熊伶俐

(武漢大型養(yǎng)路機械運用檢修段，湖北 武漢　430012)

鋼軌打磨技術(shù)起源于20世紀50年代，我國于20世紀80年代引入鋼軌打磨技術(shù)，現(xiàn)已成為世界范圍內(nèi)鐵路線路一種常規(guī)的養(yǎng)護維修技術(shù)[1]。目前，各鐵路局均已配備鋼軌打磨車，鋼軌打磨技術(shù)逐漸成為我國一項基本的線路維護技術(shù)[2]。

鋼軌打磨前需要對現(xiàn)場鋼軌廓形進行檢測。近幾年，隨著計算機的普及和發(fā)展，以及機器視覺等技術(shù)的日臻成熟，基于機器視覺的鋼軌輪廓測量研究得到了充分的發(fā)展[3-6]。這種測量手段建立在非接觸光學系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，測量性能良好，通常用于動態(tài)檢測，即檢測設(shè)備和鋼軌在相對運動的情況下進行檢測。將設(shè)備安裝在軌檢車上，可以動態(tài)檢測鐵路沿線的鋼軌狀態(tài)。

我國在鋼軌廓形動態(tài)檢測方面還處于起步階段，而國外進口的動態(tài)測量系統(tǒng)昂貴、維護保養(yǎng)困難[7]。同時國外對部分關(guān)鍵技術(shù)進行封鎖，我國急需開發(fā)一套基于機器視覺的鋼軌廓形動態(tài)測量系統(tǒng)。

我國鋼軌打磨工藝亦處于起步階段，沒有形成一整套合理的鋼軌打磨作業(yè)程序。我國的線路狀況和國外存在差異，我國線路客貨混運、行車密度大，又遇貨運重載、客運提速，致使鋼軌打磨工作量很大，鋼軌打磨需求與設(shè)備配置矛盾突出，某些區(qū)段線路由于鋼軌打磨不能及時、科學地實施，致使鋼軌使用壽命縮短[8]。此外，我國的鋼軌打磨標準、打磨工藝及方法仍需完善[9]，不同類型的鋼軌表面不平順和表面損傷與打磨工藝、參數(shù)的關(guān)系仍需深入研究[10]。

根據(jù)我國鋼軌打磨技術(shù)現(xiàn)狀和鋼軌養(yǎng)護工作的實際需求，本文研發(fā)一套基于動態(tài)測量的鋼軌廓形打磨智能分析系統(tǒng)(以下簡稱智能系統(tǒng))。該系統(tǒng)能動態(tài)測量現(xiàn)場鋼軌廓形，通過計算實時生成可供鋼軌打磨列車使用的打磨策略，并傳輸給打磨列車的作業(yè)控制系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)組成

基于動態(tài)測量的鋼軌廓形打磨智能分析系統(tǒng)(見圖1)由3個子系統(tǒng)構(gòu)成:鋼軌廓形動態(tài)測量子系統(tǒng)、打磨策略子系統(tǒng)和接口子系統(tǒng)。

圖1　系統(tǒng)總體框架

動態(tài)測量子系統(tǒng)采用線結(jié)構(gòu)光視覺技術(shù)對鋼軌廓形進行動態(tài)測量，從而獲取鋼軌廓形數(shù)據(jù)。主要包括線結(jié)構(gòu)光源、高速攝像機、高性能圖像采集卡、實時圖像處理模塊、里程定位模塊等。

打磨策略子系統(tǒng)能結(jié)合鋼軌打磨列車性能參數(shù)和其他現(xiàn)場條件參數(shù)，通過不間斷分析并計算動態(tài)測量子系統(tǒng)傳輸?shù)默F(xiàn)場鋼軌廓形數(shù)據(jù)，連續(xù)生成包含磨頭角度、磨頭功率等控制參數(shù)實時變化的打磨策略。

接口子系統(tǒng)主要通過TCP/IP協(xié)議與打磨策略子系統(tǒng)進行通信，將打磨策略實時傳輸給鋼軌打磨列車的作業(yè)控制系統(tǒng)，進而對每個工作磨頭的磨頭角度、磨頭功率等參數(shù)進行控制。此外，該子系統(tǒng)還具備人機交互及協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的功能。

