夏群山,吳旭平,孫 鑫

(1. 浙江省交通投資集團有限公司,浙江 杭州 310000;2.浙江交投軌道交通科技有限公司,浙江 杭州310000)

0 引言

鐵路安全是鐵路運輸?shù)母厩疤岷突A(chǔ),而鋼軌的自身狀態(tài)與性能優(yōu)劣,直接關(guān)系到鐵路的運輸能力和行車安全。其中,鐵路鋼軌型面的非正常磨損,將導(dǎo)致輪軌接觸異常、軌道附加動荷載增大,影響列車運行的平穩(wěn)性和旅客乘車的舒適性,是不容忽視的重要因素。因此,必須及時發(fā)現(xiàn)鋼軌型面?zhèn)麚p問題,采取打磨作業(yè),清除鋼軌病害,并修復(fù)鋼軌廓形以改善輪軌關(guān)系。

目前,鋼軌廓形檢測從傳統(tǒng)的手工點式側(cè)磨、垂磨檢測尺發(fā)展到靜態(tài)接觸式鋼軌廓形電子檢測儀[1]。傳統(tǒng)的磨耗量尺可以測量鋼軌廓形上兩點的磨耗,磨耗量尺結(jié)構(gòu)簡單,推動垂磨檢測尺和側(cè)磨檢測尺使其測頭分別與鋼軌上表面和內(nèi)側(cè)面接觸,此時即可從讀數(shù)裝置中讀取鋼軌垂直磨耗量和側(cè)面磨耗量。磨耗量尺并不能獲得完整廓形,且不同軌型的量尺并不通用,現(xiàn)場已經(jīng)很少使用。

靜態(tài)鋼軌廓形電子檢測儀靜態(tài)測量設(shè)備的測量原理基于傳感器在鋼軌輪廓上的自由運動,通過2個角度傳感器的返回值,在笛卡爾坐標系下還原出鋼軌輪廓。目前,已投入市場的廓形檢測儀器主要包括丹麥的Miniprof軌廓儀、德國PMS廓形測量儀、德國XY Profriler 道岔廓形檢測儀、俄羅斯PR-03型鋼軌廓形檢測儀等[2]。但這些設(shè)備針對鋼軌打磨不能出具完整且實用的大型打磨車或小型打磨機打磨方案,需要提前測量廓形分析打磨量,再給出打磨方案,作業(yè)效率不高,同時依據(jù)人工經(jīng)驗選擇打磨模式,無法明確打磨后的鋼軌廓形,存在“過打磨”或“欠打磨”[3]現(xiàn)象。

近幾年機器視覺技術(shù)大幅度發(fā)展,機器視覺技術(shù)能夠以機器代替人工進行一系列的高精度檢測,本文基于機器視覺圖像識別測量技術(shù),研制一種鋼軌打磨方案智能分析儀,并對系統(tǒng)進行集成化設(shè)計,實現(xiàn)廓形檢測、打磨仿真、模式生成、遠程監(jiān)控、報表打印等功能,實現(xiàn)從檢測到鋼軌打磨的智能化管控。

1 檢測系統(tǒng)設(shè)計原理

鋼軌型面檢測原理是基于機器視覺圖像識別測量技術(shù),三角測量法[4]主要是通過機器視覺利用三角測量原理進行與被測物之間距離的測量,測量精度及效率較高且可獲得更精確的數(shù)據(jù)。鋼軌打磨方案智能分析儀利用三角測量原理,通過工業(yè)攝像機拍攝鋼軌軌頭斷面激光線,捕捉軌頭斷面輪廓線圖像,利用圖像處理方法解析軌頭輪廓線參數(shù),通過匹配標準鋼軌軌頭輪廓,求得斷面輪廓和磨耗值,并設(shè)計相關(guān)算法求得軌底坡。采用無線傳輸技術(shù)將下位機采集處理得到的鋼軌軌頭輪廓、軌底坡數(shù)據(jù)傳輸至上位機顯示,達到無線實時便攜檢測,并設(shè)計打磨量與打磨參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型,對鋼軌打磨過程進行仿真模擬,出具智能打磨方案,其檢測原理如圖1所示。

