GJ-5型轨道检查车的技术与设备介绍

第五章GJ-5型轨检车原理及维护5.1概述上世纪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。GJ-5型轨检车可测项目：轨距、左右轨向（空间曲线或可变换成多种弦测值）、左右高低（空间曲线或可变换成多种弦测值）、水平（超高）、三角坑、曲率（弧度或半径）、车体加速度、轨底坡（可选项）、钢轨断面（可选项）等。技术指标：表5-1检测项目精度范围轨距±0.8mm1420~1480mm轨向（左右，波长≤30m）±1.0mm±100mm轨向（左右，波长≤50m）±2.0mm±100mm高低（左右，波长≤30m）±1.0mm±100mm高低（左右，波长≤50m）±2.0mm±100mm水平±1.5mm±50mm超高±1.5mm±220mm三角坑±1.5mm±100mm曲率1.2X10-4m-1车体加速度±0.01g±1g轨底坡±0.25deg钢轨断面（左右轨）±0.5mm5.2系统总成Laserail断面和几何测量系统（LPGMS）能实时提供钢轨断面和轨道几何精确和可靠的测量。LPGMS包括如下3个主要部分：·非接触测量总成；·VME计算机系统；·通用几何Windows软件。VME计算机系统安装在轨检车里，非接触测量总成安装在与转向架相连的测量梁中。测量梁中传感器数据经过数字化后发送到VME计算机的几何CPU，然后进行合成和滤波处理，得到轨道几何数据，在检查车里的工作站上运行通用几何软件，可以实时显示轨道几何波形、进行超限判断、数据库存储、超限编辑和报表打印等。5.2.1VME计算机系统计算机系统是基于VMEbus结构的。VME系统使用两个处理器配置，一个处理器，也就是I/OCPU，提供了操作者界面、测量与标准的比较、数据日志和报告、文件管理，系统功能监视和出错检查及诊断功能。第二个处理器，也就是几何（GEOM）CPU，从传感器合成轨道几何数据并把这数据传输到I/OCPU。几何CPU从位于组装梁中部的惯性测量包（IMP）的一串口得到数据。惯性测量包输出了滚动、摇头、垂向和横向运动的测量结果，几何CPU接收来自惯性包的数据以及来自图像处理卡的数据，产生轨道几何数据。几何数据然后被传输到I/OCPU以作进一步的处理和储存。图5-1激光断面显示VME计算机系统包含在一标准的、19英寸、21-插槽主板上。系统电源由一800W的电源供应。主板包括有：两个（2）VMIC-7740CPU卡—I/O处理器和几何处理器；一个VMIVME7452磁盘驱动/软卡驱动；一个LTC-3激光/温度控制器和十个图像处理卡；计算机主板上的插槽设置如图5-2所示：图5-2VME计算机系统5.2.2软件处理系统Laserail软件结构如图5-3所示:图5-3(一）ControlConsoleControlConsole是软件处理系统的控制台，是所有应用软件的核心。它能从VME计算机接收几何数据，进行超限判断，建立轨道检测数据库，并生成相关波形图文件，能为其他应用软件提供数据接口；同时能对VME计算机数据采集进行控制等。（二）断面监视器断面监视器显示来自VME的实时断面数据。该数据被传送到ControlConsole里，在ControlConsole里可显示通道信息。WinDBC从ControlConsole获取几何断面数据并用曲线图显示它。（三）WinDBCWinDBC显示由轨检车采集的数据的波形图，可以实时显示、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和波形输出等功能。