5设置于轨旁完成动静态尖轨轨距、振动、x y向基本轨位移测量；设计图像分辨力0.1mm；用测量统计方法可以分辨0.03mm；完成车辆计轴、测速；第一线阵相机4和第二线阵相机5设计轨底xy向标记Δ精确定位及叉枕漂移测量，参阅图2所示；作为定点xyz坐标系参考基准由人工尺引入量值传递、标定静态参数；组成双目同步扫描、测量轮轴的转向平衡、轴向位移，参阅图3所示。

在B1区域设置第一变焦球形面阵相机6和第二变焦球形面阵相机7，第一变焦球形面阵相机6和第二变焦球形面阵相机7设置于轨旁扫描完成道岔区关键部件与轨道轨距、平顺测量；与系统坐标系比对动态跟踪自校准。

在C1区域设置第三线阵相机8、第四线阵相机9、第五线阵相机10和第六线阵相机11，其中，第三线阵相机8、第四线阵相机9、第五线阵相机10和第六线阵相机11为高分辨线阵相机，第三线阵相机8、第四线阵相机9、第五线阵相机10和第六线阵相机11设置于轨旁完成辙叉咽喉区变形测量；辙叉区轨距、高低、方向和水平动静态测量；其中第三线阵相机8与第四线阵相机9和第五线阵相机10与第六线阵相机11对叉心组成双目测量；第五线阵相机10与第六线阵相机11对各自外股轨道检测设计轨底xy向标记Δ精确定位及叉枕漂移测量；作为定点xyz坐标系参考基准并由人工尺引入量值传递、标定静态参数；第五线阵相机10与第六线阵相机11组成上下股道过车时双目同步扫描、测量轮轴的转向平衡、轴向位移。

创新方法理论计算与报表输出：

创新任务设计-由于道岔特殊结构要素：尖轨刨切垂向刚度变小；尖轨受轮对横向力约束弱；辙叉咽喉区三角危害域；导曲线及岔前岔后轨距、平顺影响，针对道岔特殊结构要素的岔区轮轨动力学研究需要现场检测实践验证。

1.弹性形变

岔区的基本轨、尖轨和转辙机12拉杆均可视为分段弹性体，受到垂向z、横向y弯曲力和剪切力时会产生可恢复的变形，这些变形量值可以设计传感器准确获取。图1列车运动方向向右，转辙机12拉杆y正方向运动受合成弹性体负y方向阻力；合成弹性体含尖轨重力在滑道床摩擦力、两侧尖轨轨身、尖轨固定连杆、跟端连接块弹性总成；该弹性系数因尖轨结构、拉杆结构与动作方向和动作时间过程呈非线性变化；随着尖轨动作次数和受车辆转向架轮对异常疲劳冲击产生弹性系数微小变化即局部产生了塑性形变；这就是尖轨、基本轨和拉杆、连杆尺寸经常性微调的主因；监测当前阻力与历史阻力曲线Δt时间段差异可以知晓转辙机12驱动随位置变化的实时状态。

技术说明：

1)电压电流功率换算扭力方法与实际测量曲线差异较大，这是受电压电流及相位测量准确度、以及谐波影响产生的非线性测量；

2)当钢轨受车辆轮对横向力弯曲时产生内外锁紧装置冲击并使弯形拉杆受到剪切力(据现场维修了解常有拉杆变形、螺栓松动甚至拉杆和螺栓断裂严重病害发生)；

3)当车辆走行部通过道岔区产生邻近或超过钢轨、杆件弹性限度频繁冲击时，构件内部结构会产生变化导致缓慢或迅速的损伤。

参阅图4所示，为道岔车辆病害关联预防措施&盲点图示说明，

道岔车辆病害关联预防措施：

车辆影响较大病害包括轴向位移、径向跳动、转向平衡，未关联预防指标包括轮对尺寸、踏面擦伤、轴承故障，其中，轴向位移、转向平衡为未被认知病害；道岔影响较大病害包括挤岔、振动、xy向撞击，未关联预防指标包括几何平顺、轨距、零部件。

