一種鐵道接觸線磨耗的測量方法以及測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鐵道接觸線磨耗的測量方法以及測量系統(tǒng)。其中，所述測量方法包括：將線激光投射于鐵路接觸線下表面以形成光條三維圖像；獲得所述光條三維圖像，根據(jù)標定算法將所述光條三維圖像轉化為三維輪廓坐標信息；根據(jù)所述三維輪廓坐標信息計算出所述鐵路接觸線的殘存高度；獲得所述鐵路接觸線位置處的里程信息；以及將所述鐵路接觸線的殘存高度與所述里程信息相關聯(lián)，獲得測量結果。本發(fā)明通過接收光條三維圖像與鐵路里程信息，并根據(jù)標定算法將光條三維圖像轉化為三維輪廓坐標信息以得到鐵路接觸線的殘存高度以及將鐵路里程信息與鐵路接觸線的殘存高度相關聯(lián)，解決了由接觸線點測量引起的效率低的問題。
【專利說明】一種鐵道接觸線磨耗的測量方法以及測量系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及測量領域，具體地，涉及一種鐵道接觸線磨耗的測量方法以及測量系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]當鐵道接觸線磨耗達到一定的程度時，則會導致接觸線允許拉力和載流量下降。這樣就會給鐵路運輸帶來安全隱患。因此，在接觸網(wǎng)日常運營維護過程中，需要對接觸線磨耗進行定期測量以便及時發(fā)現(xiàn)磨耗異常點。在發(fā)現(xiàn)磨耗異常點的情況下，技術人員會采取措施，防止事故的發(fā)生。目前，國內對接觸線磨耗的測量主要有兩種方式一停電人工測量與利用接觸網(wǎng)磨耗測量儀。但是，它們均存在不足之處。
[0003]停電人工測量方法是在接觸網(wǎng)停電時，技術人員攀爬到接觸網(wǎng)上使用游標卡尺或螺旋測微器測量接觸線殘存高度。這種方式必須在接觸網(wǎng)停電的情況下進行測量，而且只能進行逐點測量，測量效率低下。
[0004]利用接觸網(wǎng)磨耗測量儀的測量方法是通過高精度的傳感器測頭采集經(jīng)磨耗后的接觸線的殘存高度。傳感器測頭通過高壓絕緣桿接觸各測點，由無線裝置將數(shù)據(jù)傳給地面手持電腦。這種方式雖然能在接觸網(wǎng)帶電的時候進行測量，但是仍然只能對接觸線進行點測量，且測量速度慢，不可能對整條鐵路的接觸線進行全面測量。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種鐵道接觸線磨耗的測量方法以及測量系統(tǒng)，該方法通過接收鐵路接觸線下表面的光條三維圖像與鐵路接觸線位置處的里程信息，并根據(jù)標定算法將光條三維圖像轉化為三維輪廓坐標信息以得到鐵路接觸線的殘存高度以及將鐵路接觸線位置處的里程信息與鐵路接觸線的殘存高度相對應，提高了鐵路接觸線磨耗測量的效率。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種鐵道接觸線磨耗的測量方法，所述測量方法包括:將線激光投射于鐵路接觸線下表面以形成光條三維圖像；獲得所述光條三維圖像，根據(jù)標定算法將所述光條三維圖像轉化為三維輪廓坐標信息；根據(jù)所述三維輪廓坐標信息計算出所述鐵路接觸線的殘存高度；獲得所述鐵路接觸線位置處的里程信息；以及將所述鐵路接觸線的殘存高度與所述里程信息相關聯(lián)，獲得測量結果。
[0007]其中，采用數(shù)字相機獲得所述光條三維圖像，所述標定算法包括:數(shù)字相機內參數(shù)標定，用于獲得數(shù)字相機的內部參數(shù)；以及光切系統(tǒng)參數(shù)標定，用于根據(jù)所述數(shù)字相機的內部參數(shù)計算出激光平面方程以獲得所述三維輪廓坐標信息。