2　動態(tài)測量子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

在動態(tài)測量子系統(tǒng)中，通過激光攝像技術(shù)對鋼軌廓形進行全斷面測量，如圖2所示。在測量過程中，分布于鋼軌內(nèi)外側(cè)的線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器投射出一道結(jié)構(gòu)光平面。該光平面與鋼軌相交，并在鋼軌表面形成一條包含鋼軌廓形信息的激光光條曲線。在對應(yīng)位置安設(shè)高速攝像機，且與結(jié)構(gòu)光平面呈一定角度，對鋼軌廓形激光光條曲線進行拍攝?；诩す馊菧y量的原理，實現(xiàn)對鋼軌廓形數(shù)據(jù)的測量。

圖2　激光攝像技術(shù)測量

動態(tài)測量子系統(tǒng)的硬件裝置主要包括安裝連接裝置、高速攝像機、高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)光源、高速圖像處理模塊、實時定位模塊等。硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。該硬件裝置安裝在鋼軌打磨列車的轉(zhuǎn)向架上，位于打磨列車前后兩端(每車2套)?，F(xiàn)場安裝實物如圖4所示。

圖3　硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖4　現(xiàn)場安裝實物

動態(tài)測量子系統(tǒng)軟件主要包括圖像處理模塊、標定對齊模塊，以及數(shù)據(jù)定位與傳輸模塊，如圖5所示。

圖5　動態(tài)測量子系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

動態(tài)測量子系統(tǒng)軟件的工作流程如下：

1)鋼軌打磨列車運行過程中，通過車軸轉(zhuǎn)動帶動光電里程計旋轉(zhuǎn)，從而輸出脈沖信號。系統(tǒng)將采集到的脈沖信號轉(zhuǎn)換為觸發(fā)信號，同時傳輸給左右股鋼軌上方的4臺高速攝像機進行廓形檢測。高速攝像機接到指令后，在同一時刻對鋼軌激光光條圖像進行采集。

2)圖像采集系統(tǒng)通過4臺高速攝像機獲取了鋼軌廓形圖像后，再實時傳輸給圖像處理系統(tǒng)，由其進行相應(yīng)的鋼軌激光光條特征提取、激光光條坐標換算、重合區(qū)域坐標融合等計算。計算完成后輸出完整的鋼軌斷面廓形數(shù)據(jù)。

3)通過車載局域網(wǎng)絡(luò)將處理后的鋼軌斷面廓形數(shù)據(jù)實時傳輸給綜合處理計算機。綜合處理計算機將實時獲取的鋼軌廓形與鋼軌基準廓形進行對比和匹配，通過軌腰曲線固有特征信息計算車輛振動量，對車輛振動量的計算結(jié)果進行振動補償?shù)玫阶罱K結(jié)果。

3　打磨策略子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

打磨策略子系統(tǒng)根據(jù)鋼軌打磨列車各作業(yè)控制參數(shù)與鋼軌磨削量之間的關(guān)系，確定各控制參數(shù)的先后順序及其對打磨面積產(chǎn)生的影響。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實踐經(jīng)驗生成打磨策略，其設(shè)計方案如下：

1)使用試打磨模式對現(xiàn)場鋼軌進行試打磨。在參數(shù)設(shè)置界面中，設(shè)置頂面打磨深度0～0.2 mm，作業(yè)速度15 km/h、打磨功率72%、磨頭數(shù)量38～46個。根據(jù)預(yù)選鋼軌基準廓形、計劃打磨區(qū)段既有鋼軌廓形及相關(guān)施工條件設(shè)計試打磨模式，并對鋼軌進行試打磨作業(yè)。

2)計算單磨頭平均打磨量。利用智能系統(tǒng)測量打磨前后的鋼軌廓形并與基準廓形進行對比，計算試打磨的實際打磨面積，進而得到單磨頭平均打磨面積。

3)計劃打磨地段鋼軌廓形檢測。利用動態(tài)測量子系統(tǒng)測量計劃打磨地段現(xiàn)場鋼軌廓形，設(shè)定頂面打磨深度后選擇基準廓形，將動態(tài)測量子系統(tǒng)獲取的現(xiàn)場鋼軌廓形與基準廓形進行對比和計算，得到計劃打磨地段的計劃打磨面積。

4)計算打磨遍數(shù)，分配初始單遍打磨量。根據(jù)單磨頭平均打磨面積計算鋼軌打磨列車理論單遍最大打磨面積，并對計劃打磨面積進行分配以計算打磨遍數(shù)。確定打磨遍數(shù)后，再根據(jù)打磨列車和打磨工藝要求分配初始單遍打磨量。

