浅谈地铁车辆轮对几何尺寸在线检测系统

浅谈地铁车辆轮对几何尺寸在线检测系统
摘要：轮对几何尺寸在线检测系统是一种专门用于地铁车辆车轮磨耗检测的设备。

文章从系统的总体架构、系统工作原理、系统关键部件介绍、系统的技术特点4方面浅谈地轶轮对几何尺寸动态检测系统。

关键词：地轶车辆；轮对几何尺寸；在线检测
轮对几何尺寸在线检测系统是一种专门用于地铁车辆车轮磨耗检测的设备。

近年来，随着城市轨道交通的快速发展，该设备已广泛应用于全国各个地铁车辆段，为地铁车辆检修带来了方便，大大提高了工作效率。

该系统安装在轨道两侧，能在线检测地铁车辆轮对各相关部位的尺寸，当列车通过该系统时，系统能够快速、准确的检测出车轮的轮缘厚度、轮缘高度、踏面形状、车轮直径、车轮内侧距等重要数据。

1 系统的总体架构
轮对几何尺寸在线检测系统的总体架构由3部分组成：轨边设备、探测站设备、终端显示系统。

轨边设备主要由轮对尺寸测量、车号识别和车轮探测磁钢组成。

轮对尺寸测量安装在一个整体的测量平台上，系统共设4个车轮探测磁钢，完成系统检测功能的控制。

当列车运行到不同的磁钢位置时，系统各功能模块进行相应的数据采集、处理、存储、判别等工作，当列车完全通过检测区时，系统完成检测工作，形成相关数据，与终端显示系统进行通信并自动存储，完成检测过程。

1.1 轨边设备
车辆轮对检测过程中主要包含有五项重要的测量参数，［1］即轮缘高度、轮缘宽度、QR值、车轮直径、内侧距，这5个参数的测量由2个模块来完成，激光器和摄像机组成的结构光测量模块完成车轮踏面参数的测量，激光位移传感器测量模块则完成内侧距测量。

为了达到系统的测量要求，保证测量的精度和可靠性，将测量系统设计为一个钢结构的整体测量平台，如图1所示，它安装在轨道的下面，通过弹性扣件与轨道连接，并具有可靠的绝缘措施，能够很好的保证轨道电路的绝缘性能。

车轮踏面测量模块安装在测量平台的箱体内，系统最核心的测量部件激光器和摄像机安装在这八个测量工位的箱体内，图中L1～L4、V1～V4，它们共同完成轮缘高度、轮缘宽度、QR值、轮径的测量，箱体的箱盖内侧有电机控制的滑动挡板，即保护门装置，它们可以保护摄像机、激光器免受外界雨雪、灰尘等恶劣环境的侵害。

图1 轨边设备
1.2 探测站设备
探测站设备主要是控制硬件电路和传感器的正常工作，同时对采集的数据进行分析和处理。

探测站设备的构成框图见图2，除轨边设备外，系统主要由控制器和系统主机组成。

控制器内有主机板、磁钢板、A/D板、控制板、READ卡等硬件模板，主要任务是判定列车到达、启动系统工作、内侧距数据采集、垂下品检测、车号识别、形成报文、与系统主机进行通信。

系统主机内插有2块图像采集卡，在磁钢触发信号控制下同步采集8路摄像机的图像信号，同时进行图像存储、数据处理、数据分析工作，具有将检测结果显示、打印、告警的功能。

1.3 终端显示系统
终端显示系统安装在远端控制中心，主要由复式站及显示终端组成。

探测站通过网络将测量到的轮对尺寸、设备状态等数据第一时间传输至复式站，经复式站整理形成有效数据保存至数据库。

系统可以保存多达10万辆车的测量纪录，通过选择序号、时间、超标信息、故障信息等进行查询和详细的数据分析。

用户只需装上浏览器作为客户端应用的运行平台即可访问，不同部门根据权限和角色，浏览相应的数据信息。

用户查询系统包含轮缘几何尺寸查询、超标信息查询和设备状态查询等分系统。

其中轮缘几何尺寸包括轮缘高度、缘轮宽度、Qr值、轮径、轮对内侧距、垂下品等多个子项；超标信息记录了各类超标信息；设备状态信息记录了所有硬件设备、软件系统和网络的运行状态。

所有的相关信息都存储在数据库的表中。

此系统可按照列车号、车辆号、过车时间、走行公里数等多种方式对测量数据进行查询和统计。

2 系统工作原理
轮对几何尺寸在线检测系统采用激光器和直线光学透镜作为测量系统的光源照射运动的车轮踏面，当车轮通过测量区域的测量位置时，踏面被激光照射，形成车轮踏面激光轮廓线，CCD摄像头动态抓拍激光线的精确位置，采用激光三角测量法原理，实现物体几何尺寸的精确测量。

