機器視覺在鋼軌磨耗檢測中的應用研究

王 健，胥燕軍，汪 力，王 平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

機器視覺在鋼軌磨耗檢測中的應用研究

王 健，胥燕軍，汪 力，王 平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

隨著鐵路運輸的快速發展，鋼軌磨耗測量對保障鐵路運輸安全越來越重要，機器視覺技術作為一種非接觸式的測量手段，可以對鋼軌狀態進行快速、精確、連續測量，大大提高了鋼軌磨耗檢測的效率。介紹機器視覺的概念、主要組成部分、工作原理以及工作特點，對其在鋼軌磨耗測量中的國內外應用狀況進行分析和總結，并對其檢測方式做出了分類和比較，得出機器視覺技術相對于傳統鋼軌磨耗測量方式的優越性。機器視覺以其快速獲取大量信息、易于自動處理、檢測結果可靠等一系列優點，越來越受到國內鐵路科研單位的重視。可以預見，隨著機器視覺技術的日益成熟和發展，其在包括鋼軌磨耗測量在內的軌道狀態檢測領域的應用將越來越廣泛。

鋼軌；機器視覺；磨耗；測量

鋼軌作為軌道交通系統中重要的組成部分，在鐵路運輸中起著至關重要的作用。隨著鐵路運輸的大力發展，列車的高速、重載、高密度運行對鋼軌的損害越來越嚴重。鋼軌質量參數包括鋼軌斷面磨耗和軌道不平順等方面，其中鋼軌斷面磨耗是鋼軌損害的主要方面[1]。鋼軌磨耗一方面加速了機車車輪的磨損，增加了軌距，另一方面會增加與機車車輪踏面的接觸面積，使運行阻力增大。當磨損超過一定限度時，軌頭斷面與車輪踏面失去匹配，將嚴重影響高速鐵路行車平穩性，對行車安全造成極大的危害[1]。

目前，國內普遍使用接觸式的靜態檢測方法對鋼軌斷面進行磨耗測量，比如機械式的游標卡尺和miniprof等。這種方法需要對鋼軌斷面逐個進行靜態檢測，作業時間長，工作強度大，危險性也高。隨著列車速度的不斷提高以及高速鐵路的快速發展，這種檢測方式已不能滿足快速、高密度行車的需要。隨著計算機和微電子技術的發展，機器視覺作為一種非接觸式的測量手段日趨成熟，并在眾多領域中得到成功應用。目前，國內外鐵路科研單位也正在積極地加大對機器視覺檢測產品的投入。

1 機器視覺

1.1 機器視覺概念

機器視覺綜合了光學、機械、電子、計算機軟硬件等方面的技術，是一門涉及人工智能、神經生物學、心理物理學、計算機科學、圖像處理、模式識別等諸多領域的交叉學科[2]。機器視覺主要是用計算機來代替人的視覺，將客觀事物轉換成數字圖像傳輸到計算機中，經過編制好的圖像處理軟件實現對客觀事物的測量、檢測和識別。美國制造工程師協會(SME，Society of Manufacturing Engineers)機器視覺分會和美國機器人工業協會(RIA，Robotic Industries Association)的自動化視覺分會對機器視覺的定義：“機器視覺是通過光學、非接觸的傳感器自動地獲取和解釋處理一個真實物體的圖像，以獲取所需要的信息或用于控制機器運動或過程”[3]。

1.2 機器視覺系統組成及工作原理

一個典型的機器視覺系統功能的實現應包括圖像采集、圖像處理、圖像分析等步驟[4]，所以該系統應該包括光源、光學鏡頭、CCD攝像機、圖像采集卡、圖像處理系統(或平臺)、機器視覺軟件模塊、輸入輸出和控制執行模塊等部件[3]，如圖1所示。

圖1 典型機器視覺應用系統組成

機器視覺的工作原理為：在光源的照射下，CCD相機獲取視場范圍內目標物體的圖像信息，并將光線變為電信號，然后將電信號傳輸到圖像采集卡中。圖像采集卡的作用是將電信號轉化為數字信號即完成A/D轉化。經圖像采集卡轉化的數字信號傳入圖像處理系統中，經過圖像灰度化、圖像二值化、圖像去噪、圖像標定等一系列的處理，得到目標物體的位置、方位、輪廓細節等信息，最終在輸出設備中完成顯示、打印等功能。

