基于機器視覺的鋼軌檢測技術

陳 敏 中國鐵路上海局集團有限公司工務部

鋼軌是線路結構的重要部件，承擔著引導車輪、傳遞載荷的作用，是實現高速列車安全、平穩、舒適和不間斷運行的重要保證。

為及時掌握鋼軌狀態，除鋼軌探傷外，還需定期對鋼軌進行周期性檢查。高速鐵路線路維修規則規定：應采用巡檢設備檢查與人工巡檢相結合的方式對鋼軌外觀及表面傷損進行檢查。人工巡視檢查每年不少于1遍。當鋼軌存在光帶不良、擦傷、硌傷、魚鱗紋、磨耗、銹蝕及其他傷損時，會影響行車平穩性及安全性，因此，尚需增加鋼軌不定期檢查檢測。

為高效、精準的檢測鋼軌病害，及時發現并排除安全隱患，上海局積極引入了以機器視覺為代表的人工智能技術，以便提高工作效率、精準掌握設備狀態，有效實施預防性狀態修，保障高速鐵路行車安全。

機器視覺，簡單地說，就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺檢測系統的功能多種多樣，但技術原理大同小異。系統通過圖像采集裝置將被測目標轉換成圖像信息，傳送給專用的圖像處理系統，分析得到被測目標的形態亮度、顏色等信息，經各種運算篩選提取需求的特征信息，從而得到理想的檢測數據。

1 標準斷面鋼軌狀態快速檢測技術

1.1 檢測效率

（1）走行裝置

為提高檢測效率，實現檢測單元“自走行”，研制了一套電機驅動的走行裝置，如圖1所示，檢測速度最快達15 km/h。走行裝置可搭載多個不同功能的檢測單元，實現多功能設備的整合與融合。為方便上下道作業，走行裝置采用可快速拆卸、組合安裝形式。

圖1 走行裝置結構

（2）安全性分析

根據標準要求，對走行裝置進行安全性評估。

如圖2，計算脫軌系數：

圖2 走行裝置受力分析

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

1.2 檢測功能

檢測儀具有對鋼軌狀態實時檢測、統計分析功能，可實現鋼軌垂磨、側磨、波磨和軌面狀態的測量。

（1）鋼軌垂磨、側磨檢測

以鋼軌非工作邊（即外側斜邊）和非工作邊下顎點為基準，將實測廓形和對應標準廓形進行匹配。

如圖3，將實際測量到的鋼軌軌頭廓形下顎點與定標的標準鋼軌軌頭下顎兩端點重合，得重合點B'。以下顎點為原點旋轉標準廓形，使得標準廓形非工作邊與實測廓形重合，完成鋼軌廓形匹配。分別計算距離非工作邊的2/3（或1/2）軌頭寬處和軌頂面下16 mm 處標準廓形與實測廓形的差值，即為鋼軌的垂直磨耗H和側面磨耗L。

圖3 垂磨、側磨計算原理圖

（2）GQI測量

按照鋼軌打磨驗收標準中關于GQI 的計算要求，設定了GQI算法。公式如下：

式中：

K1偏差指數GD權重系數，K1=0.7

K2偏差指數GA權重系數，K2=0.3

Amax正公差帶曲線與橫坐標圍成的面積，單位mm2

Areal偏差曲線與橫坐標圍成的面積之和，單位mm2

di各區域法向偏差未超過公差帶的點數（按目標廓形弧長0.05 mm等間距插值）

Di各區域法向偏差計算的總點數（按目標廓形弧長0.05 mm等間距插值）

Ki各區域的權重系數K1=K4=0.2，K2=K3=0.3

（3）波磨檢測

波磨檢測分為定量檢測和定性檢測。定量檢測采用弦測法，利用激光位移傳感器精確測量出波磨值。定性檢測采用機器視覺方式，通過提取特征、圖像轉換、機器學習等步驟，最終確認波磨是否存在。此外，檢測儀利用深度學習的方法，還實現了對擦傷硌傷、焊接接頭等軌面狀態的識別。

