车辆振动补偿在接触网几何参数检测中的应用
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摘 要：分析车辆振动对铁路接触网几何参数检测的影响，阐述了图像标定方法、相关的车体振动参数及空间检测目标物分别在车体坐标系与钢轨坐标系中的映射关系。采用高速面阵相机结合线型激光器随车实时采集数字图像，运用图像处理技术提取钢轨特征点，通过计算将得到的车辆相对于钢轨的姿态数值补偿给车载接触网几何参数检测数值中，并进行了现场测试验证。
关键词：车辆振动补偿;接触网;几何参数;坐标系映射
一、概述
运行中的列车车辆是具有弹簧悬挂装置的多自由度的振动系统，在实际线路上运行时，会产生复杂的振动现象，振动理论的研究和实践表明，这种复杂的振动是由若干基本形式的振动的组合的结果，即车体是一个由沉浮、横摆、侧滚、伸缩、摇头、点头共六个自由度的运动系统[1]。
接触网几何参数检测装置安装固定于检测列车车顶，检测出的参数值是以车体坐标系为基准，列车在不同速度下，车辆振动状态也不相同，由此将导致两次检测数据不一致。为了解决这个问题，必须将检测参数值映射至基于钢轨坐标系中，使得不同速度下的检测数据都基于同一个参考坐标系，便于数据的分析比对。另外，工区台账中的接触线几何参数值一般使用手持式测量仪测得，该数值也是基于钢轨坐标系，车辆振动补偿实现了车载检测数据与手持式检测数据的统一。
为获得车体坐标系与钢轨坐标系的映射关系，就得在列车运行中实时取得车辆振动的六个自由度运动数值。本文采用了基于机器视觉的车辆振动检测方法，可以实时测量安装于不同速度等级条件下的检测列车的瞬时振动状态，无累积误差，模块化设计，应用方便高效，不影响线路及其他检测设备的正常运行，并将该方法应用于现场实际，对车载接触网几何参数进行补偿验证。
二、车辆振动补偿研究
由于接触网几何参数检测装置通过列车行进实现参数的连续测量，故检测列车行进中的伸缩与检测精度不相关，可以忽略。同时，某一时刻接触网检测区域为垂直于车顶的一个截面，如若将车辆振动补偿装置检测区域也设置为此截面，则同一时刻该截面的点头及摇头运动均可忽略，所以本文中的车辆振动补偿只需研究沉浮、横摆以及侧滚三个方向的运动对检测的影响。
（一）原理方案
系统由发射器、接收器及图像分析处理计算机构成。发射器是激光、接收器是CCD相机，根据反射物反射的激光形成的图像变化，检测反射物的轮廓、方位角。在车辆底部两侧分别对称安装包含有激光相机的检测模块。激光器将激光线垂直照射到两侧轨道，激光线垂直照射到的距轨头顶面下16mm模拟线与轮廓线交点为检测基准点[2][3]，在车辆相对于轨道位移时，激光线始终照射到基准点，确保相机拍摄到的图像中始终有基准点的出现。相机拍摄基准点处图像，以基准点为中心点形成的物象框，在车辆相对于轨道位移时，基准点始终在物象框内。
（二）相机标定
在图像测量过程以及机器视觉应用中，为确定空间某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，必须建立相机成像的几何模型，即对相机进行标定。标定过程采用尺寸已知的标准棋盘格，利用空间中与某平面平行的直线相较于消失点[4]这一性质，如图1所示，对图像中各条边缘进行直线拟合，计算出图像像素点与空间位置的映射关系，建立相机图像标定数组表，便于实际应用中查询使用。
（三）车体振动参数
由于两侧检测模块均与车体刚性连接，所以两模块坐标系可以统一成车体坐标系。将列车静态停放在标准轨距及左右轨超高为零的情况下，相机采集激光照射于钢轨轮廓下的图像并识别基准点所在的像素点坐标，此坐标即为车辆坐标系中的零点坐标，记为A、B。当列车运行时，获取某一时刻采集到的基准点像素坐标A′、B′，计算该坐标与零点坐标的偏移量，查询相机图像标定数组表，便可解析出各基准点在车体坐标系中空间移动数值。将两侧基准点连接起来，显然线段AB及A′B′的长度为轨距，两条线段的夹角为车体相对于钢轨的侧滚角度，线段中点在两坐标轴方向的移动距离即为车体相对于钢轨的沉浮、横摆数值[5]。