機器視覺屬于非接觸式的測量方式，與被檢測物體無接觸，檢測過程客觀，避免了人工檢測中人為的客觀因素的影響，檢測結果可靠性高。同時，機器視覺可以快速地獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于實現信息集成，是實現計算機檢測技術的基礎技術。

2 機器視覺在鋼軌磨耗測量中的應用狀況

隨著機器視覺技術和計算機軟硬件的發展，國外對采用機器視覺技術進行鋼軌磨耗測量進行了大量研究并取得了許多階段性的研究成果和實際產品。許多發達國家的軌檢車或打磨車中都集成了基于機器視覺的鋼軌磨耗自動檢測系統，從某些程度上降低了人工測量的風險和成本，提高了檢測的效率，而且還在不斷加大相關科研的投入。國內對于這方面的研究起步相對較晚，但發展很快，一些高校和科研單位已經取得了一定的理論研究成果并在逐步的形成產品，但相對國外仍有一定的差距。

2.1 國外應用現狀

(1)美國KLD Labs公司的ORIAN(光學鋼軌檢查和分析)系統

ORAIN系統屬于車載式的鋼軌廓形實時測量系統，如圖2所示。該系統安裝在軌檢車下方，時速最高可達175 mile，能夠測量整個鋼軌斷面輪廓，即從鋼軌的頂面到底面[5]。該系統采用了最新的激光和成像技術，能夠測量鋼軌高度、軌頭垂直磨耗、側面磨耗以及導軌寬度和軌底角。安裝在軌檢車內的中央計算機和外圍設備可以實時地獲取和顯示測量數據并能夠生成打磨指導報告。此外，該系統能夠將數據傳輸至站點，以使數據能夠重放和分析。其工作原理如圖3所示。

圖2 ORAIN鋼軌廓形測量系統

圖3 ORAIN系統工作原理

(2)美國Beena Vision生產的TrackView-Profile系統

TrackView-Profile系統(圖4)是一套車載式的軌道和鋼軌廓形以及軌道幾何形位檢測系統，該系統安裝在鐵路車輛上，最高檢測速度可達128.8 km/h。該系統使用了高功率的可見激光作為照明，不論白天或晚上都能獲得較好的檢測結果。系統不僅可以測量鋼軌斷面數據和斷面參數，而且可以得到軌底坡和軌距大小，并能夠實時的生成檢測報告和對磨耗超限進行報警。

TrackView-Profile測得的主要參數如下：鋼軌斷面；軌底坡；鋼軌高度；軌頭寬度；軌頭磨耗百分比；鋼軌質量；垂直磨耗、45°磨耗和總磨耗；軌距；軌道水平。

圖4 TrackView-Profile系統

(3)意大利MERMEC公司的RPS(Rail Profile System)和TecnoRail RPS系統(圖5)可以安裝在任何一輛鐵路車輛上，最高檢測速度可達350 km/h，能夠在列車行駛時準確快速地測量整個鋼軌頭部的輪廓信息，并通過與標準鋼軌曲線的對比計算出軌頭的關鍵參數和磨耗量。該系統帶有一個能對所采集數據進行實時處理和分析的車載軟件，可以在車上或辦公室內很方便地獲取鋼軌磨耗分析報告和質量指數報告。

圖5 MERMER公司的RPS系統

TecnoRail是MERMEC公司生產的基于機器視覺技術的便攜式鋼軌磨耗測量設備，如圖6所示。該設備帶有一塊大的液晶顯示屏，可以實時地顯示出測量區域的鋼軌廓形和磨耗值。同時，該設備還可根據需要用于測量軌距和超高值。

圖6 TecnoRail

(4)瑞士ELAG公司的Railmonitor

Railmomitor是ELAG公司生產的便攜式鋼軌和道岔檢測儀，如圖7所示。該儀器測量分辨率為0.02 mm，測量精度可達±0.05 mm，測量時間小于9 s，集路軌、槽軌與岔道檢測于一體。檢測結果及時顯示并存儲于CF卡上，可快速將數據傳送到電腦進行分析。

