一种铁道接触线磨耗的测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种铁道接触线磨耗的测量系统。所述系统包括：光学测量装置，用于获得光条三维图像；里程测量装置，用于获得里程信息；以及检测设备，与所述光学测量装置及所述里程测量装置连接，用于接收所述光条三维图像与所述里程信息，并根据光条三维图像得到铁路接触线的残存高度，而且将所述铁路接触线的残存高度与所述里程信息相关联，获得测量结果。本实用新型通过接收光条三维图像与铁路里程信息，并根据标定算法将光条三维图像转化为三维轮廓坐标信息以得到铁路接触线的残存高度以及将铁路里程信息与铁路接触线的残存高度相关联，解决了由接触线点测量引起的效率低的问题。
【专利说明】一种铁道接触线磨耗的测量系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及测量领域，具体地，涉及一种铁道接触线磨耗的测量系统。
【背景技术】
[0002]当铁道接触线磨耗达到一定的程度时，则会导致接触线允许拉力和载流量下降。这样就会给铁路运输带来安全隐患。因此，在接触网日常运营维护过程中，需要对接触线磨耗进行定期测量以便及时发现磨耗异常点。在发现磨耗异常点的情况下，技术人员会采取措施，防止事故的发生。目前，国内对接触线磨耗的测量主要有两种方式一停电人工测量与利用接触网磨耗测量仪。但是，它们均存在不足之处。
[0003]停电人工测量方法是在接触网停电时，技术人员攀爬到接触网上使用游标卡尺或螺旋测微器测量接触线残存高度。这种方式必须在接触网停电的情况下进行测量，而且只能进行逐点测量，测量效率低下。
[0004]利用接触网磨耗测量仪的测量方法是通过高精度的传感器测头采集经磨耗后的接触线的残存高度。传感器测头通过高压绝缘杆接触各测点，由无线装置将数据传给地面手持电脑。这种方式虽然能在接触网带电的时候进行测量，但是仍然只能对接触线进行点测量，且测量速度慢，不可能对整条铁路的接触线进行全面测量。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的是提供一种铁道接触线磨耗的测量系统，所述测量系统通过接收铁路接触线下表面的光条三维图像与铁路接触线位置处的里程信息，并根据标定算法将光条三维图像转化为三维轮廓坐标信息以得到铁路接触线的残存高度以及将铁路接触线位置处的里程信息与铁路接触线的残存高度相对应，提高了铁路接触线磨耗测量的效率。
[0006]为了实现上述目的，本实用新型提供一种铁道接触线磨耗的测量系统，所述系统包括:光学测量装置，用于获得光条三维图像；里程测量装置，用于获得里程信息；以及检测设备，与所述光学测量装置及所述里程测量装置连接，用于接收所述光条三维图像与所述里程信息，并根据光条三维图像得到铁路接触线的残存高度，而且将所述铁路接触线的残存高度与所述里程信息相关联，获得测量结果。
[0007]其中，所述系统还包括:电源装置，与所述光学测量装置、所述检测设备以及所述里程测量装置连接，用于为所述光学测量装置、所述检测设备以及所述里程测量装置提供电源。
[0008]其中，所述光学测量装置包括:激光器，用于将均匀分布的线激光投射于所述接触线下表面；以及数字相机，用于获得所述线激光在所述接触线下表面形成的所述光条三维图像。
[0009]其中，所述检测设备根据标定算法将所述光条三维图像转化为三维轮廓坐标信息，并根据所述三维轮廓坐标信息，利用最小二乘法进行圆曲线拟合以计算出所述铁路接触线的残存高度。
[0010]其中，所述里程测量装置包括:光电脉冲传感器，安装在运行于所述铁路上的推车车轮上，用于产生对应于推车车轮转动的脉冲信号；以及采集模块，与所述光电脉冲传感器相连接，用于采集所述脉冲信号。
[0011]其中，所述检测设备接收所述采集模块从所述光电脉冲传感器采集的脉冲信号；以及所述检测设备根据所述脉冲信号，计算所述铁路接触线位置处的里程信息。
[0012]本实用新型通过接收铁路接触线下表面的光条三维图像与铁路接触线位置处的里程信息，并根据标定算法将光条三维图像转化为三维轮廓坐标信息以得到铁路接触线的残存高度以及将铁路接触线位置处的里程信息与铁路接触线的残存高度相对应，解决了由接触线点测量引起的效率低的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的【具体实施方式】一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中:
