基于幾何特征的鋼軌磨耗檢測(cè)系統(tǒng)的研究

鞠 標(biāo)，朱洪濤，徐鞠萍，王志勇

(1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031；2.江西師范大學(xué)，南昌 330031)

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基于幾何特征的鋼軌磨耗檢測(cè)系統(tǒng)的研究

鞠 標(biāo)1，朱洪濤1，徐鞠萍2，王志勇1

(1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031；2.江西師范大學(xué)，南昌 330031)

為解決高速動(dòng)態(tài)條件下車體振動(dòng)對(duì)鋼軌磨耗檢測(cè)帶來的問題，在大量調(diào)研國(guó)內(nèi)外利用激光技術(shù)進(jìn)行鋼軌磨耗檢測(cè)的基礎(chǔ)上，提出一種基于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌軌廓固有曲線曲率的鋼軌磨耗檢測(cè)方法，首先利用基于激光三角測(cè)距原理的傳感器得到組成鋼軌全斷面輪廓一系列點(diǎn)的空間坐標(biāo);其次利用L-M優(yōu)化算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用Hough變換方法檢測(cè)鋼軌輪廓固有幾何特性;最后進(jìn)行鋼軌輪廓匹配后實(shí)現(xiàn)鋼軌磨耗高精度檢測(cè)。該方法已經(jīng)運(yùn)用在軌道檢測(cè)小車上，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:鋼軌磨耗檢測(cè)系統(tǒng)的重復(fù)性精度能到達(dá)0.005 mm，其高精度性和快速性能滿足鐵路部門對(duì)鋼軌磨耗檢測(cè)的要求。

鋼軌；動(dòng)態(tài)；輪廓匹配；Hough變換；高精度；Levenberg-Marquardt算法

隨著列車的速度和載荷量不斷提升，行車頻率大幅度增大，列車的車輪對(duì)鋼軌的磨損也日益嚴(yán)重。直接影響列車運(yùn)行的安全性、旅客乘坐的舒適性以及鋼軌使用壽命[1]。

軌道檢測(cè)車是檢查軌道病害、指導(dǎo)軌道維修作業(yè)、評(píng)價(jià)軌道服役性態(tài)和保證軌道交通運(yùn)輸安全的重要基礎(chǔ)裝備[2]。我國(guó)從20世紀(jì)50年代開始致力研制軌道檢測(cè)車，經(jīng)過引進(jìn)、學(xué)習(xí)和消化吸收國(guó)外軌道檢測(cè)技術(shù)，近幾年我國(guó)也相繼自主研發(fā)出多種適合國(guó)情的軌道檢測(cè)車，軌道檢測(cè)車的成功研發(fā)對(duì)我國(guó)軌道交通維護(hù)運(yùn)營(yíng)和軌道檢測(cè)升級(jí)具有重要意義。鋼軌輪廓?jiǎng)討B(tài)測(cè)量作為軌道檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)在軌道檢測(cè)中占有重要地位，其檢測(cè)結(jié)果可直接用于軌道幾何參數(shù)計(jì)算，同時(shí)為鋼軌表面故障甄別和鋼軌缺陷演變機(jī)理研究提供客觀依據(jù)[3-5]。

目前，我國(guó)鐵路部門主要采用接觸式的人工方式對(duì)鋼軌磨耗量進(jìn)行檢測(cè)[6-7]。傳統(tǒng)的人工鋼軌磨耗檢測(cè)方式存在很多的不足：檢測(cè)過程中容易受工作人員的主觀因素影響，測(cè)量精度低；工作量大、效率低、工作人員易疲勞，存在安全隱患；受天氣環(huán)境限制；容易擦傷鋼軌表面，不便重復(fù)檢測(cè)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩慢、存檔困難，不便對(duì)整體數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理研究?？紤]以上傳統(tǒng)人工檢測(cè)鋼軌磨耗的不足，研發(fā)一套能在高速動(dòng)態(tài)下高精度檢測(cè)鋼軌磨耗的系統(tǒng)，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)軌道檢測(cè)自動(dòng)化的關(guān)鍵。鋼軌磨耗的高精度檢測(cè)對(duì)指導(dǎo)鋼軌斷面的打磨維修、制定合理科學(xué)的鋼軌磨損修復(fù)策略和重新修整道岔區(qū)域的鋼軌輪廓發(fā)揮著巨大作用。及時(shí)地對(duì)磨損鋼軌進(jìn)行打磨或更換，除了對(duì)列車平穩(wěn)運(yùn)行、旅客的舒適安全有保障，還能延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，防止鋼軌繼續(xù)向短波、長(zhǎng)波不平順病害惡化。

