基于渦流檢測(cè)的高速鐵路鋼軌擦傷識(shí)別

熊龍輝 劉秀波 張玉華 石永生 張彥博 陳茁

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081；3.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心，北京 100081；4.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 211100

鋼軌擦傷的本質(zhì)是輪軌接觸面摩擦產(chǎn)生高溫，同時(shí)高接觸應(yīng)力降低了材料的相變溫度，導(dǎo)致軌頭頂面金屬組織由珠光體轉(zhuǎn)變成硬而脆的白層，白層組織在外力作用下破碎、斷裂，最終形成裂紋或掉塊［1-3］。

鐵總運(yùn)〔2014〕357 號(hào)《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》規(guī)定，對(duì)于鋼軌頂面，連續(xù)或多處擦傷深度不大于0.5 mm 時(shí)使用打磨車(chē)打磨，深度大于0.5 mm 時(shí)使用打磨車(chē)打磨或銑磨車(chē)銑磨。目前發(fā)現(xiàn)擦傷的手段主要為鋼軌探傷車(chē)搭載的超聲波探傷系統(tǒng)和巡檢系統(tǒng)，須對(duì)探傷車(chē)報(bào)警的疑似擦傷進(jìn)行人工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核。在人工探傷和人工巡檢過(guò)程中也會(huì)發(fā)現(xiàn)鋼軌擦傷［4-5］。

1 渦流檢測(cè)原理及系統(tǒng)

1.1 檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)利用交變磁場(chǎng)在鋼軌中產(chǎn)生旋渦狀感應(yīng)交變電流，被測(cè)件電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、有無(wú)缺陷、缺陷尺寸形狀等都會(huì)影響電渦流的分布和大小。通過(guò)探測(cè)線圈測(cè)量電渦流引起的磁場(chǎng)變化，獲取被測(cè)件中渦流的分布、大小、相位等信息，進(jìn)而獲得被測(cè)件的電導(dǎo)率和缺陷特征。電渦流檢測(cè)為非接觸測(cè)量，但受集膚效應(yīng)的影響，僅能檢測(cè)鋼軌表面和近表面結(jié)構(gòu)狀態(tài)［6］。

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)時(shí)采用1×4陣列渦流檢測(cè)系統(tǒng)，渦流探頭采用的放置式線圈是帶有磁芯的小型線圈，磁芯的作用是聚焦磁場(chǎng)，提高探頭的檢測(cè)靈敏度。探頭配置外徑63.33 mm 的行走輪，帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，觸發(fā)儀器采集數(shù)據(jù)。編碼器轉(zhuǎn)一圈為500 脈沖，即傳感器移動(dòng)1 m約2 500 觸發(fā)脈沖。渦流檢測(cè)系統(tǒng)各通道采樣間隔為1 mm，外時(shí)鐘觸發(fā)，設(shè)置增益為24 dB，激勵(lì)頻率為103.092 kHz。共4 個(gè)通道，探傷時(shí)把各通道探頭線圈置于鋼軌踏面表面，其中1#通道靠近鋼軌光帶，4#通道靠近軌距角，如圖1所示。各通道傳感器依次排列，傳感器線圈直徑約5 mm，兩傳感器間隔約1 mm。

圖1 渦流檢測(cè)系統(tǒng)探頭布置

2 擦傷概況及分類(lèi)

對(duì)某鐵路局高速鐵路鋼軌擦傷情況進(jìn)行調(diào)研，根據(jù)損傷程度將擦傷分為三類(lèi)：較淺白層組織、較深白層組織和已形成掉塊，又分為長(zhǎng)條狀和橢圓狀，見(jiàn)圖2。

