王琰

（1.中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京100081；2.中國鐵路總公司鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心，北京100081）

鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)

王琰1，2

（1.中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京100081；2.中國鐵路總公司鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心，北京100081）

闡述鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)整體設(shè)計，以及鋼軌輪廓全斷面的檢測方法。鋼軌輪廓全斷面檢測基于激光攝像非接觸測量技術(shù)，主要由激光攝像組件、數(shù)據(jù)處理組件、里程定位組件等組成。通過檢測數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場驗證，鋼軌輪廓全斷面和軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)運用穩(wěn)定可靠，準(zhǔn)確度高，重復(fù)性好，滿足現(xiàn)代鐵路軌道基礎(chǔ)設(shè)施檢測的需要。

鋼軌輪廓全斷面；軌道幾何參數(shù)；檢測系統(tǒng)；軌道檢測；激光攝像；數(shù)據(jù)處理；里程定位

0 引言

隨著我國鐵路的發(fā)展，特別是近幾年高速鐵路、重載鐵路的快速發(fā)展，列車密度不斷加大，線路通過總質(zhì)量不斷增加，鋼軌磨損日益嚴重，尤其是曲線地段更加突出。不僅降低了旅客列車的舒適度，而且對車輛走行部件造成了不利影響，甚至?xí)＜靶熊嚢踩玔1-2]。

在目前的日常維修檢查中，很難做到對每條曲線的鋼軌有計劃地進行磨耗測量，工務(wù)部門不能及時有效掌握鋼軌磨損狀態(tài)，給軌道維修養(yǎng)護帶來諸多困難[3]。

鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)基于激光攝像測量技術(shù)，集成于軌道檢查車，融合軌道幾何參數(shù)測量，通過軌道檢查車日常動態(tài)檢測[4-5]，定期檢測鋼軌輪廓全斷面幾何參數(shù)，結(jié)合軌道動態(tài)檢測數(shù)據(jù)，及時監(jiān)控鋼軌磨耗程度，為工務(wù)部門維修作業(yè)提供科學(xué)數(shù)據(jù)，快速、有效保障列車運輸安全。

1 整體設(shè)計

鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)冗余設(shè)計速度200km/h，實際應(yīng)用速度160km/h，主要由激光攝像組件、數(shù)據(jù)處理組件、里程定位組件和機械懸掛裝置組成，其架構(gòu)組成見圖1。基本測量項目包括鋼軌垂直磨耗、側(cè)面磨耗和總磨耗，鋼軌橫向位移、垂向位移，鋼軌橫向位移可計算軌距幾何參數(shù)，垂向位移是計算高低幾何參數(shù)的重要分量。

激光攝像組件采集鋼軌輪廓圖像，圖像處理計算機對鋼軌輪廓圖像進行模式匹配、圖像擬合、特征點分析及計算，數(shù)據(jù)處理計算機完成多路數(shù)據(jù)采集、里程校對、超限分析，實時進行偏差編輯、波形顯示和報表打印。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)組成

2 檢測方法

鋼軌輪廓全斷面檢測基于激光攝像非接觸測量技術(shù)[6]，前端激光攝像組件主要由激光器、攝像機和溫控裝置組成，左右兩側(cè)的激光攝像組件安裝在檢測梁上，保持固定的相對幾何位置。激光器發(fā)射線形結(jié)構(gòu)光，光平面與被測鋼軌走行方向垂直，結(jié)構(gòu)光照射到鋼軌上，形成鋼軌斷面輪廓線。攝像機從一定角度獲取含有鋼軌斷面輪廓線的圖像，經(jīng)過圖像二值化、濾波和細化等處理，獲得計算所需的鋼軌輪廓斷面圖像（見圖2）。激光器和攝像機的相對空間位置固定后，通過針板靶標(biāo)圖像標(biāo)定，確定激光平面上物點和圖像上像點之間的對應(yīng)關(guān)系，建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，即可用數(shù)學(xué)方法對物點與像點的對應(yīng)關(guān)系進行描述[7]。

圖2 鋼軌輪廓全斷面圖像采集及處理

鋼軌輪廓全斷面檢測采用與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌廓形比對方法[8-10]。軌頭在使用過程中逐漸磨耗，軌腰和軌底相對完好，軌腰和軌底集合部是半徑為20mm的圓弧，軌腰窄細，用模糊判別的方法尋找圓心擬合輪廓斷面與標(biāo)準(zhǔn)廓形進行比對。鋼軌半斷面磨耗點數(shù)據(jù)保存在一個鏈表中，按一定間隔從中提取一組點：P1、P2，…，Pn，可由方程解出經(jīng)過P1、Pn點半徑為R的圓心O1的坐標(biāo)，如果O1至Pi（i=2、3，…，n）的距離為dk，求算點Pi“在圓上”的隸屬度與設(shè)定的判據(jù)u0比較，如果u≥u0，則圓心O1被認可，否則取另一組點計算，直至找到圓心O1為止。求得圓心O1后，再通過計算得出鋼軌中心線，結(jié)合這2個參數(shù)，可將采集圖像中的鋼軌斷面與標(biāo)準(zhǔn)的鋼軌斷面進行比較，計算鋼軌垂直磨耗和側(cè)面磨耗等反映鋼軌磨耗狀態(tài)的參數(shù)，以及軌頂點、軌距點的物理坐標(biāo)。

