铁路轨道参数的光电测量系统设计

陈光伟，李春亚

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451460)

铁路轨道参数的光电测量系统设计

陈光伟，李春亚

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451460)

随着我国铁路向高速重载的方向发展，列车对轨道的要求越来越高，目前我国铁路轨道参数测量采用的是弦线测量法。在对当前轨道参数测量系统的不足进行分析的基础上，构建一个基于嵌入式处理器的数字化系统，采用高亮度光源作为测量点，结合线阵CCD的成像特性，完成轨道测量系统的数字化处理，并通过网络完成与上位机的通讯。该光电测量系统实现了对轨道参数的高精度、高速率的实时测量，同时也对线路捣固未来的发展起着积极作用。

轨道；正矢；CCD；捣固车

轨道质量直接影响铁路运输的安全和效率，随着我国铁路向高速化、重载化的方向发展，列车对轨道质量的要求越来越高。 轨道的各个参数(包括轨距、水平、高低、轨向、三角坑、曲线超高与正矢等)直接影响着铁路线路养护的质量[1]，轨道参数的精度测量是否符合要求至关重要。目前，我国铁路的养护已经进入了大型养路机械化施工阶段，作为线路养护主要机型之一的抄平起拨道捣固车，其轨道参数的测量系统也面临着新的挑战。

1 传统的轨道参数测量方法

抄平起拨道捣固车现有的轨道参数测量系统基于三点法或四点法的偏差检测原理[2]，该系统的检测机构示意图如图1所示。捣固车在作业时，通过车辆底部的4个检测小车加载到左右两股钢轨上，在检测小车A、D之间张紧一根钢丝弦线作为检测基准。作业时，弦线穿过检测小车B、C上测量传感器的拨叉来测量线路矢距值等参数。采用三点法检测时，测量钢丝弦线在小车B处被卡于传感器的中部，此时通过C点小车上的矢距传感器对线路的实际矢距进行测量，线路理论矢距需要人工输入给定，C点的测量矢距值与理论矢距值的差值为方向检测偏差。采用四点法时，B点小车的测量矢距值为该处线路矢距的理论值，该值通过一定的比例关系与C点小车上的测量矢距值进行比较，其差值即为方向检测偏差。

图1 轨道参数检测机构

这种传统的钢丝弦线测量法存在着测量精度低，钢丝易磨损，抗振动环境差等缺点，已难以有效提升捣固车的作业精度。

2 轨道参数光电测量系统组成

2.1 与传统测量方法的比较

捣固车轨道参数光电测量系统仍采用三点法或四点法的偏差检测原理，但该系统是基于计算机视觉测量原理，采用光学测量的方式，用光路来代替钢丝弦线，几个关键测量点位置用光源来替代。采用这种光电视觉测量方法可以克服钢丝磨损后产生系统测量误差的缺点，极大地提高轨道参数测量的精度和速度。同时，由于其测量速度快，可以进行多次测量，基于数字处理的方法对数据分析和处理后给出最终的测量值，减小了环境振动等因素对测量结果的干扰。

2.2 光电测量系统的工作原理

捣固车光电测量系统由光源单元和测量单元组成。光源单元提供用于测量的高亮度光源，是测量的标志点；测量单元采集光源图像[3]，计算出光源标志点相对于测量基准点的位置信息，是测量的核心部件。

光电设备安装于车辆底盘，检测系统仍由4台检测小车组成，如图2所示。光学测量器件CCD相机安装于C点小车上，另外3个小车上分别装有高亮度光源A点，B1、B2点，D点。点光源通过柱面的透镜配合线阵CCD进行光源图像采样。被测点沿车行方向与C点距离的变化由编码器提供。成像系统通过两个分别与水平面左右倾斜45°的柱面镜将点光源成像为左右倾斜45°的光条纹，而两个线阵CCD与柱面镜方向垂直布置。根据两个方向的光条纹与对应线阵CCD的交点，可以计算出被测点光源与C点的相对精确位置，进而计算出C点位置轨道的正矢、超平、超高等线路参数[4]。

图2 光电测量系统组成

3 光电测量系统的控制系统设计

3.1 控制结构

光电测量控制系统主要用于捣固车作业期间实时测量铁路轨道参数。由于捣固车作业环境存在振动，对正矢、超平、超高等线路参数的采集要实时进行，利用线阵CCD的成像特性[3]，将各检测点的位置信息通过CCD成像，把光信号转换为电荷信号，经过信号处理电路转化为数字信号，传输给CPU处理。系统的控制结构框图如图3所示。