本文主要從鋼軌磨耗測(cè)量原理、鋼軌輪廓?jiǎng)討B(tài)采集和鋼軌輪廓?jiǎng)討B(tài)匹配等3個(gè)問題詳細(xì)闡述基于鋼軌幾何特征的鋼軌磨耗檢測(cè)系統(tǒng)。

1 鋼軌磨耗的測(cè)量原理

高精度的鋼軌輪廓匹配是實(shí)現(xiàn)鋼軌磨耗高精度測(cè)量的前提條件。軌道檢測(cè)車在行進(jìn)過程中由于軌道不平順、行車速度、車體結(jié)構(gòu)等原因，會(huì)引起車體在空間內(nèi)六自由度隨機(jī)振動(dòng)[8]。由于激光攝像組件通過檢測(cè)梁與列車底部相連會(huì)隨車體一起振動(dòng)，因此傳感器采集的輪廓數(shù)據(jù)精度會(huì)受到影響，無法對(duì)鋼軌磨耗進(jìn)行高精度檢測(cè)?；诖藛栴}本文設(shè)計(jì)一種鋼軌磨耗檢測(cè)系統(tǒng)：利用基于激光三角測(cè)距原理的線激光傳感器，先對(duì)鋼軌輪廓?jiǎng)討B(tài)快速提取，再基于鋼軌曲率曲線固有幾何特征，對(duì)鋼軌輪廓進(jìn)行匹配，最后實(shí)現(xiàn)鋼軌磨耗的高精度檢測(cè)。

鋼軌磨耗主要是車輪與鋼軌間滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生的結(jié)果，一般在鋼軌軌頭部分產(chǎn)生，并且鋼軌磨耗一般發(fā)生在內(nèi)側(cè)軌頭，鋼軌頭部傷損按程度可以分為輕傷、重傷兩類。磨耗參數(shù)可以分為垂直磨耗、側(cè)面磨耗和總磨耗，具體見圖1。

圖1 鋼軌磨耗參數(shù)

垂直磨耗在鋼軌頂面1/3寬處(距標(biāo)準(zhǔn)工作邊)測(cè)量，側(cè)面磨耗在鋼軌踏面(按標(biāo)準(zhǔn)斷面)下16 mm處測(cè)量。總磨耗為垂直磨耗與1/2側(cè)面磨耗之和[9]。

2 鋼軌輪廓的檢測(cè)

利用線激光攝像技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)鋼軌全斷面輪廓測(cè)量，使用4組線激光傳感器實(shí)現(xiàn)左右2條鋼軌輪廓的全斷面檢測(cè)。同一條鋼軌緊貼車輪踏面的一側(cè)稱鋼軌內(nèi)側(cè)，遠(yuǎn)離車輪踏面的另一側(cè)稱鋼軌外側(cè)[8]。要實(shí)現(xiàn)鋼軌的全斷面輪廓檢測(cè)，需要保證對(duì)采集數(shù)據(jù)擬合后能得到一條完整的鋼軌全斷面輪廓線，所以安裝時(shí)必須保證內(nèi)、外側(cè)激光攝像式傳感器投射的結(jié)構(gòu)光平面完全重合，如圖2所示。

圖2 單條鋼軌全斷面檢測(cè)示意

本文使用的傳感器是日本基恩士的LJ-V7300，其水平X軸檢測(cè)范圍為-120～120 mm，以步長(zhǎng)為0.03 mm采集鋼軌全斷面輪廓空間位置信息。每組傳感器采集800組二維坐標(biāo)。由數(shù)據(jù)采集控制電路控制安裝在檢測(cè)小車上的2組線激光傳感器，將激光投向鋼軌進(jìn)行掃描，每掃描一次鋼軌，傳感器采集的鋼軌輪廓空間信息(二維坐標(biāo))在結(jié)構(gòu)光平面內(nèi)的距離差就是鋼軌外形的物理尺寸參數(shù)即軌廓。