[0014]图1是根据本实用新型用于测量铁道接触线磨耗的测量系统的结构示意图；
[0015]图2是根据本实用新型用于测量铁道接触线磨耗的测量方法的流程图；
[0016]图3是根据本实用新型用于计算激光平面方程的示意图；
[0017]图4是根据本实用新型铁路接触线磨耗前与磨耗后的示意图；
[0018]图5是根据本实用新型用于计算铁路接触线的残存高度的示意图；以及
[0019]图6是根据本实用新型用于测量铁道接触线磨耗的实施例的示意图。
[0020]附图标记说明
[0021]10 光学测量装置20 检测设备
[0022]30 里程测量装置40 电源装置
[0023]90 数字相机100 激光平面
[0024]110激光器120 模型位置
[0025]130直线140 推车
[0026]150光电脉冲传感器
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
[0028]图1是根据本实用新型用于测量铁道接触线磨耗的测量系统的结构示意图。如图1所示，本实用新型提供的测量系统包括:光学测量装置10，用于获得光条三维图像；里程测量装置30，用于获得里程信息；以及检测设备20，与所述光学测量装置10及所述里程测量装置30连接，用于接收所述光条三维图像与所述里程信息，并根据光条三维图像得到铁路接触线的残存高度，而且将所述铁路接触线的残存高度与所述里程信息相关联，获得测量结果。
[0029]优选地，所述系统还包括:电源装置40，与所述光学测量装置10、所述检测设备20以及所述里程测量装置30连接，用于为所述光学测量装置、所述检测设备以及所述里程测量装置提供电源。藉此，保证所述测量系统的能量供应。
[0030]其中，电源装置40可采用容量为30AH锂电池为测量系统提供电源。藉此，测量系统能够不受停电的影响进行正常的工作。
[0031]本申请实用新型人发现电源装置可不采用锂电池，而是直接获取推车140本身AC220V电源，采用电源变换装置将AC220V电源转换为系统各部分所需的电源。藉此，保证所述测量系统的能量的持续供应。
[0032]优选地，所述光学测量装置包括:激光器，用于将均匀分布的线激光投射于所述接触线下表面；以及数字相机，用于获得所述线激光在所述接触线下表面形成的所述光条三维图像。藉此，所述光学测量装置可获得整条铁路的接触线的光条三维图像。
[0033]其中，所述检测设备根据标定算法将所述光条三维图像转化为三维轮廓坐标信息，并根据所述三维轮廓坐标信息，利用最小二乘法进行圆曲线拟合以计算出所述铁路接触线的残存高度。
[0034]优选地，所述里程测量装置30包括:光电脉冲传感器，安装在运行于所述铁路上的推车车轮上，用于产生对应于推车车轮转动的脉冲信号；以及采集模块，与所述光电脉冲传感器相连接，用于采集所述脉冲信号。藉此，能够很容易地获取所述铁路接触线位置处的里程信息。
[0035]其中，所述检测设备接收所述采集模块从所述光电脉冲传感器采集的脉冲信号；以及所述检测设备根据所述脉冲信号，计算所述铁路接触线位置处的里程信息。
[0036]图2是根据本实用新型用于测量铁道接触线磨耗的测量方法的流程图。在用于测量铁道接触线磨耗的测量系统中，测量系统根据如图2所示的测量方法来测量铁路接触线磨耗的残存高度，并将铁路接触线磨耗的残存高度与里程信息相关联。该方法包括:在步骤1001中，将线激光投射于铁路接触线下表面以形成光条三维图像；在步骤1002中，根据标定算法将光条三维图像转化为三维轮廓坐标信息。所述标定算法包括:数字相机内参数标定，用于获得数字相机的内部参数；以及光切系统参数标定，用于根据所述数字相机的内部参数计算出激光平面方程以获得三维轮廓坐标信息。具体的过程是:
[0037]首先，进行数字相机90内参数标定。数字相机90内参数标定的主要目的是得到数字相机90及镜头的焦距、图像中心位置、尺度因子、镜头畸变系数等。数字相机90内参数标定将按以下步骤进行:
[0038]1)打印一张标准标定模板并贴在一个平板上；
[0039]2)从不同角度拍摄若干张模板图像(大于5张)；
[0040]3)通过图像处理算法检测图像中的各个特征点(圆心的位置及间距)；
