一种高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，包括：安装于减振构架上的包括编码结构光图像采集单元和惯性测量装置的数据采集系统、安装于车载控制平台中的数据处理系统和数据显示系统；减振构架通过顶部的固定装置与车厢底部连接，悬挂在转向架的构架的中央悬挂与轴箱悬挂之间的位置；编码结构光图像采集单元正对左右轮轨接触区域且成包围结构；数据处理系统根据编码结构光图像采集单元捕获的高清图像、惯性测量装置测量的加速度等数据，通过三维几何重构、表征参数识别和数据交互获得轮轨接触几何参数，进而获得轮轨关系谱；数据显示系统通过人机交互界面实时图像、数据和轮轨关系谱。本实用新型专利技术能实现轮轨动态接触状态的实时捕捉。

【技术实现步骤摘要】
一种高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统
本技术涉及铁路运输
更具体地，涉及一种高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统。
技术介绍
我国是世界上高速铁路发展最快、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家。截止2015年底，我国铁路运营里程已达到12.1万公里，其中高铁运营里程1.9万公里，占世界的60％以上，基本形成了以“四纵四横”为骨架的高速铁路网。我国高铁技术已经快速站到了世界前沿，实现了由“追赶者”到“引领者”的历史性跨越，正在引领世界高铁发展。尽管我国高铁建设规模领先世界、高铁建造技术水平国际一流，然而由于我国高铁工程建设周期短，建造规模大，早期技术积累和运营经验不足。近年来，在我国高铁运营线路上涌现出了大量病害问题和现象，轨道方面病害：如开通时间较长的京津城际部分正线、到发线道岔存在曲尖轨侧磨，心轨鱼鳞纹等钢轨病害，磨耗及鱼鳞纹发展后将形成伤损，产生了安全隐患；京沪高铁开通后钢轨逐步出现波磨、顶面麻坑、鱼鳞纹等问题，且由于波磨引起弹条折断、“抖车”、轮轨颤振甚至轮轨脱空等亟需解决的病害现象；多条高速铁路累积400多组道岔出现尖轨纵向裂纹问题，严重威胁车辆运行安全，武广、京津城际、哈大、京沪等高速铁路频繁出现动车组构架横向加速度报警，至今总计出现报警400余次。以上病害的频繁出现，严重威胁高速铁路的安全运行，大大缩短了车辆及轨道部件的使用寿命，甚至导致了部分线路被迫降速，造成巨大的经济损失。目前，针对上述病害，高铁养护维修部门只能采取频繁的轮对镟修、钢轨打磨措施进行定期整治，但整治效果不明显、轮轨相关异常现象反复出现，造成铁路工务、车务等部门疲于应对而又找不到有效措施。这主要是由于对这些病害的发生及对轮轨动态接触关系的影响机理认识不清所导致的，但就目前的研究现状而言，现在还没有一种测试系统可以对轮轨动态接触状态进行准确测试，这严重制约了轮轨关系研究的发展。因此，亟需通过一种系统对轮轨的接触状态进行实时的测定。但由于高速列车行车速度快，轮轨接触状态瞬息万变，目前尚无可行的方式对其实时状态进行捕捉。因此，需要提供一种能突破轮轨接触关系无法在线测试的技术瓶颈，实现轮轨动态接触状态的实时捕捉的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统。