王長庚，邢宗義，黃 文

（1.廣州有軌電車有限責(zé)任公司，廣州 510335；2.南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210094）

一種新的地鐵車輛輪對尺寸在線檢測系統(tǒng)

王長庚1，邢宗義2，黃 文2

（1.廣州有軌電車有限責(zé)任公司，廣州 510335；2.南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210094）

針對地鐵車輛輪對尺寸人工測量存在的工作量大且精度低等問題，介紹一種新的基于激光位移法的地鐵車輛輪對尺寸在線檢測系統(tǒng)。文章描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，給出系統(tǒng)的硬件選型設(shè)計和軟件模塊設(shè)計，闡述采用激光位移傳感器實現(xiàn)輪緣高、輪緣厚和輪徑參數(shù)測量的原理。為了驗證系統(tǒng)的可用性，進行了現(xiàn)場輪對試驗與過車試驗，并將測量結(jié)果與人工測量進行對比分析，結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)具有測量準確、一致性好等優(yōu)點，能夠取代現(xiàn)有的人工測量，滿足地鐵輪對尺寸測量的要求。

地鐵車輛；輪對尺寸；激光位移法；在線檢測

輪對是地鐵車輛與軌道的耦合部件，承載著整個車輛的重量并保證車輛在軌道上運行[1]。在車輛運行過程中，輪對承受著來自軌道接觸的沖擊力和壓力，特別是車輛通過鋼軌連接處、拐彎或制動時，將會加劇輪對磨耗，當磨耗超過特定限度時，將會對地鐵車輛的安全運行及乘坐舒適性構(gòu)成威脅[2]，因此準確快速地獲取車輛輪對尺寸參數(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

輪對尺寸參數(shù)的檢測主要分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量裝置主要是第4種檢查器[3～4]或電子激光式測量儀[5]，測量時主要依靠現(xiàn)場工人手動操作，勞動強度大，檢修時間長、作業(yè)效率低，且容易造成漏檢漏修，給車輛的運行安全帶來隱患[6]。為克服接觸式測量的缺陷，國內(nèi)外眾多廠家研制了種類繁多的非接觸式測量系統(tǒng)。美國、日本、澳大利亞等[7～9]國外機構(gòu)在20世紀90年代采用光截圖像法研制了輪對尺寸在線檢測系統(tǒng)，主要由線激光源、CCD攝像機、車輪檢測器、車號識別裝置及空氣清潔裝置等組成，系統(tǒng)工作時CCD高速拍攝照在車輪上的線激光投影，并由計算機進行濾光和細線化處理，提取圖像中心線并計算車輪尺寸。國內(nèi)一些單位[10～12]也采用類似原理研制了輪對尺寸在線檢測系統(tǒng)，并在動車所及地鐵公司得到了部分應(yīng)用。上述基于光截圖像法的輪對尺寸檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗干擾能力差，難以滿足車輛輪對檢測的高可靠性要求。國內(nèi)部分研究機構(gòu)采用激光位移傳感器進行輪對直徑的測量，但僅限于實驗室研究，尚未形成實際產(chǎn)品[13～14]。意大利一家公司[15]采用8臺激光視覺傳感器和誤差補償技術(shù)實現(xiàn)了輪對尺寸精確測量，但造價過高。瑞士一家公司采用激光位移傳感器研制的通過式輪對測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)輪對踏面和直徑參數(shù)的自動檢測以及輪對磨耗評估，但其購置成本過高，并且該系統(tǒng)需要將部分軌道替換為非承重式導(dǎo)向軌，不符合國內(nèi)鐵路對軌道的相關(guān)安全要求，從而無法在國內(nèi)實施。

隨著社會進步及計算機技術(shù)的快速發(fā)展，勞動強度大且測量精度低的輪對尺寸人工測量必然會遭到淘汰，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且抗干擾能力差的光截圖像法也將會逐步退出歷史舞臺，以激光位移傳感器為核心的新一代輪對尺寸在線檢測技術(shù)及系統(tǒng)，具有測量精度高、抗干擾能力強、檢測一致性好等優(yōu)點，將逐步成為輪對尺寸在線檢測的發(fā)展方向。

