鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)在城市軌道交通鋼軌磨耗動態(tài)檢測中的應(yīng)用

鐘聲標(biāo) 梁 濤 王 寧 程志全 王勝春

(1.廣州地鐵集團有限公司, 510330, 廣州; 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所,100081, 北京∥第一作者, 高級工程師)

城市軌道交通線路具有小半徑曲線數(shù)量多和列車高密度運營的特點,由此引起的鋼軌磨耗發(fā)展迅速且問題突出。傳統(tǒng)的人工測量手段作業(yè)效率低下且人力成本高,利用鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)實現(xiàn)其磨耗的快速、精準(zhǔn)、動態(tài)檢測已成為線路檢測部門最為關(guān)心的問題之一[1]。

鋼軌磨耗動態(tài)檢測需在動態(tài)復(fù)雜行車條件下實現(xiàn)對鋼軌輪廓的測量。在動態(tài)行車環(huán)境下采集鋼軌廓形數(shù)據(jù)時,受到檢測車晃動、異常反光和異物遮擋等諸多因素的影響,鋼軌磨耗測量精度受限,系統(tǒng)穩(wěn)定性不能保障。針對廣州某地鐵線路的特點,為解決列車晃動、異常反光及異物遮擋等復(fù)雜干擾問題,實現(xiàn)鋼軌磨耗的精準(zhǔn)測量,對該線路WG03、WG05、WG07型網(wǎng)軌檢測車鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)的軟件與硬件進行了優(yōu)化,并對鋼軌磨耗現(xiàn)場檢測的準(zhǔn)確性與重復(fù)性進行了驗證。

1 鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)的測量原理

鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)可利用激光發(fā)射器生成具有特定形狀的光場,與被測物體相交形成三維輪廓斷面,經(jīng)圖像傳感器采集得到物體的激光條紋圖像,再經(jīng)圖像處理分析后得到物體表面的輪廓空間坐標(biāo)信息,實現(xiàn)鋼軌全斷面廓形的無接觸高精度檢測[2-3]。鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)的測量原理如圖1所示。

圖1 鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)的測量原理

采用線結(jié)構(gòu)光視覺傳感裝置掃描鋼軌斷面生成鋼軌的廓形光條圖像。對圖像進行細化操作,進一步提取光條的中心線。通過坐標(biāo)變換將2個輪廓半斷面合成為1個全斷面廓形。具體操作方法是:根據(jù)預(yù)先標(biāo)定好的激光攝像組件的參數(shù)矩陣,將提取的光條中心線的二維圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維物理坐標(biāo),即得到鋼軌截面的真實三維輪廓。基于ICP(迭代最近點法),以標(biāo)準(zhǔn)廓形點集作為目標(biāo)點集,將目標(biāo)點集按照可能發(fā)生磨耗的概率進行加權(quán),將測量廓形與目標(biāo)廓形進行最優(yōu)匹配,實現(xiàn)三維鋼軌測量輪廓與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計輪廓統(tǒng)一到同一空間坐標(biāo)系下的比對,計算測量點與對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)軌上匹配基準(zhǔn)點之間的歐氏距離,得到鋼軌輪廓上各點的磨耗值。

2 鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

在硬件設(shè)計上,創(chuàng)新研制了多點部署的高動態(tài)CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)成像設(shè)備,實現(xiàn)了激光圖像的抗雜光、高保真采集。同時,采用450幀/s的高速圖像采集卡實現(xiàn)了鋼軌輪廓激光條紋圖像的高速獲取,并設(shè)計了車載數(shù)據(jù)預(yù)處理單元,保證了鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)檢測的實時性。

鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)的算法提出了基于邊界連通分析和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分割等創(chuàng)新算法,降低了目標(biāo)輪廓測量時受列車晃動、廓形變化、反光、污損等干擾的影響[4-5];使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型針對不同類型的鋼軌斷面廓形進行識別,利用模板匹配驅(qū)動的時空上下文視覺跟蹤算法實現(xiàn)軌腰激光條紋的快速追蹤,有效解決了列車通過道岔時的廓形測量問題[6-7],實現(xiàn)了多類廓形激光條紋的準(zhǔn)確定位和追蹤;設(shè)計了基于邊界連通分析和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分割算法,實現(xiàn)了對于激光條紋的高精度圖像分割,其中深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出分別是激光條紋圖像和條紋邊界線位置;針對激光條紋圖像的特點,定制設(shè)計了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu),并在構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)集時加入人工模擬噪聲,以期在保證效率的同時可以應(yīng)對圖像上由于反光、污損和異物遮擋等造成的干擾以及列車晃動的影響[8];在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了基于分段平滑與無縫拼接的方法,實現(xiàn)了光條中心線的高精度提取[9];利用基于截斷殘差直方圖的多項式擬合方法尋找廓形最優(yōu)擬合曲線,降低了噪聲對輪廓擬合的影響;針對擬合曲線的曲率分布特征提出了基于動態(tài)窗口的最大曲率熵區(qū)間搜索算法,實現(xiàn)了鋼軌廓形特征區(qū)域的分割,最終以特征區(qū)域為基準(zhǔn)實現(xiàn)測量輪廓與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計輪廓的對齊配準(zhǔn)[10]。

