鋼軌斷面測量系統在軌道動態檢測中的應用

吳興華 上海鐵路局工務檢測所

WX25T999288軌道檢查車（以下簡稱“軌檢車”）是上海鐵路局近兩年來裝備的新型(GJ-5型)軌檢車,車上主要安裝有軌道幾何測量系統、鋼軌斷面測量系統和車體振動測量系統，它們統稱為軌道檢測系統（LaserailTM3000）。該軌道檢測系統是由美國伊梅奇公司設計制造的激光生成軌道檢測系統。軌檢車的鋼軌斷面測量系統是采用全斷面測量并記錄鋼軌磨耗、軌底坡、軌距、軌型識別和鋼軌斷面輪廓等數據。

1 測量原理

GJ-5型軌檢車采用的是“光斷面”測量技術。該技術應用一束集中的光線照射到被測鋼軌表面進行測量,同時需要應用攝像機來獲取鋼軌表面的圖像。攝像機捕獲到的光源圖像是一條很細的輪廓邊緣，而該邊緣線的位置可以在攝像機的攝像范圍內唯一確定。該項技術始于20世紀50年代，但只有當現代激光技術、CCD攝像技術及現代數字處理器取得了相當大的發展以后，該測量技術才逐漸被廣泛推廣應用。

系統的光源采用紅外線波長的激光。該激光器總成還配備了特制光學透鏡，使激光光源發射的點光源變成一個很薄的扇面光源。激光總成安裝在車體下方的吊梁上，發射出的扇面光線與鋼軌垂直，同時照射到軌頭及軌底部分。該系統檢測到的圖像結果為一條鋼軌輪廓細線。采用特制的計算機軟件識別出激光與鋼軌接觸的位置，并將激光與鋼軌接觸邊緣線上的像素點進行幾何形位的糾偏，從而生成鋼軌真正的斷面輪廓線。

鋼軌與鋼軌間的軌距是分別拍攝兩側鋼軌的兩個同步攝像機所拍攝到的。系統攝像機檢測出的鋼軌軌距面的幾何位置的變化將會被附加到已知的兩個攝像機間的距離，從而綜合得出軌距的測量值。系統在鋼軌存在肥邊或其它軌頭變形的情況下仍可以準確測量軌距，因此它能成功應用于光學軌道軌距測量系統。

2 硬件設備

軌檢車的鋼軌斷面測量系統硬件設備主要由激光器、攝像機、激光器/攝像機安裝吊梁、激光/溫度控制器、圖像處理器和計算機系統等組成。

2.1 激光器

鋼軌斷面測量系統和鋼軌幾何測量系統由特殊光束發散透鏡的激光器總成，它可以發射出線寬很窄的紅外線激光扇面形光束（波長810 nm），照射范圍覆蓋了鋼軌兩側軌底之間的所有部分。只有軌腰的一小部分由于軌頭的遮擋，使激光無法照射到。系統的激光光源的高質量及光束的窄扇面保證了系統測量的高精度。每個激光器配備了多個半導體制冷器，將激光二極管的工作環境溫度控制在設定范圍，從而保證激光器在密封狀態下發射激光的波長的單色穩定性和使用壽命。另外激光器總成的機械設計可以滿足在70 g的連續沖擊條件下，保持其內部焦距及其它結構的穩定性。

在激光器的設置方面，激光的光功率設定值為1 W，且可以根據具體應用條件而改變。激光的級別分類屬于IIIB級。軌檢車機柜上以及車下均設有激光警示信號燈。當激光器啟用時，該警示燈將起到激光危險警告作用。

2.2 攝像機

鋼軌斷面測量系統采用高速快門CCD陣列攝像機來測量激光輪廓線的位置。攝像機前端的鏡頭獨立于攝像機本身固定安裝，有助于提高標定的穩定性。攝像機鏡頭的焦距調節到位后由焦圈鎖環固定，攝像機曝光時間由計算機控制。

每個攝像機配備了一個窄帶通光學干涉濾光片，其帶通中心波長設定值與激光器波長保持一致。該濾光片可以濾除99%以上的環境光線。

2.3 激光器/攝像機安裝吊梁

軌檢車上安裝了雙軌測量系統的4個激光器和10個攝像機。每股鋼軌的內外側各設有一個激光器，每股鋼軌內側各設有4個攝像機，4個攝像機工作時是進行交替拍攝，增加了拍攝頻率。鋼軌外側各設有1個攝像機。所有激光器及攝像機都固定安裝在吊梁內，吊梁懸掛在軌檢車的轉向架橫梁構架上。圖1為“激光器/攝像機安裝吊梁”結構圖，圖2為軌檢車安裝吊梁左側仰視圖。