[0041]4)根据特征点在图像中的位置和其在实际空间中的相对位置关系，求出数字相机90的内部参数，并对内部参数进行优化求解。
[0042]然后，进行光切系统参数标定。光切系统参数标定的主要目的是确定激光器110平面与数字相机90平面之间的位置关系。光切系统参数标定将按以下步骤进行:
[0043]1)获取数字相机90的内部参数；
[0044]2)让平面靶标进入数字相机90视野内，并将激光打在平面靶标上，如图3所示；
[0045]3)计算位置靶标的旋转矩阵R及平移向量T，即获得了靶标平面在数字相机90坐标系下的空间平面方程，如图3所示；
[0046]4)在图像上检测光条中心，并拟合直线，获得在图像坐标系下的2D直线方程；
[0047]5)根据数字相机90内部参数，得到由光心O。和4)中直线组成的空间平面方程，即光条成像的投影平面；
[0048]6)由3)和5)中获得的两个平面，即可得到靶标上光条在数字相机90坐标系下的空间直线方程L1，如图3的模型位置120处的直线130 ；
[0049]7)将靶标转过一个角度，重复步骤3)?6)，获得另一空间直线方程L2 ；
[0050]8)由空间直线方程L1和空间直线方程L2即可得到激光平面100在数字相机坐标系下的方程，也就是激光平面方程
[0051]所述数字相机内参数标定与所述光切系统参数标定为本领域技术人员所公知的常用方法。所述光切系统参数标定中的空间直线方程与激光平面方程在具体的实施中可得到。
[0052]根据获得的激光平面方程、数字相机90的内部参数矩阵以及线激光在接触线下表面形成的光条三维图像，便可方便地获得光条三维图像上任一点在数字相机坐标系中的三维坐标。三维轮廓坐标信息指的就是光条三维图像上任一点在数字相机坐标系中的三维坐标。
[0053]在步骤1003中，根据三维轮廓坐标信息计算出铁路接触线的残存高度。图4是根据本实用新型铁路接触线磨耗前与磨耗后的示意图。如图4所示，磨耗前的铁路接触线如图4左边部分所示，磨耗后的铁路接触线如图4右边部分所示。图5是根据本实用新型用于计算铁路接触线的残存高度的示意图。如图5所示，线激光在铁路接触线下表面形成的光条三维图像如图5中实线部分所示。根据标定算法将光条三维图像转化为三维轮廓坐标信息，并根据三维轮廓坐标信息利用最小二乘法进行圆曲线拟合，可计算出圆心位置、接触线半径R以及线残存高度h。
[0054]在步骤1004中，获得铁路接触线位置处的里程信息，并将铁路接触线的残存高度与里程信息相关联。获得所述铁路接触线位置处的里程信息包括:接收由安装在推车车轮上的光电脉冲传感器因推车车轮转动所产生的脉冲信号；以及根据所述脉冲信号，计算所述铁路接触线位置处的里程信息。具体的计算过程是:设车轮每转动一周的脉冲数为N，车轮轮径为D。在相邻两次获取铁路接触线的残存高度期间，检测设备20对从光电脉冲传感器获取的脉冲数进行计数，计数值为n，则相邻两次获取铁路接触线的残存高度期间推车的行驶距离为L = n.π *D/N0之后，就可以得出本次测量的铁路接触线的残存高度所对应的里程信息。
[0055]图6是根据本实用新型用于测量铁道接触线磨耗的实施例的示意图。如图6所示，推车140采用铝合金为主要材质制造，可由二个人到四个人为一组进行推行测量，方便抬着推车140上下轨道，推车140高度不超过4m。有三个车轮与钢轨绝缘，剩下的一个车轮与钢轨非绝缘，以避免轨道电路短路。
[0056]光学测量装置10安装于推车140的顶部。当推车140在轨道上推行时，光学测量装置10对接触线下表面进行扫描测量，光条三维图像信息通过千兆网传输至检测设备20。具体的过程是:激光器将均匀分布的线激光投射于接触线下表面，这样就会在接触线下表面上形成由被测物表面形状所调制的光条三维图像。该三维图像通过处于另一个位置的数字相机探测，从而获得光条畸变图像，并将光条畸变图像信息通过千兆网传输至检测设备20。
[0057]所述光条的畸变程度取决于激光器器与数字相机之间的相对位置及接触线下表面轮廓(高度)。当激光器与数字相机之间的相对位置一定时，通过高精度的标定算法，获得激光平面方程后，就可容易获得光条上任一点在相机坐标系中的三维坐标。简单的讲，将二维图像看成是一张很大的二维表格，表格中的每个单元就是对应的三维坐标。光学测量装置10使激光线均匀的扫描被测物体表面，检测设备20就可以得出被测物表面三维轮廓坐标信息。根据三维轮廓坐标信息，检测设备20就可以绘出被测物体表面三维图。已知接触线下表面三维轮廓坐标信息，检测设备20就可以计算出接触线残存高度。