圖2 不同類(lèi)型的高速鐵路鋼軌擦傷

圖2（a）長(zhǎng)條狀較淺白層組織擦傷發(fā)現(xiàn)于某客運(yùn)專(zhuān)線左股K379+430和K379+790處，分別編號(hào)A‐1‐1、A‐1‐2。圖2（b）長(zhǎng)條狀較深白層組織擦傷發(fā)現(xiàn)于某高速鐵路下行右股K1631+849和K1631+847處，分別編號(hào)B‐1‐1、B‐1‐2。圖2（c）橢圓狀較深白層組織擦傷發(fā)現(xiàn)于某高速鐵路上行右股K1631+188 和K1631+187處，分別編號(hào)B‐2‐1、B‐2‐2。圖2（d）已形成掉塊的長(zhǎng)條狀擦傷發(fā)現(xiàn)于某高速鐵路上行右股K1630+925 和K1630+917處，分別編號(hào)C‐1‐1、C‐1‐2。圖2（e）已形成掉塊的橢圓狀擦傷發(fā)現(xiàn)于某高速鐵路上行右股K1631+202和K1631+190處，分別編號(hào)C‐2‐1、C‐2‐2。

3 渦流信號(hào)分析

3.1 濾波處理

為提高特征提取及損傷程度分類(lèi)的準(zhǔn)確性，對(duì)渦流信號(hào)進(jìn)行濾波。鋼軌檢測(cè)時(shí)采集的軌面不同狀態(tài)時(shí)的渦流信號(hào)見(jiàn)圖3。圖3（a）、圖3（b）探頭置于軌面光帶處，軌面光滑，信號(hào)波動(dòng)極?。粓D3（c）、圖3（d）探頭置于軌面光帶兩側(cè)的銹蝕處，由于銹蝕磁導(dǎo)率與鋼軌不同，且軌面不同位置銹蝕厚度不一致，渦流信號(hào)有一定程度的波動(dòng)；圖3（e）、圖 3（f）探頭置于存在波磨的鋼軌軌面，渦流信號(hào)顯示波長(zhǎng)為130 mm 的周期波動(dòng)，且波動(dòng)幅值較大。

圖3 鋼軌檢測(cè)時(shí)不同軌面狀態(tài)的渦流信號(hào)

為濾除不同影響因素引入的雜波信號(hào)，提取更準(zhǔn)確的擦傷信號(hào)特征值，對(duì)結(jié)合等波紋法（Equiripple）有限沖激響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）帶通濾波和基于db3基的極小極大準(zhǔn)則軟閾值法小波去噪的兩級(jí)濾波器展開(kāi)研究。

評(píng)估方法：線路導(dǎo)線截面一次到位率（%）=滿足導(dǎo)線截面（含廊道預(yù)留）要求的線路條數(shù)/線路總條數(shù)×100%。對(duì)不滿足導(dǎo)線截面（含廊道預(yù)留）要求的線路進(jìn)行原因分析，并與上一年10（20）千伏線路導(dǎo)線截面一次到位率實(shí)績(jī)值進(jìn)行比對(duì)，對(duì)導(dǎo)線截面一次到位率降低的情況進(jìn)行原因分析，提出解決建議和規(guī)劃方案。

FIR 濾波器系統(tǒng)的傳輸函數(shù)H(Z)是Z-1的M- 1次多項(xiàng)式，表達(dá)式為

式中：h(n)為濾波器系數(shù)，是長(zhǎng)度為M的單位脈沖響應(yīng)。

FIR 濾波器具有精確的線性相位，且系統(tǒng)穩(wěn)定。同時(shí)，等波紋逼近法原理基于最大誤差最小化準(zhǔn)則，可以使FIR數(shù)字濾波器的頻域特性與理想濾波器的頻域特性最大誤差最小，并且幅度在阻帶和通帶內(nèi)具有等波動(dòng)性，誤差在整個(gè)頻帶內(nèi)均勻分布［7］。

檢測(cè)系統(tǒng)空間采樣率fs=1 mm-1。分析渦流信號(hào)可知，擦傷信號(hào)波動(dòng)點(diǎn)數(shù)nc=4 ～10，波磨周期波動(dòng)點(diǎn)數(shù)nb= 130。算得擦傷信號(hào)空間頻率fc=fs/nc≈0.25 ～0.10 mm-1；波磨信號(hào)空間頻率fb=fs/nb≈ 0.008 mm-1。