圖1 激光器/攝像機安裝吊梁

圖2 軌檢車安裝吊梁左側仰視圖

2.4 激光/溫度控制器

“激光/溫度控制器”其功能是提供激光輻射控制及同步，以及溫度控制。在計算機的控制下，激光/溫度控制器可以同步地開啟或關閉各個激光器、激光器對應的攝像機與圖像處理器。同時，它還具有半導體制冷器的驅動功能，保證每個激光器總成內的溫度保持在計算機可控的設定值。溫度控制器可保證激光器發射出波長單一穩定的光波。

2.5 圖像處理器

圖像處理器采用20 ns隨機讀取存儲器（RAM），具備了極高的緩存處理速度，從而保證了軌檢車在高速運行時也能進行準確測量。

2.6 計算機系統

系統采用基于VME總線標準的VME總線計算機系統。VME系統使用一個單一處理器配置。該處理器（中央處理單元CPU）提供以下功能：用戶界面接口、檢測值與標準值比較、數據記錄及報告、文件管理、系統性能監控及錯誤檢查以及自我檢測功能。該處理器還提供以下功能：所有的圖像處理，數據采集以及測量值計算。軌道幾何檢測系統還配備了第二處理器，用于幾何參數測量值的計算。

軌檢車VME計算機系統的機柜包括21個標準VME卡插槽，以及一個32位地址線：32位數據線動態終端背板。VME機柜總電源為750 W，板卡為豎直安裝。機柜內配備帶過濾的空氣循環散熱裝置。機柜散熱系統的熱負載占總熱負載的35%。圖3所示為軌檢車VME總線計算機系統的機柜配置圖。

圖3 軌檢車VME總線計算機系統機柜插槽配置

3 軟件配置

軌檢車上配置有圖像處理、斷面濾除、用戶界面、系統功能、測量結果、故障分析與檢測、實際測量性能參數和測量數據后處理等軟件。

3.1 圖像處理軟件

系統的“圖像跟蹤”軟件算法能實現對攝像機攝像范圍內的鋼軌圖像的追蹤，使檢測系統免受絕大多數來自攝像機攝像范圍內其它物體圖像的干擾。系統采用特別的“動態光學閾值”技術，從而降低了由于圖像亮度變化而產生的鋼軌輪廓線變形干擾。系統的“搜索算法”從攝像機的鋼軌圖像中提取原始坐標信息，并可以自動濾除不規則變形的圖像。系統通過數字信號處理技術對提取的原始坐標信息進行處理分析，從而生成最終的鋼軌斷面輪廓線。

3.2 系統功能軟件

根據不同的檢測運行速度，斷面測量的采樣點間隔從457 mm到4.5 m范圍變化（單個攝像機）。

采樣頻率為60 Hz的測量系統，在750 mm采樣間隔的輸出下，允許的最大檢測運行速度為：V=60×0.75×3600/103=162 km/h。

系統可以實時輸出以下結果：

（1）糾偏后的斷面坐標（保存在磁盤）

（2）在平面（無屏閃）顯示器上顯示斷面輪廓曲線

（3）鋼軌磨耗

（4）鋼軌傾斜角度（軌底坡）

（5）軌距

3.3 測量結果軟件

系統實時計算檢測鋼軌斷面磨耗測量值、鋼軌傾斜度（軌底坡）、軌型識別和軌距測量值等。

3.4 測量數據后處理軟件

軌檢車上配置了數據后處理軟件WinPALS(Windows Profile Analysis and Library Software)。WinPALS采用圖形用戶界面（GUI）顯示系統測量所得到的斷面數據及輪廓。采用這種圖形顯示的方法可以讓我們一目了然地發現鋼軌斷面輪廓的變化情況。通過WinPALS，我們可以刪除圖形畸變的斷面圖像，可以修改先前識別的鋼軌類型，規范鋼軌磨耗測量的參數，以及導出磨耗檢測數據以備未來分析處理。任何對原始斷面數據文件的修改編輯都會以“修改歷史”的形式保存在修改過后的“斷面數據文件”里，因此我們可以追蹤該文件自測量記錄時到目前的變化。

4 軌檢車動態檢測

4.1 鋼軌形變影響因素

鐵路運輸中影響鋼軌形狀變化的因素很多：有線路不平順因素；有曲線超高、軌底坡設置因素；有輪軌磨耗以及鋼軌自身強度、耐磨性等等因素。因此在確保鋼軌自身質量同時，保持軌道良好的平順性，合理設置曲線超高和軌底坡，保證機車車輛良好的運行品質，可以減少鋼軌形變、延長鋼軌使用壽命。

