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1、XX铁道科学研究院研究报告GJ-3型和GJ-4型轨距轨向检测装置的研制XX基础设施检测中心1院总编号： 2中心编号： 3参加单位目录号：4报告题目： GJ-3和GJ-4型轨检车轨距轨向检测装置的研究5报告日期： 05年3月6项目编号：7项目组长或作者：作者：8合同编号：9项目组成员：10报告类型： 研究报告11密级：非密12关键词：轨检车、轨距、轨向、检测模型、图像处理13主编：14内容摘要：GJ-3和GJ-4型轨道检查车是为检查轨道病害、指导线路维修、保障行车安全而研制的大型动态检测设备。该设备的轨距轨向测量装置采用安装于轴箱上的轨距吊梁方式，其安全性及可靠性方面不能满足铁路大提速的要求，为
2、此XX科技司设立了该装置的研究项目。项目组在大量调研的基础上，采用了当今国际在该领域内的先进技术，以钢轨断面图像检测方式，实现轨距轨向的实时测量。本文系统地论述了该装置的检测模型、基本原理、图像处理的基本方法及采用FPGA数据处理芯片实现系统集成，并以郑州局DJ998416轨检车为试点进行的改造工作。在对轨距-轨向检测系统进行改造的同时，检测中心同时对此车的波形显示、编辑与打印报表等数据处理系统进行了全面升级，经系统调试、验收，轨检车于2003年12月底交付郑州局使用。15项目完成单位：XX基础设施检测中心 地 址： 邮 编：16项目组长(签字)17中心学委会主任(签字)18主管主任(签字)
3、技术报告文件专页GJ-4型轨检车轨距-轨向系统改造目 录1. 国内外轨检车现状11.1 国内轨检车概况11.2 国外轨检车轨距轨向检测系统22. 轨距轨向检测装置研制的必要性与实现目标33基本原理43.1 轨距检测系统基本原理43.1.1 坐标变换63.1.2亮带细化103.1.3图像处理103.1.4 系统标定173.1.5 系统构成183.2 轨向合成原理233.2.1 利用GJ-4型车原有惯性系统合成轨向243.3 数据采集和处理系统333.3.1 数据采集和处理系统总体结构333.5.2 数据处理系统344. 转向架部分改造方案394.1 适应新轨距-轨向检测系统的改造394.2 建议
4、对转向架的进一步改造435. 系统测试与性能检验475.1 系统精度检验475.2 系统重复性检验485.3 系统长途稳定性检验516. 结束语52附件1 GJ-4型轨检车轨距轨向改造内容531中国铁道科学研究院GJ-3型和GJ-4型轨距轨向检测装置的研制GJ-3型和GJ-4型轨距轨向检测装置的研制近年来GJ-3型和GJ-4型轨道检查车被广泛应用于线路检查工作，对保证铁路运输安全和提高旅客列车的平稳舒适性均发挥了重要作用。但GJ-3和GJ-4型轨检车的轨距-轨向测量装置采用安装于轴箱上的轨距吊梁检测方式在安全性及可靠性方面不能满足铁路大提速的要求，为此XX运输局下发运基设备2000312号文要
5、求对GJ-4型轨检车的轨距-轨向系统进行改造。检测中心开始对“新型轨距、轨向检测系统”的技术展开研究，并在高速图像处理的关键技术方面形成突破，实现了采用摄像技术实时检测轨距、轨向的功能。同时对GJ-4车的波形显示、编辑与打印报表等数据处理系统进行了全面升级，经系统调试、验收，于2003年12月底交付郑州局使用。1. 国内外轨检车现状1.1 国内轨检车概况目前国内轨检车轨距、轨向测量装置大量采用安装于轴箱的轨距吊梁式检测系统。随着我国铁路运行速度不断提高，一方面轨检车的检查密度增加，运营更加频繁；另一方面轨距吊梁工作环境恶化，承受的振动和冲击加大；使轨距吊梁运用中存在安全隐患，一旦发生断梁事故，