[0008]其中，根據(jù)所述三維輪廓坐標信息，利用最小二乘法進行圓曲線擬合以計算出所述鐵路接觸線的殘存高度。
[0009]其中，獲得所述鐵路接觸線位置處的里程信息包括:接收由安裝在推車車輪上的光電脈沖傳感器因推車車輪轉動所產(chǎn)生的脈沖信號；以及根據(jù)所述脈沖信號，計算所述鐵路接觸線位置處的里程信息。
[0010]相應地，本發(fā)明還提供一種鐵道接觸線磨耗的測量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:光學測量裝置，用于獲得光條三維圖像；里程測量裝置，用于獲得里程信息；以及檢測設備，與所述光學測量裝置及所述里程測量裝置連接，用于接收所述光條三維圖像與所述里程信息，并根據(jù)光條三維圖像得到鐵路接觸線的殘存高度，而且將所述鐵路接觸線的殘存高度與所述里程信息相關聯(lián)，獲得測量結果。
[0011]其中，所述系統(tǒng)還包括:電源裝置，與所述光學測量裝置、所述檢測設備以及所述里程測量裝置連接，用于為所述光學測量裝置、所述檢測設備以及所述里程測量裝置提供電源。
[0012]其中，所述光學測量裝置包括:激光器，用于將均勻分布的線激光投射于所述接觸線下表面；以及數(shù)字相機，用于獲得所述線激光在所述接觸線下表面形成的所述光條三維圖像。
[0013]其中，所述檢測設備根據(jù)標定算法將所述光條三維圖像轉化為三維輪廓坐標信息，并根據(jù)所述三維輪廓坐標信息，利用最小二乘法進行圓曲線擬合以計算出所述鐵路接觸線的殘存高度。
[0014]其中，所述里程測量裝置包括:光電脈沖傳感器，安裝在運行于所述鐵路上的推車車輪上，用于產(chǎn)生對應于推車車輪轉動的脈沖信號；以及采集模塊，與所述光電脈沖傳感器相連接，用于采集所述脈沖信號。
[0015]其中，所述檢測設備接收所述采集模塊從所述光電脈沖傳感器采集的脈沖信號；以及所述檢測設備根據(jù)所述脈沖信號，計算所述鐵路接觸線位置處的里程信息。
[0016]本發(fā)明通過接收鐵路接觸線下表面的光條三維圖像與鐵路接觸線位置處的里程信息，并根據(jù)標定算法將光條三維圖像轉化為三維輪廓坐標信息以得到鐵路接觸線的殘存高度以及將鐵路接觸線位置處的里程信息與鐵路接觸線的殘存高度相對應，解決了由接觸線點測量引起的效率低的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的【具體實施方式】一起用于解釋本發(fā)明，但并不構成對本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0018]圖1是根據(jù)本發(fā)明用于測量鐵道接觸線磨耗的測量系統(tǒng)的結構示意圖；
[0019]圖2是根據(jù)本發(fā)明用于測量鐵道接觸線磨耗的測量方法的流程圖；
[0020]圖3是根據(jù)本發(fā)明用于計算激光平面方程的示意圖；
[0021]圖4是根據(jù)本發(fā)明鐵路接觸線磨耗前與磨耗后的示意圖；
[0022]圖5是根據(jù)本發(fā)明用于計算鐵路接觸線的殘存高度的示意圖；以及
[0023]圖6是根據(jù)本發(fā)明用于測量鐵道接觸線磨耗的實施例的示意圖。
[0024]附圖標記說明
[0025]10 光學測量裝置20 檢測設備
[0026]30 里程測量裝置40 電源裝置
[0027]90 數(shù)字相機100 激光平面
[0028]110激光器120 模型位置
[0029]130直線140 推車
[0030]150光電脈沖傳感器

【具體實施方式】