（四）车体坐标系与钢轨坐标系的映射关系
式中，X0、Y0以及θ可以通过实时分析列车运行时与静态停放时两侧钢轨阵列图像计算获得。根据上述映射关系，实现了将车载接触线几何参数检测设备检测到的空间参数值转换为钢轨坐标系下的静态空间参数值。
三、现场应用及验证
接触网几何参数检测设备及车辆振动检测设备安装于检测列车上，其中接触网几何参数检测梁安装于车辆顶部，某一时刻的检测区域为垂直于列车行进方向向上的一个平面，车辆振动检测设备分别对称安装于列车底部，模块与车体的安装接口可微调，保证其检测区域平面与接触网检测设备检测区域平面重合。系统于2018年11月底在上海局管辖九景衢高铁线路常山-杨林区间内进行测试，测试内容有：在静态条件下对接触线几何参数及车辆振动进行测试验证、动态条件下分别以80km/h、120km/h、160km/h三个速度等级对车辆振动补偿后的接触线几何参数进行测试验证。
车辆振动检测界面如图4所示，两侧相机分别拍摄两侧钢轨，并实时处理图像数据，找出距轨顶16mm模拟线与轨廓的交点作为特征点，两侧特征点的组合可計算出车体相对于钢轨的横向、沉浮、侧滚数值，并通过UDP广播至几何参数检测系统中，实时补偿检测值。
几何参数波形图如图5所示，分别绘制了曲线段处的拉出值、导高值及底面磨耗值，显然，车辆振动对拉出值影响较大，这符合理论分析[6]，其中上方曲线为车载几何参数检测设备输出的拉出值，下方曲线为补偿了车辆振动参数后的拉出值。
按照车体坐标系与钢轨坐标系的映射关系，将车辆振动数值补偿进车载几何参数值后，在80km/h、120km/h、160km/h速度等级下分别作了两次测量，分别将各补偿后拉出值作为样本与手持式测量拉出值（静态标准值）相比较，计算得出样本误差平均值（单位mm）为2、-1、-2、-6、4、-8，样本误差标准差（单位mm）为4、5、5、5、6、6。由概率统计区间估计理论可知：
其中X-、S为样本均值及样本标准差，u为总体均值，n为样本点数。则在0.95置信水平的情况下，得出总体误差均值的置信区间分别为（1.3，3.6）、（-2.4，0.5）、（-3.3，-0.5）、（-7.6，-46）、（2.2，5.4）、（-9.7，-6.2），均满足25mm的精度技术要求[7]。
四、结语
本文对车辆沉浮、横摆、侧滚3个自由度的振动检测进行了研究，并将其应用于车载接触网几何参数检测中，经现场测试验证，精度均符合技术要求。此外，若在此基础上扩展成两套装置分别安装于两个车端，根据杠杆原理可细化计算得出点头和摇头两个自由度参数，完成车辆振动的全方位测量，实时掌握运行车辆整车的空间姿态，进一步可以渗透到目前轨道交通车辆自动驾驶等新兴领域。
参考文献：
[1]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2003：341-344.
[2]佟立本.铁道概论（第五版）[M].北京：中国铁道出版社，2007：62-64.
[3]周威，薛宪堂，张文轩，等.接触网几何参数测量中的车辆振动补偿方法研究[J].中国铁路，2018（4）：92-97.
[4]Hartley R，Zisserman A.Multiple view geomtry in computer vision[M].Cambridge university press，2003.
[5]张晓龙，于万聚.接触网检测车振动测量及补偿计算[J].西南交通大学学报，1994，29（6）：633-638.
[6]刘涛，吴积钦，曾明.非接触式接触网检测车车车体振动位移补偿系统[J].电气化铁道，2007（5）：21-24.
[7]中国铁路总公司.接触网悬挂状态检测监测装置（4C）暂行技术条件[S].2014.
作者简介：吴立群（1985-），男，汉族，上海人，本科，工程师，中国铁道科学研究院集团有限公司研究生部，中国铁路上海局集团有限公司科学技术研究所，研究方向：铁路供电检测技术。
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