鋼軌表面缺陷非接觸檢測系統

陳銘逸++李立明++黃建坊

摘要：伴隨著我國鐵路和軌道交通產業的快速發展，列車運行的安全性、平穩性是當下熱議的話題。為了滿足日益增長的行車密度需求、確保列車運行安全，運營單位必須采用先進的技術手段來實現線路鋼軌表面缺陷的高效檢測。本文所設計的鋼軌表面缺陷非接觸檢測系統集行進、避障、檢測于一體，實現對采集數據的智能化處理。

關鍵詞：鋼軌表面缺陷 檢測 算法研究

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0090-01

1 引言

伴隨著我國鐵路和軌道交通產業的快速發展，列車運行的安全性、平穩性是當今運營部門務必確保的因素。鋼軌表面缺陷是導致諸多事故發生的主要因素之一。為了滿足日益增長的行車密度需求、確保列車運行安全，運營單位必須采用先進的技術手段來實現線路鋼軌表面缺陷的高效檢測，達到軌道交通與高速鐵路的安全運營對鐵路基礎設施可靠性的嚴格要求。鋼軌表面上的缺陷主要有：裂紋、擦傷、剝離、斷裂。

2 檢測車設計

整個鋼軌表面缺陷非接觸檢測系統可分為硬件驅動裝置和信息處理分析模塊。硬件驅動裝置由驅動模塊、信息采集模塊、障礙物檢測模塊組成。如圖1所示。

驅動模塊：驅動模塊為整輛信息采集檢測車提供動力。檢測車使用內置蓄電池作為電源，采用兩輪驅動、四輪導向的方式固定于一側軌道上，由嵌入式系統控制行駛。四個導向輪以滾珠軸承的方式與車體連接，以便更好的夾緊鋼軌，保障運行的穩定性。

信息采集模塊：信息采集模塊是檢測車的“視覺中樞”，采集功能通過三個無線攝像頭實現。三個攝像頭分別位于采集車的正前方以及車體的兩側。位于正前方的攝像頭用以觀察前方路況，起到運行監控的作用。位于車體兩側的兩個攝像頭主要負責采集鋼軌表面圖像，檢查鋼軌病害。采集到的圖像通過無線技術傳回計算機，達到檢測目的。

障礙物檢測模塊：障礙物檢測模塊是檢測車的自我保護模塊，用以實現檢測車遇到前方鋼軌上有異物無法通過時的制動功能。該功能不需要人工操控。傳感器發出一個紅外信號，如果有障礙物，則接收頭就會收到反饋信號，進而采取制動，避免發生碰撞。

3 鋼軌表面缺陷算法研究

本系統使用halcon軟件作為工具完成檢測功能，由于攝像頭采集圖像的不確定性，必須對圖像進行濾波、圖像增強等處理。本算法分為圖像預處理及圖像特征提取兩部分。

3.1 圖像預處理

圖像預處理部分包括圖像輸入、圖像增強、圖像降噪、鋼軌表面定位及分割鋼軌背景五個流程。

通過無線信號將采集到的圖像傳輸回計算機并轉換為灰度，就完成了圖像輸入的流程。然而由于檢測環境的光照、濕度等外部環境因素的影響，攝像頭所采集到的往往會受到干擾，因此，我們需要對所獲得的圖像進行適當的調整。在這個過程中，我們只要有目的地強調鋼軌表明或其他局部特性。擴大圖像中不同物體特征之間的差別，抑制不感興趣的特征，是圖像增強的關鍵所在。

圖像降噪采用中值濾波法。運用halcon軟件中的median_image算子實現中值濾波。中值濾波的基本原理是將每一像素點的灰度值設置為該點某鄰域窗口內的所有像素點灰度值的中值，讓周圍的像素值接近的真實值，從而消除孤立的噪聲點。中值濾波法在圖像處理的過程中，常用于保護邊緣信息。

鋼軌表面定位及分割鋼軌背景用以確定圖像中鋼軌的邊界，使用圖像全局閾值分割的方式減少在整個處理過程中的工作量，提高工作效率。

3.2 圖像特征提取

圖像特征提取部分包括缺陷邊緣檢測、缺陷分析、記錄缺陷三個流程。

缺陷的定位主要是通過邊緣檢測實現。本系統通過sobel_amp算子實現邊緣的缺陷邊緣的監測。由于鋼軌缺陷處與正常表面有明顯的光澤差異，因此邊緣檢測通過捕捉亮度急劇變化的區域，實現定位功能。經過上述處理，鋼軌表面的缺陷已經提取出來，從而計算缺陷面積參數。

對圖像進行從上到下，從左到右，逐列掃描計算，計算每一列的像素點數，橫軸取值范圍是：從缺陷橫向掃描的最左端開始，設起始點，掃描到圖像缺陷右側的邊緣最大值為止，縱向掃描也采用這種方式，從缺陷上方的最初起始點開始，設，掃描到圖像缺陷最下方的邊緣最大值為止。通過積分計算就可以獲得似于矩形的缺陷面積。

記錄缺陷的流程是將在監測過程中所采集到的問題生成一份詳細的報告，供維保人員使用。

4 結語

本文所設計的鋼軌表面缺陷非接觸檢測車成功實現了動態檢測功能，能夠自動完成行進、避障、檢測，實現對采集數據的智能化處理。通過安裝于檢測車上的無線攝像頭，將采集到的光信號轉換為電信號，以無線傳輸的方式傳回計算機進行后續處理。鋼軌表面缺陷檢測軟件基于halcon軟件，通過各類算子實現圖像處理功能，提取出實際所需要的部分，完成鋼軌表面缺陷的檢測達到設計目的。

參考文獻

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[2]MAGEL E， SROBA P， SAWLEY K， et al. Control ofrolling contact fatigue of rails[C]. Nashville： Proceedingsthe AREMA 2004 Annual Conference， 2004.