雙軌式鋼軌超聲波探傷與表面圖像監(jiān)控集成檢測(cè)研究

馬占生, 李 璐

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001)

我國(guó)主要采取三種方式進(jìn)行鋼軌探傷,一種是采用大型鋼軌探傷車、一種是使用手推式鋼軌探傷儀,還有一種是采用介于大型鋼軌探傷車與手推式鋼軌探傷儀之間的雙軌式鋼軌超聲波探傷儀。大型鋼軌探傷車檢測(cè)速度可達(dá)80 km/h,有軌面監(jiān)控功能,能同時(shí)兼顧內(nèi)部探傷和鋼軌表面監(jiān)控,但它價(jià)格昂貴,且與雙軌式鋼軌超聲波探傷儀適用的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)規(guī)則不一樣;手推式鋼軌探傷儀因其檢測(cè)速度只有2～3 km/h,可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部探傷結(jié)合目視鋼軌表面即時(shí)查看。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀主要根據(jù)超聲波回波的相位和振幅確定軌道傷損的位置和大小,這對(duì)探頭配置和探頭與鋼軌之間的接觸程度有很高的要求,在鋼軌近表面存在檢測(cè)盲區(qū),主要對(duì)鋼軌內(nèi)部進(jìn)行超聲波檢測(cè)[1]。超聲波探傷儀檢測(cè)速度達(dá)15～20 km/h,現(xiàn)場(chǎng)操作人員很難及時(shí)觀察軌面信息并對(duì)線路上焊縫、接頭、導(dǎo)線孔及原有傷損進(jìn)行標(biāo)記,影響對(duì)鋼軌表面的紋理和細(xì)小缺陷(魚鱗傷或剝落掉塊)的精確檢出和智能識(shí)別;同時(shí),在數(shù)據(jù)回放過(guò)程中,若回放人員不能結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鋼軌軌面狀態(tài)進(jìn)行分析,可能會(huì)造成漏檢、誤判情況。

基于此,開展了雙軌式鋼軌超聲波探傷與表面圖像監(jiān)控集成系統(tǒng)研究,通過(guò)超聲波探傷對(duì)鋼軌內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)基于視覺(jué)處理的圖像監(jiān)控技術(shù)對(duì)鋼軌表面進(jìn)行監(jiān)控。集成系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)雙軌同時(shí)檢測(cè)與監(jiān)控,并能實(shí)現(xiàn)超聲波探傷數(shù)據(jù)與圖像監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)同步播放。在數(shù)據(jù)回放中便于探傷人員利用鋼軌表面圖像判斷鋼軌表面狀態(tài),如鋼軌軌面光帶、鋼軌錯(cuò)牙、高低接頭、坡度在內(nèi)引起的線路異常等,與探傷系統(tǒng)中B顯圖像(顯示被檢工件的縱斷面圖像及指示反射體大致尺寸及其相對(duì)位置的超聲信息顯示方式)結(jié)合判斷鋼軌表面?zhèn)麚p如擦傷、掉塊、魚鱗傷等。同時(shí)可將現(xiàn)場(chǎng)采集到的鋼軌表面缺陷、異物入侵照片作為圖像智能識(shí)別素材,提升鋼軌傷損識(shí)別和檢測(cè)的全面性和準(zhǔn)確性,為后續(xù)智能判傷提供重要數(shù)據(jù)支持。

1 鋼軌表面圖像監(jiān)控方法

目前對(duì)鋼軌表面進(jìn)行圖像監(jiān)控和缺陷檢測(cè)的軌道巡檢儀器主要采用明場(chǎng)照明法對(duì)鋼軌表面進(jìn)行拍攝。這種方法優(yōu)點(diǎn)在于拍攝的圖片對(duì)比度很高,其對(duì)拍攝道床(漫反射)比較有利,但受鋼軌光帶和軌距角磨耗影響,在鋼軌頂面和軌距角位置會(huì)產(chǎn)生圖像過(guò)曝、圖像質(zhì)量不清晰的問(wèn)題,這種過(guò)曝現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響鋼軌表面的紋理和細(xì)小缺陷(魚鱗紋或掉塊)的精確檢出和智能識(shí)別,對(duì)鋼軌狀態(tài)的真實(shí)情況監(jiān)測(cè)帶來(lái)不利影響。