[0031]以下結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0032]圖1是根據(jù)本發(fā)明用于測量鐵道接觸線磨耗的測量系統(tǒng)的結構示意圖。如圖1所示，本發(fā)明提供的測量系統(tǒng)包括:光學測量裝置10，用于獲得光條三維圖像；里程測量裝置30，用于獲得里程信息；以及檢測設備20，與所述光學測量裝置10及所述里程測量裝置30連接，用于接收所述光條三維圖像與所述里程信息，并根據(jù)光條三維圖像得到鐵路接觸線的殘存高度，而且將所述鐵路接觸線的殘存高度與所述里程信息相關聯(lián)，獲得測量結果。
[0033]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括:電源裝置40，與所述光學測量裝置10、所述檢測設備20以及所述里程測量裝置30連接，用于為所述光學測量裝置、所述檢測設備以及所述里程測量裝置提供電源。藉此，保證所述測量系統(tǒng)的能量供應。
[0034]其中，電源裝置40可采用容量為30AH鋰電池為測量系統(tǒng)提供電源。藉此，測量系統(tǒng)能夠不受停電的影響進行正常的工作。
[0035]本申請發(fā)明人發(fā)現(xiàn)電源裝置可不采用鋰電池，而是直接獲取推車140本身AC220V電源，采用電源變換裝置將AC220V電源轉換為系統(tǒng)各部分所需的電源。藉此，保證所述測量系統(tǒng)的能量的持續(xù)供應。
[0036]優(yōu)選地，所述光學測量裝置包括:激光器，用于將均勻分布的線激光投射于所述接觸線下表面；以及數(shù)字相機，用于獲得所述線激光在所述接觸線下表面形成的所述光條三維圖像。藉此，所述光學測量裝置可獲得整條鐵路的接觸線的光條三維圖像。
[0037]其中，所述檢測設備根據(jù)標定算法將所述光條三維圖像轉化為三維輪廓坐標信息，并根據(jù)所述三維輪廓坐標信息，利用最小二乘法進行圓曲線擬合以計算出所述鐵路接觸線的殘存高度。
[0038]優(yōu)選地，所述里程測量裝置30包括:光電脈沖傳感器，安裝在運行于所述鐵路上的推車車輪上，用于產(chǎn)生對應于推車車輪轉動的脈沖信號；以及采集模塊，與所述光電脈沖傳感器相連接，用于采集所述脈沖信號。藉此，能夠很容易地獲取所述鐵路接觸線位置處的里程信息。
[0039]其中，所述檢測設備接收所述采集模塊從所述光電脈沖傳感器采集的脈沖信號；以及所述檢測設備根據(jù)所述脈沖信號，計算所述鐵路接觸線位置處的里程信息。
[0040]圖2是根據(jù)本發(fā)明用于測量鐵道接觸線磨耗的測量方法的流程圖。在用于測量鐵道接觸線磨耗的測量系統(tǒng)中，測量系統(tǒng)根據(jù)如圖2所示的測量方法來測量鐵路接觸線磨耗的殘存高度，并將鐵路接觸線磨耗的殘存高度與里程信息相關聯(lián)。該方法包括:在步驟1001中，將線激光投射于鐵路接觸線下表面以形成光條三維圖像；在步驟1002中，根據(jù)標定算法將光條三維圖像轉化為三維輪廓坐標信息。所述標定算法包括:數(shù)字相機內參數(shù)標定，用于獲得數(shù)字相機的內部參數(shù)；以及光切系統(tǒng)參數(shù)標定，用于根據(jù)所述數(shù)字相機的內部參數(shù)計算出激光平面方程以獲得三維輪廓坐標信息。具體的過程是:
[0041]首先，進行數(shù)字相機90內參數(shù)標定。數(shù)字相機90內參數(shù)標定的主要目的是得到數(shù)字相機90及鏡頭的焦距、圖像中心位置、尺度因子、鏡頭畸變系數(shù)等。數(shù)字相機90內參數(shù)標定將按以下步驟進行:
[0042]1)打印一張標準標定模板并貼在一個平板上；
[0043]2)從不同角度拍攝若干張模板圖像(大于5張)；
[0044]3)通過圖像處理算法檢測圖像中的各個特征點(圓心的位置及間距)；
