高速机车车体动态限界检测系统的可行性报告

关于高速机车车体动态限界检测系统的可行性报告机车车辆及动车组整车线路高速运行试验中，需要精确测量车体限界。传统的动态限界测试方法采用激光测距二维重构成像技术，测量车体的外部轮廓。该测量方法由于受激光传感器扫描速度的限制，不能满足时速500公里以上的试验要求。本系统采用激光在车身打上标记，用高帧频摄像机摄取并存储高速运动车体的视频图像，利用三维动态变形测量技术和视频判读方法，对高速运动车体的限界实现光电非接触式精密测量。技术要求系统测量精度≯0.1%；距离测量误差≯2mm；工作环境温度-15℃～55℃；工作环境湿度5%～90%；拟建装备将用于室外现场，因此要求具有较高的环境适应能力； 车长：25000mm； 车宽：3500mm。2、技术方案2.1基于高速摄像的三维动态变形数字化测量原理本方案基于车体是刚体的考虑和车体外形轮廓已知的前提，利用高速摄像和计算机辅助技术来获取高速运动车体的限界数据。具有不损伤物体表面，材料适应性广，测距大，精度高等优点，系统误差为小于1mm。测量原理概述：测量速度假设车辆运行速度为500Km/h，选择摄像机的帧频1000Hz，也就是两帧图像的间隔时间为0.1ms，可以算出在0.1ms的时间里车辆移动了138.8mm。因为图像能覆盖1024mm×1024mm的面积，所以两帧图像中车厢的标记位置移动了大约0.135视场，摄像机可以清晰拍下以500Km/h运动的车辆，供分析测量。摄像机（加窄带滤光片）除了系统装调、环境条件造成的测量误差以外，摄像机的分辨能力是一项主要的误差来源。本系统的摄像机应选择高分辨率的。例如加拿大MegaSpeedCorp公司生产的MS50K（1280×1024像元，500fsp）和MS55K（1280×1024像元，1000fsp）都可以满足要求。考虑到现场试验，阳光的影响很大，需要采用窄带滤光片尽量滤掉激光波长以外的杂光，为信号处理创造良好的条件。根据试验现场的布局，选择（或设计加工）合适的光学系统，既保证测量视场，又要保证测量精度。线光源技术参数波长范围：635nm/650nm/658nm电源输入：AC170～250V/DC4.5V图1带调整架的线激光源工作方式：连续工作图1带调整架的线激光源出瞳功率：100mw光束直径：3M处线宽≤2mm扇角：90°～120°频率：连续光输出光束质量：细线，均匀，明亮直线度：≥1/5000工作温度：－10℃～50℃2.2测试方法：将靶标（基准图形）贴到车体表面（如图2所示），由于图形的几何参数已知，从观测点来看，靶标的图像发生的变化就代表了车体位置和姿态的变化。摄像机安装的距离和角度通过现场校准，摄取车体上靶标的图像，经过图像采集卡变成图像数据，保存在计算机中，事后对靶标的图像进行视频判读，就可以精确推算出车体在X方向的限界坐标。视频判读的图像如图3所示。A、B、C、D表示静止或慢速行驶的车体上靶标的图像(蓝色十字丝），A′、B′、Ｃ′、Ｄ′表示高速行驶的车体上靶标的图像(红色十字丝）。由于车体在离心力的作用下，沿着Ｘ轴的负方向向外移动。靶标离摄像机的距离增加，因此在摄像机靶面上成的像的大小和比例将发生变化。摄像机摄像机XYZOAABCDA′B′C′D′图3基于图3基于车体靶标的车体限界判读测量示意图图2基于图2基于车体靶标的单摄像机测量方案示意图LfDLfDdΔdΔL图4摄像机的光学成像原理当车体在X方向向外移动ΔL距离时，靶标的像在尺寸上将缩小Δd。只要精确测出Δd，就可以精确计算出ΔL，得到车体的限界。图5靶标图形车体标记的产生：图5靶标图形用印有规定图形的靶纸（如图5所示）贴在车体上。图形大小约1m×1m。用高帧频摄像机摄取车体靶标记的图像。为了提高测量精度，尽量使图像充满视场。也可以用几只激光器组成一组平行光投射到车体上产生靶标图形，例如图6所示。这种办法的优点是可以保证每帧图像都能准确地拍到靶标的像。车体车体激光靶标（b）激光靶标（a）激光靶标向车体投射图6激光靶标及其向车体投射示意图测量精度：LLΔLΔdD2Dff若摄像机的1个象元尺寸为b,镜头焦距f，则瞬时视场=2tg-1（b/2f）。