3 軟件設(shè)計和數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理組件是由圖像處理計算機、數(shù)據(jù)處理計算機、網(wǎng)絡(luò)打印機、交換機等組成。圖像處理計算機實現(xiàn)對鋼軌輪廓全斷面圖像的實時采集和處理，自動完成數(shù)據(jù)修正、濾波和磨耗幾何參數(shù)的合成，在計算機屏幕上實時顯示鋼軌輪廓全斷面圖像、里程和速度等信息。軟件功能模塊及數(shù)據(jù)流程見圖3。

圖3 軟件功能模塊及數(shù)據(jù)流程

鋼軌輪廓全斷面實時測量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)交換機傳輸給數(shù)據(jù)處理計算機，數(shù)據(jù)處理計算機基于Windows操作系統(tǒng)和SQLServer數(shù)據(jù)庫管理平臺建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)存貯和分析的核心，適用于大、中、小規(guī)模的數(shù)據(jù)管理，支持Client/Server模式的應(yīng)用，可用于管理檢測數(shù)據(jù)。存儲的所有檢測數(shù)據(jù)供偏差編輯應(yīng)用程序調(diào)用，可摘取超過標(biāo)準(zhǔn)的檢測項目峰值、長度和位置，還可對超限處所進行編輯整理，輸出超限報告。基于Windows環(huán)境開發(fā)的波形瀏覽應(yīng)用程序可實時和線下瀏覽、測量、打印磨耗檢測項目和波形數(shù)據(jù)，并按用戶要求導(dǎo)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)以便第三方處理。

4 里程精確定位

鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)結(jié)合光電編碼器脈沖信號，以光電編碼器脈沖信號為基準(zhǔn)信號，采用高速RFID技術(shù)實現(xiàn)高速里程精確定位。在鐵路線路特征點安裝電子標(biāo)簽，以電子標(biāo)簽的信息為主，利用電子標(biāo)簽信息進行里程修正。里程定位模塊及數(shù)據(jù)流程見圖4。

圖4 里程定位模塊及數(shù)據(jù)流程

5 試驗驗證

WX25T型軌道檢查車最高速度160km/h，采用GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)[11-12]。2016年6月，在軌道檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，加裝鋼軌輪廓全斷面檢測系統(tǒng)，為軌道檢測系統(tǒng)提供軌距幾何參數(shù)和高低幾何分量。鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)的邏輯關(guān)系見圖5，其共用同一個檢測梁，檢測梁經(jīng)過疲勞試驗及靜強度分析，滿足實際要求。

圖5 系統(tǒng)邏輯關(guān)系

2016年8月，軌道檢查車在遼東半島某線路進行不同速度等級往返試驗，鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)運用穩(wěn)定可靠，檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好。鋼軌輪廓全斷面磨耗重復(fù)性見圖6，磨耗重復(fù)性精度達0.20mm。隨機選取某區(qū)間鋼軌輪廓全斷面磨耗數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場復(fù)核，復(fù)核結(jié)果見圖7，滿足相關(guān)指標(biāo)要求[13-15]和現(xiàn)場實際需要。

圖6 鋼軌輪廓全斷面磨耗重復(fù)性

圖7 鋼軌輪廓全斷面磨耗現(xiàn)場復(fù)核結(jié)果

6 結(jié)束語

鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)采用高速圖像采集和高效圖形處理技術(shù)，對鋼軌輪廓圖像進行采集、細化、干擾剔除等處理，并對空間轉(zhuǎn)換和特征提取等進行智能分析；快速完成四路鋼軌軌腰的擬合，合成完整的鋼軌輪廓，實現(xiàn)對鋼軌輪廓全斷面圖像的實時采集、處理和分析；160km/h速度下的數(shù)據(jù)量達1G/s，實現(xiàn)了高速實時檢測鋼軌輪廓、磨耗及軌道幾何參數(shù)。經(jīng)試驗驗證，鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)運用穩(wěn)定可靠，準(zhǔn)確度高，重復(fù)性好，滿足現(xiàn)代鐵路軌道基礎(chǔ)設(shè)施檢測的需要。

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[15]中國鐵路總公司. TJ/GW126—2014 軌道檢測系統(tǒng) 暫行技術(shù)條件[S].

System for Testing Full Section of Rail Pro file and Geometric Parameter of Tracks

WANG Yan1，2
（1. Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. Railway Infrastructure Inspection Center，CHINA RAILWAY，Beijing 100081，China）

This paper illustrated the overall design of testing system for full section of rail pro file and geometric parameter of tracks, and proposed the testing method for full section of rail profile. Based on non-contact measurement technique of laser camera, the testing method for full section of rail pro file mainly consists of laser camera component, data processing component, mileage positioning component, etc. By test data analysis and on-site verification, the system for testing full section of rail pro file and geometric parameter of tracks proves to be stable and reliable in operation. It has high accuracy and good repeatability, satisfying the requirements of infrastructure testing for modern railway tracks.

full section of rail profile；geometric parameter of tracks；testing system；track testing；laser camera；data processing；mileage positioning

U216

A

1001-683X（2017）10-0082-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.082

中國鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計劃項目（2015YJ093）

王琰（1985—），男，助理研究員，碩士。E-mail：wangyanjc@rails.cn

責(zé)任編輯 李葳

2017-05-23