5)計算打磨磨頭數(shù)量。依據(jù)初始單遍打磨面積中不同區(qū)域的計劃打磨面積，計算鋼軌打磨列車磨頭的數(shù)量及對應(yīng)角度。

6)計算磨削功率。根據(jù)鋼軌斷面廓形不同區(qū)域的磨頭分配情況，對每個磨頭的打磨功率進行計算。

通過上述6個步驟在打磨策略子系統(tǒng)內(nèi)部各元素之間建立規(guī)則和聯(lián)系，經(jīng)過條件選擇和優(yōu)化方案選擇最終生成打磨策略。

4　接口子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

接口子系統(tǒng)的主要功能是將打磨策略實時傳輸給鋼軌打磨列車的作業(yè)控制系統(tǒng)，使其能夠?qū)︿撥壌蚰チ熊嚸總€工作磨頭的磨頭角度、磨頭功率等參數(shù)進行有效控制。為實現(xiàn)該功能，在硬件上鋼軌打磨列車的1號和5號控制車內(nèi)各增加了1臺工控機，如圖6所示。圖中黑色部分(細線)為鋼軌打磨列車作業(yè)控制系統(tǒng)，紅色部分(粗線)為新增的接口子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)硬件部分。

圖6　接口子系統(tǒng)硬件連接

接口子系統(tǒng)主要由1臺工控機、輸入輸出顯示器及1套接口軟件組成。接口軟件按照一定的通訊規(guī)則在打磨策略子系統(tǒng)與鋼軌打磨列車的作業(yè)控制系統(tǒng)之間建立連接，按照TCP/IP協(xié)議通訊使子系統(tǒng)間傳輸?shù)拇蚰ゲ呗员粚崟r刷新，保證鋼軌打磨列車作業(yè)控制系統(tǒng)執(zhí)行的打磨策略與打磨策略子系統(tǒng)輸出的打磨策略同步生效。此外，通過人機交互輸入輸出終端，操作人員不僅可以對鋼軌打磨列車性能參數(shù)、鋼軌打磨工藝參數(shù)、鋼軌打磨作業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行輸入，還可以通過監(jiān)控界面對鋼軌打磨過程參數(shù)進行實時監(jiān)控。智能系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息、故障報警信息及其他信息均可以實時通過人機交互輸入輸出終端顯示，以便操作人員更好地了解和掌握系統(tǒng)狀態(tài)。

5　系統(tǒng)功能設(shè)計

5.1　主要功能

根據(jù)鋼軌打磨列車施工現(xiàn)場的實際需求對智能系統(tǒng)進行了功能設(shè)計，主要有3種工作模式。

1)模式1，廓形質(zhì)量檢測。智能系統(tǒng)對現(xiàn)場鋼軌的廓形進行動態(tài)測量，為打磨作業(yè)提供有效的鋼軌廓形數(shù)據(jù)。廓形質(zhì)量檢測在鋼軌打磨列車運行過程中完成，不會影響鋼軌打磨作業(yè)。

2)模式2，試打磨。根據(jù)現(xiàn)場鋼軌廓形測量數(shù)據(jù)進行試打磨作業(yè)，以確定打磨區(qū)段單個磨頭的實際打磨效果。一般選取200～300 m的平直線路進行廓形測量，生成試打磨策略，進行試打磨作業(yè)，從而計算單個磨頭的平均打磨量。當鋼軌打磨列車、磨石材質(zhì)或型號、待打磨鋼軌規(guī)格型號發(fā)生變化時，應(yīng)進行試打磨。

3)模式3，打磨作業(yè)。作業(yè)方式分為2種：①分段打磨。該模式能依據(jù)打磨區(qū)段的鋼軌廓形數(shù)據(jù)，按照打磨工藝要求和鋼軌狀態(tài)需要進行分段。每個分段可選擇不同的代表廓形，將前期測量的鋼軌廓形數(shù)據(jù)輸入智能系統(tǒng)，并按照一定的規(guī)則生成分段打磨策略。每個分段可自動選擇不同的打磨基準廓形以指導打磨作業(yè)。該方式可以在打磨基準需求不同的區(qū)段間(如直線區(qū)段和曲線區(qū)段的打磨基準廓形不同)實現(xiàn)連續(xù)打磨作業(yè)。②邊測量邊打磨。根據(jù)動態(tài)策略子系統(tǒng)檢測的廓形數(shù)據(jù)實時生成策略，作業(yè)控制系統(tǒng)依據(jù)動態(tài)策略控制打磨作業(yè)。