[0045]4)根據(jù)特征點在圖像中的位置和其在實際空間中的相對位置關系，求出數(shù)字相機90的內部參數(shù)，并對內部參數(shù)進行優(yōu)化求解。
[0046]然后，進行光切系統(tǒng)參數(shù)標定。光切系統(tǒng)參數(shù)標定的主要目的是確定激光器110平面與數(shù)字相機90平面之間的位置關系。光切系統(tǒng)參數(shù)標定將按以下步驟進行:
[0047]1)獲取數(shù)字相機90的內部參數(shù)；
[0048]2)讓平面靶標進入數(shù)字相機90視野內，并將激光打在平面靶標上，如圖3所示；
[0049]3)計算位置靶標的旋轉矩陣R及平移向量T，即獲得了靶標平面在數(shù)字相機90坐標系下的空間平面方程，如圖3所示；
[0050]4)在圖像上檢測光條中心，并擬合直線，獲得在圖像坐標系下的2D直線方程；
[0051]5)根據(jù)數(shù)字相機90內部參數(shù)，得到由光心0。和4)中直線組成的空間平面方程，即光條成像的投影平面；
[0052]6)由3)和5)中獲得的兩個平面，即可得到靶標上光條在數(shù)字相機90坐標系下的空間直線方程U，如圖3的模型位置120處的直線130 ；
[0053]7)將靶標轉過一個角度，重復步驟3)?6)，獲得另一空間直線方程L2 ；
[0054]8)由空間直線方程U和空間直線方程L2即可得到激光平面100在數(shù)字相機坐標系下的方程，也就是激光平面方程
[0055]所述數(shù)字相機內參數(shù)標定與所述光切系統(tǒng)參數(shù)標定為本領域技術人員所公知的常用方法。所述光切系統(tǒng)參數(shù)標定中的空間直線方程與激光平面方程在具體的實施中可得到。
[0056]根據(jù)獲得的激光平面方程、數(shù)字相機90的內部參數(shù)矩陣以及線激光在接觸線下表面形成的光條三維圖像，便可方便地獲得光條三維圖像上任一點在數(shù)字相機坐標系中的三維坐標。三維輪廓坐標信息指的就是光條三維圖像上任一點在數(shù)字相機坐標系中的三維坐標。
[0057]在步驟1003中，根據(jù)三維輪廓坐標信息計算出鐵路接觸線的殘存高度。圖4是根據(jù)本發(fā)明鐵路接觸線磨耗前與磨耗后的示意圖。如圖4所示，磨耗前的鐵路接觸線如圖4左邊部分所示，磨耗后的鐵路接觸線如圖4右邊部分所示。圖5是根據(jù)本發(fā)明用于計算鐵路接觸線的殘存高度的示意圖。如圖5所示，線激光在鐵路接觸線下表面形成的光條三維圖像如圖5中實線部分所示。根據(jù)標定算法將光條三維圖像轉化為三維輪廓坐標信息，并根據(jù)三維輪廓坐標信息利用最小二乘法進行圓曲線擬合，可計算出圓心位置、接觸線半徑R以及線殘存高度h。
[0058]在步驟1004中，獲得鐵路接觸線位置處的里程信息，并將鐵路接觸線的殘存高度與里程信息相關聯(lián)。獲得所述鐵路接觸線位置處的里程信息包括:接收由安裝在推車車輪上的光電脈沖傳感器因推車車輪轉動所產(chǎn)生的脈沖信號；以及根據(jù)所述脈沖信號，計算所述鐵路接觸線位置處的里程信息。具體的計算過程是:設車輪每轉動一周的脈沖數(shù)為N，車輪輪徑為D。在相鄰兩次獲取鐵路接觸線的殘存高度期間，檢測設備20對從光電脈沖傳感器獲取的脈沖數(shù)進行計數(shù)，計數(shù)值為n，則相鄰兩次獲取鐵路接觸線的殘存高度期間推車的行駛距離為L = n.π *D/N0之后，就可以得出本次測量的鐵路接觸線的殘存高度所對應的里程信息。
[0059]圖6是根據(jù)本發(fā)明用于測量鐵道接觸線磨耗的實施例的示意圖。如圖6所示，推車140采用鋁合金為主要材質制造，可由二個人到四個人為一組進行推行測量，方便抬著推車140上下軌道，推車140高度不超過4m。有三個車輪與鋼軌絕緣，剩下的一個車輪與鋼軌非絕緣，以避免軌道電路短路。