所以，一个象元对应给定距离L处的线视场就决定了系统的测量精度。对于同样的车体移动ΔL，靶标小1倍，摄像机镜头焦距大1倍，测量的精度Δd一样。所以，车体靶标的尺寸可以小一点。设正方形车体靶标的边长D=0.5m，L=2.5m，摄像机分辨率为1000×1000，1个像元尺寸为b=6.8µm，若车体靶标的像大小为1000个像元=6.8mm，则f=34mm。因为若令Δd=6.8µm,则有所以，ΔL=2.5mm,测量视场角θ=2tan-1(250/2500）=11.4°，在距离为L=2.5m处，测量精度约为0.1%。测量系统的标校：在如图7所示的图像中，车体靶标的图像位置是相对于摄像机靶面的坐标系统。因此，摄像机的大地坐标必须知道。可以采取事先或事后用专门的靶标对摄像机的靶面坐标系统进行现场标校。专用靶标可以用代表车体的靶板在类似轨道尺的设备上，靶板上绘制定制尺寸的图形，如图7-a所示。使专用靶标的位置处于车体静止时的位置。现场标校时，将专用靶标放在测量标记点，让靶标图形正好成像在靶面的中心（如图7-b）即可。图像处理系统根据靶标图像就可以标定摄像机的视角和测量距离。如果采用激光靶标，则专用的靶板上不需要有任何图形。动态车体限界测量时，标校好的摄像机不动，根据车速提前启动摄像机拍照，事后进行判读。要想沿着轨道多点测量，需要将专用靶标沿着轨道推到指定位置重新标校。专用靶标专用靶标(a)(b)图7测量系统的标校计算机计算机的任务是对高速摄像机摄取的图像进行判读。本方案采用计算机辅助调整图像的对比度、亮度，半自动判读车体限界。关键是软件的研制和人机界面的方便有效，保证能够进行快速、高精度的事后判读。测量现场的布置由于测量系统由多个精密部件组成，整个测量系统需要仔细包装后运到现场展开使用。现场要求不高，地势开阔就行。加固的三角架，调整摄像机视轴和线光源指向，确信可以拍摄车辆的图像。沿着车辆运行的反方向，设置启动信号发生器1台，作为高速摄像机的启动信号，保证拍摄到车辆的标记；摄像机和信号发生器分别通过电缆连到控制台，进行实况显示、图像处理、测量程序和远程通信的控制。为了保证测量的准确性和可靠性，两套设备从轨道两边同时测量测量。测量系统摄像机和激光靶标都要放在有手动调节机构的三脚架上。因此三脚架是测量系统的基础，设计上应该满足以下要求：1）便于携带，展开后稳定牢固；2）带有两轴可精密调整的机构，如图8所示。水平仪激光器水平仪激光器×3高速摄像机高速摄像机三脚架三脚架图8带有两轴可精密调整机构的测量系统长春市开得科贸有限公司2009年11月12日铁路机车道口自动鸣笛系统项目可行性报告1、项目背景及项目实施的意义1.1项目背景安全是铁路确保运输的前提，同时也是铁路参与市场竞争最好的品牌。铁路运输生产必须坚持“安全第一”的方针，以行车安全为核心，保障旅客运输安全为重点，依靠先进装备、科学管理、高素质人才，保障铁路运输安全。随着铁路实施提速战略，一批新型的快速列车、特快列车相继开行，列车运行最高时速由原来120公里提高到160公里，对铁路运输安全提出了新的要求。而在铁路运输的安全事故中，有很多是发生在铁路的道口地带。为了保障铁路运输的安全性，降低铁路道口的事故发生频率，我科研所结合中国铁路的实际情况，准备研制开发机车道口自动鸣笛系统。该系统应用于铁路的机车上，在机车的行驶过程中，准确地判断出当前机车是否进入道口地带，并在道口的一定范围内进行自动鸣笛告警，以防止安全事故的发生。安全性在铁路运输生产中的重要性和机车道口自动鸣笛系统的实用性也决定了该系统在国内铁路运输部门必将具有广阔的市场。1.2项目投资的必要性高速运行的列车，刹车后需滑行1公里左右，至少要半分多钟才停得下来。按铁道部规定，道口宽度达到3米以上的才必须有人看守，而在我国很多地方宽度小于三米的道口也存在非常大的车流量和人员流动量，为了防止这些道口危及人们的生命财产安全，在机车上安装机车道口自动鸣笛装置还是非常必要的。目前，我国铁路共有大约一万五千台机车，而市场上还没有出现类似功能的机车道口自动鸣笛装置，因此市场潜力巨大。