5.2　其他輔助功能

1)安全防護功能

根據(jù)打磨工藝要求及施工組織需要，設(shè)計了2種確保作業(yè)安全的模式：①順坡模式。鋼軌打磨列車在開始和結(jié)束時，打磨磨頭會按照作業(yè)指令立即下降和提起。為減小打磨磨頭突然下降和提起對鋼軌表面平順性造成的影響，在鋼軌打磨列車經(jīng)過磨頭下降點前和提升點之后，系統(tǒng)會自動調(diào)用功率較小的“順坡模式”保持磨頭繼續(xù)作業(yè)一段距離，以解決鋼軌打磨起止點的不平順問題。②安全模式。根據(jù)預(yù)先制定的規(guī)則，當系統(tǒng)判斷輸出打磨策略異常或無法正常輸出打磨策略時會自動輸出“安全模式”來指導鋼軌打磨列車繼續(xù)工作，以便操作人員采取相應(yīng)措施。

2)系統(tǒng)自檢及診斷功能

系統(tǒng)內(nèi)部具有自檢、診斷與復位功能，對于運行過程中出現(xiàn)的異常情況，能夠自動檢查、診斷并報警。系統(tǒng)主界面上設(shè)置了異常信息預(yù)警窗口，當各子系統(tǒng)內(nèi)部或數(shù)據(jù)采集、分析、計算、傳輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常而導致系統(tǒng)功能無法正常運行或系統(tǒng)功能正常運行但輸出無效或錯誤信息時，會在預(yù)警窗口顯示錯誤信息。通過自動檢查、診斷，并結(jié)合異常信息的嚴重等級，以輔助顏色、聲、光等報警信號的方式提醒操作人員采取相應(yīng)的措施。

3)作業(yè)速度推薦功能

系統(tǒng)能夠有效利用預(yù)先測量和存儲的鋼軌廓形數(shù)據(jù)，在操作人員完成對打磨作業(yè)的參數(shù)輸入后，會自動計算并顯示“分段打磨”或“邊測量邊打磨”作業(yè)方式下推薦的鋼軌打磨列車作業(yè)速度，以供操作人員參考和選擇。該項功能避免了以往鋼軌打磨列車作業(yè)速度人為選擇的盲目性，實現(xiàn)了速度選擇的智能化，使鋼軌打磨列車的作業(yè)參數(shù)匹配更加合理。

4)可擴展性

系統(tǒng)在設(shè)計中預(yù)留了“廓形質(zhì)量評價”功能模塊，在質(zhì)量評價標準確定以后，該功能可投入使用。一方面，能夠統(tǒng)計日常檢測的鋼軌廓形數(shù)據(jù)，對既有線路鋼軌廓形質(zhì)量進行定量分析，為線路維護計劃制定者提供大數(shù)據(jù)分析支持。另一方面，能夠客觀評價打磨作業(yè)前后的鋼軌廓形質(zhì)量，為鋼軌打磨作業(yè)、質(zhì)量驗收提供科學的依據(jù)。

預(yù)留系統(tǒng)廓形檢測升級能力。在作業(yè)時，系統(tǒng)的鋼軌廓形動態(tài)測量速度限值為20 km/h。后期可根據(jù)現(xiàn)場使用情況提高動態(tài)測量速度。為實現(xiàn)此目標，系統(tǒng)在軟件設(shè)計及硬件選用上預(yù)留了80 km/h廓形動態(tài)測量及處理能力。

系統(tǒng)預(yù)留了標準以太網(wǎng)接口、串行通用接口和無線傳輸接口，為日后檢測系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心之間通信，檢測數(shù)據(jù)、報表文件自動傳輸，打磨作業(yè)科學管理等提供了有效途徑。系統(tǒng)能夠擴展到不同的車型，如PGM48型鋼軌打磨車、GMC96x型鋼軌打磨車、RGH20C型道岔打磨車等。同時，動態(tài)測量子系統(tǒng)能適應(yīng)不同廠家(如Harsco，Speno等)的打磨車型。

6　現(xiàn)場應(yīng)用

智能系統(tǒng)在設(shè)計、制造、實驗室試驗完成后，于2015年3月裝車調(diào)試，2015年11月開始投入現(xiàn)場作業(yè)。系統(tǒng)的操作界面和打磨策略輸出界面如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)的操作界面和打磨策略輸出界面

