基于激光轮廓扫描仪的钢轨磨耗检测系统

王德明，王桂宝，张广明，孙冬梅

(南京工业大学自动化与电气工程学院，江苏南京 211816)

0 引言

随着我国经济的快速发展，铁路作为国民经济的大动脉对我国经济发展的作用随之提高。钢轨作为铁路运输重要的设备，它的运行优劣，直接影响着铁路运输的安全与通畅。因此，钢轨磨耗检测成为铁路检测部门检测钢轨的重要指标[1]。

目前，我国铁路部门主要采用接触式的人工方式对钢轨磨耗量进行检测[2-3]。检测过程完全依靠人工进行，受人员的影响较大，因此测量精度低，同时工作量大、环境恶劣、效率低下，且容易擦伤表面，而且测量结果不直观、数据处理缓慢、不便存档和进一步处理研究[4]。因此，需要研制一种符合我国国情的钢轨磨耗自动测量系统以便动态、实时地采集信息，正确地测出钢轨轨头的磨耗值，掌握钢轨磨损状态和制定钢轨维修和换轨计划，为钢轨及时打磨提供数据参考。文中提出一种非接触光学检测方法，运用激光二维轮廓扫描仪扫描出钢轨头部轮廓，实现钢轨磨耗的实时检测，指导钢铁维护工作，保证安全运输。

1 钢轨磨耗检测的原理

钢轨头部伤损按程度可以分为轻伤、重伤两类。磨耗参数可以分为垂直磨耗、侧面磨耗和总磨耗。垂直磨耗在钢轨顶面1/3宽处(距标准工作边)测量。侧面磨耗在钢轨踏面(按标准断面)下16 mm．处测量。总磨耗为垂直磨耗与1/2侧面磨耗之和[5]。钢轨磨耗参数如图1所示。

图1 钢轨磨耗参数

该设计选用O2DS-1350激光二维轮廓扫描仪。扫描仪集成了激光发生器，CCD-摄像机和数字信号处理器，通过非接触测量，测量精度高。

激光二维轮廓扫描仪发射的一条高强度、稳定性好的激光线投射到钢轨上一轨面与钢轨内侧工作面之间(约45°角)。根据激光三角测距的原理采集到钢轨轮廓点的集合及其对应的坐标，经过图像的实时处理得到钢轨外形曲线，然后再经过畸变校正、坐标变换得到真实的钢轨外形曲线；最后将检测到的钢轨外形曲线和标准曲线相比较得到钢轨磨耗[6-7]。系统测量原理图如图2所示。

图2 系统测量原理图

传感器内部完成钢轨轮廓的提取，计算机对轮廓数据重构、特征点提取、坐标旋转平移、轮廓线的拟合以及磨耗的计算，最后显示计算的结果并将数据进行储存[8-9]。检测系统结构图如图3所示。

图3 检测系统结构图

2 基于二维激光轮廓扫描仪的钢轨磨耗检测

由钢轨轨腰的标准设计结构可知，轨腰是由相切的大圆和小圆的部分圆弧构成[10]。因此，根据钢轨断面特征轮廓的测量坐标，可以将测量轮廓自动分割成轨头、轨腰大圆和轨腰小圆三部分。由分割的轨腰大圆和轨腰小圆部分的特征轮廓，采用半径约束方法分别拟合轨腰大圆和轨腰小圆，小圆的半径为20 mm，大圆的半径取400 mm，称为60 kg对准模式，大圆的半径取350 mm，称为50 kg对准模式；分别采用60 kg对准模式与50 kg对准模式计算出对准特征点的测量坐标，由其中至少2个对准特征点的测量坐标及设计坐标，计算测量坐标系到设计坐标系的二维变换；根据在两种模式下求出的测量坐标系到设计坐标系的旋转和平移变换，分别将钢轨断面轨头部分的测量坐标转换到设计坐标系中，直接和标准钢轨比对，计算得到钢轨的垂直磨耗、侧面磨耗和总磨耗[11]；比较两种对准模式下的3个磨耗值，选取较小的值作为最后的测量结果，并由所采用的对准模式得到被测钢轨的轨型，将测量结果、钢轨的轨型及相对应的里程数保存在测量结果文件中。轨腰轮廓图如图4所示。