3 鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)中的軟件開發(fā)

3.1 鋼軌全斷面廓形采集軟件

鋼軌全斷面廓形采集軟件運行在Windows操作系統(tǒng)上,其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)層、業(yè)務(wù)邏輯層和展示層組成。鋼軌全斷面廓形采集軟件界面如圖2所示。

圖2 鋼軌全斷面廓形采集軟件界面截圖

該軟件基于MFC(微軟基礎(chǔ)類庫)框架開發(fā),系統(tǒng)底層以C++為基礎(chǔ),依賴框架的各類基礎(chǔ)控件,構(gòu)建系統(tǒng)界面;業(yè)務(wù)邏輯層集成了硬件設(shè)備檢測、硬件參數(shù)設(shè)置、原始圖像解析、鋼軌廓形實時存儲、相機參數(shù)解算、位移計算和結(jié)果輸出等功能;展示層具備原始圖像還原和參數(shù)設(shè)置等功能。

3.2 鋼軌全斷面廓形數(shù)據(jù)分析軟件

鋼軌全斷面廓形數(shù)據(jù)分析軟件用于鋼軌廓形檢測數(shù)據(jù)的綜合分析展示。該系統(tǒng)可集成各類鋼軌廓形算法,自動識別多項超限信息,增加波形自動對齊算法實現(xiàn)波形對比分析,實現(xiàn)鋼軌健康狀態(tài)的可視化展示。鋼軌全斷面廓形數(shù)據(jù)分析軟件總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 鋼軌全斷面廓形數(shù)據(jù)分析軟件總體架構(gòu)

該軟件基于Qt框架開發(fā),系統(tǒng)底層以Qt框架為基礎(chǔ),依賴框架的各類基礎(chǔ)控件,構(gòu)建系統(tǒng)界面;在業(yè)務(wù)邏輯層集成檢測文件加載解析、鋼軌廓形算法集成、超限數(shù)據(jù)管理及報表功能等;在展示層進行波形、廓形、超限數(shù)據(jù)的具體展示及相關(guān)用戶交互操作。鋼軌全斷面廓形數(shù)據(jù)分析軟件界面如圖4所示。

圖4 鋼軌全斷面廓形數(shù)據(jù)分析軟件界面截圖

鋼軌全斷面廓形數(shù)據(jù)分析軟件功能包括:波形展示、廓形展示、超限計算與管理、報表管理及鋼軌磨耗分析與展示五部分功能。

1) 波形展示。波形展示包含通道設(shè)置、顯示比例設(shè)置和波形操作等相關(guān)功能。其中:通道設(shè)置具有設(shè)置系統(tǒng)波形區(qū)域通道是否顯示以及通道配色等相關(guān)功能;顯示比例設(shè)置實現(xiàn)了波形區(qū)域內(nèi)相應(yīng)里程范圍大小的顯示;波形播放功能實現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)在波形區(qū)域內(nèi)的自動播放,波形定位功能實現(xiàn)了檢測文件內(nèi)波形按里程的快速定位和展示,以及指定里程范圍內(nèi)波形數(shù)據(jù)的顯示。

2) 廓形數(shù)據(jù)展示。廓形數(shù)據(jù)展示實現(xiàn)了指定里程位置左軌和右軌鋼軌廓形的展示,標(biāo)準(zhǔn)軌數(shù)據(jù)展示實現(xiàn)了本次檢測線路鋼軌標(biāo)準(zhǔn)形狀數(shù)據(jù)的展示。

3) 超限計算與管理。超限數(shù)據(jù)展示實現(xiàn)了本檢測文件中根據(jù)超限算法解析出來的超限數(shù)據(jù)的界面展示;超限數(shù)據(jù)操作實現(xiàn)了對超限數(shù)據(jù)有效或無效的判別;超限數(shù)據(jù)聯(lián)動實現(xiàn)了雙擊列表內(nèi)某一超限數(shù)據(jù)時,波形區(qū)域和廓形區(qū)域內(nèi)相關(guān)里程的切換和相關(guān)數(shù)據(jù)的展示。

4) 報表管理。波形數(shù)據(jù)導(dǎo)出用于將波形區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel;廓形數(shù)據(jù)導(dǎo)出實現(xiàn)了當(dāng)前里程位置左、右軌的鋼軌廓形數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel的操作;超限數(shù)據(jù)導(dǎo)出實現(xiàn)了將超限數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Word、PDF等的相關(guān)操作。匯總報表導(dǎo)出實現(xiàn)了按照檢測報告模板進行Word、PDF格式導(dǎo)出的操作。

5) 鋼軌磨耗分析與展示。實現(xiàn)了磨耗測量算法的集成與展示,并根據(jù)線路里程位置實現(xiàn)了鋼軌磨耗檢測結(jié)果與廓形可視化圖形的聯(lián)動。