1 輪對尺寸在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計

輪對尺寸在線檢測系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)由3部分組成，如圖1所示：位于軌旁的車輪檢測傳感器、位于設(shè)備間的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、位于控制室的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。軌旁傳感器將車輪尺寸及現(xiàn)場控制信號等轉(zhuǎn)化為標準電信號，由位于設(shè)備間的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行信號采集，并輸出數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號經(jīng)由光纖交換機傳輸?shù)轿挥诳刂剖业倪\算服務(wù)器，經(jīng)算法處理后輸出輪對尺寸、車號等檢測結(jié)果，并由Web服務(wù)器進行信息發(fā)布。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

位于軌旁的車輪檢測傳感器主要包括激光位移傳感器、軸位傳感器、車號識別天線等，其安裝位置如圖2所示。當列車入庫經(jīng)過軸位傳感器P1時，車號識別（AEI）天線被激活，同時激光位移傳感器預(yù)熱工作；當列車經(jīng)過AEI時，系統(tǒng)自動讀取車輛的射頻識別標簽，從而完成車號識別功能；當列車經(jīng)過軸位傳感器P2時，激光傳感器保護倉探測窗口被打開，激光位移傳感器準備數(shù)據(jù)采集；當輪對逐次通過激光位移傳感器布設(shè)區(qū)域時，激光位移傳感器L1～L4、R1～R4完成輪對尺寸數(shù)據(jù)采集；當列車最后一個輪對經(jīng)過軸位傳感器P3時，系統(tǒng)關(guān)閉AEI天線，關(guān)閉激光位移傳感器保護盒窗口，停止激光位移傳感器外部觸發(fā)信號，等待下一次測量。

圖2 傳感器安裝示意圖

輪對尺寸在線檢測系統(tǒng)的激光位移傳感器選型為2D激光傳感器，車號識別及軸位傳感器選型為GYYC900B產(chǎn)品，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選擇工控機及配套采集板卡。

輪對尺寸檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計采用C++開發(fā)工具，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?個模塊設(shè)計，實現(xiàn)輪對尺寸在線檢測功能。（1）數(shù)據(jù)采集模塊通過對數(shù)據(jù)采集卡和車號識別主機之間的控制與通信，完成對各類現(xiàn)場信號的數(shù)據(jù)采集；（2）數(shù)據(jù)存儲模塊將數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，以及后期處理得到的輪對尺寸等數(shù)據(jù)以文件的形式進行存儲；（3）數(shù)據(jù)處理模塊通過對傳感器數(shù)據(jù)和軸位信號等進行融合處理，計算得到輪對尺寸參數(shù)；（4）數(shù)據(jù)顯示模塊通過人機界面直觀顯示輪緣厚、輪緣高、輪徑和踏面輪廓線等信息；（5）數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送至Web服務(wù)器。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

2 輪對尺寸在線檢測系統(tǒng)的功能原理

輪對尺寸在線檢測系統(tǒng)采用激光三角法測量原理，主要實現(xiàn)輪緣厚、輪緣高以及輪徑值的測量。

2.1 輪緣參數(shù)測量原理

輪緣高和輪緣厚主要通過激光位移傳感器L3、L4獲?。ㄒ宰髠?cè)車輪為例），如圖4所示，兩個激光位移傳感器分別以一定角度和距離安裝在軌道兩側(cè)，且使得兩個激光位移傳感器所發(fā)射的激光面共面。由于輪緣凸起的遮擋，單獨的激光位移傳感器只能獲得踏面輪廓線的部分信息，如外側(cè)激光位移傳感器L4無法獲取輪對內(nèi)側(cè)面信息，而內(nèi)側(cè)激光位移傳感器L3無法獲取輪緣底部內(nèi)側(cè)面信息，因此需要將內(nèi)、外側(cè)的兩個激光位移傳感器L3、L4的測量結(jié)果相融合，從而獲取完整的踏面輪廓線信息。圖5給出了兩個激光位移傳感器融合的現(xiàn)場示意圖。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

