列車輪對軌旁在線檢測系統的應用研究

曾東亮

（成都地鐵運營有限公司，四川 成都 610000）

此前，國內主要采用人工巡檢的方式對列車輪對進行檢修，這樣檢修耗時長、工作量大，非常不利于軌道交通的高速發展，所以一種更高效、更快捷的檢測方式是時代的需求。輪對在線檢測系統可以通過安裝在軌旁的檢測設備來實現輪對相關參數、磨損的識別，可以精準定位缺陷，檢修人員通過系統反饋的信息可以快速找到缺陷，進行相應處理，這樣不僅能夠解決檢修耗時長的問題，還能減少大量重復工作，節約檢修成本，提高列車運營的安全，讓軌道交通能夠更好更快地發展。

1 系統總體設計方案

1.1 系統結構

輪對在線檢測系統主要由軌旁檢測設備、設備間機房和DCC 控制室設備3 部分組成，軌旁檢測設備是整個系統核心組件，是獲取圖像樣本的關鍵；設備間機房是輪對圖像數據處理中心，是整個系統的中轉站；DCC 控制室設備是實現網絡連接和數據存儲的中心，是整個系統的網絡支撐。

1.1.1 軌旁檢測設備

軌旁檢測設備是整個系統的核心，它主要由外測距相機和內測距相機組成，其三維圖分別如圖1 和圖2所示。外測距相機具備2 組相機和激光發射器，相機和激光發射器通過棋盤格標定法進行標定，相機會先拍攝輪對兩側的圖像，然后激光發射器會發射25 道激光，如圖3 所示。然后相機會調整參數拍攝激光線在輪對上的圖像，通過提取激光線的亞像素圖像，檢測系統會分析計算出輪對的直徑和踏面的磨損情況。

圖1 外測距相機三維圖

圖2 內測距相機三維圖

圖3 相機與激光發射器布局

內測距相機安裝在輪對內側，配有一組相機和激光發射器，通過相同的方法獲取圖像后，系統可以分析出輪對的內間距和輪緣的厚度，將系統得出的數據上傳至數據服務器方便以后的檢修和查看。

1.1.2 設備間機房

設備間機房主要由車號識別主機、采集分析工控機、主控箱、應用服務器、交換機、光端機等組成。其中車號識別主機負責列車車號數據，采集分析工控機負責將相機傳回的圖像數據進行接收并上傳至應用服務器，應用服務器對獲得的原始圖像進行分析處理，完成實時檢測輪對缺陷并及時上傳至業務端。

1.1.3 DCC 控制室

DCC 控制室是由業務計算機、聲光報警器、交換機、光端機組成。業務計算機主要負責接收和存儲列車輪對圖像識別信息，聲光報警器在識別到輪對異常信息后會發出警報。

1.2 檢測流程

在車輪定位模塊的基礎上，根據業主提供的檢測需求，可以實現對多個激光輪廓線進行輪緣高度、厚度、值、車輪直徑、不圓度、內間距的計算，輪緣標準剖面圖如圖4 所示。

圖4 輪緣標準剖面（單位：mm）

根據不同激光橫切線，可以計算出多種計算結果，將這些結果進行融合，便可獲得較為可靠的測量數據。整體邏輯流程如圖5 所示。

圖5 整體邏輯流程

2 圖像檢測功能實現

當條形光源拍攝結束后觸發激光光源，切換相機曝光效果參數，拍攝激光線圖像。拍攝好的激光圖像需要進行激光提取，通過濾波、骨骼化、blob 分析等一系列圖像手段，將圖像中的激光線提取到亞像素坐標，再通過中心的激光錨點，確定激光線的編號，如圖6 和圖7 所示。

圖6 外側激光線原圖

圖7 外側激光線提取示意

2.1 輪緣測量

獲取激光線提取示意圖后，結合內外側3D 模塊點云數據，計算輪緣高、輪緣厚、輪直徑和輪緣綜合值，單條線的理想測量效果如圖8 所示。

圖8 單線融合示意

不同的激光線之間，可以獲取多個輪緣結果，對多個結果進行排序、聚類、平均，從而得到十分接近真實測量值的結果。

2.2 直徑測量

通過對不同編號的激光線定位，獲取激光線在車輪上對應的直徑點，并通過外相機坐標系標定將前后相機的直徑點轉換到一個空間坐標系，然后將這直徑點擬合到圓，并求出直徑，如圖9 所示。

圖9 圓擬合示意

獲取到車輪直徑后，可以通過對比分析出車輪的磨損情況，由檢測系統對磨損情況進行打分，分數的大小決定車輪是否需要更換，通過這樣的方法可以將精度控制在標準范圍內，防止列車經過長時間運營后，出現車輪磨損嚴重的隱患。

2.3 輪對內間距測量

內間距測量示意如圖10 所示。

圖10 內間距示意

獲取激光線在車輪上所有的內壁點，利用內相機坐標系標定將左右輪中內壁點，融合到一個坐標系統下。以左輪為基準，尋找左輪所有內壁點在右輪的最近距離，利用迭代優化，排除外線，獲取最終內部線，并對其平均，得到內間距離。最近鄰點對如圖11 所示。

圖11 最近鄰點對

2.4 踏面缺陷檢測

踏面檢測可以歸類為表面缺陷檢測，系統中采用的方法是缺陷打分，用戶可以根據檢測的嚴格程度，來設置缺陷的閾值分數，決定是否定義為缺陷。

通過拍攝激光觸發前優先觸發條形光源照射踏面，使2D 相機只拍攝踏面，獲得圖像后進行中值濾波，對濾波后的圖像進行背景分離，對去掉背景的區域進行形態學處理，最終獲得踏面圖像，如圖12 所示。

圖12 踏面擦傷采樣效果

踏面檢測模塊的流程描述如表1 所示。

表1 部件狀態異常檢測流程描述

2.5 分析結果發布

經過輪對圖像檢測系統對列車輪對圖像信息進行處理分析，得到輪對測量數據，根據數據進行缺陷打分，分數與閾值對比后輸出結果，將該列車車號和故障信息上傳至DCC 控制室的業務端，業務端會將接收的信息全部存儲以方便后續的檢查，報警器會對故障信息進行提示。

3 結語

本文從列車輪對在線檢測的應用出發，介紹了系統的總體設計方案：①檢測設備使用的激光和相機通過棋盤格標定法進行標定；②提取相機拍攝的激光線圖像，對激光線進行編號然后建立坐標系，利用坐標系分析計算車輪的輪緣高度、厚度、值、車輪直徑、不圓度、內側距等；③采用提前設定閾值的方法對獲取的圖像進行缺陷打分，超過閾值的缺陷會進行輸出。總體而言，輪對在線檢測系統提高了輪對檢測精度，減少了人工檢修成本，提高了檢修效率，為列車的安全運營提供了保障，對軌道交通的高速發展起到了積極推進作用。