由檢測(cè)速度約1.5 m/s可得時(shí)間采樣率ft=1.5 kHz，擦傷信號(hào)時(shí)間頻率fct= 150～375 Hz，波磨信號(hào)時(shí)間頻率為12 Hz。由此設(shè)置帶通濾波器參數(shù)：下阻帶截止頻率fstop1= 50 Hz；通帶下限截止頻率fpass1= 60 Hz；通帶上線截止頻率fpass2= 380 Hz；上阻帶截止頻率fstop2= 400 Hz。設(shè)計(jì)的FIR 帶通濾波器對(duì)不同軌面狀態(tài)渦流信號(hào)濾波效果見(jiàn)圖4?？芍簣D4（e）、圖4（f）渦流信號(hào)在0 基準(zhǔn)線上下波動(dòng)，說(shuō)明鋼軌波磨渦流信號(hào)的低頻部分已被濾除；圖4（b）、圖4（f）擦傷的渦流信號(hào)幅值和形態(tài)均得以較好地保留。

圖4 鋼軌檢測(cè)時(shí)不同軌面狀態(tài)渦流信號(hào)帶通濾波

小波閾值去噪是實(shí)現(xiàn)抑制小波分解信號(hào)中無(wú)用部分、增強(qiáng)有用部分的過(guò)程。具體去噪的流程如下。

1）小波基選擇。dbN小波具有較好的正則性，使信號(hào)重構(gòu)過(guò)程比較光滑。綜合考慮計(jì)算量和頻域的局部化能力，選擇db3小波。

2）分解層數(shù)。分解層數(shù)越大，噪聲和信號(hào)表現(xiàn)的不同特性越明顯，越利于二者分離。本文主要是為提取擦傷損傷程度分類(lèi)特征值，信號(hào)失真對(duì)分類(lèi)影響較小，故選擇6層小波分解，盡量分離噪聲和有用信號(hào)。

3）閾值函數(shù)選擇。采用軟閾值處理方法在去噪后能產(chǎn)生更光滑的結(jié)果。軟閾值函數(shù)為［8］

式中：wT為軟閾值處理后的小波系數(shù)；w為小波系數(shù)；T為給定的閾值。

通過(guò)小波去噪方法對(duì)帶通濾波器濾波后的渦流信號(hào)進(jìn)行第二級(jí)濾波。兩級(jí)濾波后渦流信號(hào)見(jiàn)圖5。

圖5 鋼軌檢測(cè)時(shí)不同軌面狀態(tài)渦流信號(hào)兩級(jí)濾波

由圖 5 可知：圖 5（a）、圖 5（c）、圖 5（d）、圖 5（e）無(wú)擦傷的渦流信號(hào)整體均變光滑，信號(hào)波動(dòng)幅值變小，較濾波前平穩(wěn)，利于后續(xù)分類(lèi)時(shí)特征值閾值的選擇；圖5（b）、圖5（f）擦傷信號(hào)幅值有所減小，但減小幅度不大，并且信號(hào)形態(tài)基本能夠較好地保留。

3.2 特征提取

原始信號(hào)特征提取流程見(jiàn)圖6。

圖6 原始信號(hào)特征提取流程

原始信號(hào)兩級(jí)濾波后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行短時(shí)能量計(jì)算。短時(shí)能量E(i)計(jì)算式為

式中：i為每次計(jì)算E(i)的序號(hào)，取1 ～（K+1-W），其中K為渦流原始信號(hào)序列長(zhǎng)度；W為計(jì)算窗函數(shù)的寬度，由于擦傷信號(hào)波動(dòng)點(diǎn)數(shù)約為4 ～10，取W =10；x(m)為濾波處理后的信號(hào)。

閾值大小根據(jù)信號(hào)本身的波動(dòng)大小進(jìn)行自適應(yīng)確定，并進(jìn)行一定的系數(shù)放大和偏置。自適應(yīng)確定閾值體現(xiàn)在通過(guò)計(jì)算信號(hào)的平均能量確定初始閾值，從而排除不同軌面狀態(tài)渦流信號(hào)對(duì)擦傷判別的影響。初始閾值Th計(jì)算式為