圖1 檢測原理圖

2 技術(shù)方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了減輕測量儀的重量,方便工作人員現(xiàn)場運輸,研究并設(shè)計了質(zhì)量小于5 kg可拆卸式的鋼軌打磨方案智能分析儀。測量儀采用質(zhì)量輕,強度高,且經(jīng)濟性較高的鋁合金材料制成,同時,采用伸縮、折疊以及拆分組合的設(shè)計思想,滿足結(jié)構(gòu)簡單、小型化、重量輕、可拆卸、便于運輸攜帶的原則要求,由一人完成組裝檢測,組裝時間10 s以內(nèi)。

整個箱體為正方體,整體系統(tǒng)集成,既能保證小型輕便,又能確保箱體的強度保護內(nèi)部傳感器。底部設(shè)計有垂向定位板,保證垂向測量基準;側(cè)面設(shè)計有可折疊的水平定位桿,水平定位桿上設(shè)計有水平和橫向定位塊,整個測量儀器與軌道平行,保證鋼軌軌底坡測量的準確性;頂面嵌有觸摸屏和把手,方便現(xiàn)場檢測;箱體壁上設(shè)有USB數(shù)據(jù)接口以及開關(guān)和充電口,控制系統(tǒng)的開關(guān)和充電。同時集成可翻折轉(zhuǎn)動的攝像單元,可拍攝周圍180°的角度范圍,對現(xiàn)場作業(yè)情況、作業(yè)環(huán)境、檢測結(jié)果、打磨效果通過網(wǎng)絡(luò)遠程傳輸至智慧大屏,進行遠程監(jiān)控。所設(shè)計的檢測儀總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—水平定位塊;2—橫向定位塊;3—連桿;4—折疊卡塊;5—攝像單元;6—把手;7—觸摸屏;8—天線;9—USB數(shù)據(jù)接口;10—開關(guān);11—保險絲;12—充電口;13—電量顯示;14—夾緊把手;15—垂向定位板。圖2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了鋼軌軌頭廓形檢測和軌底坡檢測。檢測系統(tǒng)主要由工業(yè)攝像機、激光發(fā)生器、控制器、工控機、顯示設(shè)備、電源等其他相關(guān)部件組成。選用一種畫幅、拍攝幀率滿足要求的視覺傳感器實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集,通過和單色激光器配合,實現(xiàn)被測鋼軌廓形的高精度測量。為了解決系統(tǒng)整體的高效傳輸與數(shù)據(jù)處理能力,本系統(tǒng)設(shè)計采用Gige Vision通訊協(xié)議,將相機采集到的圖像信息傳輸?shù)焦た貦C中,通過系統(tǒng)軟件設(shè)計,讀取圖像數(shù)據(jù),并進行實時處理,計算鋼軌的磨耗、軌底坡、GQI以及打磨量等參數(shù)數(shù)據(jù),通過TCP/IP協(xié)議無線傳輸數(shù)據(jù),實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的人機交互和缺陷提示報警,最終把系統(tǒng)各模塊集成在所設(shè)計的一種小型便攜、手提式檢測盒中,利用統(tǒng)一電源模塊供電,實現(xiàn)系統(tǒng)作業(yè)。本系統(tǒng)各硬件的工作關(guān)系如圖3所示。

圖3 各硬件工作關(guān)系

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為提高人機交互的便利性、數(shù)據(jù)的閱讀性和統(tǒng)計結(jié)果的準確性,軟件設(shè)計有實時檢測、統(tǒng)計報表和打磨指導(dǎo)3個功能項,同時軟件檢測數(shù)據(jù)可通過5G移動信號傳輸至大屏監(jiān)控端,實現(xiàn)鋼軌從檢測到打磨的智能化管控。