激光三角测量是一种无接触测量技术。

［2］激光二极管将发射的激光束投射到被测物体上，一部分光线被吸收，其他的光线则被反射。

这些反射光线的能量分布取决于几个参数，其中起决定性作用的是激光波长、材料的性质和光束与物体表面形成的夹角。

这些反射光被光学接收器接收，通过激光束方向与反射光形成的夹角可以测量传感器和物体之间的距离，反射光在一个位置被感光接收器接收并记录。

为了说明这一工作原理，可以设想一束线状光束照射你手中所持的物体，保持你眼睛的方向和位置固定在此物体上光束所形成的光斑，把物体靠近和远离激光发射端，光斑将在你的视网膜上的位置发生改变，你就可以把这些位置的变化解读为距离信息。

你的晶状体就是光学接收器，你的视网膜就是感光器，能把位置的变化解读为距离信息的是你的大脑，如同中央处理器。

3 系统关键部件介绍
3.1 激光三角传感器
激光三角传感器发射的光形为一字线光形，其保护温度能够控制在3～50 ℃之间，激光二极管的正常工作寿命约为10 000 h。

传感器具有电源辅助功能，开路、短路保护功能等。

激光三角传感器与其他类型传感器相比有3个方面的显著特点：首先，激光三角传感器测量精确。

其测量精度考虑了很多影响因素，应用先进的数字技术，可以最大限度地减少测量值与真实值间的系统误差，提高测量的直线度、重复性和分辨率。

其次，激光三角测量传感器具有广角的接收范围。

它可以应用于不同的光线环境和物体表面。

例如，在明暗交替区域测量时接收到的光信号会出现变化，能适用于不同强度和性质的光线交替变化测量，是这类感光器的显著优点。

再次，激光三角测量传感器的灵敏度能使接收到的光信号达到最佳。

对车辆轮对的测量，由于观测条件的多变尤其是光线条件的多变，上述特点就尤为重要。

激光三角测量传感器可以快速采样，采样频率对测量精度有着重要作用。

3.2 高速摄像机
该系统采用的高速摄像机具备60 Hz逐行扫描功能，支持异步外触发，靶面面积达到1/2’’；快门触发控制从1/125 s到1/32 000 s可选；配备光学镜头C－mount接口，分辨率达到1 024×768像素。

3.3 图像采集卡
图像采集卡为PCI总线接口形式，插在PC机的PCI插槽中即可，相关配套软件基于Windows平台，功能强大，界面友好；每路图像采集卡均有四个路独立的A/D通道，支持异步外触发，可以在外触发信号的控制下同步完成四路图像的采集工作；视频信号允许的输入电压为300 mV～1 V，采用逐行扫描方式；A/D采集的分辨率是11 bit。

4 系统的技术特点
（1）采用激光三角测量原理，它的技术特点是大量程、大视场、测量精度高、测量速度快、实时性强、激光图像易于提取图像信息，能满足运动物体的非接触测量的相关要求。

（2）采用8个测量工位，分设钢轨内外两侧，能测量车轮踏面完整的轮廓线尺寸，可根据用户需求，提供车轮踏面任何位置的几何尺寸，如沟槽的磨耗深度。

（3）设立钢结构整体测量平台，降低列车通过测量区域时产生的振动，同时测量装置与钢轨同步振动，保证系统测量精度。

（4）8个工位的测量装置在同一个触发磁钢的作用下，抓拍车轮踏面的激
光轮廓线图像，系统工作在完全同步状态下，保证了系统的测量精度。

（5）摄像系统安装窄带滤光片，可以滤除阳光干扰，满足测量系统要求，不需要安装遮阳篷，降低了施工难度和工程造价。

（6）轨边设备的安装可以采用钢结构测量平台，也可以采用分体式测量平台，方便施工与安装。

5 结束语
地铁车辆轮对几何尺寸在线检测系统已经在各个城市地铁建设中取得了广泛的应用。

它有效的解决了车轮轮对磨耗测量问题，同时，相对于传统的人工测量法，该系统具有精度高、速度快、可靠性强等特点。

另一方面，使用本系统能够节省大量的劳动力，提高了工作效率，对于指导维修，提供了有效的技术支持，为保证运营安全奠定了基础，具有很好的推广应用价值。

［3］
参考文献：
［1］地铁设计规范［S］（GB 50157－2003）.
［2］陈远，冯华军，徐之海，黎明.三维激光测量的投影算法［J］.光电工程，2007（6）.
［3］黎明鑫.广州地铁车辆在线监测系统［J］.铁道运营技术，2010 16（3）.
On the Dynamic Detection System of Metro Vehicle Wheelset Geometric Size
Zhao Chuanyu
Abstract: The online detection system of wheelset geometry size is an equipment designed specifically for wheel wear detection of metro vehicle. The article discusses the dynamic detection system of metro wheelset geometric size from the aspects of the overall system architecture, system working principles, key components introduction of system and technical characteristics of system.
Key words: metro vehicles; wheelset geometry size; dynamic detection。