[发明专利]基于结构光的铁路轮轨接触关系在线监测系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁路轮轨接触关系测量技术，具体是一种基于结构光的铁路轮轨接触关系在线监测系统与方法。

背景技术

轮轨关系是轮轨交通特有的接触关系。机车车辆在运行过程中，车轮相对轨道的位置不断变化，所以轮轨关系是时变的、动态的。由于轮轨接触状态的特殊性和复杂性，利用常规手段(无论是准静态力学分析，还是动力学仿真分析)，都难于对运行中的轮轨接触状态进行观测，并对其做出精确和全面的分析和评估。

理论和试验研究表明，轮轨接触的非线性对高速客车系统的稳定性影响极为敏感。这种非线性因素表现为蠕滑力的非线性变化，而其根源则是轮轨间的非线性几何接触，它对列车的运行稳定性具有直接的影响。特别地，列车在高速运行状态下轮轨间的动态接触关系恶化，加剧了轮轨接触的异常状况，因此，高速运行情况下轮轨接触状态是影响安全运行的非常重要的问题之一。

目前，国内外分析轮轨接触关系的常规方法，仍然是采用测力轮对的动态力学分析方法，即在车轮幅板上贴应变片，测量车轮幅板在轮轨力作用下的应变，得到轮轨作用力。西南交通大学陈建政等(轮轨接触点的在线连续测量，中国铁道科学，2007，v28，n5，p15-18)在常规测力轮对的基础上，通过增加1个电桥感应作用点位置的变化，对电桥的输出进行傅立叶级数分析，建立作用点位置与电桥输出的非线性方程组，得到作用点位置。日本金原等(连续测量轮轨接触位置装置的开发，国外铁道车辆，2006，v43，n3，p31-36)，在车轮辐板承受轴重负荷部位正上方，以及轴另一侧与其对称处，分别开出用于测试轴重的测试孔，在该孔沿辐板厚度方向的两端，贴上4片应变式传感器，构成能够测量孔两端测点的应变，并将两者的差值转换为输出信号的桥式电路，温度补偿后，就可以得到关于轮轨接触位置位移量的数据。由于采用测力轮对确定接触轮轨位置属于间接测量，影响因素很多，测量结果的精度没有保证，准确性和可靠性有待进一步验证。

近年来，国内外一些学者提出一些基于计算机视觉的方法来确定轮轨接触关系。铁道部科学研究院铁建所赵国堂等(图像技术在脱轨研究中的初步应用，铁道建筑，1998，n8，p2-5)采用安置在钢轨内侧摄像设备直接监测轮轨接触区域，并进行初步分析其接触状态。西南交通大学肖杰灵等(轮轨接触几何状态检测装置，中国铁道科学，2008，v29，n4，p141-144)提出一种基于机器视觉技术、光电测试技术和图像处理技术研制轮轨接触几何状态可视化检测装置，安置于一股钢轨内、外两侧的高速摄像机同步获取某一段目标区域内车轮通过时的轮轨接触图像，再通过软件系统进行图像的校正和拼接，从而获得完整的轮轨接触关系图像。最后通过特征识别，获得较完整的轮轨接触关系。由于摄像设备的安装既要考虑良好的摄像角度，以保证捕捉到最佳的轮轨接触状态，又要防止与列车碰撞，因此安装存在一定难度，且监测效果欠佳。西安交通大学的陈建政等(轮轨接触点位置图像检测方法研究，电力机车与城轨车辆，2009，v32，n1，p34-36)采用图像检测的方法，在转向架构架处装置一个CCD摄像机，通过对轮轨图像进行预处理、边缘检测、形态学处理以及边缘链接得到轮轨边缘的轮廓，最终实现轮轨接触点位置的在线连续测。西南交通大学的张渝等(轮轨接触状态可视化检测装置研究及试验，光电工程，2009，v36，n9，p56-60)通过钢轨内外两侧安装的高速摄像机，同步采集列车高速通过特定测量区域时的轮轨接触图像，再利用图像处理算法获得每个采样位置的轮轨外形轮廓，识别出轮轨异常接触状态，计算测量区域的轮轨接触轨迹。西南交通大学的翟婉明等提出“一种铁道机车车辆轮轨动态接触的可视化仿真方法”(CN101051393)，先构建平衡位置处左右侧车轮及钢轨的截面模型，利用车辆-轨道耦合动力学计算方法，计算出列车行驶时车轮垂向、横向、摇头、侧滚、旋转5个自由度的位移，并将其叠加到左右侧车轮；同时计算出左右侧钢轨垂向、横向、扭转3个自由度的位移和线路不平顺所产生的钢轨偏移，将该位移及偏移叠加到钢轨接触截面模型的平衡位置；最后进行装配，将轮轨动态空间接触关系进行二维可视化仿真再现。中国铁道科学研究院基础设施检测研究所的李海浪等提出“一种监测轮轨接触状态的装置及系统”(CN201347528)，该装置包括：摄像单元，用于采集列车的车轮与轨道接触状态的视频信息；线路信息获取单元，用于获取列车的线路信息；线路信息包括线路名称、和/或里程、和/或行驶速度。处理单元，用于将采集的视频信息与获取的线路信息叠加。视频信息传输单元，用于向视频监视设备传送叠加线路信息的视频信息。