圖7 Railmonitor鋼軌輪廓測量系統

2.2 國內應用現狀

(1)深圳真尚有公司生產的鋼軌磨耗測量儀

如圖8所示，該儀器采用激光二維掃描傳感器和激光位移傳感器，可以對車輪輪廓和鋼軌輪廓進行動態二維掃描測量。相對于一維點激光測量，該儀器可以快速地掃描鋼軌的整個剖面，而不是有限的幾個點，能夠全面、精確的反應鋼軌斷面的輪廓情況。

該儀器在檢測車每側軌道上方安裝5～7個激光位移傳感器，最高速度可以達到128 km/h，采樣頻率為20 cm，測量精度可達±0.05 mm。

圖8 真尚有公司生產的鋼軌磨耗測量儀

(2)武漢理工大學研發的便攜式鋼軌磨耗測量系統

武漢鐵路局武漢大型養路機械運用檢修段與武漢理工大學在2011年鐵道部專項課題支持下，開發了基于機器視覺的便攜式鋼軌磨耗非接觸測量系統[6]，如圖9所示。該系統能快速準確的檢測鋼軌磨損的實際情況，并進行數據分析和處理。此外，該系統能結合PGM-96C型鋼軌打磨車自身參數和工作特點，采用基于專家的專業知識和實踐經驗的控制算法，自動為PGM-96C型鋼軌打磨車生成最佳打磨控制決策[6]。

圖9 武漢理工大學開發的便攜式鋼軌磨耗測量系統

(3)北京鐵科英邁公司研發的鋼軌輪廓檢測系統

該系統為采用激光攝像和圖像處理技術及全新圖像處理算法的車載式鋼軌輪廓檢測系統，每股鋼軌兩側分別有一個攝像機同時拍攝，可實現速度160 km/h狀態下的鋼軌磨耗和軌底坡的動態檢測，如圖10所示。該系統采樣間隔為1 m，可根據需要進行調整。磨耗測量精度為0.2 mm，軌底坡測量范圍為±1/10 rad，測量精度為1/320 rad。系統操作界面如圖11所示。

圖10 鋼軌輪廓采集系統

圖11 系統操作界面

目前該系統已在神華準能大準軌道檢查車，塑黃綜合檢測列車，北京、上海等10個鐵路局鋼軌探傷車得到應用。

3 結論與展望

目前，基于機器視覺原理的鋼軌磨耗測量方式主要向兩個方向發展：一是車載式的測量方式，這種檢測方法將磨耗檢測設備集成于軌檢車或鋼軌打磨車上，檢測速度快，適合于高速鐵路和大范圍線路巡檢；另一種是便攜式測量方式，這種方式設備簡單，易于攜帶，靈活性較強，采樣間隔相對較小，適合于磨耗檢校和小范圍內測量。

隨著我國高速鐵路和重載鐵路的發展，鋼軌磨耗問題日益凸顯，磨耗測量的快速、準確性也越來越受到關注。機器視覺以其快速獲取大量信息、易于自動處理、檢測結果可靠等一系列優點越來越受到國內鐵路科研單位的重視。

可以預見，隨著機器視覺技術的日益成熟和發展，其在包括鋼軌磨耗測量在內的軌道狀態檢測領域的應用將越來越廣泛。

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The application Research of Machine Vision in Rail Wear Detection

WANG Jian， XU Yan-jun， WANG Li， WANG Ping

(MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu， 610031，China)

With the rapid development of railway transport， the rail wear measurement has becoming increasingly important to guarantee the safety of railway transportation. Machine vision technology， as a means of non-contact measurement， identifies fast， accurately and continuously the state of rail， and greatly improves the rail wear detection efficiency. This paper introduces the concept of machine vision， the main component of its working principle and operational characteristics. It analyzes and summarizes its application in rail wear measurement at home and abroad， and classifies and compares the detection methods， and points out the superiority of machine vision. Compared with conventional rail wear measurement， the quick access to large amounts of information， easy automatic processing， and reliable test results and other advantages provided by machine vision technology， have attracted more and more attention from railway research institutes. It can be predicted that with the development of the machine vision technology， it will be extensively used in track condition detection， including rail wear measurement．

Rail; Machine vision; Wear; Measurement

2013-12-02；

：2013-12-23

四川省科技計劃項目(2011GZ0241)；國家自然科學基金委高鐵聯合基金重點項目(U1234201)

王 健(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：534447262@qq.com。

1004-2954(2014)09-0036-04

U213.4+2

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.009