基于面投射踏面磨损测量预警系统研究

周子强 王睿 葛畅

摘 要：目前，轮对综合参数自动测量装置的研制已成为我国数字化铁路的一个主要研究方向，开发出安全性高、测量速度快、精度高的车辆轮对动态检测系统已经成为实际轮对检测工作中的迫切需求。为能够有效推动我国高速列车的进一步快速发展，本文提出了基于面投射踏面磨损测量预警系统，具有重要意义。

关键词：面投射;踏面磨损;测量预警系统

0 引言

如今，轮对综合参数自动测量装置的研制已成为我国数字化铁路的一个主要研究方向，开发出安全性高、测量速度快、精度高的车辆轮对动态检测系统已经成为实际轮对检测工作中的迫切需求。基于上述发展背景，本文旨在利用激光照射投影，利用图像处理技术将所得影像与标准轮对踏面进行对比，以最终判断轮对损耗情况这一基本原理，设计开发包含列车速度检测、图像信息采集、中央信息处理和踏面磨损预警四大模块的高速车辆轮对检测系统设备，从而推动我国高速列车的进一步发展，同时为“交通强国”建设助力。

1 国内外研究现状

目前，国内外学者的大量研究主要集中在列车轮对磨耗监测及预测方面，对于轮对综合参数的检测方法可以分为静态检测和动态检测。

1.1 静态检测方法

车辆轮对静态检测技术是指铁路车辆的轮对在检修过程中，从车辆上卸下，用相应的检测仪器或装置进行测量，此种方法虽然精度较高，但是效率很低。国内外静态检测方法主要包括专用卡尺法 、基于平行四边形机构的轮对自动测量装置等。

1.2 动态测量方法

动态检测是指在车辆行进时进行的测量，具有精度稳定、效率较高、检测自动化程度高和不占用车辆周转时间等优点。国内外动态测量方法主要包括超声遥测检测装置、加速度峰值评法、基于图像的自动检测方法等。

2 基于面投射踏面磨损测量预警系统分析

本项目从操作方便性、安全性、测量速度、测量精度等方面出发，对高速列车轮对动态检测系统展开研究，针对目前高速列车轮对人工检修方法存在的问题我国铁路部门环境特点，以及轮对综合参数自动测量装置的研制进程进行分析，以此进行测量方法的不断修正，从而开发出一套真正适应于高速列车实际运行情况下的基于面投射踏面磨损测量预警系统。

本项目包含列车速度监测模块、轮对踏面监测的图像信息采集模块、中央处理模块和踏面磨耗预警模块。其中，基于面投射踏面磨损测量预警系统的模塊示意图，如图1所示。

2.1 系统模块

2.1.1 列车速度监测模块

拟用速度传感器采集列车速度，列车运行系统内设有速度阈值，该阈值为查阅资料所得列车进站时速度限制，当监测到列车速度等于或低于此值时，轮对状态监测系统开始工作。

2.1.2 图像信息采集模块

该模块包括平行激光束、接收屏和摄像头，由安装在转向架上的接收屏获得平行激光束照射后得到的踏面轮廓投影，再由摄像头采集得到踏面轮廓曲线图像并通过线路传至中央处理模块。

2.1.3 中央处理模块

轮廓曲线图像由树莓派保存，通过轮廓提取算法处理得到真实踏面轮廓曲线，以标准的踏面轮廓曲线作为对比曲线，以上为图像预处理阶段，轮廓对比阶段将两曲线通过形状匹配算法处理，得到相应的标准偏移量、匹配度等匹配参数，从而得以分析磨耗情况。

2.1.4 踏面磨耗预警模块

由中央处理模块最终的分析结果判断是否作出预警处理，预警信息发送至驾驶室显示屏及有关维修管理人员处。

2.2 系统的工作原理

基于面投射踏面磨损测量预警系统的工作原理为：第一，使用平行激光源沿车轮踏面切线方向照射车轮踏面，在另一侧接收屏上得到车轮踏面轮廓二维投影曲线，该曲线反映踏面轮廓的真实形状;第二，使用树莓派作为移动信息处理平台，高分辨率摄像机作为信息采集设备，对投影得到踏面轮廓曲线进行拍摄、储存;第三，使用去噪技术、轮廓提取技术处理踏面轮廓曲线图片，以车轮径向为纵坐标，得到在平面坐标系下踏面轮廓曲线的点集;第四，通过对相机的标定，计算轮廓曲线的实际参数;第五，根据标准得到与前述轮廓表示方法相同的标准踏面轮廓曲线的表示;确定系统误差的影响，制定踏面轮廓曲线偏差阈值;第六，计算实际踏面轮廓曲线与标准曲线纵坐标方向的偏差，各点偏差、平均偏差等参数与阈值对比确定踏面磨损情况，根据情况制定相应的应对方案。

通过有效运用基于面投射踏面磨损测量预警系统，能够有效解决动车车轮踏面参数的非接触测量、磨损情况的实时监测。其中包含：第一，踏面轮廓曲线各点坐标的精确计算;第二，分析列车行驶过程中不可避免的震动影响，分析采集图像中边缘色彩不明确的影响;第三， 控制图像采集区域光照环境，保证图像采集设备的工作环境;第四，分析图像中边缘色彩不明确带来的系统误差;第五，合理控制采样时间间隔，实现车轮圆周上各采样点的均匀分布。

2.3 系统创新点与特色

基于面投射踏面磨损测量预警系统的创新点与特色，主要包括：

第一，多样性，即采用多种设备和融合多种算法，轮对踏面图像监测具有快速、高精度、实时和非接触式的特点，且具有较强的抗干扰性; 第二，直接性，即本研究的车轮踏面形状获得方法直接，并对其进行细化处理，能得到更为准确的图像信息; 第三，低成本，即本系统研究采用的设备成本较低、同时本系统节约了大量的管理时间及费用，符合铁路部门当前自动化管理的发展趋势; 第四，及时性，即在判断依据方面，本研究采取定量分析方法，通过形状匹配算法快速获取相对于正常轮对的匹配参数，分析判断及时性高; 第五，精准性，即本研究考虑到了列车运行时轮对与转向架间相对位移的影响，通过图像识别中的插值处理抵消车轮振动的影响，使得检测结果更为精准，能够及时预警; 第六，方便性，即本系统的图像提取设备装于转向架上，图像信息直接通过线路传输到中央处理设备，使用和管理更为方便。

2.4 系统运用的预期效果

基于面投射踏面磨损测量预警系统运用的预期效果，主要包括：第一，激光光源平行度好、光照方向与车轮切线平行度误差小;第二，接收屏上成像清晰、无外界环境光影响;第三，所得踏面轮廓曲线图像边缘清晰;第四，图像采集设备定位准确;第五，实现快速的、高精度的、非接触的、实时的、抗干扰性强的车轮踏面参数检测及磨损情况分析，实时保证列车行驶条件，帮助制定修程，帮助分析车轮磨损原因。

3 小结

综上所述，本文提出的基于面投射踏面轮廓的检测方法，相对于大多数线型激光检测方法有着更高的检测精度，将得到的轮廓曲线与标准轮廓曲线对比，数据处理更为简便，能够更快得出检测判断结果。

参考文献：

[1]陶汉卿，蔡煊，周咏.基于变权组合模型的地铁车辆车轮踏面磨损预测[J].城市轨道交通研究，2020（6）：58-62.

[2]宋腾，张凤生，任锦霞.直射式激光位移传感器光束入射角对测量精度的影响[J].机械，2020（2）：37-41.