道岔车辆病害关联预防盲点：

车辆关联预防指标包括轴向位移、径向跳动、转向平衡、轮对尺寸、踏面擦伤、轴承故障，道岔关联预防指标包括挤岔、振动、xy向撞击、几何平顺、轨距、零部件。

技术说明：

1)车辆与道岔现有管理：车辆-轮对尺寸、踏面擦伤和轴承故障，道岔-几何平顺、轨距、平顺、密贴和零部件，人工测量耗费大量成本；

2)过车道岔挤叉、振动和xy向撞击尚未有效测量，潜在列车运行安全风险；

3)车辆转向架轴向位移、转向平衡病害和与道岔病害互为因果未获认知；

4)轴向位移-列车质量中心偏离轨道中心，转向平衡-转向架轮轴呈菱形运动；

5)利用道岔区复杂工况测量车辆转向架病害将事半功倍；

6)甄别排除车辆转向架病害将会整体提升道岔安全运维水平和大大节约运维成本。

2.方向线阵

高分线阵相机具有矢量测量特性既可以用于小区域精密测量，也可以通过组合设计用于工业大区域三维坐标测量如图1的第一至第六线阵相机11，充分融合了小区域高精度和大区域定点参考三维坐标系优点。

引入附助标记简化计算方法，参阅图2-3所示，

枕心x向偏移＝(dx2-dx1)/2

等效于枕叉中心线沿z轴旋转，轨向测量第一项。

枕心y向偏移＝(dy2-dy1)/2

等效于枕叉中心偏离轨道中心，轨向测量第二项。

枕心z向偏移＝(dy2+dy1)/2

叉枕平面偏离z0距离，高低测量。

以上利用了叉枕为刚性体间接利用了双目测量方法。第五线阵相机10和第六线阵相机11采用了相同的附助标记简化算法，第三线阵相机8和第四线阵相机9咽喉区测量是直接双目图像测量，无需加辅助标记。

道岔区全检项目测量：参阅图5所示。

说明：高分线阵六个三维坐标点是人工校核切入点，其它测点均可由球形变焦面阵依据坐标系进行轨距、平顺测量，并可动态进行跟踪校准。

3.组合测量

创新方法组合测量完成道岔区日常维护保养多任务，大大提升了监测自动化、可视化水平。除此，创新方法设计了车辆转向架轴向位移、转向平衡的测量、甄别使运维预防修成为可能。

线阵相机同步扫描同轴轮对与钢轨的相切点即同步x向差值定义为转向平衡；通过附助标记参考系，获得轮轴的y向位移偏离y0距离定义为轴向位移。

根据轮对尺寸在线测量大数据分析：轮轨相互作用产生的异常振动、磨损甚至脱轨、热轴等故障过程与列车转向架轴向位移、径向跳动和转向平衡密切相关，见下表1。

表1：广北车辆段货运线踏面磨耗与轴向位移研究结论

axis_No	轴向位移	踏面磨耗	踏面磨耗与轴向位移研究结论
				右3	8.63	8.59	(2017.8.1-18共超限11个)
左3	10.79	9.45	轴向位移为正表示向钢轨靠近方向
				右2	9.67	8.79	其中4个向右，5个向左
左2	9.11	10.80
				左3	11.86	9.49	轴向位移不明显同转向架2个
左3	6.97	9.90	其特征为同转向架均匀磨耗
				左3	12.10	9.47	超限为35.85mm
右1	11.02	8.84	减小轴向位移可能方法：
				右2	7.78	9.54	1，控制加工轮径差
			2，刹车调整平衡
							3，转向架质量控制