圖4 輪緣尺寸測量示意圖

激光位移傳感器L3、L4獲取的踏面數(shù)據(jù)經(jīng)坐標變換融合后，得到如圖6所示的踏面輪廓線，選取輪緣頂點n，輪緣厚參考點m和踏面基點a等關(guān)鍵測量點，從而根據(jù)輪緣參數(shù)定義計算得到輪緣高和輪緣厚。

2.2 輪徑參數(shù)測量原理

輪徑參數(shù)主要通過激光位移傳感器L1、L2、L3獲?。ㄒ宰髠?cè)車輪為例），如圖7所示，3個激光位移傳感器分別以一定角度和距離安裝在軌道內(nèi)側(cè)，其中，L1和L3呈鏡像對稱。當車輪進入激光位移傳感器有效探測區(qū)間時，3個激光位移傳感器分別測量車輪外緣的3個頂點D1、D2、D3，根據(jù)坐標變換及3點共圓法，可以確定車輪外緣的直徑，然后減去兩倍輪緣高即得到輪徑值。

圖5 激光傳感器融合示意圖

圖6 踏面及關(guān)鍵點示意圖

圖7 輪徑測量原理示意圖

3 試驗與驗證

輪對尺寸在線檢測系統(tǒng)安裝在廣州市地下鐵道總公司赤沙車輛段，為驗證系統(tǒng)的可用性，進行了輪對試驗和過車試驗。

3.1 輪對試驗

輪對試驗是將單獨一個輪對放置在軌道上，人工推動輪對勻速通過檢測系統(tǒng)，同時進行人工測量，累計進行4次測量，試驗結(jié)果如表1所示，系統(tǒng)4次測量中輪緣高的最大值與最小值相差0.11 mm，輪緣厚相差0.05 mm，輪徑相差0.19 mm，系統(tǒng)一致性滿足要求；系統(tǒng)4次測量平均值與人工測量平均值相比，輪緣高相差0.07 mm，輪緣厚相差0.11 mm，輪徑相差0.13 mm，系統(tǒng)的測量準確性能夠滿足現(xiàn)場要求。

表1 輪對試驗系統(tǒng)和人工測量值 mm

3.2 過車試驗

過車試驗是指實際列車低速通過輪對尺寸在線檢測系統(tǒng)，本試驗共對同一列車的8個輪對進行了6次檢測，試驗結(jié)果如表2所示，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能滿足實際現(xiàn)場的檢測精度要求，可取代傳統(tǒng)的人工檢測。

表2 過車試驗系統(tǒng)和人工測量平均值 mm

4 結(jié)束語

本文介紹了一種新的輪對尺寸在線檢測系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的設(shè)計，闡明了系統(tǒng)測量原理，并對現(xiàn)場試驗與測試進行了詳細分析。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的一致性與精度，能夠滿足地鐵輪對尺寸測量的需求，可作為取代傳統(tǒng)人工測量及光截圖像法測量的新技術(shù)與系統(tǒng)。本文介紹的輪對尺寸在線檢測系統(tǒng)安裝在運用庫，受列車運行限速要求，其適應(yīng)車速僅為0～5 km/h，進一步建議將系統(tǒng)安裝在出入站段線，提高適應(yīng)車速到30 km/h。

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責(zé)任編輯 楊琍明

Novel On-line Measurement System for wheelset size of metro vehicle

WANG Changgeng1,XING Zongyi2,HUANG Wen2
( 1.Guangzhou Tram Co.,Ltd.,Guangzhou 510335,China;2.School of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Aiming at solving problems such as low accuracy of manual measurement for metro wheelset,a novel Online Measuring System based on laser displacement method was proposed to measure the parameters of wheelset.The article introduced the structure of the System,proposed the design of hardware and software,explained the measuring principles of the flange height and width as well as wheel diameter by using laser displacement sensor.The field experiments including wheelset test and train test were taken by using the System.The measurement results between the online system and workman were compared,and the result indicated that the proposed System with the advantage of accurate and good stability could be used to replace the existing manual measurement,and be meet the demand for measuring parameters of metro wheelset.

metro vehicle;wheelset size;laser displacement;on-line measurement

U266.2∶TP39

A

1005-8451（2016）05-0062-04

2015-11-10

國家863計劃項目（2011AA110506）；廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項基金項目（201508010010）。

王長庚，工程師；邢宗義，副教授 。