1.3实施该项目具备的条件和优势我们哈铁科研所在铁路的安全运输和自动化领域已经进行了多年的研究开发并取得了良好的成绩。在机车的应用领域也进行了很多项目的开发，积累了丰富的经验。目前，研制开发机车道口自动鸣笛系统的准备工作已经就绪，并经过了周密的原理分析和大量的现场调研。2、关键技术分析2.1关键技术分析2.1.1与机车现有装置的结合机车道口自动鸣笛系统采用和机车上的TAX箱一致通用的接口，设计成的集成电路功能模板直接插到TAX箱上，并能够从TAX箱的接口读取机车当前位置的公里标，作为道口的判断依据。2.1.2数据的存储系统需有原始数据的记录功能，能够保存详细的鸣笛信息并通过相应的仪器显示和转储。2.1.3鸣笛装置的控制自动鸣笛系统可以控制机车上的鸣笛装置，从而在道口地带实现自动鸣笛。2.2工艺及实施的可行性哈铁科研所是具有完整设计、制造和工程实施能力的铁路车辆安全监测、检测高技术产品的提供企业，我们在原有的第一代红外线轴温探测系统设备大量生产的基础上，又相继开发出了二型、三型红外线轴温探测系统，以及HTK-196型铁路车号自动识别系统。尽管各环节的实际作业条件、生产工艺和测试条件不同，由于我们掌握了上述系统的全部设计和关键制造技术，具有丰富的大型系统的科研、生产、工程实施经验和现场作业能力，同时采用先进的产品设计手段和优化方法，因此，产品的生产能力可以在保证质量的前提下保证供货。2.3发展趋势和后续创新能力四十多年来，哈铁科研所始终致力于我国铁路科技事业的开拓和发展，先后完成了一系列国家铁路技术的重大科研公关项目，谙熟铁路运输行业的特点和生产运行要求。同时培养了一大批科研和技术骨干，具有极强的科研开发能力和协同公关能力，完成了多项铁路机电一体化技术领域的重大科研攻关课题，在一系列铁路重大工程项目实施过程中积累了丰富的现场工作经验，保证了哈铁科研所能够处于铁路安全监测系统和自动化系统市场的领先地位。我科研所根据铁路运输行业的特点和生产运行要求，开发出的大部分产品技术处于国内领先地位，成功地应用于全国铁路主干线，保证了铁路运输安全、高速、高效运行。为机车研制开发相应的安全装置和自动化设施，也是提高我国铁路的现代化水平及保障铁路运输安全，适应今后列车运行速度的不断提高所进行的必要工作。3、项目技术成熟程度和风险3.1项目技术的成熟程度我科研所对于机车上的相关自动化装置的研究开发，已经积累了丰富的经验，并为开发自动鸣笛装置进行了周密的原理分析和大量的现场调研。目前，研制机车上安装的道口自动鸣笛装置的准备工作已经就绪。3.2技术风险分析我科研所建立了从设计、加工、安装到出厂检验等一系列完整的质量保证体系，对产品进行全过程质量控制。对外购原材料、元器件及外协工序均进行入厂复检；产品出厂前均经过严格的质量检验，对装配和调试的关键环节实行跟踪检验，确保装调质量，并进行全面的试运行考核，使产品完全达到技术要求中所规定的各项技术指标。4、项目市场前景分析4.1市场状况及发展前景目前我国铁路这几年已经经历了四次大提速，并且在今后还将不断提高列车的运行时速，以适应高速发展的国民经济和国家现代化水平的提高。随着提速所带来的安全问题是不容忽视的，铁路运输生产必须坚持“安全第一”的方针。因此，怎样避免铁路道口事故的发生也是减少安全隐患的关键。全国铁路共有机车大约一万五千多台，如果能够推广机车道口自动鸣笛系统，其市场前景是非常广阔的。4.2产品的特点和进入市场的竞争优势4.2.1产品特点——可以以功能模板的形式插入到机车现有的TAX箱中，具有良好的通用性和整合性。——可以记录相关的机车信息，以便于日后的读取和分析，并能够通过转储器转储和显示数据。——系统结构简单，功能完备。4.2.2竞争优势目前，市场上还没有同类功能的机车道口自动鸣笛装置出现，国内从事这方面研制开发工作的只有我们哈科所一家，因此在今后的推广中必将占有绝大部分的市场分额。哈铁科研所在铁路的自动控制方面进行了长期的技术积累，研发系统完善，综合开发实力和工程应用能力较强。我们与国内同行相比，在技术实力、开发设计能力、技术支持和售后服务方面具有显著的优势，产品的性能、技术水平、稳定性、可靠性和价格等方面都具有绝对的优势。