为达到上述目的，本技术采用下述技术方案：一种高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，该系统包括：安装于减振构架上的数据采集系统、安装于车载控制平台中的数据处理系统和数据显示系统；所述数据采集系统包括编码结构光图像采集单元和惯性测量装置；所述减振构架通过顶部的固定装置与车厢底部连接，悬挂在转向架的构架的中央悬挂与轴箱悬挂之间的位置；所述编码结构光图像采集单元正对左右轮轨接触区域且成包围结构；所述编码结构光图像采集单元将其捕获的高清图像传输至数据处理系统，所述惯性测量装置将其测量得到的里程数据、速度数据和加速度数据传输至数据处理系统；所述数据处理系统根据高清图像、里程数据、速度数据和加速度数据，通过三维几何重构、表征参数识别和数据交互获得轮轨接触几何参数，进而获得包含轮轨接触关系和轮轨接触几何参数的轮轨关系谱；所述数据显示系统通过人机交互界面实时显示高清图像、里程数据、速度数据、加速度数据和轮轨关系谱，并实现报警预警和即时通讯，该人机交互界面可现实轮轨接触关系显示、轮轨接触几何参数显示和里程、速度、加速度显示的任意切换，轮轨接触关系包括车轮踏面测量参数、钢轨廓面测量参数和轮轨接触几何测量参数，轮轨接触几何参数包括轮对横移量测量参数、轮对摇头角测量参数和车轮侧滚角测量参数。优选地，所述编码结构光图像采集单元包括编码结构光投影仪和与之匹配的高清高速摄像机，所述编码结构光投影仪对车轮、钢轨以及轮轨接触区域投射编码结构光栅条纹面，所述高清高速摄像机对所述编码结构光栅条纹面进行捕捉拍摄，捕获高清图像。其中，编码结构光投影仪的分辨率>1024*768、投影距离50-100cm、频率不低于120Hz，可外部触发；高清高速摄像机的最高像素分辨率≥1000×1000、帧率≥500fps、最大曝光时间≤3μs、像素精度≥10Bit。优选地，所述编码结构光投影仪分布于左右轮轨接触检测区域前后，具体共4台，左右轮轨接触检测区域前后各分布1台，与车轮圆心和轮轨接触点所连成的半径线段成30度夹角的另两个左右对称的半径线段所对应的车轮踏面处为投射范围上限，在钢轨廓面上的垂向投影线为投影下限，上限与下限之间为编码结构光栅条纹面覆盖区域。优选地，所述高清高速摄像机分布于左右轮轨接触检测区域前后，具体共8台，左右轮轨接触检测区域前后各分布2台，且左右对称分布，其中一侧轮轨接触检测区域前侧两台摄像机分布于编码结构光投影仪两侧，且两台摄像机的拍摄范围覆盖了投影的全部范围，两台摄像机的拍摄范围在钢轨廓面和车轮踏面上有重合区域。优选地，惯性测量装置安装于减振构架中部，所述惯性测量装置包括测量水平方向的加速度计、测量车体摇头和滚动角速率的陀螺仪、确定列车所在里程的定位装置和轨距传感器，所述加速度计安装于减振构架中部两侧，所述轨距传感器安装于减振构架横向中心线位置。优选地，所述减振构架骑行于轮对之上，所述减振构架下侧为两个平行于轮轴且分布于车轮前后的条状横梁，横梁两端各设有两根立柱用于连接减振构架上方的条状纵梁，纵梁两端各设有一个用于与车厢底部连接的四爪形固定装置。优选地，所述减振构架横梁两端除设有编码结构光图像采集单元外，在其上表面两立柱之间设有照明系统，用于加强轮轨接触区域的光线，提高图像采集质量，同时在横梁中部上表面设有一台高清高速摄像机，用于拍摄整个车轮的运动状态。优选地，所述数据处理系统包括高速网络交换设备、高速存储阵列、高性能图形工作站、GPGPU图形加速处理单元和中央控制器，中央控制器触发启动编码结构光图像采集单元和惯性测量装置进行协调同步工作，高速网络交换设备进行多通道海量数据的快速同步传输，高速存储阵列进行海量数据的同步存储和高效访问，高性能图形工作站和GPGPU图形加速处理单元对图像进行去噪增强处理和三维结构重建，将获得的轮轨关系谱输出并再次存储。优选地，所述轨距传感器启动测量时，轨距传感器测量得到单边轨距测量值和高低位移测量值，通过计算，可得出左右单边轨距值，若左右单边轨距值相等，则轮对对称分布于线路中心线两侧，轮对横移量为0，若左右单边轨距值不相等，则其差值的绝对值即为轮对横移量。由车辆轨道动力学可知，通过关系公式可由横移量计算出车轮侧滚角。优选地，由于轮轨接触区域属于遮挡区域，高清高速摄像机无法进行捕捉拍摄，所以数据处理系统需对轮轨接触区域周围分布的(4台)高清高速摄像机捕获的高清图像进行拼接还原和三维重构，获得轮轨接触斑。