杜彤彤

（华北水利水电大学，郑州 450011）

1 技术背景

道岔转换设备能否正常工作直接影响到铁路运输是否高效、有序、安全地进行，而转辙机能否正常工作是保证道岔安全稳定和列车安全稳定运行的重要前提[1]。目前，由于转辙机表示缺口的故障率较高，通常需要将对道岔尖轨密贴程度的检测转换为对转辙机内部相应缺口大小的测量，由此研发设计出转辙机表示缺口检测系统对转辙机缺口大小进行检测的方法，从而根据缺口的数值进行预警[2]。目前，对转辙机表示缺口进行检测的方法主要有接触式导电触头传感器检测方法、非接触磁电式传感器检测方法、利用光电式检测的方法以及基于图像处理的检测方法等[3]。通过对这些方式进行学习研究发现，对转辙机表示缺口进行监测的方式由于应用效果明显、实施方便等得到了比较广泛的应用[4]。本文在此基础上提出一种利用非接触磁电式传感器与图像传感器相结合检测转辙机缺口的方式，实现了数据的双路传输和信息的双备份，降低了原有方式的误差，提高了检测结果的可靠性，并具备对转辙机工作状态的预警功能。

2 转辙机现有检测方式及存在的问题

2.1 接触式导电触头传感器检测方法

利用导电触头传感器监测转辙机的表示缺口大小时，要在转辙机的检查柱两侧安装导电触头传感器。当检查柱落入检查块后，导电触头会接触到检查块，此时触头因受到压力而输出相应大小的电阻，检测过程并不影响检查柱的动作，能够确保转辙机的正常工作[5]。两个传感器与检查块接触受力后输出一定电阻值，当缺口大小处于正常范围内，输出电阻值小于设定值时，表示转辙机工作正常；当缺口大小超出正常范围，输出电阻值大于设定值时，表示转辙机处于异常状态，则给出报警信号[6]。采集原理示意图如图1所示。

利用导电触头式传感器监测转辙机缺口，避免了缺口中油污或生锈等因素影响道岔缺口检测的精度，且具有价格低廉、安装方便、简单实用、稳定可靠的特点，能定性地监测转辙机表示缺口状态，与温度、湿度等环境无关，可做到免维护[7]。但是，这种方法不能得到准确的缺口大小数值，不仅容易受到震动、雨水渗透、生锈失灵等因素的影响而出现误报、漏报现象，而且存在自身故障率高或者诱发转辙机故障率增大的问题。近年来，它的应用范围明显减少[8]。

2.2 非接触磁电式传感器检测方法

利用非接触磁电式传感器对转辙机缺口进行监测的原理与导电触头式传感器相同，都是利用磁电传感器（常见的霍尔位移传感器）监测缺口数值，然后将缺口的大小转化为相应大小的电压电流，根据电压电流的大小来判断转辙机缺口的状态[6]。这种方式相对于接触式导电触头传感器检测方法来说，检测过程不与被检测零件接触，抗污染能力较强，近年应用较多，发展前景比较好[4]。

2.3 利用光电式检测的方法

转辙机缺口光电监测报警系统中，在采集缺口信息的探头部分采用了非接触式的光电探测方法，利用感光器接收的光信号量判断缺口间隙的大小。光电信号的大小与缺口间隙的大小相对应，检测精度高，报警准确可靠[9]。

利用光电检测的方法来测量转辙机缺口的优点是监测系统安装简单。其安装方式由原来安装在转辙机内改为安装在转辙机箱外，安装过程方便，不需要对转辙机进行改造，也不需要铺设新的电缆，检测精确度也比较高[9]。该方式报警精度的最大误差小于等于0.1 mm，用非接触式的光电监测代替了接触式的机械监测。系统稳定可靠，使用寿命长，既能自动对转辙机表示杆缺口监测报警，又能随时自检系统本身的工作性能，确保系统可靠工作。但是，该方式基准位置调整复杂，易受灰尘影响和电磁环境的干扰。此外，该种方式会受列车经过时产生振动的影响而导致光电传感器和感光元件发生位移，使光信号发生偏离，从而产生较大的误差[10]。

2.4 基于图像处理的检测方法

转辙机缺口监测系统的检测原理是通过图像采集传感器来采集转辙机缺口的图像[11]。检测过程中，先将采集的缺口图像利用边缘检测算子进行处理，再通过直接计算或图像标定技术处理得到缺口大小，然后由现场采集分机将缺口标定的结果存储并发送给远方机械室内的监测主机，最后由监测主机通过网线或控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线将数据发送给铁路信号微机监测系统，将整个系统作为一个子系统并入铁路信号微机监测系统，从而实现转辙机缺口自动检测结果与现场人员的互动。检测系统结构示意图如图2所示。

利用图像处理检测转辙机表示缺口的方式，具有较高的检测精度，降低了检测误差，安装成本较低且安装方式简单，不用改变转辙机的原有结构。此外，采集到的缺口图像中不仅包含表示缺口的相关信息，而且有转辙机内部的环境信息，如是否有油污和生锈的情况。同时，该方式可以在机械室内直接从监测主机上观察转辙机的工作状态，提高了工作质量和效率。但是，该检测方式的图像监测系统传输数据量大，摄像头抗污染及抗振动能力差，清洁镜头的维护工作量大。如果将缺口图像等相关信息发送至室内监测主机进行处理，在进行缺口调整维护工作时，需询问室内缺口数值，给维修带来了不便[4]。

3 利用双传感器对转辙机缺口检测

传统的转辙机缺口测量方式获取信息较为单一，会导致误报率较高；采用导电触头传感器和磁电式传感器检测方式不能检测转辙机出现卡顿或缺口卡入石子等情况，但不受油污或生锈等因素对道岔缺口检测精度的影响；图像处理方式不需要改变转辙机原有结构，当转辙机出现卡顿或缺口卡入石子等情况时可以及时告警，但受油污、生锈等因素影响缺口图像的检测。因此，提出将非接触磁电式传感器与图像处理方式相结合的方式，将两种方式检测出的结果进行融合得到更加精确的结果，其中非接触磁电式传感器采用霍尔位移传感器。为了减少延时并克服图像监测系统传输数据量大的问题，图像处理方式采用低像素图像传感器。系统结构框图如图3所示。

通过将两种方式相结合，实现了由两种传感器同时采集缺口信息。现场处理模块能够对原始信息进行存储，并通过有线和无线两路传输方式将原始数据传输给监控主机进行保存和处理。监控主机对原始数据进行处理后，能够对结果进行显示和报警等，最后通过CAN总线将结果传送给铁路微机监测系统，以供操作人员查询。这种方式弥补了原有测量方式的缺陷，不用改变转辙机内部的结构，不仅不受油污等因素的干扰，而且当缺口出现异物时能及时告警，提高了检测精度，降低了检测误差，且原理简单，安装方便。

4 结语

本文分析了目前已有的转辙机缺口监测系统的一些优缺点，其中非接触磁电式缺口监测系统利用磁电传感器监测缺口数值，抗污染能力强，不用与被监测零件接触，近年应用较多，发展前景较好。目前研究发展的主要趋势是采用不改变转辙机原有结构且精度较高的利用图像处理监测的方法。本文利用这些方法的优点，提出了将基于图像处理技术的转辙机缺口监测方法与非接触磁电式缺口监测方法相结合的检测方式。这样不仅能提高缺口值计算的精度，而且避免了油污、卡入石子等影响因素带来的误差。对于发展前景较好的图像处理监测方式来说，提高图像边缘检测算子的精度、降低计算时间以及减少延时将是后续需要解决的关键问题。