图4 轨腰轮廓图

提取的圆心作为检测对准点，其精度直接影响到磨耗测量的精度。由于轨腰大圆的轮廓数据占整个大圆的比例不到1/3，通过无约束拟合圆，获取的圆半径和中心坐标的误差较大。因此，文中利用圆半径已知或可以测量获得这一约束条件，并结合最小二乘法，进行圆的拟合，来提高拟合的精度。文中假设圆半径为设计时的标准值，采用半径约束最小二乘拟合，主要目的是获取圆的圆心目标。其目标函数为：

(1)

式中：(xmi，ymi)为圆弧上特征点坐标；(xm0，ym0)为拟合圆心坐标；r为已知半径；N为参与拟合计算的轮廓点个数。

最小二乘法就是利用使优化目标函数达到最小值来求解出一定区域内未知参数的值。当圆半径作为约束参与拟合时，根据拉格朗日乘数法，其最小二乘优化目标函数可以写为：

(2)

这样将约束最小二乘法转化为了无约束最小二乘法，并可以分别求解出测量坐标系下小圆圆心坐标P1m(x1m，y1m)和大圆圆心坐标P2m(x2m，y2m)。

3 试验结果

实施例选用的是标准60 kg钢轨作为检测的对象，在钢轨的同一截面位置进行重复测量10次，表1给出了试验的垂直磨耗WV、侧面磨耗WH以及总磨耗W的测量结果。

表1 钢轨磨耗检测结果 mm

以标准差来评价测量结果重复性的精度，WV为0.04 mm，WH为0.07 mm，W为0.04 mm．标准差均控制在0.07 mm以内，符合误差要求，具有较好的稳定性。

4 结束语

系统采用的是实时的、非接触的测量，基本实现了钢轨磨耗的在线检测，能够将钢轨轮廓采集与数据处理同步进行。基于激光二维轮廓扫描仪设计的钢轨轮廓检测系统结构简单、原理清晰，结合轨腰大圆与轨腰小圆的特征，并使用最小二乘法拟合，能够很好地完成磨耗的检测。试验表明，该系统故障率低，可重复性好、精度高，满足铁路部门铁轨检测的要求。

参考文献：

[1]纪淑波，蒋本和，靳文瑞．实时动态检测钢轨磨耗系统研究．光电技术应用，2004，19(4)：27-29．

[2]孟佳，高晓蓉．钢轨磨耗检测技术的现状与发展．铁道技术监督，2005(1)：34-35．

[3]郑箭锋，董敏强，傅勤毅．钢轨轨头断面激光检测系统的研制．铁道技术监督，2006，36(10)：25-27．

[4]王俊峰，宋文爱．基于虚拟仪器的钢轨磨耗检测系统设计．微计算机信息，2007，23(22)：156-158．

[5]铁运．146号，铁路线路修理规则，2006．

[6]SUN J，LIU Z，ZHAO Y，et al．Motion deviation rectifying method of dynamically measuring rail wear based on multi-line structured-light vision．Optics and Laser Technology，2013，50：25-32．

[7]LIU Z，SUN J，WANG H，et al．Simple and fast rail wear measurement method based on structured light．Optics and Lasers in Engineering，2011，49(11)：1343-1351．

[8]孙军华，王伟华，刘震，等．基于结构光视觉的钢轨磨耗测量方法．北京航空航天大学学报，2010(9)：4．

[9]丁大尉，纪淑波，王立志．光电式钢轨磨损实时检测系统．中国铁道科学，2006，27(1)：64-67．

[10]杨强，林建辉，丁建明，等．基于二维激光位移传感器和遗传算法的钢轨磨耗动态检测系统．中国铁路，2012(6)：24．

[11]KARADUMAN G，KARAKOSE M，AKIN E．Experimental fuzzy diagnosis algorithm based on image processing for rail profile measurement[C]//MECHATRONIKA，2012 15th International Symposium．IEEE，2012：1-6．

作者简介：王德明(1956-)教授，工学博士，研究方向：检测技术与自动化装置。E-mail：zdhwgb@njut．edu．cn