2.1 等高線對(duì)傳感器偏轉(zhuǎn)角度θ的標(biāo)定

對(duì)于同一條鋼軌，將內(nèi)側(cè)線激光傳感器采集的800組二維坐標(biāo)進(jìn)行濾波后用L-M優(yōu)化擬合，得到該鋼軌內(nèi)側(cè)的斷面輪廓線，同理可得到該鋼軌外側(cè)的斷面輪廓線，對(duì)交叉采集的鋼軌輪廓區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合后，該區(qū)域的內(nèi)、外側(cè)輪廓線也會(huì)完全重合。

要實(shí)現(xiàn)高精度的鋼軌磨耗檢測(cè)，首先要進(jìn)行鋼軌輪廓線的高精度匹配，將線激光傳感器自身坐標(biāo)系(以下簡(jiǎn)稱相對(duì)坐標(biāo)系)轉(zhuǎn)換至標(biāo)準(zhǔn)輪廓線所在的坐標(biāo)系(以下簡(jiǎn)稱參考坐標(biāo)系)，根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式

其中，[XTPYTP]為鋼軌上某個(gè)點(diǎn)在相對(duì)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；[XOPYOP]為該點(diǎn)在參考坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

圖4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖

從式(1)可以看出，完成相對(duì)坐標(biāo)系(線激光傳感器的坐標(biāo)系)向參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，必須確定相對(duì)坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)的偏移量(XOT，YOT)，以及相對(duì)坐標(biāo)系繞參考坐標(biāo)系的偏轉(zhuǎn)角度θ三個(gè)參數(shù)。

本文借助一個(gè)平面度為00級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)塊件，將該標(biāo)準(zhǔn)塊的上表面當(dāng)作絕對(duì)坐標(biāo)系的X軸，垂直方向作為絕對(duì)坐標(biāo)系的Y軸，如圖3所示。

圖3 偏轉(zhuǎn)角標(biāo)定示意

用線性傳感器在標(biāo)準(zhǔn)塊的上表面采集140個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)式(1)可知：

(1)無論線傳感器的坐標(biāo)系建在何處，標(biāo)準(zhǔn)塊上表面所有點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至參考坐標(biāo)系后它們的縱坐標(biāo)一定相等；

(2)采集數(shù)據(jù)是瞬間同時(shí)進(jìn)行的，無論線激光傳感器在采集數(shù)據(jù)期間是否振動(dòng)，這些點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至絕對(duì)坐標(biāo)系后它們的縱坐標(biāo)一定相等；

(3)無論支持標(biāo)準(zhǔn)塊的工作臺(tái)是否絕對(duì)水平，這些點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至絕對(duì)坐標(biāo)系后它們的縱坐標(biāo)一定相等。

其中，μ為一個(gè)隨標(biāo)準(zhǔn)塊位置變化而變化的常數(shù)，設(shè)目標(biāo)函數(shù)為

只需求出fi(θ)的最小值，便可擬合出傳感器的偏轉(zhuǎn)角度θ，利用malab采用Levenberg-Marquardt算法對(duì)式(3)迭代求解[11-12]。對(duì)于平面度為00級(jí)的高精度標(biāo)準(zhǔn)塊，其中Y10(θ)可換成任何一個(gè)特定的值，對(duì)求解擬合偏轉(zhuǎn)角度θ無影響。

每組傳感器都有自己的專有坐標(biāo)系，由于其空間安裝結(jié)構(gòu)無法獲知它的坐標(biāo)原點(diǎn)，并且每次檢測(cè)鋼軌磨耗時(shí)傳感器都會(huì)隨軌檢車振動(dòng)，準(zhǔn)確標(biāo)定傳感器的偏轉(zhuǎn)角度后相當(dāng)于傳感器的自身坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系平行，如圖4所示。經(jīng)過傳感器偏轉(zhuǎn)角標(biāo)定使擬合的鋼軌內(nèi)外側(cè)輪廓線呈“水平直立”狀態(tài)。

2.2 鋼軌輪廓線的擬合

在軌檢小車采集數(shù)據(jù)時(shí)，由于鋼軌高低不平、鋼軌表面磨損以及車體慣性等隨機(jī)影響，導(dǎo)致傳感器采集的鋼軌輪廓空間信息精度降低，從而導(dǎo)致擬合出來的鋼軌全斷面輪廓線相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌輪廓線有上下、左右、傾斜等隨機(jī)振動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)鋼軌磨耗高精度檢測(cè)，如圖5所示。

