許玉德 余佳磊 劉一鳴

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804，上海;2.上海欣鐵機(jī)電科技有限公司，201112，上海//第一作者，教授)

隨著城市軌道交通及高速鐵路的運(yùn)營(yíng)和發(fā)展，鋼軌焊接接頭不平順、鋼軌頂面周期性不平順、輪軌接觸光帶異常及鋼軌型面非正常磨損等軌道病害已產(chǎn)生，且其發(fā)展日顯突出[1]。近年來(lái),隨著鋼軌修理技術(shù)的不斷發(fā)展，所需的對(duì)鋼軌技術(shù)參數(shù)測(cè)量技術(shù)的要求亦不斷提高。鋼軌型面檢測(cè)已從手工點(diǎn)式側(cè)磨垂磨檢測(cè)發(fā)展到靜態(tài)鋼軌廓形電子檢測(cè)儀檢測(cè)[2]，鋼軌不平順檢測(cè)從手工一米直鋼尺檢測(cè)發(fā)展到采用電子鋼軌不平順儀檢測(cè)，同時(shí)RMF型鋼軌波磨測(cè)量小車(chē)也在國(guó)內(nèi)得到了應(yīng)用[3]。

然而，目前上述現(xiàn)有的鋼軌檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備對(duì)鋼軌廓形和軌底坡檢測(cè)是靜態(tài)的，不能觀測(cè)廓形及軌底坡的變化過(guò)程；對(duì)鋼軌頂面不平順的檢測(cè)只能獲得鋼軌頂面某個(gè)點(diǎn)沿鋼軌縱向的線狀不平順，不能看到整個(gè)軌頂面波動(dòng)；且各個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目是單獨(dú)且分離的，不能全面地分析各磨耗狀態(tài)之間的關(guān)系，檢測(cè)成本也較高。

針對(duì)以上現(xiàn)狀，基于機(jī)器視覺(jué)圖像識(shí)別測(cè)量技術(shù)，研制了一種適用于城市軌道交通及高速鐵路的手推式鋼軌磨耗狀態(tài)檢測(cè)儀。通過(guò)該儀器可以實(shí)現(xiàn)鋼軌廓形、鋼軌頂面不平順及軌底坡的連續(xù)同時(shí)測(cè)量；同時(shí)利用數(shù)學(xué)方法，可將鋼軌表面狀態(tài)進(jìn)行還原，從而形成鋼軌三維形態(tài)，為評(píng)判鋼軌狀態(tài)提供現(xiàn)場(chǎng)的檢查數(shù)據(jù)源。

1 手推式鋼軌磨耗狀態(tài)檢測(cè)儀技術(shù)特點(diǎn)

手推式鋼軌磨耗狀態(tài)檢測(cè)儀是基于機(jī)器視覺(jué)圖像識(shí)別測(cè)量技術(shù)而研發(fā)的。其中，鋼軌廓形檢測(cè)、鋼軌頂面不平順檢測(cè)及軌底坡檢測(cè)是研發(fā)的3項(xiàng)重要功能。

1.1 機(jī)器視覺(jué)圖像識(shí)別測(cè)量技術(shù)

