基于線陣CCD的線路方向測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)

摘要：該系統(tǒng)硬件設(shè)備采用長距離準(zhǔn)直激光光源、CCD圖像傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、系統(tǒng)終端PC等器件，利用線陣CCD測(cè)量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、多信息傳感融合技術(shù)等高新技術(shù)，能夠?qū)﹁F路路軌區(qū)段(長度≤200m)軌道幾何形狀進(jìn)行高精度檢測(cè)，將線路軌向測(cè)量結(jié)果直接數(shù)字化顯示，為線路設(shè)備維修提供可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，解決了既有，方法測(cè)量精度差、效率低的問題，能滿足鐵路工務(wù)系統(tǒng)作業(yè)要求、提高作業(yè)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：線陣CCD；旋轉(zhuǎn)編碼器；準(zhǔn)直激光

1 系統(tǒng)概述
    隨著鐵路列車的不斷提速，鐵路軌道在列車的動(dòng)力作用下，變形不斷積累。曲線軌道的受力情況比直線軌道復(fù)雜，變形較快。一種最常見的表現(xiàn)方式為曲線軌道方向的錯(cuò)亂。為確保行車的平穩(wěn)和安全，必須要定期檢查曲線軌道的方向，及時(shí)把它整正到原來的設(shè)計(jì)位置，并恢復(fù)其原來的曲率。
    整正曲線的方法很多，目前在鐵路維修工作中，最常用的是繩正法，它利用曲線上正矢與曲率之間的關(guān)系，改正正矢，使之恢復(fù)原有的設(shè)計(jì)曲率。但采用繩正法時(shí)，長弦線不易拉直，人工對(duì)直尺讀數(shù)誤差較大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，精度不高。隨著列車速度的提高，對(duì)鐵路曲線軌道方向的要求越來越高，因此很有必要研制一種快速、便捷、智能化、高精度、基于線陣CCD的線路方向測(cè)量系統(tǒng)。

2 國內(nèi)現(xiàn)狀及系統(tǒng)建設(shè)的必要性
2．1 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀
    目前，國內(nèi)對(duì)線路方向測(cè)量的現(xiàn)有方法：
    一是通過軌檢車、添乘儀的打分，但里程不準(zhǔn)確而且沒有量化的偏差值；
    二是工人現(xiàn)場(chǎng)對(duì)直線地段進(jìn)行目測(cè)，曲線地段采用繩正法測(cè)量正矢，效率低、精度差；
    三是在特殊區(qū)段采用水準(zhǔn)儀定線穿焦點(diǎn)的方法測(cè)量方向，操作復(fù)雜，效率較低。
2．2 系統(tǒng)建設(shè)的必要性
    隨著鐵路第六次大提速的結(jié)束，中國正式走向高鐵時(shí)代。行車速度已有很大的提高，即對(duì)既有鐵路線路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有了更高的要求，尤其是對(duì)既有鐵路曲線的維修提出了更高的要求。同時(shí)原來的鐵路線路維修方式日益被機(jī)械化維修所取代，尤其是大型養(yǎng)路機(jī)械的廣泛使用，這就要求維修人員改變觀念，改變傳統(tǒng)的維修方式，運(yùn)用機(jī)械化進(jìn)行線路維修養(yǎng)護(hù)，特別是線路方向維修養(yǎng)護(hù)。
    隨著鐵路提速、重載的不斷發(fā)展，鐵路軌道受到列車的沖擊力越來越大，引起線路在水平和豎向方向的變形也相應(yīng)增大，變形積累到一定程度就會(huì)引起列車晃車，嚴(yán)重影響旅客乘坐舒適性和列車運(yùn)行安全。因此，鐵路部門工務(wù)段一直把線路方向整治和消滅三角坑作為線路維修的重點(diǎn)。但目前現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)只能采用目測(cè)和繩正法進(jìn)行測(cè)量，效率較低且精度不高，難以滿足鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，因此，研制開發(fā)一種快速、便捷、智能化、高精度、基于線陣CCD的線路方向測(cè)量系統(tǒng)是十分必要的。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
    研究一種可在鋼軌上移動(dòng)的基座，一端安裝準(zhǔn)直激光光源，一端安裝CCD測(cè)量裝置，測(cè)量時(shí)安裝準(zhǔn)直激光光源的基座固定，安裝CCD測(cè)量裝置的基座沿鋼軌移動(dòng)，通過安裝在移動(dòng)基座上的編碼器測(cè)量距離，CCD通過光學(xué)系統(tǒng)接收編碼標(biāo)尺的像素位移信號(hào)，并將編碼器測(cè)量的1 m(或任意設(shè)定值)整數(shù)倍位置的像素位移信號(hào)進(jìn)行記錄，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)把像素位移信號(hào)進(jìn)行二值化處理后，將被測(cè)目標(biāo)的中心值從背景中分離出來。從而得到目標(biāo)相對(duì)CCD中心像元的偏離值。將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至終端PC進(jìn)行分析計(jì)算，判斷線路的方向并給出偏差量。
    其關(guān)鍵技術(shù)為：
    (1)CCD測(cè)量裝置的選擇和控制；
    (2)編碼標(biāo)尺的設(shè)計(jì)和制作；
    (3)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究；
    (4)編碼器精度的控制；
    (5)基座的設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)及主要研究內(nèi)容
4．1 主要目標(biāo)
    (1)研制開發(fā)一種快速、便捷、智能化、高精度、基于線陣CCD的線路方向測(cè)量裝置。要求便攜、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、適用性強(qiáng)。
    (2)自動(dòng)完成測(cè)量作業(yè)，測(cè)量過程自動(dòng)化，減少人為因素干擾，測(cè)量結(jié)果可在屏幕顯示并儲(chǔ)存，如測(cè)量過程中出現(xiàn)異常，可給出提示并顯示異常的原因。
    (3)測(cè)量精度小于1 mm。
4．2 主要研究內(nèi)容
    基于線陣CCD的線路方向測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)量裝置的測(cè)量原理是在鋼軌上架設(shè)線路方向測(cè)量裝置，線路方向測(cè)量裝置由光學(xué)系統(tǒng)(準(zhǔn)直激光光源)、線陣CCD相機(jī)、圖像采集電路、信號(hào)處理電路、控制及顯示電路、軟件等組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

