基于機(jī)器視覺(jué)的鋼軌檢測(cè)技術(shù)

陳 敏 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司工務(wù)部

鋼軌是線路結(jié)構(gòu)的重要部件，承擔(dān)著引導(dǎo)車(chē)輪、傳遞載荷的作用，是實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)安全、平穩(wěn)、舒適和不間斷運(yùn)行的重要保證。

為及時(shí)掌握鋼軌狀態(tài)，除鋼軌探傷外，還需定期對(duì)鋼軌進(jìn)行周期性檢查。高速鐵路線路維修規(guī)則規(guī)定：應(yīng)采用巡檢設(shè)備檢查與人工巡檢相結(jié)合的方式對(duì)鋼軌外觀及表面?zhèn)麚p進(jìn)行檢查。人工巡視檢查每年不少于1遍。當(dāng)鋼軌存在光帶不良、擦傷、硌傷、魚(yú)鱗紋、磨耗、銹蝕及其他傷損時(shí)，會(huì)影響行車(chē)平穩(wěn)性及安全性，因此，尚需增加鋼軌不定期檢查檢測(cè)。

為高效、精準(zhǔn)的檢測(cè)鋼軌病害，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除安全隱患，上海局積極引入了以機(jī)器視覺(jué)為代表的人工智能技術(shù)，以便提高工作效率、精準(zhǔn)掌握設(shè)備狀態(tài)，有效實(shí)施預(yù)防性狀態(tài)修，保障高速鐵路行車(chē)安全。

機(jī)器視覺(jué)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的功能多種多樣，但技術(shù)原理大同小異。系統(tǒng)通過(guò)圖像采集裝置將被測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信息，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，分析得到被測(cè)目標(biāo)的形態(tài)亮度、顏色等信息，經(jīng)各種運(yùn)算篩選提取需求的特征信息，從而得到理想的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

1 標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌狀態(tài)快速檢測(cè)技術(shù)

1.1 檢測(cè)效率

（1）走行裝置

為提高檢測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)單元“自走行”，研制了一套電機(jī)驅(qū)動(dòng)的走行裝置，如圖1所示，檢測(cè)速度最快達(dá)15 km/h。走行裝置可搭載多個(gè)不同功能的檢測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)多功能設(shè)備的整合與融合。為方便上下道作業(yè)，走行裝置采用可快速拆卸、組合安裝形式。

圖1 走行裝置結(jié)構(gòu)

（2）安全性分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)走行裝置進(jìn)行安全性評(píng)估。

如圖2，計(jì)算脫軌系數(shù)：

圖2 走行裝置受力分析

式中，μ1表示輪緣處的摩擦系數(shù)，按鋼軌摩擦系數(shù)，取μ1=0.8；α1為最大輪緣接觸角，按超高最大175 mm 計(jì)算可得，α1=67.2640。則脫軌系數(shù)Q/P=0.545〈1.0，滿足安全性要求。

1.2 檢測(cè)功能

檢測(cè)儀具有對(duì)鋼軌狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析功能，可實(shí)現(xiàn)鋼軌垂磨、側(cè)磨、波磨和軌面狀態(tài)的測(cè)量。

（1）鋼軌垂磨、側(cè)磨檢測(cè)

以鋼軌非工作邊（即外側(cè)斜邊）和非工作邊下顎點(diǎn)為基準(zhǔn)，將實(shí)測(cè)廓形和對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)廓形進(jìn)行匹配。

如圖3，將實(shí)際測(cè)量到的鋼軌軌頭廓形下顎點(diǎn)與定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)鋼軌軌頭下顎兩端點(diǎn)重合，得重合點(diǎn)B'。以下顎點(diǎn)為原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)廓形，使得標(biāo)準(zhǔn)廓形非工作邊與實(shí)測(cè)廓形重合，完成鋼軌廓形匹配。分別計(jì)算距離非工作邊的2/3（或1/2）軌頭寬處和軌頂面下16 mm 處標(biāo)準(zhǔn)廓形與實(shí)測(cè)廓形的差值，即為鋼軌的垂直磨耗H和側(cè)面磨耗L。

圖3 垂磨、側(cè)磨計(jì)算原理圖

（2）GQI測(cè)量

按照鋼軌打磨驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于GQI 的計(jì)算要求，設(shè)定了GQI算法。公式如下：

式中：

K1偏差指數(shù)GD權(quán)重系數(shù)，K1=0.7

K2偏差指數(shù)GA權(quán)重系數(shù)，K2=0.3

Amax正公差帶曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積，單位mm2

Areal偏差曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積之和，單位mm2

di各區(qū)域法向偏差未超過(guò)公差帶的點(diǎn)數(shù)（按目標(biāo)廓形弧長(zhǎng)0.05 mm等間距插值）

Di各區(qū)域法向偏差計(jì)算的總點(diǎn)數(shù)（按目標(biāo)廓形弧長(zhǎng)0.05 mm等間距插值）

Ki各區(qū)域的權(quán)重系數(shù)K1=K4=0.2，K2=K3=0.3

（3）波磨檢測(cè)

波磨檢測(cè)分為定量檢測(cè)和定性檢測(cè)。定量檢測(cè)采用弦測(cè)法，利用激光位移傳感器精確測(cè)量出波磨值。定性檢測(cè)采用機(jī)器視覺(jué)方式，通過(guò)提取特征、圖像轉(zhuǎn)換、機(jī)器學(xué)習(xí)等步驟，最終確認(rèn)波磨是否存在。此外，檢測(cè)儀利用深度學(xué)習(xí)的方法，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)擦傷硌傷、焊接接頭等軌面狀態(tài)的識(shí)別。

（4）光帶測(cè)量

先對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取出鋼軌區(qū)域，經(jīng)濾波、增強(qiáng)后，提取出理想的光帶圖像。

