周运之
中车株洲电力机车有限公司 湖南 株洲 412001
城轨车辆限界是指城轨车辆横断面的最大极限，它规定了城轨车辆不同部位的宽度、高度的最大尺寸以及底部部件至轨面的最小距离。它是城轨车辆在线路上运行安全的基本保障。为了确定城轨车辆限界满足要求，车辆组装调试完成后，需要进行车辆限界例行试验。
一、限界测量现状及存在的问题
目前城轨车辆的限界没有适用的行业标准，不同车型如A型、B型、C型、L型等因车辆宽度不同而限界不同，甚至连同一车型在不同线路上也会有所差异。限界不仅影响车辆制造本身，对于轨道特别是隧道施工和地面设备布置也有很大影响。
对城轨车辆制造商而言，目前普遍采用的检验方法是参照GBT 16904中规定的标准限界规进行接触式测量，即在固定的龙门架上安装限界模板，将车辆缓慢推过限界模板，检查是否存在超限并在超限位置进行标记。但是限界模板局限性较大，具体包括：
1.不具备通用性，制作费用高：每套模板只能适用对应的一个项目车型，而城轨车辆制造商往往是多个甚至十几二十个项目并行，模板制作费用高昂。
2.存放不便，更换繁琐：城轨车辆制造商现场经常有多个项目交叉作业，现场需要存放大量的模板，每套模板最少11块，每次换车型，需要3名人员配合40分钟左右才能完成；另外，闲置的模板占用大量存储空间。
3.安装误差大，影响测量精度：模板安装对作业人员素质要求较高，且具有一定的不确定性，安装误差往往达到3mm，影响测量精度。
4.模板制造周期长：每个项目首先需要编制工装图样，然后再进行生产，模板制造完成后，因制造质量或参数修订等原因返工也常有发生，影响生产进度。
总之，现有的限界测量模式无论是成本、周期、生产影响等，还是其操作便利性、测量精度上都具有局限性。
二、激光测量的理论基础及解决方案
随着现代科学技术的不断发展进步，特别是激光测量技术在几何尺寸测量上的应用日趋成熟，为我们解决限界测量提供了一种全新的思路。如果能够将激光测量技术应用到车辆限界测量中，应该能够提高工作效率、提升测量精度并有效降低成本。
1.激光结构光三维成像原理（如下图所示）：
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根据国内外应用经验，针对城轨车辆大尺寸、高精度的测量要求，选择结构光3D视觉方式进行测量。结构光三维成像的硬件主要由3D工业相机和激光器组成，激光器发射线性结构光到被测车辆表面，在其表面显示连续曲线，相机采集该曲线并经过图像三维解析计算从而实现三维重建。
2.激光测量的优势主要体现在：
2.1.适应性强：激光测量采用非接触式方式测量，可测量、记录各种复杂曲面，有效测量范围可达1m以上，可以适应不同大小的车辆轮廓（如下图）。
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2.2.测量精度高，可靠性好：激光测量精度远高于模板，重复精度也好，完全能满足各种限界测量要求。
2.3.测量结果可以图形方式显示，具有直观性。
2.4.自动记录测量结果，并建立数据库，既使得产品具有可追溯性，又可以对测量结果进行统计分析，找出超限共性问题，倒推制造问题，推动工艺改进。
2.5.管理成本大幅减少：系统投用后，即可不间断完成各种车辆轮廓测量，大大节约人力、时间、空间以及模板成本，特别适合项目频繁切换工况。
3.但对激光测量而言，现场存在震动、光照、车体表面反光等不利因素，通过分析、研究、计算，我们提出了如下解决方案：
3.1.系统采用固定龙门架结构形式，龙门架内侧及地面分别布置多个3D激光相机测量车辆截面，地面布置激光测距仪测量车辆长度方向行进距离。人工将车辆缓慢推过龙门架，相机与测距仪同步触发，以点云形式采集、记录测量数据，并换算成世界坐标系，形成高精度车辆截面轮廓，与设计数据比较，超限自动报警并在界面上显示超限位置，停车标记。试验完成后保存车辆数据，拟合成三维图形，输出试验报告。
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截面计算示意图
3.2.由于车辆轮廓由多个激光相机测量结果拼接而成，为保证拼接精度，安装时须将所有相机发射的线激光调整到同一个平面上。
3.3.针对车辆通过时产生震动的问题，在龙门架与地面连接之间加装阻尼弹簧减震器，基本可消除震动带来的影响。为了进一步消除震动影响，所有的激光相机采用云台设计，保证其激光发射方向不变。
3.4.为了减少强光以及车体表面反光对激光造成的干扰，在龙门架上安装顶棚，两侧加装围挡。
三、应用案例及实际效果
目前，该项目已于2019年正式投用，为激光测量技术在国内城轨车辆限界测量中的首次应用。
该系统配置12台AT高精度一体式激光3D工业相机（分辨率：2048*1088，帧率：25000Hz，X方向精度：0.275mm~0.756mm，Z方向精度：0.02505mm）、1台SICK激光测距仪（分辨率：0.1mm，0.125mm，1mm，测量范围：0.15m~100m，测量周期1ms，重复精度0.5mm，测量误差≤±2mm）、自动校准装置以及标定工装。
测量范围：
宽度（X）：2600mm~3400mm
高度（Y）：5050mm
长度（Z）：100m
三个方向测量误差：≤±1mm
安装时，使用激光水平仪进行相机坐标系建立，将多台3D相机安装在设计位置上，是的多台激光器的线激光投射到一个截面，并通过微调保证3D相机覆盖所有检测区域；然后根据限界基准坐标系要求，用标定工装完成轨道中心标定（世界坐标原点）、相机坐标及角度标定。
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安装调试完成后，由国家认证的计量检测机构使用激光跟踪仪以及标定工装进行检验，该设备检定为合格，系统最大误差为0.918mm，低于系统误差≤±1mm的要求。
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系统测试结果（节选自校准证书）
目前该项目已投入使用2年，应用于昆明、南宁、上海等几十种型号车辆的检测，使用效果良好，故障率低，精度保持性良好，使用方便。
该项目总投资约200万元，但是却为车辆制造商带来了巨大的效益：
1、降低成本：每年近20个项目，模板制作及维护费用约100万元；工作量减少，相应减少1人工作量，节约工资12万元，合计每年降低成本112万元。。
2、提高效率：每节车减少工作时间150分钟；节省每次换模时间120分钟；节省每次新模板安装调试1天占道作业时间。
3、提高质量：测量精度由3mm提高至1mm。
四、小结
针对传统城轨车辆限界测量中使用限界模板的存在的误差大、周期长、费用高等问题，通过引入激光测量技术，不仅能够有效解决问题，而且可以大大提高测量精度。经过实践验证，取得了良好效果，为城轨车辆限界测量提供了一种全新的思路和方法，具备推广价值。