圖5 不同自由度對(duì)鋼軌輪廓檢測(cè)的影響

3 鋼軌輪廓匹配

3.1 幾何特征點(diǎn)的提取

用Hough變換對(duì)圓進(jìn)行檢測(cè)，在空間x-y中，所有過點(diǎn)(xi，yi)的直線滿足方程:

式中，p、q、r分別是圓心的橫坐標(biāo)，圓心的縱坐標(biāo)，圓的半徑。對(duì)于在本文中采用的標(biāo)準(zhǔn)輪廓，其圓弧的半徑是已知的。若x-y空間中有近似于圓的圖形，則圓上所有點(diǎn)的曲率半徑r一定相等[15]。

基于不共線的3個(gè)特征點(diǎn)確定一個(gè)平面，對(duì)鋼軌輪廓匹配可以簡(jiǎn)化為對(duì)鋼軌輪廓上3個(gè)特征點(diǎn)的匹配，3個(gè)特征點(diǎn)的重合度代表鋼軌輪廓匹配的精度。由于軌顎鋼軌底部是激光傳感器的盲區(qū)，傳感器無法采集底部的空間信息，但是鋼軌磨損普遍發(fā)生在鋼軌內(nèi)側(cè)，所以本系統(tǒng)采用鋼軌外側(cè)小圓的圓心Q1、軌腰大圓的圓心K1和P1作為不共線的3個(gè)特征點(diǎn)，如圖6所示，所以軌底和軌顎盲區(qū)對(duì)本文提出的鋼軌磨耗檢測(cè)系統(tǒng)無影響。先擬合在鋼軌外側(cè)軌頭處半徑R1=13mm的曲線BC所在圓的圓心Q1，再擬合在鋼軌軌腰處半徑R2=20mm的曲線F1H1所在圓的圓心P1。

圖6 特征點(diǎn)的提取

其中，點(diǎn)與點(diǎn)之間的水平間距為0.03mm，根據(jù)線激光傳感器的安裝特點(diǎn)和60kg/m標(biāo)準(zhǔn)鋼軌參數(shù)，可以計(jì)算出有65個(gè)點(diǎn)分布在曲線F1H1上，有55個(gè)點(diǎn)分布在曲線BC上。采用37個(gè)點(diǎn)為整體逐依尋找圓弧曲線，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)

在外側(cè)輪廓曲線AD區(qū)域搜索曲線BC，并用最小二乘法擬[13-14]合圓心Q1的坐標(biāo)(x，y)，同理，采用50個(gè)點(diǎn)為整體，根據(jù)Hough變換在曲線E1N1區(qū)域搜索曲線F1H1，并用最小二乘法擬合圓心P1的坐標(biāo)(p，q)。

3.2 旋轉(zhuǎn)消除側(cè)傾

根據(jù)60kg/m標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的參數(shù)，將標(biāo)準(zhǔn)輪廓線所在的坐標(biāo)系設(shè)為參考坐標(biāo)系。標(biāo)定鋼軌外側(cè)軌頭處曲率半徑R1=13mm所在圓的圓心坐標(biāo)Q；標(biāo)定鋼軌外側(cè)軌腰處半徑R2=20mm的圓弧所在圓的圓心坐標(biāo)P，由于嚴(yán)格的左右對(duì)稱同理可以得出與鋼軌外側(cè)軌腰處相對(duì)應(yīng)的圓心坐標(biāo)K。特征點(diǎn)的坐標(biāo)見表1。

表1 特征點(diǎn)的坐標(biāo) mm

對(duì)線激光傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到實(shí)際鋼軌全斷面輪廓線后，可能會(huì)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輪廓線有偏移和側(cè)傾，如圖7(a)。以標(biāo)準(zhǔn)輪廓所在的參考坐標(biāo)系原點(diǎn)O為旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使擬合的特征點(diǎn)Q1與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌輪廓線上對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)Q完全重合；使擬合的特征點(diǎn)P1與標(biāo)準(zhǔn)輪廓線上對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)P完全重合，根據(jù)式(6)可以求出側(cè)傾角a。

激光傳感器與軌檢車之間屬于剛性連接，所以如果軌檢車存在側(cè)傾，安裝在軌檢車上的激光傳感器側(cè)傾角度必定相同。消除側(cè)傾后使擬合的鋼軌內(nèi)外側(cè)輪廓線呈“水平直立”平行狀態(tài)，見圖7(b)。