1.3 檢測(cè)精度

自走行檢測(cè)儀的橫向檢測(cè)精度不受走形速度影響，主要取決于檢測(cè)相機(jī)精度，包括鋼軌廓形檢測(cè)精度和光帶寬度檢測(cè)精度。

檢測(cè)使用130 萬(wàn)像素的相機(jī)，視野為40 mm×32 mm，像素精度約為0.03 mm。綜合考慮光源、設(shè)備振動(dòng)等因素，經(jīng)算法處理后，有效像素為1個(gè)。實(shí)際檢測(cè)精度為：

0.03 mm/像素×1，像素=0.03 mm

同理，光帶寬度的檢測(cè)精度約為0.07 mm。

縱向檢測(cè)精度受走形速度影響。按15 km/h 的快速檢測(cè)條件估算，對(duì)設(shè)備使用的線陣相機(jī)的精度影響約為13.4%，實(shí)際檢測(cè)精度約為0.70 mm。檢測(cè)精度滿足維修規(guī)則要求。

2 非標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌廓形檢測(cè)技術(shù)

2.1 檢測(cè)精度

道岔鋼軌廓形的檢測(cè)精度主要取決于檢測(cè)相機(jī)精度。為保證非標(biāo)準(zhǔn)斷面（道岔、伸縮調(diào)節(jié)器）鋼軌檢測(cè)精度，減小設(shè)備使用時(shí)的振動(dòng)等干擾因素，檢測(cè)儀采用手推式，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 高速鐵路道岔鋼軌廓形檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)使用500萬(wàn)像素的相機(jī)，視野為50 mm×37.5 mm，像素精度約為0.02 mm。綜合考慮光源、設(shè)備振動(dòng)等因素，經(jīng)算法處理后，有效像素為0.5個(gè)。實(shí)際檢測(cè)精度可達(dá)：

0.02 mm/像素×0.5,像素=0.01 mm

2.2 檢測(cè)功能

（1）組合斷面比對(duì)

對(duì)于尖軌區(qū)域，檢測(cè)儀能夠按照標(biāo)準(zhǔn)道岔廓形對(duì)檢測(cè)出的組合斷面輪廓進(jìn)行比對(duì)。以18號(hào)單開(kāi)道岔為例，檢測(cè)儀提供距離尖軌尖2.889 m，6.569 m 及7.304 m 三個(gè)位置（即15 mm 斷面、35 mm 斷面、40 mm 斷面）的標(biāo)準(zhǔn)廓形用于比對(duì)，同時(shí)可計(jì)算出對(duì)應(yīng)尖軌降低值。

（2）輪軌接觸分析

輪軌接觸關(guān)系是基于檢測(cè)獲得的雙軌廓形、軌距及頂面水平數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，采用跡線法原理進(jìn)行輪軌接觸分析。檢測(cè)儀提供軌跡線、滾動(dòng)圓輪徑差、接觸角及等效錐度等指標(biāo)的計(jì)算。其中等效錐度提供簡(jiǎn)化法和UIC519-2004 兩種方式的計(jì)算結(jié)果。

（3）型面綜合評(píng)估

檢測(cè)儀依據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，從型面偏差、輪軌接觸狀態(tài)、對(duì)稱性等多個(gè)方面，對(duì)被測(cè)區(qū)段的鋼軌型面進(jìn)行綜合評(píng)估，并支持歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)。

3 工程實(shí)例

3.1 標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌狀態(tài)檢測(cè)

以虹封線某區(qū)段的檢測(cè)為例。設(shè)備在15 km/h 速度下，以100 mm 的采樣間隔，高密度的采集廓形數(shù)據(jù)。將檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)60 軌匹配，并進(jìn)行綜合分析，得到鋼軌磨耗、GQI變化結(jié)果，如圖5所示，滿足鋼軌狀態(tài)評(píng)定要求。

圖5 左、右股GQI隨里程變化圖

3.2 非標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌廓形檢測(cè)

以滬寧城際花橋站1號(hào)道岔的檢測(cè)為例。該道岔為1/18單開(kāi)道岔，測(cè)量起點(diǎn)位于道岔后第1號(hào)軌枕，測(cè)量終點(diǎn)位于道岔后第131 號(hào)軌枕，測(cè)量總長(zhǎng)度80 m。尖軌尖位于道岔后2 m 的右軌位置，提取距離尖軌尖2.889 m，6.569 m 及7.304 m三個(gè)位置的廓形進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)時(shí)將實(shí)測(cè)廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形按標(biāo)準(zhǔn)最高點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)對(duì)齊，最高點(diǎn)以下16 mm 處的工作邊左右對(duì)齊計(jì)算得出偏差量值。其中，35 mm 斷面的對(duì)比情況如圖6所示。

圖6 35斷面廓形對(duì)比圖

實(shí)測(cè)廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形的偏差量如表1所示。

表1 35斷面廓形偏差統(tǒng)計(jì)表（單位：mm）

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）基于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，研制了鋼軌狀態(tài)快速綜合檢測(cè)儀、道岔鋼軌廓形檢測(cè)儀等新型智能化鋼軌檢測(cè)設(shè)備。

（2）標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌狀態(tài)快速檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼軌垂磨、側(cè)磨、GQI、波磨、軌面狀態(tài)等多項(xiàng)目的檢測(cè)。非標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌廓形檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)特殊結(jié)構(gòu)鋼軌廓形快速、連續(xù)、精確檢測(cè)。

（3）基于高密度、高精度、全方位的綜合檢測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)了鋼軌狀態(tài)綜合分析系統(tǒng)，能夠自動(dòng)關(guān)聯(lián)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一鍵式出具檢測(cè)報(bào)告，快速反饋檢測(cè)結(jié)果。