6、不仅中断检测工作，而且严重影响行车安全。同时检测速度提高后，轨距吊梁相对于安装基准的振动位移加大，造成轨距、轨向测量准确性显著下降，甚至有时无法检测，严重影响了线路检查工作。据不完全统计，目前，大部分GJ-4型轨检车检测速度达到120公里/小时后，由于轨距吊梁的振荡，轨距轨向无法正常检测。少数轨检车，如998386和998387轨检车，在速度达到105公里/小时后，轨距吊梁就开始振荡，导致轨距轨向无法检测。实际上，从1997年开始，随着检测速度的提高，陆续发生了北京局97990、部97623、成都局97738、乌鲁木齐局97742轨检车断梁事故，采用该种检测方式的GJ-4型和GJ-3型轨检车存
7、在的安全隐患不能小视。而且，为防止断梁事故，一般列车运行10万公里要更换检测梁，但这只是解决安全隐患的补救措施，不能从根本上解决问题。同时随着列车运行速度的提高，维护检测精度的难度增加，维修工作量大大增加，在快速线路检查中，经常出现因来不及维修而出现漏检现象。因此，有必要采用新技术对原有装备进行改造，以提高轨道检测系统的可靠性，满足铁路提速后对线路质量状况监测的要求。1.2 国外轨检车轨距轨向检测系统上世纪80年代以来，通常采用一维光电位移传感器，为满足测量系统的定位要求，安装基准一般选择在以轮对为刚体的结构上。如美国ENSCO公司T10系列轨检车、德国轨检车等，从测量原理角度来看，测量链的简
8、捷有助于提高测量系统的精度。但是，随着检测速度的提高，轮轨作用力的增大，轴箱的振动随之增大，工作环境的恶劣束缚了检测系统的性能。随着传感器技术及计算机技术的发展，开始采用二维光电位移传感器，如面阵CCD、PSD、CMOS芯片等。较为典型的系统如美国Imagemap公司的Laserall系统及日本“黄色医生”轨检车。前者采用线型激光光源、摄像机、图像处理系统，通过对钢轨断面轮廓图像的测量获得轨距、轨向测量值。后者采用线型激光光源、二维PSD敏感器件、信号处理系统，通过系统结构确定的几何关系获得到被测点的测量值。因此，上世纪90年代末期，满足于更高精度和检测速度的激光和摄像技术获得应用并逐步取代了
9、原有的其他检测系统。目前，当今世界高速铁路发达的国家，激光和摄像检测技术获得了广泛的应用，而且，已成为目前世界上轨道检测系统的主流。如日本、美国、法国、德国、意大利等 ，均不同程度采用了该检测技术，从而提高了系统检测速度、精度和可靠性。2. 轨距轨向检测装置研制的必要性与实现目标鉴于GJ-3型和GJ-4型轨检车轨距轨向系统安全性的缺陷和其较高的故障率，该检测子系统的更新换代成为当务之急。本项目的主要研究目标采用国产的轨距轨向子系统集成到现有国内大量使用的GJ-3型和GJ-4型轨检车的检测系统中。借鉴国外的先进经验，研制出摄像方式的轨距、轨向测量系统。同时，随着现代社会数据处理手段和信息化程度的
10、不断提高，原有GJ-3型和GJ-4型轨检车的数据处理系统已无法适应当前铁路“提速、高速、重载和信息化”的要求。具体表现如下：（1）由于GJ-4型轨检车检测系统采用热敏绘图仪输出检测波形，热敏绘图仪属进口产品，维修成本很高，很难提供及时的零配件供应；热敏绘图纸的成本远远高于普通的复印纸，而且用绘图纸记录检测波形，工作人员在查找线路病害、进行两次数据对比，以及对检测波形图进行保存等方面很不方便。（2）由于现有的GJ-4型轨检车数据处理系统采用的操作系统为QNX，采用命令行进行超限编辑，用数据文件对检测数据进行存储。用户在操作和维护等方面存在很多不便，同时也很难对其数据进行查询、分析和再利用。大大束