[0060]光學測量裝置10安裝于推車140的頂部。當推車140在軌道上推行時，光學測量裝置10對接觸線下表面進行掃描測量，光條三維圖像信息通過千兆網(wǎng)傳輸至檢測設備20。具體的過程是:激光器將均勻分布的線激光投射于接觸線下表面，這樣就會在接觸線下表面上形成由被測物表面形狀所調制的光條三維圖像。該三維圖像通過處于另一個位置的數(shù)字相機探測，從而獲得光條畸變圖像，并將光條畸變圖像信息通過千兆網(wǎng)傳輸至檢測設備20。
[0061]所述光條的畸變程度取決于激光器器與數(shù)字相機之間的相對位置及接觸線下表面輪廓(高度)。當激光器與數(shù)字相機之間的相對位置一定時，通過高精度的標定算法，獲得激光平面方程后，就可容易獲得光條上任一點在相機坐標系中的三維坐標。簡單的講，將二維圖像看成是一張很大的二維表格，表格中的每個單元就是對應的三維坐標。光學測量裝置10使激光線均勻的掃描被測物體表面，檢測設備20就可以得出被測物表面三維輪廓坐標信息。根據(jù)三維輪廓坐標信息，檢測設備20就可以繪出被測物體表面三維圖。已知接觸線下表面三維輪廓坐標信息，檢測設備20就可以計算出接觸線殘存高度。
[0062]里程測量裝置30的光電脈沖傳感器150安裝于推車的一個車輪上。隨著推車的運行，光電脈沖傳感器150輸出距離脈沖信號。采集模塊采集脈沖信號后通過USB總線傳輸至檢測設備20。由檢測設備20計算出鐵路接觸線位置處的里程信息，為鐵路接觸線磨耗的測量結果提供坐標信息。
[0063]檢測設備20固定在推車140底部平臺上。在鐵路接觸線磨耗測量開始時，工作人員通過檢測軟件設置好檢測起始位置。隨著推車的運行，可直接對接觸線磨耗進行自動測量、顯示和保存測量結果。在測量過程中，不需要對推車140進行人工干預。檢測結束后，工作人員可取下檢測設備20至辦公室。然后，工作人員將打印機與檢測設備20相連接，打印報表，進行測量結果的統(tǒng)計分析。
[0064]電源裝置40固定在推車140底部平臺上。在推車140運行的過程中，電源裝置40為光學測量裝置10、里程測量裝置30以及檢測設備20提供電源。
[0065]上述設計方案將光學測量裝置安裝在人工推行的推車上。光學測量裝置10也可固定安裝在接觸網(wǎng)作業(yè)車、軌道車、電力機車等車輛頂部。在車輛運行過程中，光學測量裝置10對接觸線磨耗進行快速自動連續(xù)測量。
[0066]本發(fā)明通過接收光條三維圖像與鐵路里程信息，并根據(jù)標定算法將光條三維圖像轉化為三維輪廓坐標信息以得到鐵路接觸線的殘存高度以及將鐵路里程信息與鐵路接觸線的殘存高度相關聯(lián)，解決了由接觸線點測量引起的效率低的問題。
[0067]以上結合附圖詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術構思范圍內，可以對本發(fā)明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0068]另外需要說明的是，在上述【具體實施方式】中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。
[0069]此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應當視為本發(fā)明所公開的內容。
【權利要求】
1.一種鐵路接觸線磨耗的測量方法，其特征在于，所述測量方法包括: 將線激光投射于鐵路接觸線下表面以形成光條三維圖像； 獲得所述光條三維圖像，根據(jù)標定算法將所述光條三維圖像轉化為三維輪廓坐標信息； 根據(jù)所述三維輪廓坐標信息計算出所述鐵路接觸線的殘存高度； 獲得所述鐵路接觸線位置處的里程信息；以及 將所述鐵路接觸線的殘存高度與所述里程信息相關聯(lián)，獲得測量結果。