(1)實時檢測模塊通過控制下位機采集系統(tǒng),利用網(wǎng)絡(luò)接收下位機上傳的輪廓數(shù)據(jù)、實時呈現(xiàn)各種軌型的輪廓圖形,能夠根據(jù)設(shè)置參數(shù)來計算并顯示各種測量結(jié)果,包括鋼軌磨耗測量,出具打磨建議,進行鋼軌質(zhì)量分析。

(2)報表統(tǒng)計模塊通過實時檢測時保存的文件夾,選擇相應(yīng)的分析類型包括單點分析、同軌同點分析、同軌異點分析和異軌異點分析以及限值參數(shù)等進行統(tǒng)計,生成不同分析類型下的鋼軌狀態(tài)以及打磨建議報表。

(3)打磨指導(dǎo)模塊通過輸入打磨目標GQI值、最大打磨次數(shù)、最小打磨角度、最大打磨角度、目標廓形參數(shù)以及打磨車輛參數(shù)等信息,綜合分析并提供小型人工打磨機和大型打磨車的模式生成功能,無須人工編排打磨方案,大大降低了檢修作業(yè)的工作量。

(4)智慧大屏遠程監(jiān)控系統(tǒng),依靠5G網(wǎng)絡(luò)實時更新設(shè)備運行狀態(tài)、所在位置、檢測數(shù)據(jù)等,以及展現(xiàn)與統(tǒng)計分析歷史數(shù)據(jù),實現(xiàn)現(xiàn)場檢測實時監(jiān)控,并可一鍵式出具統(tǒng)計分析報告、輪軌接觸分析報告以及打磨指導(dǎo)報告。

3 打磨后鋼軌廓形的圖像處理方法

機器視覺檢測技術(shù)的最大缺點是依賴圖像的成像特征,若呈現(xiàn)的圖像特征較差,并且沒有經(jīng)過有效處理,檢測精度則會大大降低[5-6]。鋼軌在打磨以及銑磨后表面較為復(fù)雜,會出現(xiàn)“鏡子”般的光亮帶,導(dǎo)致圖像上出現(xiàn)反光現(xiàn)象,并且打磨后鋼軌表面粗糙度加大,與激光角度垂直照射區(qū)域出現(xiàn)散光影響,在圖像上呈現(xiàn)一些光斑,而銑磨主要是進行切削鋼軌的工藝,銑磨后鋼軌表面較為光滑,反光加大,導(dǎo)致所拍攝的激光廓形圖像亮度較弱,與工作邊或非工作邊形成極大反差,如圖4所示。

(a)正常 (b)打磨后 (c)銑磨后圖4 鋼軌輪廓圖像采集效果

相比于市場現(xiàn)有的三維檢測設(shè)備適應(yīng)性差的缺點,本文通過搭建激光與相機的三維關(guān)系進行系統(tǒng)標定,來檢測鋼軌輪廓。在采集大量的現(xiàn)場圖像后,鎖定光斑在圖像上出現(xiàn)的集中區(qū)域,設(shè)計一種適應(yīng)多種圖像狀況的圖像處理算法。

首先將圖像分割為圖5所示的6個區(qū)域進行輪廓提取,通過設(shè)置不同閾值進行輪廓數(shù)據(jù)提取,此方法可以規(guī)避不同區(qū)域異常圖像帶來的相互干擾,解決圖像不同亮度問題。通過此步驟進行輪廓細化,對細化后的輪廓進行輪廓點梯度搜尋,在輪廓點搜尋時,定義了一個梯度變量,記錄著最近6個輪廓點的高度增量,作用是在輪廓有較大距離斷開或者輪廓線上有光斑干擾的影響時仍然能保持連續(xù)的輪廓點搜索功能,尋找下一個更加符合輪廓點的特征。