4 鋼軌磨耗動態(tài)檢測試驗

廣州地鐵在WG03、WG05、WG07型網(wǎng)軌檢測車上布置安裝了鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng),以定期對線路鋼軌廓形進行檢測。基于獲得的鋼軌高精度廓形,行車設(shè)備維保部門可分析輪軌匹配狀態(tài)、鋼軌服役狀態(tài),以及鋼軌磨耗發(fā)展趨勢,從而制定相應(yīng)的換軌和鋼軌打磨等維護方案。

對廣州地鐵1、2、3、4、5、8、14號線共計22段不同曲線半徑、不同鋼軌磨耗程度的曲線段的鋼軌磨耗采用測量尺進行人工測量,對比鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)所測量的磨耗值,共計2 100組數(shù)據(jù)(測量位置間隔為1 m ),后者鋼軌磨耗測量值與前者鋼軌磨耗測量值的平均誤差為0.42 mm。鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)的磨耗測量值整體上與現(xiàn)場磨耗實測值一致,這對于監(jiān)測鋼軌磨耗峰值意義較大。

4.1 鋼軌磨耗檢測準(zhǔn)確性分析

以廣州地鐵1號線芳村站—黃沙站區(qū)間為例,現(xiàn)場以1 m為間隔,共采集101處實測磨耗值。將其與當(dāng)日檢測車采集的鋼軌軌廓數(shù)據(jù)分析結(jié)果進行對比。

4.1.1 鋼軌側(cè)磨對比分析

鋼軌側(cè)磨-里程關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可見:鋼軌側(cè)磨的現(xiàn)場測量結(jié)果與鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果趨勢完全一致,且重復(fù)性較好。其中:鋼軌側(cè)磨最大差值為1.37 mm,對應(yīng)里程為K4+228,此處鋼軌側(cè)磨值為7.88 mm;鋼軌側(cè)磨最小差值為0,平均差值為0.23 mm。

圖5 鋼軌側(cè)磨-里程關(guān)系曲線

鋼軌側(cè)磨最大差值位置的廓形如圖6所示。該位置的鋼軌側(cè)磨系統(tǒng)檢測值為6.51 mm,此處鋼軌側(cè)磨差值較大并非表明全斷面廓形檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果錯誤,究其原因主要是現(xiàn)場測量和鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)檢測時的被測對象并非完全一致,存在部分位置偏差。由此可見,鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)檢測的鋼軌側(cè)磨精度能夠滿足現(xiàn)場準(zhǔn)確性要求。

圖6 鋼軌側(cè)磨最大差值位置的廓形

4.1.2 鋼軌垂磨對比分析

鋼軌垂磨-里程關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可見:鋼軌垂磨的現(xiàn)場測量結(jié)果與鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果趨勢基本一致。其中:鋼軌垂磨最大差值為1.34 mm,其對應(yīng)的線路里程為K4+264,此處鋼軌垂磨值為2.31 mm;鋼軌垂磨最小差值為0.007 10 mm,平均差值為0.22 mm。

圖7 鋼軌垂磨-里程關(guān)系曲線

鋼軌垂磨最大差值位置的廓形如圖8所示。該位置的鋼軌垂磨系統(tǒng)檢測值為0.97 mm,該差異原因與第4.1.1節(jié)類似,考慮為被測位置略有差異,鋼軌廓形匹配無異常,鋼軌垂磨檢測結(jié)果可靠。由此可見,鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)檢測的鋼軌垂磨精度能夠滿足準(zhǔn)確性要求。

圖8 鋼軌垂磨最大差值位置的廓形

4.2 鋼軌磨耗檢測重復(fù)性對比分析

選取2023年不同時間段采集的鋼軌同一位置的磨耗數(shù)據(jù)進行重復(fù)性對比。鋼軌側(cè)磨重復(fù)性對比見圖9。鋼軌垂磨重復(fù)性對比見圖10。由圖9—圖10可見,該系統(tǒng)具備了較高的檢測重復(fù)性。

圖9 鋼軌側(cè)磨重復(fù)性對比

圖10 鋼軌垂磨重復(fù)性對比

5 結(jié)語

鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)在廣州地鐵1、2、3、4、5、8、14號線不同磨耗鋼軌、不同半徑曲線線路上得到充分應(yīng)用。經(jīng)驗證,該系統(tǒng)對鋼軌磨耗測量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性滿足現(xiàn)場使用要求,并與現(xiàn)場磨耗趨勢一致,測量結(jié)果精確可靠,已在城市軌道交通線網(wǎng)內(nèi)逐步推廣應(yīng)用。鋼軌全斷面廓形檢測系統(tǒng)在鋼軌磨耗動態(tài)檢測中的推廣應(yīng)用,實現(xiàn)了鋼軌磨耗的高速、高精度測量,優(yōu)化了傳統(tǒng)人工測量,是廣州軌道交通智慧測量的一大進步。