現(xiàn)場分別對該系統(tǒng)的“質(zhì)量檢測”、“分段打磨”及“邊測量邊打磨”主要工作模式模塊功能進行了測試和應(yīng)用，并對打磨效果進行了分析。測試概況如下：

1)選擇“質(zhì)量檢測”作業(yè)模式，系統(tǒng)能夠在非打磨作業(yè)時以不低于80 km/h的速度進行質(zhì)量檢測，在打磨作業(yè)時以20 km/h的速度進行質(zhì)量檢測，檢測效果良好。

2)選擇“分段打磨”作業(yè)模式，在漢丹線下行K33+000—K34+200區(qū)間，智能系統(tǒng)控制打磨列車按照15 km/h 的推薦速度進行打磨作業(yè)。打磨作業(yè)完成后，在打磨作業(yè)范圍內(nèi)的K33+000—K33+300區(qū)段選擇4個測量點(K33+030，K33+040，K33+050，K33+060)。利用Miniprof廓形儀對測量點左右股鋼軌廓形數(shù)據(jù)進行測量，并與基準廓形數(shù)據(jù)進行法線值對比，計算其法線差值。法線差值中左股最大值為0.26 mm，右股為0.13 mm。

3)選擇“邊測量邊打磨”作業(yè)模式，在漢丹線下行K33+400—K34+200區(qū)間，智能系統(tǒng)控制打磨列車按照15 km/h的推薦速度作業(yè)。作業(yè)完成后在打磨作業(yè)范圍內(nèi)的K33+600—K34+000區(qū)段選擇3個測量點(K33+600，K33+800，K34+000)，利用Miniprof廓形儀對測量點左右股鋼軌廓形數(shù)據(jù)進行測量，并與基準廓形數(shù)據(jù)進行法線值對比，計算其法線差值。法線差值中左股最大值為0.22 mm，右股為0.28 mm。

在現(xiàn)場應(yīng)用中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，作業(yè)質(zhì)量滿足驗收要求。目前，智能系統(tǒng)已應(yīng)用于GMC-96x型鋼軌打磨列車，累積作業(yè)在100 km以上。

7　結(jié)語

本文開發(fā)了基于動態(tài)測量的鋼軌廓形打磨智能分析系統(tǒng)，動態(tài)測量現(xiàn)場鋼軌廓形。通過計算實時生成可供鋼軌打磨列車使用的打磨策略，并傳輸給打磨列車的作業(yè)控制系統(tǒng)以指導鋼軌打磨列車打磨作業(yè)?，F(xiàn)場作業(yè)表明，打磨作業(yè)質(zhì)量高，滿足驗收要求，系統(tǒng)累積作業(yè)在100 km以上。

[1]武發(fā)明.鋼軌打磨問題的分析與研究[J].太原鐵道科技，2010(1):13-15.

[2]華長權(quán)，寇東華，付石林，等.幾種鋼軌磨損檢測方法和儀器的對比分析[J].中國鐵路，2013(4)：67-70.

[3]劉莉麗,高亮,谷愛軍，等.科技文獻表格中各項目的科學表示方法-以顯著水平比較為例[J].鐵道標準設(shè)計，2004，48(3)：73-76.

[4]潘振.基于鋼軌打磨質(zhì)量指數(shù)的鋼軌打磨廓形質(zhì)量控制[J].鐵道建筑，2016，56(9):130-133.

[5]智少丹，李建勇，蔡永林，等.基于標準廓形鋼軌的打磨模式機理[J].中南大學學報(自然科學版)，2015，46(6):2027-2035.

[6]王軍平，單連琨，丁軍君，等.個性化鋼軌廓形打磨方法分析[J].鐵道建筑，2015，55(11):131-133.

[7]李曉.鋼軌斷面檢測技術(shù)在包蘭線鋼軌打磨作業(yè)中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2016,56(4):127-128.

[8]王紀武，張顯文，高偉杰，等.基于機器視覺的鋼軌軌頭非接觸測量精度研究[J].北京交通大學學報，2014，38(1):132-135.

[9]曹巖.我國高速鐵路用鋼軌打磨列車選型及應(yīng)用研究[J].鐵道標準設(shè)計，2011,53(8):31-34.

[10]宋慧京，程建中.鐵路鋼軌打磨技術(shù)原理[J].鐵道知識，2017(4):34-39.