機(jī)器視覺(jué)圖像識(shí)別測(cè)量技術(shù)：在走行臂兩側(cè)安裝相機(jī)，應(yīng)用激光發(fā)生器發(fā)射平行于鋼軌型面的單色激光線，勾勒出鋼軌型面上線條連續(xù)清晰的輪廓線，通過(guò)相機(jī)拍攝鋼軌軌頭內(nèi)外側(cè)輪廓原始圖像，并將得到的內(nèi)外側(cè)照片進(jìn)行合成形成完整的軌頭廓形。由于小角度視覺(jué)的鋼軌輪廓圖像范圍大，并且受環(huán)境光影響較大，激光器形成的曲線圖像灰度值變化很不明顯，曲線提取的難度大。因此對(duì)模糊圖像采用圖像濾波、圖像銳化、邊緣檢測(cè)及中心線提取等方法獲得輪廓目標(biāo)曲線，如圖1所示。其中，圖像濾波主要是為了減少圖像的噪聲，使圖像亮度平緩漸變；經(jīng)過(guò)濾波的圖像，消除了輪廓周?chē)朦c(diǎn)的干擾，但是目標(biāo)輪廓也變得模糊化，所以需要對(duì)圖像進(jìn)行銳化處理，補(bǔ)償圖像輪廓，增強(qiáng)圖像邊緣。經(jīng)過(guò)圖像濾波和圖像銳化處理后的圖像邊界左右兩邊灰度信息差距較大，同時(shí)檢測(cè)縱向和橫向邊緣，并利用邊界中點(diǎn)算法，對(duì)于水平方向取上下平均值，對(duì)于垂直方向取左右平均值，即得到中間細(xì)實(shí)輪廓曲線。所提取出來(lái)的輪廓曲線并沒(méi)有實(shí)際的物理尺寸，所以需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)在同位置攝取機(jī)箱內(nèi)一張用高精度機(jī)床加工的帶有已知尺寸標(biāo)志點(diǎn)的標(biāo)定板圖像，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，利用基準(zhǔn)點(diǎn)提取和匹配的方法，建立實(shí)際長(zhǎng)度尺寸與像素關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

圖1 模糊圖像處理方法

1.2 檢測(cè)儀的3項(xiàng)重要功能

1)鋼軌廓形檢測(cè)：由于軌頭下顎沿端點(diǎn)確定，以及軌底邊緣較為明確，因此標(biāo)準(zhǔn)的未磨耗鋼軌和磨耗鋼軌兩種輪廓線的軌頭下顎端點(diǎn)、軌底邊緣可以完全匹配。這樣通過(guò)比對(duì)兩種輪廓線參數(shù)，即可求得鋼軌廓形的磨耗數(shù)據(jù)。

2)鋼軌頂面不平順檢測(cè)：在排輪基準(zhǔn)體系下，同時(shí)獲取左股和右股鋼軌沿軌道里程密集有序的鋼軌廓形系列，從而在獲得鋼軌廓形的同時(shí)，在鋼軌軌頂面三維地描繪不平順的起伏波形帶。

3)軌底坡檢測(cè)：鋼軌的軌底坡實(shí)質(zhì)是鋼軌產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的圓心是鋼軌中心線與軌底線的交點(diǎn)。檢測(cè)軌底坡時(shí)，在鋼軌軌頭上尋找到不容易由于磨耗、腐蝕和變形而發(fā)生變化的兩個(gè)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量這兩點(diǎn)與圓心連線的變化，可以得到軌底坡大小。

2 手推式鋼軌磨耗狀態(tài)檢測(cè)儀技術(shù)方案

檢測(cè)儀主要由小車(chē)走行系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，如圖2所示。

2.1 走行系統(tǒng)

為了減輕測(cè)量?jī)x的質(zhì)量，方便工作人員現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸，測(cè)量?jī)x走行系統(tǒng)由鋁合金材料制成。鋁合金是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的一種金屬材料，它質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，且經(jīng)濟(jì)性較好，非常適合測(cè)量?jī)x走行部分的選材。為了進(jìn)一步方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員的運(yùn)輸，測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)為可拆卸式，主要由3個(gè)部件組成，分別為左、右走行測(cè)量機(jī)構(gòu)及中間連接梁，如圖3所示。

圖2 檢測(cè)儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 檢測(cè)儀走行系統(tǒng)

走行測(cè)量機(jī)構(gòu)由機(jī)箱和軌距靠輪、排輪等部件組成。機(jī)箱內(nèi)安裝有相機(jī)、激光發(fā)生器等檢測(cè)器件。排輪采用耐磨的聚氨酯材料，起到濾波和提高檢測(cè)精度的作用。