在实时数据显示中，屏幕可随几何数据的采集而更新通道，可利用窗口底部的滚动条来移动到文件的不同位置。（四）Termiflex使用Termiflex程序可接收来自位于轨检车上的手持单元的数据。操作者可输入发生在轨检车记录过程中的事件，这些事件包括：公里标调整，桥梁，隧道，道口及道岔等。该程序在判定何处发生轨道问题具有很好的辅助作用。（五）WinVCRWinVCR控制视频控制器（VCR），该VCR通过一串行RS-232电缆与本地PC机相联。该程序允许在记录轨道几何数据过程中记录轨道背景的视频图像。图5-4视频监视当检查车沿轨道运行时，ControlConsole记录轨道几何数据，此时可使用WinVCR通用几何软件来记录轨道和周围场景的视频录像。在以后可重放视频录像。当评估和定位轨道超限时，这些图像是很有用的。如果WinVCG和WinVCR一起使用时，在来自于摄像机的图像的上部记录下了一些信息，如摄像机的特性、里程标、速度、日期和时间等，其中里程标决定了录像所处的轨道位置。图5-4显示了VCR，监视器，和Horitabox（由WinVCG使用），这些设备被用来建立带有字幕的WinVCR系统。（六）WinVCGWinVCG控制视频字幕编写器，该编写器通过一串行RS-232电缆与本地PC机相联。该程序与WinVCR一起使用来给被记录的轨道背景的视频图像增加标题。WinVCG(Windows视频字符发生器)是视频字幕编写通用几何工具软件，它被用于在监视器上显示诸如摄像机的特性，实时里程标，日期和时间。该功能和WinVCR一起使用。（七）WinTellWinTell警告器通过音频来通告如桥梁和超限等轨道事件。（八）超限监视器超限监视器可在任何与网络相联的PC机上实时显示超限记录。（九）超限编辑器超限编辑器能显示并编辑由ControlConsole产生的实时超限。5.2.3非接触测量总成非接触测量总成安装在检查车底下，如图5-5所示，LPGMS摄像机组配置使用10个摄像机和4个激光器用于钢轨断面的非接触测量，摄像机和激光器被固定安装在车底下的封闭梁里。钢轨内、外两侧激光器发出一扇形光带，垂直照射在钢轨上，在钢轨上形成一垂直断面；同时，断面和轨距摄像机捕捉到激光线的图像，视频图像输出到VMEbus计算机系统，经数字化后，拟合成完整的钢轨断面图像，通过坐标变换、合成和滤波处理等，得到轨道几何数据和钢轨断面磨耗等。惯性测量包安装在激光器/摄像机梁的中部，惯性测量包测量车辆转向架的横向和垂向加速度以及滚动和摇头速率等。图5-5非接触测量设备安装示意图5.3系统测量原理该轨检车采用梁结构方式的惯性测量及摄像式的图像测量原理，即惯性基准与测量基准被安装在同一刚体内。任何几何量测量系统的基础都是对坐标系的明确定义，以及在这个坐标系下的各种变换和各被测量之间的关系。如图5-6所示：图中采用右手坐标系，各参数定义如下；x轴指向页面的里面为正，表示车体的行进方向；y轴指向向右的水平方向为正；z轴指向向下的垂直方向为正；角表示航向偏角，正值为由x轴方向转向y轴方向，即向右偏转；角表示滚动的偏角，正值表示y轴方向向z轴方向旋转，即左轨抬高；角表示倾斜角的偏差，正值表示x轴向z轴方向旋转，即坡度角；图5-6测量基准（轨检梁刚体）与钢轨及惯性系统的相互位置关系定义如下：L左轨轨距点相对测量基准的偏移；R右轨轨距点相对测量基准的偏移；L左轨踏面顶点相对测量基准的偏移；R右轨踏面顶点相对测量基准的偏移；x轨检梁的滚动角速率；z轨检梁的摇头角速率；y轨检梁的横向加速度及倾角；L轨检梁的垂向加速度；G轨道踏面中点之间的标准距离，为1511mm；ht惯性平台相对于轨距测量线的垂直高度；AL左侧垂直加速度计安装位置相对梁中心的距离；另外还有一个安装在轮对轴头的转速计，这是该系统必备的测量仪，它可以提供沿轨道的里程位置、速度，同时还为测量系统提供精确的距离采样时间间隔（TBS）。