鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)

王琰

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

鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)

王琰1，2

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

闡述鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，以及鋼軌輪廓全斷面的檢測(cè)方法。鋼軌輪廓全斷面檢測(cè)基于激光攝像非接觸測(cè)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(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，鋼軌輪廓全斷面和軌道幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)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(cè)的需要。

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

0 引言

隨著我國(guó)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(guò)總質(zhì)量不斷增加，鋼軌磨損日益嚴(yán)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(duì)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(duì)每條曲線的鋼軌有計(jì)劃地進(jìn)行磨耗測(cè)量，工務(wù)部門(mén)不能及時(shí)有效掌握鋼軌磨損狀態(tài)，給軌道維修養(yǎng)護(hù)帶來(lái)諸多困難[3]。

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

1 整體設(shè)計(jì)

鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)速度200km/h，實(shí)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(jī)械懸掛裝置組成，其架構(gòu)組成見(jiàn)圖1?；緶y(cè)量項(xiàng)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(jì)算軌距幾何參數(shù)，垂向位移是計(jì)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(jì)算機(jī)對(duì)鋼軌輪廓圖像進(jìn)行模式匹配、圖像擬合、特征點(diǎn)分析及計(jì)算，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)完成多路數(shù)據(jù)采集、里程校對(duì)、超限分析，實(shí)時(shí)進(jìn)行偏差編輯、波形顯示和報(bào)表打印。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)組成

2 檢測(cè)方法

鋼軌輪廓全斷面檢測(cè)基于激光攝像非接觸測(cè)量技術(shù)[6]，前端激光攝像組件主要由激光器、攝像機(jī)和溫控裝置組成，左右兩側(cè)的激光攝像組件安裝在檢測(cè)梁上，保持固定的相對(duì)幾何位置。激光器發(fā)射線形結(jié)構(gòu)光，光平面與被測(cè)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(jī)從一定角度獲取含有鋼軌斷面輪廓線的圖像，經(jīng)過(guò)圖像二值化、濾波和細(xì)化等處理，獲得計(jì)算所需的鋼軌輪廓斷面圖像（見(jiàn)圖2）。激光器和攝像機(jī)的相對(duì)空間位置固定后，通過(guò)針板靶標(biāo)圖像標(biāo)定，確定激光平面上物點(diǎn)和圖像上像點(diǎn)之間的對(duì)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(duì)物點(diǎn)與像點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)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(cè)采用與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌廓形比對(duì)方法[8-10]。軌頭在使用過(guò)程中逐漸磨耗，軌腰和軌底相對(duì)完好，軌腰和軌底集合部是半徑為20mm的圓弧，軌腰窄細(xì)，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(jìn)行比對(duì)。鋼軌半斷面磨耗點(diǎn)數(shù)據(jù)保存在一個(gè)鏈表中，按一定間隔從中提取一組點(diǎn)：P1、P2，…，Pn，可由方程解出經(jīng)過(guò)P1、Pn點(diǎn)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(diǎn)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(rèn)可，否則取另一組點(diǎn)計(jì)算，直至找到圓心O1為止。求得圓心O1后，再通過(guò)計(jì)算得出鋼軌中心線，結(jié)合這2個(gè)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(jìn)行比較，計(jì)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(diǎn)、軌距點(diǎn)的物理坐標(biāo)。

3 軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理組件是由圖像處理計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、交換機(jī)等組成。圖像處理計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌輪廓全斷面圖像的實(shí)時(shí)采集和處理，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)修正、濾波和磨耗幾何參數(shù)的合成，在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)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(jiàn)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(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳輸給數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)基于Windows操作系統(tǒng)和SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)建立數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)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(cè)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)供偏差編輯應(yīng)用程序調(diào)用，可摘取超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)項(xiàng)目峰值、長(zhǎng)度和位置，還可對(duì)超限處所進(jìn)行編輯整理，輸出超限報(bào)告?；赪indows環(huán)境開(kāi)發(fā)的波形瀏覽應(yīng)用程序可實(shí)時(shí)和線下瀏覽、測(cè)量、打印磨耗檢測(cè)項(xiàng)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(cè)系統(tǒng)結(jié)合光電編碼器脈沖信號(hào)，以光電編碼器脈沖信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，采用高速RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速里程精確定位。在鐵路線路特征點(diǎn)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(jìn)行里程修正。里程定位模塊及數(shù)據(jù)流程見(jiàn)圖4。

圖4 里程定位模塊及數(shù)據(jù)流程

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

WX25T型軌道檢查車最高速度160km/h，采用GJ-6型軌道檢測(cè)系統(tǒng)[11-12]。2016年6月，在軌道檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)，為軌道檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的邏輯關(guān)系見(jiàn)圖5，其共用同一個(gè)檢測(cè)梁，檢測(cè)梁經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)及靜強(qiáng)度分析，滿足實(shí)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(jìn)行不同速度等級(jí)往返試驗(yàn)，鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用穩(wěn)定可靠，檢測(cè)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(jiàn)圖6，磨耗重復(fù)性精度達(dá)0.20mm。隨機(jī)選取某區(qū)間鋼軌輪廓全斷面磨耗數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，復(fù)核結(jié)果見(jiàn)圖7，滿足相關(guān)指標(biāo)要求[13-15]和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(chǎng)復(fù)核結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)采用高速圖像采集和高效圖形處理技術(shù)，對(duì)鋼軌輪廓圖像進(jìn)行采集、細(xì)化、干擾剔除等處理，并對(duì)空間轉(zhuǎn)換和特征提取等進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌輪廓全斷面圖像的實(shí)時(shí)采集、處理和分析；160km/h速度下的數(shù)據(jù)量達(dá)1G/s，實(shí)現(xiàn)了高速實(shí)時(shí)檢測(cè)鋼軌輪廓、磨耗及軌道幾何參數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，鋼軌輪廓全斷面及軌道幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)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(cè)的需要。

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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(guó)鐵道科學(xué)研究院科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)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