小車(chē)基本結(jié)構(gòu)為剛?cè)嵝越Y(jié)構(gòu)，由圖3可見(jiàn)，左右兩個(gè)走行測(cè)量機(jī)構(gòu)是剛性的，尺寸是固定的。兩側(cè)走行機(jī)構(gòu)通過(guò)中間梁連接，中間梁為滑管機(jī)構(gòu)，內(nèi)安裝有氣彈簧。中間梁將左右兩個(gè)走行測(cè)量機(jī)構(gòu)連接而成的測(cè)量小車(chē)在垂直方向設(shè)置為剛性，水平方向設(shè)置為可伸縮，并且兩側(cè)走行測(cè)量機(jī)構(gòu)可繞滑管轉(zhuǎn)動(dòng)，由此形成柔性結(jié)構(gòu)。軌距靠輪及中間梁氣撐伸縮裝置如圖4所示。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鋼軌廓形、鋼軌頂面不平順及軌底坡的檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)主要由攝相機(jī)、激光發(fā)生器、里程記錄儀、數(shù)據(jù)采集設(shè)備及排輪等其他相關(guān)部件組成，如圖5所示。

檢測(cè)儀器在走行臂兩側(cè)(鋼軌內(nèi)外兩側(cè))安裝攝相機(jī)，所得到的內(nèi)外側(cè)照片進(jìn)行合成形成完整的軌頭廓形，所以檢測(cè)儀需要4臺(tái)攝相機(jī)。如4臺(tái)攝相機(jī)進(jìn)行并行處理，加上計(jì)算機(jī)其他所需計(jì)算處理的時(shí)間，即使在攝相機(jī)感光等最不利的情況下，拍攝的間隔也可以達(dá)到5 mm，完全能滿(mǎn)足實(shí)際檢測(cè)的要求。

圖4 軌距靠輪及中間梁氣撐伸縮裝置圖

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)工作關(guān)系圖

圖6 軟件用戶(hù)界面圖

里程記錄儀根據(jù)傳統(tǒng)計(jì)米輪設(shè)計(jì)，它是通過(guò)測(cè)量已知直徑測(cè)量輪的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)間接測(cè)量行走里程的一種高精度的計(jì)程裝置。選擇直徑和走行輪相同的尼龍輪作為里程記錄儀的測(cè)量輪，通過(guò)編碼器記錄其旋轉(zhuǎn)角度，經(jīng)換算得到儀器行走的里程。

數(shù)據(jù)采集卡用來(lái)采集編碼器的信號(hào)，通過(guò)采集卡的采集和轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)供后續(xù)處理。使用RBH8251-104綜合采集控制板作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過(guò)采集卡的采集和轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)供后續(xù)處理。RBH8251-104綜合采集控制板采用USB2.0總線接口，通過(guò)光電隔離，可以實(shí)現(xiàn)8通道采集。

2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

通過(guò)測(cè)量采集與統(tǒng)計(jì)分析軟件能實(shí)現(xiàn)鋼軌磨耗、鋼軌頂面不平順及軌底坡的計(jì)算。

在軟件用戶(hù)界面(見(jiàn)圖6)上啟動(dòng)“鋼軌表面檢側(cè)系統(tǒng)”進(jìn)入系統(tǒng)，顯示頁(yè)面下有兩個(gè)按鈕：一個(gè)是“實(shí)時(shí)檢測(cè)”，另一個(gè)是“回放處理”，即軟件系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)檢測(cè)和回放處理的功能。

3 儀器性能校驗(yàn)

3.1 精度校驗(yàn)

3.1.1 校驗(yàn)方法

在水平方向及垂直方向上，通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)量塊的標(biāo)準(zhǔn)值與鋼軌檢測(cè)儀的讀數(shù)進(jìn)行儀器性能校驗(yàn)。

3.1.2 校驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)量塊的標(biāo)準(zhǔn)值與鋼軌檢測(cè)儀的示值差異如表1所示。由表1可知，所制鋼軌檢測(cè)儀的示值誤差范圍為-0.016～+0.003 mm。

表1 標(biāo)準(zhǔn)量塊的標(biāo)準(zhǔn)值與鋼軌檢測(cè)儀的示值誤差 mm

3.2 重復(fù)性校驗(yàn)

對(duì)鋼軌檢測(cè)儀的測(cè)量重復(fù)性進(jìn)行了校驗(yàn)。校驗(yàn)按照鋼軌廓形測(cè)量與鋼軌頂面不平順測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分進(jìn)行。