4.2 鋼軌磨耗動態測量

鋼軌磨耗主要是指鋼軌的垂直磨耗、側面磨耗和波浪形磨耗。垂直磨耗一般情況下是正常的，隨著軸重和通過總量的增加而增大。軌道幾何形位設置不當,會使垂直磨耗速率加快，可通過調整軌道幾何尺寸解決。

側面磨耗主要發生在小半徑曲線的外股鋼軌上，是目前曲線鋼軌傷損的主要類型之一。列車在曲線上運行時，輪軌的摩擦與滑動是造成外軌側磨的根本原因。列車通過小半徑曲線時，通常會出現輪軌兩點接觸的情況，這時發生的側磨最大。如圖4所示為皖贛線小半徑曲線鋼軌磨耗圖。

圖4 皖贛線小半徑曲線鋼軌磨耗圖

波形磨耗是指鋼軌頂面上出現的波狀不均勻磨耗。波形磨耗按其波長分為短波磨耗（或稱波紋型磨耗）和長波磨耗（或稱波浪型磨耗）兩種。波紋型磨耗為波長約50～100 mm，波幅0.1～0.4 mm的周期性不平順；波浪型磨耗為波長約100～3000 mm，波幅2 mm以內的周期性不平順。列車高速運行的鐵路上主要發生短波磨耗，且主要出現在直線和制動地段；在低速重載鐵路上主要發生長波磨耗，且一般出現在曲線地段。解決鋼軌波磨問題，目前主要依靠鋼軌機械銑磨和打磨來消除。

鋼軌磨耗動態測量是通過系統實時計算檢測鋼軌斷面與對應軌型的標準模板進行比對計算出磨耗值。在實時檢測項目中鋼軌磨耗分別以左、右軌的側磨和垂磨顯示。如圖5所示為京滬線鋼軌磨耗圖。由于京滬線線路狀態良好，正線道岔采用的是可動心提速道岔，所以道岔區的磨耗是比較均勻的，但道岔區的磨耗量還是比其他區域要大些。

圖5 京滬線鋼軌磨耗圖

對于鋼軌波磨的判斷，可以從鋼軌磨耗波形圖中垂磨值的變化判斷鋼軌波磨的情形。

鋼軌斷面測量原理是建立在激光光束生成的鋼軌斷面輪廓線基礎上的，是以鋼軌軌腰圓弧部分為有效基準計算出的鋼軌斷面數據同對應標準軌型的比較，計算出鋼軌的磨耗量。因此，鋼軌軌腰圓弧部分不能被石渣和其他物體覆蓋遮擋。系統能在各種天氣條件下工作，包括風雪天氣。但是當冰雪層覆蓋了鋼軌軌腰時也不能準確測量出鋼軌的磨耗量。系統在普通道岔、鋼軌接頭區域，檢測出的鋼軌磨耗量會出現突變現象，此非鋼軌的實際磨耗量，如圖6所示。

圖6 普通道岔區域鋼軌磨耗圖

4.3 軌底坡動態測量

系統實時報告鋼軌傾斜度（軌底坡），如圖4所示的左、右軌底坡波形。測量結果將有助于我們判斷線路出現大軌距的原因，是鋼軌向外側傾斜、軌距面存在磨耗還是鋼軌向外側分開。

4.4 鋼軌軌型動態識別

軌檢車上設置了幾種可以實時改變軌型信息的方法：在實時檢測過程中系統可以自動判斷鋼軌軌型；可以直接按鍵輸入當前位置的軌道類型；可以建立一個“鋼軌位置文件”（RLF），系統可以根據改變文件的里程位置自動改變對應鋼軌類型。鋼軌軌型動態識別是實時提供標準軌型的根本。

4.5 鋼軌軌距動態測量

系統實時計算左、右鋼軌軌距點之間的距離得出軌距值。軌距測量值在系統進行數據采集的同時，顯示在系統監視器上。軌檢車在每次檢測前必須對軌距和水平（超高）進行日常標定，以確保測量值的準確性。

系統在普通道岔、鋼軌接頭區域，檢測出的軌距在波形圖上會出現突變現象，編輯時應予以刪除，如圖6中普通道岔區域的軌距波形。

在檢測過程中可以觀察監視器上的Gap值大小。Gap值是指內、外側激光器生成的光線在鋼軌頂面的重合度（或稱間隙值）。Gap值越小檢測出的數據越精確。Gap值在1 mm以內表明系統正常，Gap值超出1 mm說明重合度變差，將影響系統測量的準確性，需要對激光器進行重合度標定。