[0058]里程测量装置30的光电脉冲传感器150安装于推车的一个车轮上。随着推车的运行，光电脉冲传感器150输出距离脉冲信号。采集模块采集脉冲信号后通过USB总线传输至检测设备20。由检测设备20计算出铁路接触线位置处的里程信息，为铁路接触线磨耗的测量结果提供坐标信息。
[0059]检测设备20固定在推车140底部平台上。在铁路接触线磨耗测量开始时，工作人员通过检测软件设置好检测起始位置。随着推车的运行，可直接对接触线磨耗进行自动测量、显示和保存测量结果。在测量过程中，不需要对推车140进行人工干预。检测结束后，工作人员可取下检测设备20至办公室。然后，工作人员将打印机与检测设备20相连接，打印报表，进行测量结果的统计分析。
[0060]电源装置40固定在推车140底部平台上。在推车140运行的过程中，电源装置40为光学测量装置10、里程测量装置30以及检测设备20提供电源。
[0061]上述设计方案将光学测量装置安装在人工推行的推车上。光学测量装置10也可固定安装在接触网作业车、轨道车、电力机车等车辆顶部。在车辆运行过程中，光学测量装置10对接触线磨耗进行快速自动连续测量。
[0062]本实用新型通过接收光条三维图像与铁路里程信息，并根据标定算法将光条三维图像转化为三维轮廓坐标信息以得到铁路接触线的残存高度以及将铁路里程信息与铁路接触线的残存高度相关联，解决了由接触线点测量引起的效率低的问题。
[0063]以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
[0064]另外需要说明的是，在上述【具体实施方式】中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0065]此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。
【权利要求】
1.一种铁路接触线磨耗的测量系统，其特征在于，所述系统包括: 光学测量装置，用于获得光条三维图像； 里程测量装置，用于获得里程信息；以及 检测设备，与所述光学测量装置及所述里程测量装置连接，用于接收所述光条三维图像与所述里程信息，并根据光条三维图像得到铁路接触线的残存高度，而且将所述铁路接触线的残存高度与所述里程信息相关联，获得测量结果。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述系统还包括: 电源装置，与所述光学测量装置、所述检测设备以及所述里程测量装置连接，用于为所述光学测量装置、所述检测设备以及所述里程测量装置提供电源。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述光学测量装置包括: 激光器，用于将均匀分布的线激光投射于所述接触线下表面；以及 数字相机，用于获得所述线激光在所述接触线下表面形成的所述光条三维图像。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于， 所述检测设备根据标定算法将所述光条三维图像转化为三维轮廓坐标信息，并根据所述三维轮廓坐标信息，利用最小二乘法进行圆曲线拟合以计算出所述铁路接触线的残存高度。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述里程测量装置包括: 光电脉冲传感器，安装在运行于所述铁路上的推车车轮上，用于产生对应于推车车轮转动的脉冲信号；以及 采集模块，与所述光电脉冲传感器相连接，用于采集所述脉冲信号。
6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于， 所述检测设备接收所述采集模块从所述光电脉冲传感器采集的脉冲信号；以及 所述检测设备根据所述脉冲信号，计算所述铁路接触线位置处的里程信息。
【文档编号】G01B11/03GK204154280SQ201420642634
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】李喆, 柴书明, 何占元, 曹广河, 邓颖海, 曾明 申请人:中国神华能源股份有限公司, 朔黄铁路发展有限责任公司, 西南交通大学