集成檢測(cè)采用的鋼軌表面圖像監(jiān)控是利用CCD(Charge Coupled Device)工業(yè)相機(jī)、激光光源和圖像傳感器,在高速狀態(tài)下對(duì)鋼軌圖像進(jìn)行采集。通過(guò)調(diào)整光源的中心光軸和圖像采集單元光軸的夾角,避免大部分光源打在鋼軌表面形成鏡面反射,對(duì)鋼軌的頂面圖像拍攝形成暗場(chǎng)照明,解決了鋼軌頂面的圖像過(guò)曝問(wèn)題,有利于鋼軌頂面掉塊和裂紋等細(xì)小缺陷觀察和檢測(cè)[2]。通過(guò)調(diào)整圖像采集單元光軸與鋼軌橫截面的夾角,解決鋼軌內(nèi)側(cè)軌距角的圖像過(guò)曝問(wèn)題,有利于對(duì)鋼軌內(nèi)側(cè)軌距角魚鱗紋、掉塊、擦傷的觀察和檢測(cè)。結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論,對(duì)采集到的鋼軌圖像進(jìn)行分析,從圖像中獲取鋼軌表面狀態(tài)和缺陷等信息,擦傷、剝離掉塊、表面裂紋、銹蝕、壓陷等缺陷各自具有相應(yīng)的形狀、顏色和紋理特征,適合用視覺(jué)方法進(jìn)行識(shí)別[3]。利用視覺(jué)技術(shù)對(duì)鋼軌表面狀態(tài)和缺陷進(jìn)行檢測(cè)的方法具有準(zhǔn)確性高、非接觸、快速、高效、無(wú)遺漏等優(yōu)點(diǎn)[4]。

2 集成系統(tǒng)組成及功能

雙軌式鋼軌超聲波探傷與軌面圖像監(jiān)控集成系統(tǒng)安裝于在鋼軌上行進(jìn)的小車走行平臺(tái)上(如圖1所示),包括計(jì)算機(jī)及顯示器、探傷數(shù)據(jù)采集處理器、超聲波左右探輪、CCD左右軌工業(yè)相機(jī)、數(shù)據(jù)采集處理器和同步編碼器;超聲波左右探輪分別連接探傷數(shù)據(jù)采集處理器和同步編碼器,用以發(fā)射和接收對(duì)鋼軌內(nèi)部進(jìn)行探傷的超聲波信號(hào),實(shí)現(xiàn)兩股鋼軌同時(shí)探傷; CCD左右軌工業(yè)相機(jī)分別連接數(shù)據(jù)采集處理器和同步編碼器,用以拍攝鋼軌表面圖像。

圖1 超聲探傷數(shù)據(jù)系統(tǒng)與軌面圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成

2.1 超聲探傷數(shù)據(jù)系統(tǒng)

探傷數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由超聲波左右探輪、多通道高速超聲波信息采集處理器、同步編碼器和傷損數(shù)據(jù)分析軟件組成。其中每軌采用9個(gè)通道的輪式探頭組,在15～20 km/h的最高檢測(cè)速度下,雙軌式鋼軌探傷儀每個(gè)探頭超聲脈沖發(fā)射距離間隔為2.67 mm,即在雙軌探傷儀沿鋼軌縱向移動(dòng)2.67 mm的時(shí)間ΔT=720 μs內(nèi),超聲儀器所有通道均至少發(fā)射脈沖一次,同時(shí)對(duì)左右兩股軌道鋼軌的軌頭、軌腰、軌底等部位進(jìn)行探傷[5]。

探傷數(shù)據(jù)采集處理器分別連接超聲波左右探輪和上位計(jì)算機(jī),根據(jù)同步編碼器的指令觸發(fā)工作,用以采集超聲波左右探輪對(duì)鋼軌進(jìn)行探測(cè)的探傷數(shù)據(jù),并將經(jīng)同步編碼器編號(hào)處理后的探傷數(shù)據(jù)上傳給計(jì)算機(jī)及顯示器用于保存和顯示。結(jié)構(gòu)原理如圖2所示,探傷數(shù)據(jù)采集裝置如圖3所示。