對(duì)初始閾值進(jìn)行系數(shù)放大和偏置，排除渦流信號(hào)基礎(chǔ)噪聲對(duì)擦傷判別的影響。修正后的閾值計(jì)算式為

式中：Thr為修正后的閾值；a為放大系數(shù)；b為偏置。

參數(shù)a和b可以通過(guò)實(shí)際擦傷信號(hào)進(jìn)行訓(xùn)練確定，此處取a= 7，b= 0.3。

為對(duì)擦傷的損傷程度進(jìn)行分類(lèi)，將算得的短時(shí)能量信號(hào)作為擦傷判斷特征信號(hào)。如圖7（a）所示，提取信號(hào)寬度作為表征損傷長(zhǎng)度的特征值，記作PP。記錄檢出擦傷通道數(shù)作為表征損傷寬度的特征值，記作NN。對(duì)渦流原始信號(hào)以PP特征值寬度為窗口，求信號(hào)最大值和最小值，并求得最大值和最小值之差作為表征損傷嚴(yán)重程度的特征值，記作MM，如圖7（b）所示。

圖7 擦傷渦流信號(hào)特征提取

3.3 擦傷損傷程度分類(lèi)

對(duì)前文的10 個(gè)擦傷信號(hào)共計(jì)40 個(gè)通道進(jìn)行短時(shí)能量信號(hào)特征閾值判斷，發(fā)現(xiàn)僅有編號(hào)為B‐2‐2 擦傷的2#通道誤報(bào)，其余通道判別均準(zhǔn)確，準(zhǔn)確率為97.5%。提取每個(gè)擦傷渦流信號(hào)特征值，并取4 個(gè)通道中特征值MM最大值、PP最大值以及每個(gè)擦傷的特征值NN，得到擦傷損傷程度分類(lèi)特征值，見(jiàn)表1。

表1 擦傷損傷程度分類(lèi)特征值

由表1 可以看出：編號(hào)為*‐1‐*的擦傷均為長(zhǎng)條狀，其特征值PP≥ 139 mm；編號(hào)為*‐2‐*的擦傷均為橢圓狀，其特征值PP≤116 mm。特征值PP可以較準(zhǔn)確地表征擦傷長(zhǎng)度，從而確定擦傷形狀。特征值NN可以反映擦傷的寬度，在實(shí)際檢測(cè)中也具有指導(dǎo)作用。特征值MM可以在一定程度上表征擦傷深度：A 類(lèi)為較淺白層組織，其特征值MM≤35 mV；B 類(lèi)為較深白層組織，其特征值MM=53 ～90 mV；C 類(lèi)為已形成掉塊的擦傷，其特征值MM≥106 mV。可見(jiàn)，隨著擦傷損傷程度嚴(yán)重，特征值MM變大。

采用特征值PP、NN和MM表征擦傷的長(zhǎng)度、寬度和損傷程度時(shí)，為區(qū)分擦傷形狀，長(zhǎng)條狀和橢圓狀擦傷信號(hào)PP值分界線在116 ～139 mm；為區(qū)分擦傷損傷程度，較淺白層組織擦傷和較深白層組織擦傷信號(hào)MM值分界線在35 ～53 mV，較深白層組織擦傷和已形成掉塊擦傷信號(hào)MM值分界線在90 ～106 mV。

4 結(jié)語(yǔ)

為方便對(duì)高速鐵路鋼軌擦傷的損傷程度進(jìn)行評(píng)估，本文將擦傷分為較淺白層組織擦傷、較深白層組織擦傷和已形成掉塊擦傷，又根據(jù)擦傷形狀分為長(zhǎng)條狀和橢圓狀。

通過(guò)結(jié)合等波紋法FIR 帶通濾波和基于db3 基的極小極大準(zhǔn)則軟閾值法小波去噪的兩級(jí)濾波器對(duì)渦流原始信號(hào)進(jìn)行濾波，并提取濾波后信號(hào)的短時(shí)能量信號(hào)，采用可調(diào)節(jié)放大系數(shù)和偏置的自適應(yīng)擦傷判別閾值，可有效克服不同軌面狀態(tài)和信號(hào)基礎(chǔ)噪聲對(duì)擦傷判別的影響。對(duì)10 處擦傷共40 通道擦傷進(jìn)行判別，準(zhǔn)確率達(dá)97.5%。因此，該方法可實(shí)現(xiàn)不同軌面狀態(tài)鋼軌擦傷渦流檢測(cè)的傷損判別。