圖5 鋼軌輪廓圖像處理區(qū)域分割方法

通過各種邏輯算法判斷,此方法可完全消除光斑帶來的輪廓異常及圖像灰度值變化較大的影響,圖6為在光斑影響下用此算法處理的鋼軌輪廓。

圖6 打磨后光斑圖像處理結(jié)果

4 打磨模式生成功能及打模實例

儀器軟件系統(tǒng)提供小型人工打磨機和大型打磨車的模式生成功能,無須人工編排打磨方案,大大降低了檢修作業(yè)的工作量[7-8]。

小型人工打磨機的模式生成需要輸入打磨目標GQI值、最大打磨次數(shù)、最小打磨角度、最大打磨角度、目標廓形參數(shù)。

大型打磨車的模式生成除需要以上參數(shù)外,還需要額外輸入打磨車輛信息參數(shù)。

(1)GQI值：鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù),本功能中GQI計算方法參考《關(guān)于普速鐵路鋼軌打磨驗收標準》,引入了不同區(qū)域的廓形權(quán)重系數(shù)。在輸入GQI目標值后,軟件將以達到目標值為模式生成的終止條件。

(2)最大打磨次數(shù)：如果GQI目標設(shè)定過高或鋼軌自身狀態(tài)較差,可以通過調(diào)整最大打磨次數(shù),避免無限制地生成打磨模式。

(3)最小/最大打磨角度：由于各類機械及軌道結(jié)構(gòu)的約束,鋼軌上部分區(qū)域可能無法進行打磨,可通過設(shè)置這2個參數(shù)約束軟件不在軌頭非打磨區(qū)域排布方案。

(4)目標廓形：打磨的目標是恢復(fù)到目標廓形, GQI指標同樣也是以目標廓形作為參考進行計算。

(5)打磨車輛參數(shù)信息：對于大型打磨車,模式的生成依賴于打磨車的打磨效果,即鋼軌不同區(qū)域單次打磨的理論打磨量。

4.1 小型人工打磨機的模式生成

小型人工打磨機的模式生成結(jié)果是3個參數(shù)：磨頭偏轉(zhuǎn)角度、磨頭橫移量以及磨頭打磨深度,根據(jù)目標GQI值及打磨上限的不同,以上參數(shù)可能會有多組?，F(xiàn)場打磨人員根據(jù)每組的3個參數(shù)設(shè)定磨頭位置及打磨深度。圖7中3個手輪分別控制以上3個結(jié)果參數(shù)。

圖7 小型人工打磨機示意圖

圖8為某一線路鋼軌某一斷面的實測廓形圖,與標準60D鋼軌對比后,可以看出在-8°～ -4°以及7°～30°之間待打磨量較大的區(qū)域,以往人工作業(yè)時,需要根據(jù)操作人員經(jīng)驗調(diào)整機器的磨頭偏轉(zhuǎn)角度、磨頭橫移量以及打磨深度,存在較大的誤差。

在本儀器軟件界面中,導(dǎo)入上述實測型面后,點擊模式生成按鈕,便可自動按照所選擇的60D標準廓形生成打磨模式。表1是圖8實測型面的打磨建議,表中磨頭橫移量為0時,磨頭中心在工作邊正上方,向非工作邊移動橫移量為正,反之為負。按照表中3次模式指導(dǎo)進行打磨后,理論上型面GQI便可以達到設(shè)定的90分目標值。

圖9是打磨后的理論型面,方便操作人員在打磨前提前掌握打磨整體效果。

圖9 打磨后仿真理論廓形

4.2 大型打磨車的模式生成

大型打磨車的模式生成結(jié)果是若干遍的磨頭排布及功率方案,方案次數(shù)由目標GQI值及打磨上限決定。

圖10是某一線路鋼軌某一斷面的左右軌實測廓形圖,與標準60N鋼軌對比后,可以看出在-60°～ -2°的非工作邊,待打磨量較大。在15°～ 60°的工作邊,待打磨量較大,肥邊非常嚴重。