圖2 探傷數(shù)據(jù)系統(tǒng)工作原理

圖3 探傷數(shù)據(jù)采集裝置

2.2 軌面圖像數(shù)據(jù)監(jiān)控采集

CCD(Charge Coupled Device)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是對(duì)鋼軌表面進(jìn)行檢測(cè)并采集數(shù)據(jù),由激光光源、圖像采集單元、同步編碼器等組成,其中圖像采集單元包括CCD數(shù)據(jù)采集處理器、CCD左右軌工業(yè)相機(jī)等。數(shù)據(jù)采集處理器分別連接CCD左右軌工業(yè)相機(jī)和計(jì)算機(jī),根據(jù)同步編碼器的指令觸發(fā)工作。CCD左右軌工業(yè)相機(jī)拍攝的鋼軌表面圖像數(shù)據(jù),經(jīng)同步編碼器編號(hào)處理后上傳給計(jì)算機(jī)及顯示器用于保存和顯示。軌面圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成如圖4所示,采集數(shù)據(jù)裝置如圖5所示。

圖4 軌面圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成

同時(shí),系統(tǒng)具備光源調(diào)節(jié)能力,適應(yīng)不同作業(yè)場(chǎng)合使用激光光源對(duì)被檢鋼軌進(jìn)行照射,使圖像采集單元的取景視野中心范圍對(duì)準(zhǔn)鋼軌的頂面和內(nèi)側(cè)軌距角,照射范圍覆蓋鋼軌的頂面、內(nèi)側(cè)軌距角及軌底,軌面圖像顯示界面如圖6所示。

圖5 軌面圖像數(shù)據(jù)采集裝置

圖6 軌面圖像顯示界面

2.3 超聲探傷數(shù)據(jù)與軌面監(jiān)控圖像的集成

通過(guò)超聲探傷數(shù)據(jù)系統(tǒng)中超聲波信號(hào)處理軟件和軌面圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的CCD數(shù)據(jù)處理軟件同步編碼,實(shí)現(xiàn)超聲探傷B顯(圖像顯示)與CCD軌面圖像集成在一起同步播放。集成系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示及處理,具有對(duì)被檢探傷數(shù)據(jù)和軌面圖像CCD數(shù)據(jù)的分析、處理、報(bào)警能力,并將處理結(jié)果保存到文件中,以供回放、打印和數(shù)據(jù)分析;通過(guò)實(shí)時(shí)顯示軟件可準(zhǔn)確、靈活的檢查軌面和軌道傷損情況。集成系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖7 集成系統(tǒng)工作流程

3 性能測(cè)試

雙軌式鋼軌超聲波探傷儀在南寧工務(wù)段、懷化工務(wù)段、武漢高鐵工務(wù)段等地的試用過(guò)程中,傷損檢出效果好,能有效檢出軌頭核傷、螺孔裂紋、軌底橫向裂紋等缺陷,軌面監(jiān)控圖像清晰,結(jié)合軌面圖像能有效判斷出軌頭踏面擦傷、鋼軌內(nèi)側(cè)軌距角魚鱗紋等問(wèn)題。數(shù)據(jù)回放界面如圖8所示(注:數(shù)據(jù)回放界面上半部分顯示的是左股鋼軌B顯圖像,下半部分是右股鋼軌B顯圖像),對(duì)應(yīng)軌面監(jiān)控圖像如圖9所示。

圖8 探傷數(shù)據(jù)回放界面圖

圖9 對(duì)應(yīng)軌面監(jiān)控圖像

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前雙軌式鋼軌探傷儀主要進(jìn)行鋼軌內(nèi)部探傷、無(wú)法同步進(jìn)行鋼軌表面監(jiān)控的情況,提出了雙軌式鋼軌探傷與表面圖像監(jiān)控集成系統(tǒng),使探傷數(shù)據(jù)和鋼軌表面數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn)同步檢測(cè)、同步回放,提高了探傷效率和判傷準(zhǔn)確性,同時(shí)對(duì)傷損智能識(shí)別及雙軌式鋼軌探傷儀進(jìn)一步提速提供了一定的技術(shù)支持。