3.3 平移解決偏移

第二次旋轉(zhuǎn)變換后可以使內(nèi)、外鋼軌輪廓線呈“水平直立”狀態(tài)，為進(jìn)一步提高精度，用上述同樣的方法再次擬合圓心K1、P1坐標(biāo)。平移內(nèi)、外側(cè)鋼軌輪廓線，使擬合的圓心坐標(biāo)K1、P1與標(biāo)準(zhǔn)輪廓對(duì)應(yīng)圓心K、P完全重合。經(jīng)過平移精調(diào)后，內(nèi)、外側(cè)鋼軌輪廓線必定會(huì)完全重合，拼接成一條高精度的鋼軌全斷面輪廓線，見圖7(c)。

圖7 旋轉(zhuǎn)平移高精度匹配流程

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)選用是60kg/m標(biāo)準(zhǔn)軌作為試驗(yàn)對(duì)象，在自備線上用自制的軌檢小車模擬軌檢車對(duì)鋼軌同一點(diǎn)的全斷面輪廓進(jìn)行6次重復(fù)性檢測(cè)，其系統(tǒng)的鋼軌磨耗檢測(cè)界面如圖8所示。

圖8 基于鋼軌匹配的磨耗計(jì)算

表2給出了試驗(yàn)的側(cè)面磨耗WH、垂直磨耗WV和總磨耗W的檢測(cè)結(jié)果。

用標(biāo)準(zhǔn)差來評(píng)價(jià)鋼軌磨耗檢測(cè)系統(tǒng)的精度，WH的精度為0.002 6mm，WV的精度為0.001 5mm，總磨耗W的精度為0.001 8mm。標(biāo)準(zhǔn)差得重復(fù)性精度均控制的0.002 6mm以內(nèi)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文提出的鋼軌磨耗檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度能達(dá)到微米級(jí)別，若采用更高精度的傳感器，本系統(tǒng)的檢測(cè)精度還有向納米級(jí)提升的空間。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明本系統(tǒng)完全符合誤差要求，有非常好的穩(wěn)定性。

表2 鋼軌磨耗檢測(cè)結(jié)果 mm

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用非接觸式線結(jié)構(gòu)光技術(shù)進(jìn)行鋼軌磨耗檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了鋼軌磨耗的高精度動(dòng)態(tài)檢測(cè)，能夠同步進(jìn)行鋼軌輪廓采集和數(shù)據(jù)處理。基于鋼軌固有的幾何特征，用最小二乘法擬合軌頭小圓和軌腰大圓的圓心，對(duì)不共線的3個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移，實(shí)現(xiàn)鋼軌輪廓的高精度匹配。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可重復(fù)性好、精度高，能滿足鐵道部門對(duì)鋼軌磨耗檢測(cè)的要求。

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Rail Abrasion Inspection System Based On Geometric Features

JU Biao1， ZHU Hong-tao1， XU Ju-ping2， WANG Zhi-yong1

(1.Mechanical & Electronic Engineering School， Nanchang University， Nanchang 330031， China;2.Jiangxi Normal University， Nanchang 330031， China)

To solve the problems in steel rail abrasion detection due to vehicle vibration under high-speed dynamic condition， the method of steel rail abrasion detection on the basis of standard rail profile inherent curvature is proposed based on sufficient investigation and research of international and domestic rail abrasion detection with laser technology. First， sensors based on the principle of laser triangulation range are used to get the space coordinates of series points on rail profile. Then， data optimizing and processing are conducted by means of Levenberg-Marquardt algorithm and Hough transform method is employed to detect rail geometric features. Finally， high accuracy rail abrasion detection is implemented through rail profile matching. This method has been used in the track inspection car. The experimental results demonstrate that the repeated accuracy of the inspection system reaches as high as 0.005 mm and the accuracy and speed of the system meet the requirements of railway industry for rail abrasion inspection．

Rail; Dynamic; Profile matching; Hough transform; High accuracy; Levenberg-Marquardt algorithm

2016-05-04；

2016-05-11

國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金(51468042)；江西省自然科學(xué)基金(20142BAB206003)

鞠 標(biāo)(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：909847295@qq.com。

朱洪濤(1962—)，男，教授，E-mail：308035414@qq.com。

1004-2954(2016)12-0031-05

U216.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.008