2.根據(jù)權利要求1所述的測量方法，其特征在于，采用數(shù)字相機獲得所述光條三維圖像，所述標定算法包括: 數(shù)字相機內參數(shù)標定，用于獲得數(shù)字相機的內部參數(shù)；以及 光切系統(tǒng)參數(shù)標定，用于根據(jù)所述數(shù)字相機的內部參數(shù)計算出激光平面方程以獲得所述三維輪廓坐標信息。
3.根據(jù)權利要求1所述的測量方法，其特征在于，根據(jù)所述三維輪廓坐標信息，利用最小二乘法進行圓曲線擬合以計算出所述鐵路接觸線的殘存高度。
4.根據(jù)權利要求1所述的測量方法，其特征在于，獲得所述鐵路接觸線位置處的里程信息包括: 接收由安裝在推車車輪上的光電脈沖傳感器因推車車輪轉動所產(chǎn)生的脈沖信號；以及 根據(jù)所述脈沖信號，計算所述鐵路接觸線位置處的里程信息。
5.一種鐵路接觸線磨耗的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括: 光學測量裝置，用于獲得光條三維圖像； 里程測量裝置，用于獲得里程信息；以及 檢測設備，與所述光學測量裝置及所述里程測量裝置連接，用于接收所述光條三維圖像與所述里程信息，并根據(jù)光條三維圖像得到鐵路接觸線的殘存高度，而且將所述鐵路接觸線的殘存高度與所述里程信息相關聯(lián)，獲得測量結果。
6.根據(jù)權利要求5所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括: 電源裝置，與所述光學測量裝置、所述檢測設備以及所述里程測量裝置連接，用于為所述光學測量裝置、所述檢測設備以及所述里程測量裝置提供電源。
7.根據(jù)權利要求5所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光學測量裝置包括: 激光器，用于將均勻分布的線激光投射于所述接觸線下表面；以及 數(shù)字相機，用于獲得所述線激光在所述接觸線下表面形成的所述光條三維圖像。
8.根據(jù)權利要求5所述的測量系統(tǒng)，其特征在于， 所述檢測設備根據(jù)標定算法將所述光條三維圖像轉化為三維輪廓坐標信息，并根據(jù)所述三維輪廓坐標信息，利用最小二乘法進行圓曲線擬合以計算出所述鐵路接觸線的殘存高度。
9.根據(jù)權利要求5所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述里程測量裝置包括: 光電脈沖傳感器，安裝在運行于所述鐵路上的推車車輪上，用于產(chǎn)生對應于推車車輪轉動的脈沖信號；以及 采集模塊，與所述光電脈沖傳感器相連接，用于采集所述脈沖信號。
10.根據(jù)權利要求9所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測設備接收所述采集模塊從所述光電脈沖傳感器采集的脈沖信號；以及所述檢測設備根據(jù)所述脈沖信號，計算所述鐵路接觸線位置處的里程信息。
【文檔編號】G01B11/03GK104315984SQ201410601862
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權日:2014年10月31日
【發(fā)明者】李喆, 柴書明, 何占元, 曹廣河, 鄧穎海, 曾明 申請人:中國神華能源股份有限公司, 朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司, 西南交通大學