踏面磨耗与轴向位移数据研究结论：踏面磨耗超限统计-轴向位移大个数占比82％。

4.报表输出

输出情况见图6所示。

本发明的有益效果是：

1，自动图像测量道岔日常维护检查保养项目；2，适应各种不同转辙机驱动方式的拉杆图像阻力曲线测量；3，便于实时监测管理和现场视像记录；4，对车辆转向架病害管理减少道岔病害；设备简约、高效和准确、可靠。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种全图像铁路道岔在线集成检测装置，包括有第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构，其特征在于：所述第一检测机构包括有用于交叉检测尖轨尖端的第一面阵相机和第二面阵相机，及用于检测转辙机拉杆图像的第三面阵相机，所述第二检测机构包括有用于测量动静态尖轨轨距、振动、xy向基本轨位移的第一线阵相机和第二线阵相机，及用于扫描完成道岔区关键部件与轨道轨距、平顺测量的第一变焦球形面阵相机和第二变焦球形面阵相机，所述第三检测机构包括有用于完成辙叉咽喉区变形测量和辙叉区轨距、高低、方向和水平动静态测量的第三线阵相机、第四线阵相机、第五线阵相机和第六线阵相机。

2.根据权利要求1所述的全图像铁路道岔在线集成检测装置，其特征在于：所述第一面阵相机和第二面阵相机对称设置于道岔前部两侧，所述第一线阵相机和第二线阵相机对称设置于道岔中部两侧，所述第一变焦面阵相机和第二变焦面阵相机对称设置于道岔中部两侧，所述第三线阵相机和第四线阵相机对称设置于道岔后部两侧，所述第五线阵相机和第六线阵相机对称设置于道岔后部两侧。

3.根据权利要求1所述的全图像铁路道岔在线集成检测装置，其特征在于：所述第三线阵相机和第四线阵相机与第五线阵相机和第六线阵相机对叉心组成双目测量结构，所述第五线阵相机与第六线阵相机组成上下股道过车时双目同步扫描、测量轮轴的转向平衡、轴向位移结构。

4.一种全图像铁路道岔在线集成检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）定义坐标系，其中x向为列车运动方向，Y向为平行轨面垂直于运动方向，列车运动方向左侧为正，Z向垂直于轨平面，向下为正；

2）在道岔的前部设置第一面阵相机和第二面阵相机，完成转辙机动作的尖轨刨切面、尖轨尖端高度、厚度和与基本轨密贴、斥离测量；与系统坐标系比对动态跟踪自校准；

3）在道岔的前部设置第三面阵相机，完成转辙过程拉杆到限位置、弹性变形测量，过车转向架轮对作用拉杆剪切力导致拉杆弹性变形测量，音频记录转辙过程表示杆位置卡锁解锁、电机驱动声响，音频记录过车转向架轮对撞击声响；

4）在道岔的中部设置第一线阵相机和第二线阵相机，第一线阵相机和第二线阵相机设计轨底xy向标记Δ精确定位及叉枕漂移测量，作为定点xyz坐标系参考基准由人工尺引入量值传递、标定静态参数；组成双目同步扫描、测量轮轴的转向平衡、轴向位移；

5）在道岔的中部设置第一变焦球形面阵相机和第二变焦球形面阵相机，扫描完成道岔区关键部件与轨道轨距、平顺测量；与系统坐标系比对动态跟踪自校准；

6）在道岔的后部设置第三线阵相机、第四线阵相机、第五线阵相机和第六线阵相机，其中第三线阵相机与第四线阵相机和第五线阵相机与第六线阵相机对叉心组成双目测量，第五线阵相机与第六线阵相机对各自外股轨道检测设计轨底xy向标记Δ精确定位及叉枕漂移测量，作为定点xyz坐标系参考基准并由人工尺引入量值传递、标定静态参数，第五线阵相机与第六线阵相机组成上下股道过车时双目同步扫描、测量轮轴的转向平衡、轴向位移。

5.根据权利要求1所述的全图像铁路道岔在线集成检测方法，其特征在于：在步骤4）中，所述叉枕漂移测量算法为，枕心x向偏移=（dx2-dx1）/2，枕叉中心线沿z轴旋转；枕心y向偏移=（dy2-dy1）/2，枕叉中心偏离轨道中心，枕心z向偏移=（dy2+dy1）/2，叉枕平面偏离z0距离，其中dx、dy分别为x向偏离距离和y向偏移距离。