4.6 鋼軌斷面輪廓數據采集

我們利用鋼軌斷面測量系統對鋼軌斷面輪廓數據進行采集和記錄，利用測量數據后處理軟件(WinPALS)對數據進行導出并保存，便于對線路的分析和處理。圖7為鋼軌斷面輪廓數據圖。

圖7 鋼軌斷面輪廓數據圖

系統檢測時的斷面數據和輪廓的存儲量是同檢測時間相關聯的，檢測時間越長存儲量就越大。按軌檢車檢測時平均速度120 km/h計算，每百公里測量的斷面數據和輪廓的存儲量大約在400 M。目前受計算機系統存儲空間的限制（可用存儲空間1.2 GB左右）和檢測速度的限制，對較長線路的鋼軌斷面輪廓數據必須要進行分段紀錄和保存。

4.7 鋼軌斷面動、靜態檢測數據分析

軌檢車的鋼軌斷面測量系統已經為我局管內的運營線路周期性地動態測量和記錄了鋼軌斷面磨耗數據和軌距數據，為局管內的京滬線、滬昆線等主干線和其它部分線路記錄和保存了大量的鋼軌斷面輪廓數據。并且對皖贛線、浦東線和寧蕪線等線路地面對應地點進行靜態復合測量，掌握動、靜態檢測數據對應情況。對動、靜態測量數據進行比較和分析，得出影響動、靜態測量數據偏差主要有動、靜態測量地點的差異影響；同一地點動、靜態測量選取基準點的偏差影響；人工測量誤差影響和動態檢測中軌道受車輛作用力影響等。鋼軌磨耗的動、靜態測量值差別相對較小，而且動態測量值往往要略大于靜態測量值，如圖8所示。

圖8 動靜態鋼軌磨耗值直框圖

軌距的動、靜態測量值差別稍大，如圖9所示。這主要是動態檢測時軌道受車輛重力作用后軌距變化的緣故。等級好的線路直線和曲線區段的軌距變化都較小，等級較差的線路軌距變化就較大，尤其是小半徑曲線由于鋼軌側磨量大而產生的大軌距。

圖9 動靜態軌距測量值直框圖

從以上直框圖的動、靜態測量值比較可以看出，軌檢車對鋼軌磨耗和軌距的動態測量值與對應地面復合的靜態測量值基本相同，也證明了軌檢車的動態檢測數據的準確性。為線路的養護和維修提供了可靠的依據，有利于提高線路的動態質量。

4.8 軌檢車動態檢測中注意要點

在動態檢測過程中如果陽光直射或高亮度反射到攝像機，攝像機將進入飽和狀態；如果激光反射到攝像機，攝像機也將進入飽和狀態。鋼軌軌頭部分有時由于輪軌間的滑動摩擦而被拋光，激光在其表面容易形成鏡面反射，因此在某些特定角度（尤其在線路的緩和曲線區段）激光器發射的光將會反射進入到攝像機，這時攝像機將進入飽和狀態，檢測數據為零顯示，在波形圖上反映出一段原點小直線。然而這種情況的機率很少，加上軌檢車采用了遮光罩結構，基本避免了攝像機在強光下飽和的問題。

雨水和揚塵干擾使攝像機和激光器的亮度大大降低，影響檢測數據的準確性。因此必須經常清潔攝像頭和激光器的防護玻璃，保持攝像機和激光器狀態良好。

線路結構如曲線、道岔、鋼軌接頭等因素影響系統的動態檢測數據。對軌距、水平（超高）日常標定的準確與否直接影響到軌距、水平（超高）數據的準確度。軌檢車檢測吊梁的整體緊固與否，是影響動態檢測數據的重要因素。因此必須做好軌檢車檢測前的日常標定和檢測后的日常維護，經常保持檢測設備狀態良好。

系統采用的“動態光學閾值”技術，降低了由于圖像亮度變化而產生的鋼軌輪廓線變形干擾。雖然我們不必隨時監視攝像機圖像以調整曝光時間，但是為確保檢測質量，我們還需經常調整攝像機曝光量使圖像亮度清晰，特別在天氣陰晴變化和日夜變化時的調整。

5 結束語

隨著鐵路的高速發展，軌道的平順狀態是制約列車速度的主要因素。如何提高軌道的平順狀態，如何快速掌握軌道狀態變化，如何提高軌道狀態均衡質量，以滿足高速運輸需要，確保高速運輸安全、平穩、舒適，是高速鐵路管理的重要部分。軌檢車動態檢測數據的合理應用是提高軌道質量的主要依據。軌檢車是保障列車安全運輸的重要手段，是確保鐵路新線驗收的有效工具。