圖10 打磨前左右軌實測廓形

在本儀器軟件界面中,導(dǎo)入上述實測型面后,點擊模式生成按鈕,便可自動按照所選擇的60N標準廓形生成打磨模式。表2是圖10實測型面的打磨建議。按照表2中模式指導(dǎo)進行打磨后,理論上型面GQI便可以達到設(shè)定的90分目標值。表中的磨頭角度排布以恢復(fù)廓形為主要原則,兼顧了車輛對稱穩(wěn)定性,盡量避免了首尾車廂左右磨頭對稱性較差帶來的車體傾覆風(fēng)險。其他修理性打磨,如拋光模式等需要結(jié)合大機日常使用經(jīng)驗進行開展。

表2 大型打磨車打磨模式建議

圖11是打磨后的左右軌理論型面,方便操作人員在打磨前對打磨整體效果進行提前掌握。

圖11 左右軌打磨后仿真理論廓形

5 現(xiàn)場使用

儀器已在溫州S1線路試用多次,系統(tǒng)整體使用情況穩(wěn)定,檢測數(shù)據(jù)準確,為檢測鋼軌質(zhì)量狀態(tài)、磨耗狀態(tài)以及指導(dǎo)鋼軌打磨提供了高效的手段,現(xiàn)場使用情況如圖12所示。

圖12 現(xiàn)場檢測情況

與MiniProf分別測量鋼軌型面,對比測量差異,2臺儀器分別對3個測點測試2次。鋼軌打磨方案智能分析儀與MiniProf靜態(tài)廓形儀分別在相同測點靜態(tài)測量廓形。型面匹配可以按照《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》(鐵總運[2014]357號)要求,將兩儀器測量廓形在軌頂最高點處上下對齊,在-16 mm處左右對齊,統(tǒng)計兩儀器在-10°～60°之間的法向差值的絕對值,統(tǒng)計其均值作為測量誤差。鋼軌打磨方案智能分析儀所測廓形與MiniProf所測廓形的測量誤差均值為0.060 mm,重復(fù)性誤差均值為0.015 mm。傳統(tǒng)接觸式檢測儀使用對比分析如表3所示。

表3 打磨模式建議

6 結(jié)論

(1)本文設(shè)計了一種基于機器視覺技術(shù)的鋼軌打磨方案智能分析儀。采用上道組裝,下道拆分的機械結(jié)構(gòu),整體小型便攜,方便運輸攜帶,可以實現(xiàn)鋼軌軌頭廓形非接觸快速測量,實現(xiàn)廓形檢測、打磨仿真、模式生成、遠程監(jiān)控、報表打印等功能,實現(xiàn)鋼軌從檢測到打磨的智能化管控。經(jīng)校準測試檢測精度可達±0.01 mm,滿足鋼軌廓形檢測及打磨檢測需求。

(2)按照廓形恢復(fù)最佳原則,系統(tǒng)實現(xiàn)了一種打磨模式設(shè)計功能,操作人員只需要提前輸入待打磨型面、目標GQI值、打磨次數(shù)上限等參數(shù),即可自動生成小型人工打磨機和大型打磨車的打磨模式方案,無須人工排布。

(3)打磨實際效果受到鋼軌型面、砂輪材質(zhì)、磨頭位置精度等因素影響。根據(jù)現(xiàn)場測試作業(yè)效果,對軟件的仿真精度進行了校驗,仿真平均誤差在0.1 mm以內(nèi),以此誤差精度設(shè)計的打磨方案能夠有效指導(dǎo)現(xiàn)場打磨作業(yè)。有助于實現(xiàn)鋼軌廓形精細打磨,對鋼軌打磨廓形檢測和鋼軌養(yǎng)護維修起到十分積極的作用。