本技术的有益效果如下：本技术能实现轮轨动态接触状态的实时捕捉，区别于以往非接触式测量方法如超声波测量、电磁测量和被动光学测量，本技术基于高精度主动光学，能够同步获取车轮、钢轨、轮轨接触区域瞬时图像和其它运动参数，首次提出并获得轮轨关系谱，促使轮轨动力学理论研究上一个新台阶，并推动计算机科学、铁道工程、轮轨动力学等多学科的交叉融合和发展。同时，本技术为目前亟需本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，该系统包括：安装于减振构架上的数据采集系统、安装于车载控制平台中的数据处理系统和数据显示系统；所述数据采集系统包括编码结构光图像采集单元和惯性测量装置；所述减振构架通过顶部的固定装置与车厢底部连接，悬挂在转向架的构架的中央悬挂与轴箱悬挂之间的位置；所述编码结构光图像采集单元正对左右轮轨接触区域且成包围结构；所述编码结构光图像采集单元将其捕获的高清图像传输至数据处理系统，所述惯性测量装置将其测量得到的里程数据、速度数据和加速度数据传输至数据处理系统；所述数据处理系统根据高清图像、里程数据、速度数据和加速度数据，通过三维几何重构、表征参数识别和数据交互获得轮轨接触几何参数，进而获得包含轮轨接触关系和轮轨接触几何参数的轮轨关系谱；所述数据显示系统通过人机交互界面实时显示高清图像、里程数据、速度数据、加速度数据和轮轨关系谱，并实现报警预警和即时通讯。

【技术特征摘要】
1.一种高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，该系统包括：安装于减振构架上的数据采集系统、安装于车载控制平台中的数据处理系统和数据显示系统；所述数据采集系统包括编码结构光图像采集单元和惯性测量装置；所述减振构架通过顶部的固定装置与车厢底部连接，悬挂在转向架的构架的中央悬挂与轴箱悬挂之间的位置；所述编码结构光图像采集单元正对左右轮轨接触区域且成包围结构；所述编码结构光图像采集单元将其捕获的高清图像传输至数据处理系统，所述惯性测量装置将其测量得到的里程数据、速度数据和加速度数据传输至数据处理系统；所述数据处理系统根据高清图像、里程数据、速度数据和加速度数据，通过三维几何重构、表征参数识别和数据交互获得轮轨接触几何参数，进而获得包含轮轨接触关系和轮轨接触几何参数的轮轨关系谱；所述数据显示系统通过人机交互界面实时显示高清图像、里程数据、速度数据、加速度数据和轮轨关系谱，并实现报警预警和即时通讯。2.根据权利要求1所述的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，所述编码结构光图像采集单元包括编码结构光投影仪和与之匹配的高清高速摄像机，所述编码结构光投影仪对车轮、钢轨以及轮轨接触区域投射编码结构光栅条纹面，所述高清高速摄像机对所述编码结构光栅条纹面进行捕捉拍摄，捕获高清图像。3.根据权利要求2所述的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，所述编码结构光投影仪分布于左右轮轨接触检测区域前后，与车轮圆心和轮轨接触点所连成的半径线段成30度夹角的另两个左右对称的半径线段所对应的车轮踏面处为投射范围上限，在钢轨廓面上的垂向投影线为投影下限，上限与下限之间为编码结构光栅条纹面覆盖区域。4.根据权利要求3所述的高速铁路轮轨动态接触状态的测定系统，其特征在于，所述高清高速摄像机分布于左右轮轨接触检测区域前后，且左右对称分布，其中一侧轮轨接触检测区域前侧两台摄像机分布于编码结构光投影仪两侧，且两台摄像机的拍摄范围覆...

【专利技术属性】
技术研发人员：高亮，尹辉，高伊，辛涛，黄华，许宏丽，王璞，侯博文，蔡小培，肖宏，张艳荣，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：新型
国别省市：北京,11