3.2.1 校驗(yàn)方法

鋼軌廓形測(cè)量校驗(yàn)中，使用所制鋼軌檢測(cè)儀與傳統(tǒng)的RS2015-2W型便攜式鋼軌外形測(cè)量裝置(以下簡(jiǎn)為“傳統(tǒng)型面儀”)分別對(duì)滬杭城際8個(gè)鋼軌斷面進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試過(guò)程中，傳統(tǒng)型面儀固定在測(cè)點(diǎn)上，鋼軌檢測(cè)儀進(jìn)行移動(dòng)連續(xù)測(cè)量，比較同一斷面位置處兩儀器的測(cè)量差異。另外，為了檢驗(yàn)測(cè)量重復(fù)性，所制鋼軌檢測(cè)儀對(duì)每個(gè)型面均測(cè)量了兩次。

鋼軌頂面不平順測(cè)量校驗(yàn)中，使用所制鋼軌檢測(cè)儀在鋼軌平直度測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行不平順測(cè)量。為了檢驗(yàn)測(cè)量的重復(fù)性，采用儀器對(duì)正逆里程各測(cè)量3次。

3.2.2 鋼軌廓型測(cè)量校驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于某測(cè)點(diǎn)的兩次測(cè)得廓型，統(tǒng)計(jì)兩廓型在軌頂-8°～8°范圍的法向距離差值，按照每2°間隔取點(diǎn)，以法向距離差值的2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為兩型面的測(cè)量差異指標(biāo)。

圖7為某測(cè)點(diǎn)處廓型的兩次測(cè)量結(jié)果。對(duì)8個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到鋼軌檢測(cè)儀的平均測(cè)量重復(fù)性指標(biāo)為0.018 mm。

3.2.3 鋼軌頂面不平順測(cè)量校驗(yàn)結(jié)果

采用鋼軌檢測(cè)儀對(duì)正逆里程測(cè)量共6次得到的原始波形如圖8所示，其中前3次的測(cè)量方向?yàn)檎锍谭较颍?次的測(cè)量方向?yàn)槟胬锍谭较?。將兩個(gè)波谷之間的橫向距離作為1個(gè)波長(zhǎng)長(zhǎng)度，將波峰與波谷之間的縱向幅值距離作為1個(gè)波峰峰值長(zhǎng)度。

圖7 某測(cè)點(diǎn)廓型測(cè)量對(duì)比圖

圖8 鋼軌檢測(cè)儀波形測(cè)量圖

以所制鋼軌檢測(cè)儀6次測(cè)量下的均值作為各波峰峰值的真值，以2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，則所制儀器測(cè)得的波長(zhǎng)重復(fù)性指標(biāo)為8.0%，波峰峰值重復(fù)性指標(biāo)為0.018 mm。

4 結(jié)論

1)研發(fā)了一種推行式的鋼軌檢測(cè)儀，該儀器具有鋼軌廓形、鋼軌頂面不平順和軌底坡檢測(cè)3項(xiàng)重要功能，3項(xiàng)作業(yè)可同時(shí)完成，彌補(bǔ)了其它同類(lèi)單功能鋼軌檢測(cè)儀的不足；同時(shí)該儀器具有連續(xù)、多功能的檢測(cè)能力，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率，降低了人工作業(yè)成本。

2)檢測(cè)儀操作簡(jiǎn)便，人機(jī)界面計(jì)算機(jī)與圖像數(shù)據(jù)采集處理器采用無(wú)線連接，具有實(shí)時(shí)檢測(cè)超限報(bào)警、事后回放、報(bào)告生成等功能，便于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員和管理人員對(duì)鋼軌狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)分析。

3)所制鋼軌檢測(cè)儀的示值誤差為-0.016～+0.003 mm，測(cè)量重復(fù)性精度達(dá)到了0.018 mm，遠(yuǎn)高于其他同類(lèi)儀器，可適用于城市軌道交通及高鐵的工務(wù)作業(yè)。