11、缚了利用轨检车数据进行综合分析，从而科学、有效指导养护维修线路的能力。因此，为提高轨检车的数据处理水平，提高轨检行业的信息化程度，拟对轨检车系统进行如下改进工作：在windows2000系统下编写波形图显示打印软件，实现功能包括：用计算机实时存储、显示、打印波形图，可进行波形图准确测量，实现当前检测数据与历史数据进行波形对比，综合比较分析轨道变化原因等功能，取代原有的热敏波形绘图仪。在windows2000系统下编写超限编辑软件，实现原有GJ-4型轨检车的所有功能，如超限编辑和报表输出。同时将轨道检测相关数据存储在轨道管理数据库中进行管理和利用，并保证各种型号轨检车数据库格式的统一。改造后的轨
12、检车超限数据库采用通用数据库方式，便于检测数据的再利用并与新型轨检车一致，可下载到检测中心正在建设的检测数据中心数据库，打印表格规范统一。3基本原理3.1 轨距检测系统基本原理该装置采用图像测量技术，由摄像传感器获取钢轨断面轮廓图像，对该图像进行实时处理，从而得到钢轨上被测点的空间位置信号。该方案又分为机器视觉方案和激光测距方案两种。激光测距方案成本高，技术难度大。我们采用机器视觉方案并配备一套带状结构光源照明系统，所以又称为光取断面法。其结构原理如图1所示：激光光源摄像头轨向加速度计 图1 在理想情况下，用光源照亮被测物体的断面轮廓线，用摄像机采集断面垂直方向的图像，即可提取断面轮廓图像。但
13、这种理想情况是无法实现的：首先，被测物体表面被照亮的部分不是厚度为零的亮线，而是有一定厚度的亮带。其次，由于现场安装条件所限，不可能在断面垂直方向安装摄像机，只能从斜侧方向采集图像。因而我们必须解决两大问题：一是必须找到亮带的中心线，二是对图像进行几何矫正。钢轨断面检测系统的光机配置如图2所示，系统工作原理框图如图3所示。各方框的功能介绍如下：图像采集：调用图像卡库函数，将视频图像采集到计算机内存。图 2 图3亮带搜索：亮带图像只占视频图像的一部分。为提高处理速度，应根据亮带的某些特征，提取出亮带图像的上下左右边界，用窗口套住亮带图像，只处理窗口内的图像，不处理窗口外的图像。图像处理：包括低通
14、滤波，中值滤波，灰度校正，直方图均衡，二值化，分区标号等。亮带细化：目的是找出亮带的中心线。有两种方法：一是二值图像的细线化算法，包括细线化，消除短枝和间隙等。二是灰度图像的细化算法。坐标变换：目的是对图像进行几何校正。数据处理和数据库：将实测轮廓线与标准轮廓线进行比较，并测量其左、右轨距的偏差值。图像库：压缩存储视频图像。系统标定：在亮带细化和坐标变换中，通常有八个参数需要确定，系统标定就是要得到这些参数。为了在工作中参数保持不变，光源与摄像机应安装在一个坚固构件上，使其相对几何位置保持不变。光源照射平面应与钢轨纵轴保持垂直。作到上述两点，既能保证标定参数不变。3.1.1 坐标变换摄像传感器
15、的物像共轭关系如图 4所示，E为物平面（地平面），P为像平面（CCD光敏面），S为投影中心（物镜的物方节点和像方节点合二而一）。P平面与E平面相交于迹线TT (又称为透视轴)。过S点作P平面的垂线，与P平面相交于像主点o,与E平面相交于o的相应点O,即为物镜的主光轴,So即为物镜的主焦距f。过S点作E平面的垂线，与 P平面的交点为像底点n，与E平面相交于N，SN为物镜的物距H。包含主光轴SO和铅垂线SN的平面W为主纵面（又称为主垂面）。W与E平面的交线VV为摄影方向线。主光轴SO和铅垂线SN的夹角为相片倾角。W与P平面的交线vv与相片坐标系y轴的夹角k为相片旋转角。在主纵面内过S点作倾角的平分线，与像平面P的交点为等角点c，在E平面上的相应点为C。过S作直线平行于VV，与P平面相交于主合点i. 过S作直线SI平行于vv，与E平面