    在待測(cè)點(diǎn)固定線路方向測(cè)量裝置，編碼標(biāo)尺作為測(cè)量目標(biāo)，通過安裝在移動(dòng)基座的編碼器測(cè)量移動(dòng)的距離，在距離測(cè)量裝置1 m(或任意設(shè)定值)整數(shù)倍位置分別對(duì)測(cè)量目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，編碼標(biāo)尺通過線路方向測(cè)量裝置的準(zhǔn)直激光光學(xué)系統(tǒng)在光敏面元上形成光學(xué)圖像(如圖2)。

    CCD器件將光學(xué)圖像輸出，得到被測(cè)對(duì)象的視頻信號(hào)。視頻信號(hào)處理電路對(duì)CCD輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行二值化處理后，將被測(cè)目標(biāo)的中心值從背景中分離出來。從而得到目標(biāo)相對(duì)CCD中心像元的偏離值。
    5 m、10 m、15 m處等距離的偏離值經(jīng)過相減，即可得到該段軌道線路的方向偏移量。
    本系統(tǒng)測(cè)量裝置主要由光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)、距離測(cè)量系統(tǒng)、可移動(dòng)基座、計(jì)算處理系統(tǒng)、管理系統(tǒng)組成。
    (1)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)
    光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)由CCD成像儀和編碼標(biāo)尺組成(見圖3)。

    在測(cè)量工作開始前，CCD成像儀通過固定基座固定于待測(cè)鋼軌起點(diǎn)處，將編碼標(biāo)尺通過移動(dòng)基座固定鋼軌上，通過控制按鈕使編碼標(biāo)尺成像于CCD上，移動(dòng)條碼標(biāo)尺，再次通過控制按鈕使條碼標(biāo)尺成像于CCD，再移動(dòng)，再次成像……以此類推?？刂葡到y(tǒng)自動(dòng)計(jì)算編碼標(biāo)尺在5 m、10 m、15 m……處距離的偏離值，經(jīng)過相減，即可得到該段軌道各測(cè)點(diǎn)處的正矢量。
    (2)距離測(cè)量系統(tǒng)
    距離測(cè)量主要靠安裝在基座車輪上的編碼器實(shí)現(xiàn)，編碼器與車輪同軸安裝。通過車輪半徑(周長)和編碼器的旋轉(zhuǎn)輸出脈沖即可計(jì)算出基座的行走距離。
    (3)移動(dòng)和固定基座
    基座主要用來固定CCD成像儀和編碼標(biāo)尺。必須滿足快捷安裝要求，并保證CCD成像儀和條碼標(biāo)尺距鋼軌內(nèi)側(cè)頂面下16 mm處有相同距離。
    (4)計(jì)算處理系統(tǒng)
    能夠根據(jù)輸入的特定值(如1 m、5 m等)的整數(shù)倍距離，控制CCD成像儀對(duì)編碼標(biāo)尺的圖像進(jìn)行采集、并對(duì)圖像進(jìn)行分析，計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的正矢值進(jìn)行儲(chǔ)存和顯示。
    (5)管理系統(tǒng)
    根據(jù)圓曲線和緩和曲線計(jì)劃正矢的計(jì)算，編制計(jì)算機(jī)程序，能夠根據(jù)輸入的曲線軌道特征值計(jì)算出曲線軌道各處正矢值并與測(cè)量值進(jìn)行比較，計(jì)算撥量值。

5 系統(tǒng)上線試驗(yàn)結(jié)論
    該系統(tǒng)在太焦線的三個(gè)曲線段上多次試驗(yàn)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果用繩正法進(jìn)行復(fù)核，效果良好。
    實(shí)際應(yīng)用表明：針對(duì)鐵路曲線測(cè)量現(xiàn)狀研制的“基于線陣CCD的線路方向測(cè)量系統(tǒng)”總體思路符合鐵路工務(wù)部門大中修規(guī)范的要求。檢測(cè)操作便捷、精度高，可以避免繩正法在風(fēng)力較大時(shí)產(chǎn)生過大誤差的問題。另外，通過上位機(jī)管理軟件的開發(fā)將正矢測(cè)量與撥道量計(jì)算集為一體，大大縮短了正矢測(cè)量→撥道量計(jì)算→撥道實(shí)施的時(shí)間，提高了工作效率。本系統(tǒng)的研制開發(fā)，提高了鐵路工務(wù)部門在線路維護(hù)方面的測(cè)量精度和工作效率，有利于保持線路的穩(wěn)定性和安全性，適合在鐵路及其他軌道運(yùn)輸行業(yè)中推廣。