图3 控制结构框图

系统中的点光源为高亮度光源，通过485总线线缆与测量系统相连，若光源在工作过程中出现故障，可非常方便地用备用光源进行替换。替换前，需要在上位机中单独对该光源进行地址修改。图像传感器芯片选用Toshiba公司的高灵敏度线阵CCD芯片TCD1500C，其测量精度高，分辨率高，内置有驱动和采样保持电路，可以直接输出除了调幅脉冲成分的图像信号。CCD只需要SH、Φ、RS等3路驱动信号，信号处理系统主要用于对线阵CCD[5]的输出信号进行数字化处理以方便嵌入式处理器处理。控制系统中的嵌入式处理器选用TMS320F2812，它是TI家族C2000系列中的高档产品，广泛应用于测试、信号处理、通讯等大运算量的领域，并且具有SP、SPI、DMA、PCI、USB接口，也可以与上位机和下位机通讯，具有如下主要特点：

(1)高性能的32位CPU，哈佛总线结构，极快的中断响应和处理能力。

(2)3.3 V编程电压，低功耗设计，且具有3种低功耗模式。

(3)运算速度快，时钟周期为6.67ns，指令丰富，适于复杂控制算法。

(4)片内集成128K*16BitFlashEEPROM，18K*16BitRAM。

(5)高达56个可配置通用目的I/O引脚。

(6)片内集成3种通信接口，包括CAN控制器、SPI、SCI。

(7)片内集成16通道的12位高速模数转换模块。

嵌入式处理模块主要用于处理4路图像输入，同时位移传感器信号和前后电子摆信号也输入嵌入式处理模块。嵌入式处理模块完成数据输入、图像预处理、坐标计算的工作，并通过网络端口以UDP协议向上位机发送结果。在上位机的软件中设计有相应的界面和接口，可进行参数设置、状态查询、结果测量，包括：

(1)基本信息：工作模式(三、四点法)，加载方式(左、右加载)。

(2)曝光时间：各个相机的曝光时间可以单独设定，但设定值必须在11～255之间。

(3)通信参数：端口和IP地址等信息。

(4)发送模式：包括发送速率和滤波方式等。

(5)拓展查询：用于查询拓展参数。

(6)标定轨道参数：可以用于标定轨道参数的信息，包括初始轨道参数偏移量、轨道计算参数和修正量等。

3.2 光电测量系统的电气接口

在电气连接上，我们将光电测量系统分为3个部分。第一部分是测量箱，它包含整个嵌入式处理模块和线阵CCD，是整个图像采集和测量系统的核心。在测量箱箱体侧面有4个航空插头，主要用于AD转换、系统调试、系统电源、网络通信。其中，AD插头可输入4路传感器模拟信号，用于位移传感器和2个电子摆信号，以及预留1路输入；网络通信主要通过双层屏蔽四芯网线连接上位工控机。第二部分为电源盒，包括电源的输入和输出，2个DC/DC隔离电源。它不仅向测量箱供电，还承担外部传感器的供电，同时通过485通信线缆连接外部光源。第三部分是点光源，系统中独立的4个点光源与测量箱通过电源盒实现电气连接，共同组成485串行通信网络，当出现点光源故障时可方便更换备用光源。

4 结语

轨道参数光电测量系统作为捣固车的核心部件之一，可安装于步进式、连续式和道岔捣固车上，可在捣固车静止、走行和捣固作业期间实时测量铁路轨道参数。采用光电测量系统的捣固车具有作业质量好、运行效率高、车辆结构简单、可维护性好的优点，是铁路捣固车的发展方向。

[1]张念淮，李勇.高速铁路线路轨道维修技术的探讨[J].郑州铁路职业技术学院学报，2015,27(4):1-3 .

[2]傅文智,毛必显.抄平起拨道捣固车[M].北京：中国铁道出版社, 2010:01.

[3]邱有森.集成多路独立光源控制的图像采集系统设计[J].通讯世界，2016(13):239-240.

[4]张念.铁路轨道几何不平顺趋势预测的关键算法研究[D].成都：西南交通大学，2015.

[5]雷阳阳，程维明，何康华.基于线阵CCD的图像采集系统设计[J].计算机测量与控制,2016,24(11):215-218.

[责任编辑：赵 伟]

Design of Photoelectric Measuring System on Track Parameters

CHEN Guangwei， LI Chunya

(Zhengzhou Railway Vocational and Technical College,Zhengzhou 451460,China)

With the development of the highspeed and heavy haul railway,the quality requirement of railway track is higher and higher.Up till now, the method for measuring the parameters of railway track is chord measurement. According to measurement and analysis of the current orbit parameters, we use high brightness light source as a measurement point, in combination with the linear CCD imaging features, completed the orbit measurement system of the digital processing, and through the network to complete the communication with PC, a digital system is designed to realize the high accuracy and real time measurement， which plays an active role in the further development of the tamping train.

track;versine;CCD;the tamping train

2016 -09 -29

陈光伟(1983—)，男，河南漯河人，郑州铁路职业技术学院机电工程系讲师，研究方向为机电控制技术。 李春亚(1988—)，女，河南周口人，郑州铁路职业技术学院机电工程系助教，研究方向为机械工程技术。

TP29

A

1008-6811(2017)02-0003-03