（4）光帶測量

先對原始圖像進行預處理，提取出鋼軌區域，經濾波、增強后，提取出理想的光帶圖像。

1.3 檢測精度

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

檢測使用130 萬像素的相機，視野為40 mm×32 mm，像素精度約為0.03 mm。綜合考慮光源、設備振動等因素，經算法處理后，有效像素為1個。實際檢測精度為：

0.03 mm/像素×1，像素=0.03 mm

同理，光帶寬度的檢測精度約為0.07 mm。

縱向檢測精度受走形速度影響。按15 km/h 的快速檢測條件估算，對設備使用的線陣相機的精度影響約為13.4%，實際檢測精度約為0.70 mm。檢測精度滿足維修規則要求。

2 非標準斷面鋼軌廓形檢測技術

2.1 檢測精度

道岔鋼軌廓形的檢測精度主要取決于檢測相機精度。為保證非標準斷面（道岔、伸縮調節器）鋼軌檢測精度，減小設備使用時的振動等干擾因素，檢測儀采用手推式，結構如圖4所示。

圖4 高速鐵路道岔鋼軌廓形檢測儀結構圖

檢測使用500萬像素的相機，視野為50 mm×37.5 mm，像素精度約為0.02 mm。綜合考慮光源、設備振動等因素，經算法處理后，有效像素為0.5個。實際檢測精度可達：

0.02 mm/像素×0.5,像素=0.01 mm

2.2 檢測功能

（1）組合斷面比對

對于尖軌區域，檢測儀能夠按照標準道岔廓形對檢測出的組合斷面輪廓進行比對。以18號單開道岔為例，檢測儀提供距離尖軌尖2.889 m，6.569 m 及7.304 m 三個位置（即15 mm 斷面、35 mm 斷面、40 mm 斷面）的標準廓形用于比對，同時可計算出對應尖軌降低值。

（2）輪軌接觸分析

輪軌接觸關系是基于檢測獲得的雙軌廓形、軌距及頂面水平數據計算獲得，采用跡線法原理進行輪軌接觸分析。檢測儀提供軌跡線、滾動圓輪徑差、接觸角及等效錐度等指標的計算。其中等效錐度提供簡化法和UIC519-2004 兩種方式的計算結果。

（3）型面綜合評估

檢測儀依據檢測數據，從型面偏差、輪軌接觸狀態、對稱性等多個方面，對被測區段的鋼軌型面進行綜合評估，并支持歷史檢測數據比對。

3 工程實例

3.1 標準斷面鋼軌狀態檢測

以虹封線某區段的檢測為例。設備在15 km/h 速度下，以100 mm 的采樣間隔，高密度的采集廓形數據。將檢測數據與標準60 軌匹配，并進行綜合分析，得到鋼軌磨耗、GQI變化結果，如圖5所示，滿足鋼軌狀態評定要求。

圖5 左、右股GQI隨里程變化圖

3.2 非標準斷面鋼軌廓形檢測

以滬寧城際花橋站1號道岔的檢測為例。該道岔為1/18單開道岔，測量起點位于道岔后第1號軌枕，測量終點位于道岔后第131 號軌枕，測量總長度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三個位置的廓形進行比對，比對時將實測廓形與標準廓形按標準最高點位置對應對齊，最高點以下16 mm 處的工作邊左右對齊計算得出偏差量值。其中，35 mm 斷面的對比情況如圖6所示。

圖6 35斷面廓形對比圖

實測廓形與標準廓形的偏差量如表1所示。

表1 35斷面廓形偏差統計表（單位：mm）

4 結束語

（1）基于機器視覺檢測技術，研制了鋼軌狀態快速綜合檢測儀、道岔鋼軌廓形檢測儀等新型智能化鋼軌檢測設備。

（2）標準斷面鋼軌狀態快速檢測技術實現了對鋼軌垂磨、側磨、GQI、波磨、軌面狀態等多項目的檢測。非標準斷面鋼軌廓形檢測技術實現了對特殊結構鋼軌廓形快速、連續、精確檢測。

（3）基于高密度、高精度、全方位的綜合檢測數據，開發了鋼軌狀態綜合分析系統，能夠自動關聯相關技術標準，一鍵式出具檢測報告，快速反饋檢測結果。