基于线阵CCD的线路方向测量系统的开发

摘要：该系统硬件设备采用长距离准直激光光源、CCD图像传感器、旋转编码器、系统终端PC等器件，利用线阵CCD测量技术、数据处理技术、多信息传感融合技术等高新技术，能够对铁路路轨区段(长度≤200m)轨道几何形状进行高精度检测，将线路轨向测量结果直接数字化显示，为线路设备维修提供可靠的测量数据，解决了既有，方法测量精度差、效率低的问题，能满足铁路工务系统作业要求、提高作业质量。
关键词：线阵CCD；旋转编码器；准直激光

1 系统概述
    随着铁路列车的不断提速，铁路轨道在列车的动力作用下，变形不断积累。曲线轨道的受力情况比直线轨道复杂，变形较快。一种最常见的表现方式为曲线轨道方向的错乱。为确保行车的平稳和安全，必须要定期检查曲线轨道的方向，及时把它整正到原来的设计位置，并恢复其原来的曲率。
    整正曲线的方法很多，目前在铁路维修工作中，最常用的是绳正法，它利用曲线上正矢与曲率之间的关系，改正正矢，使之恢复原有的设计曲率。但采用绳正法时，长弦线不易拉直，人工对直尺读数误差较大，费时费力，精度不高。随着列车速度的提高，对铁路曲线轨道方向的要求越来越高，因此很有必要研制一种快速、便捷、智能化、高精度、基于线阵CCD的线路方向测量系统。

2 国内现状及系统建设的必要性
2．1 国内技术现状
    目前，国内对线路方向测量的现有方法：
    一是通过轨检车、添乘仪的打分，但里程不准确而且没有量化的偏差值；
    二是工人现场对直线地段进行目测，曲线地段采用绳正法测量正矢，效率低、精度差；
    三是在特殊区段采用水准仪定线穿焦点的方法测量方向，操作复杂，效率较低。
2．2 系统建设的必要性
    随着铁路第六次大提速的结束，中国正式走向高铁时代。行车速度已有很大的提高，即对既有铁路线路的技术标准有了更高的要求，尤其是对既有铁路曲线的维修提出了更高的要求。同时原来的铁路线路维修方式日益被机械化维修所取代，尤其是大型养路机械的广泛使用，这就要求维修人员改变观念，改变传统的维修方式，运用机械化进行线路维修养护，特别是线路方向维修养护。
    随着铁路提速、重载的不断发展，铁路轨道受到列车的冲击力越来越大，引起线路在水平和竖向方向的变形也相应增大，变形积累到一定程度就会引起列车晃车，严重影响旅客乘坐舒适性和列车运行安全。因此，铁路部门工务段一直把线路方向整治和消灭三角坑作为线路维修的重点。但目前现场作业只能采用目测和绳正法进行测量，效率较低且精度不高，难以满足铁路运输的发展，因此，研制开发一种快速、便捷、智能化、高精度、基于线阵CCD的线路方向测量系统是十分必要的。

3 系统关键技术
    研究一种可在钢轨上移动的基座，一端安装准直激光光源，一端安装CCD测量装置，测量时安装准直激光光源的基座固定，安装CCD测量装置的基座沿钢轨移动，通过安装在移动基座上的编码器测量距离，CCD通过光学系统接收编码标尺的像素位移信号，并将编码器测量的1 m(或任意设定值)整数倍位置的像素位移信号进行记录，数据处理系统把像素位移信号进行二值化处理后，将被测目标的中心值从背景中分离出来。从而得到目标相对CCD中心像元的偏离值。将测量数据传输至终端PC进行分析计算，判断线路的方向并给出偏差量。
    其关键技术为：
    (1)CCD测量装置的选择和控制；
    (2)编码标尺的设计和制作；
    (3)数据处理系统研究；
    (4)编码器精度的控制；
    (5)基座的设计。

4 系统实现目标及主要研究内容
4．1 主要目标
    (1)研制开发一种快速、便捷、智能化、高精度、基于线阵CCD的线路方向测量装置。要求便携、准确、经济、适用性强。
    (2)自动完成测量作业，测量过程自动化，减少人为因素干扰，测量结果可在屏幕显示并储存，如测量过程中出现异常，可给出提示并显示异常的原因。
    (3)测量精度小于1 mm。
4．2 主要研究内容
    基于线阵CCD的线路方向测量系统中测量装置的测量原理是在钢轨上架设线路方向测量装置，线路方向测量装置由光学系统(准直激光光源)、线阵CCD相机、图像采集电路、信号处理电路、控制及显示电路、软件等组成。其结构框图如图1。

    在待测点固定线路方向测量装置，编码标尺作为测量目标，通过安装在移动基座的编码器测量移动的距离，在距离测量装置1 m(或任意设定值)整数倍位置分别对测量目标进行测量，编码标尺通过线路方向测量装置的准直激光光学系统在光敏面元上形成光学图像(如图2)。

    CCD器件将光学图像输出，得到被测对象的视频信号。视频信号处理电路对CCD输出的视频信号进行二值化处理后，将被测目标的中心值从背景中分离出来。从而得到目标相对CCD中心像元的偏离值。
    5 m、10 m、15 m处等距离的偏离值经过相减，即可得到该段轨道线路的方向偏移量。
    本系统测量装置主要由光学测量系统、距离测量系统、可移动基座、计算处理系统、管理系统组成。
    (1)光学测量系统
    光学测量系统由CCD成像仪和编码标尺组成(见图3)。

    在测量工作开始前，CCD成像仪通过固定基座固定于待测钢轨起点处，将编码标尺通过移动基座固定钢轨上，通过控制按钮使编码标尺成像于CCD上，移动条码标尺，再次通过控制按钮使条码标尺成像于CCD，再移动，再次成像……以此类推。控制系统自动计算编码标尺在5 m、10 m、15 m……处距离的偏离值，经过相减，即可得到该段轨道各测点处的正矢量。
    (2)距离测量系统
    距离测量主要靠安装在基座车轮上的编码器实现，编码器与车轮同轴安装。通过车轮半径(周长)和编码器的旋转输出脉冲即可计算出基座的行走距离。
    (3)移动和固定基座
    基座主要用来固定CCD成像仪和编码标尺。必须满足快捷安装要求，并保证CCD成像仪和条码标尺距钢轨内侧顶面下16 mm处有相同距离。
    (4)计算处理系统
    能够根据输入的特定值(如1 m、5 m等)的整数倍距离，控制CCD成像仪对编码标尺的图像进行采集、并对图像进行分析，计算出各测点的正矢值进行储存和显示。
    (5)管理系统
    根据圆曲线和缓和曲线计划正矢的计算，编制计算机程序，能够根据输入的曲线轨道特征值计算出曲线轨道各处正矢值并与测量值进行比较，计算拨量值。

5 系统上线试验结论
    该系统在太焦线的三个曲线段上多次试验，并对测量结果用绳正法进行复核，效果良好。
    实际应用表明：针对铁路曲线测量现状研制的“基于线阵CCD的线路方向测量系统”总体思路符合铁路工务部门大中修规范的要求。检测操作便捷、精度高，可以避免绳正法在风力较大时产生过大误差的问题。另外，通过上位机管理软件的开发将正矢测量与拨道量计算集为一体，大大缩短了正矢测量→拨道量计算→拨道实施的时间，提高了工作效率。本系统的研制开发，提高了铁路工务部门在线路维护方面的测量精度和工作效率，有利于保持线路的稳定性和安全性，适合在铁路及其他轨道运输行业中推广。