系统中用于惯性参数测量的传感器为水平加速度计、垂直加速度计、滚动陀螺仪、摇头陀螺仪，这些传感器被安装在测量梁中部的惯性平台上，为系统提供测量梁的惯性基准信号。各传感器测量单位的量纲为:位移测量的单位为ｍｍ，速度为ｍｍ／ｓ，加速度为ｍｍ／ｓ／ｓ，角度测量单位为弧度，角速度为ｒａｄ／ｓ。惯性信号的处理来自于惯性传感器的模拟信号，通过惯性测量处理器采集模拟信号，进行抗混迭滤波、数字化、及数字滤波处理、延时、数据合成。轨面顶点和轨距点相对于测量梁的位移（R、L，L、R）信号通过摄像机的图像数字处理来获得，对于低速检测系统而言，采用60Hz频率的标准制式摄影机即能满足要求。对于高速检测系统而言，为匹配240Hz频率的惯性系统，可以直接采用240Hz的高帧频摄像机，或者采用４台60Hz的摄像机进行交替工作。根据被测轨道几何参数的定义，系统按表5-2给出的数学模型计算合成相应的轨道几何参数。表5-2：表中符号上的点不代表时间因子，一个点表示对采样间隔X的一阶差分（FFD），角度的FFD是这个角度在一段距离上的变化。两个点表示对采样间隔X的二阶差分。应用到线性测量中如高低、轨向。表中符号上的像礼帽和小三角符号的含义为：对一次微分装置（如速率陀螺仪）的输出进行卷积计算得到测量结果的基于距离的FFD。上述卷积计算用矩形窗口来实现，窗口在基本距离内取单位振幅，在其它时间取值为零。速率陀螺仪的输出可以表示为rad/s/v，卷积计算得到角度在采样距离间隔上的变化。由于卷积计算像一顶帽子，故用此符合表示。对二次微分装置（如加速度计）的输出进行卷积计算得到测量结果的基于距离的SFD。上述卷积计算用等边三角形来实现，三角形的一边为单位时间斜率，另一边为负的单位时间斜率。因此卷积计算像一个边值为零的小三角，故用此符号表示。表5-2明确给出了系统检测结果与各测量单元及通道的关系，所有绿顏色符号表示结构常数；蓝颜色符号为中间变量；红颜色符号为系统传感器输出变量。在实际运用和维修过程中，主要通过对系统检测结果波形图的观察、比对、分析判断异常的检测结果，然后根据表1给出的公式确定系统的故障单元。如曲率故障，与此相关的测量单元为：摇头陀螺检测单元、速度、里程检测单元，通常编码器的故障会影响整系统的工作，因此，如果其他检测结果正常，那么故障单元很可能是摇头陀螺仪或与此相关的信号处理板。5.3.1轨距轨距由左右钢轨的轨距点相对于测量梁两个固定点位移偏差的代数和而求得，即：KYLR其中K为测量梁两个固定点的距离，如果测量梁为刚体，且摄像机的安装位置及角度未发生变化，则为常数。该常数由静态标定确定。图5-7系统采用10通道视频信号并行处理的工作方式，即10个摄像机分别对应10块图像采集及处理卡。摄像机采用标准N制式，分辨率为512*768，以场频作为图像处理卡的时序。其中测量梁内侧的8个摄像机中，左右完全对称的摄像机为一组如1号和5号、2号和6号，每组摄像机为同步工作模式，即同一时刻采样轨距方向的左右钢轨断面。4组摄像机为分步交替工作模式，把60Hz分频为240Hz，即摄像系统按1/240秒的间隔采样及处理左右钢轨断面。并得到钢轨顶点及轨距点相对测量梁的位移值（R、L，L、R）。同步控制板安装在测量梁中，该电路板的功能为：摄像机采样时序控制；视频信号输入输出接口；摄像机供电，在运用过程中，视