鋼軌全斷面廓形檢測系統在城市軌道交通鋼軌磨耗動態檢測中的應用

鐘聲標 梁 濤 王 寧 程志全 王勝春

(1.廣州地鐵集團有限公司, 510330, 廣州; 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所,100081, 北京∥第一作者, 高級工程師)

城市軌道交通線路具有小半徑曲線數量多和列車高密度運營的特點,由此引起的鋼軌磨耗發展迅速且問題突出。傳統的人工測量手段作業效率低下且人力成本高,利用鋼軌全斷面廓形檢測系統實現其磨耗的快速、精準、動態檢測已成為線路檢測部門最為關心的問題之一[1]。

鋼軌磨耗動態檢測需在動態復雜行車條件下實現對鋼軌輪廓的測量。在動態行車環境下采集鋼軌廓形數據時,受到檢測車晃動、異常反光和異物遮擋等諸多因素的影響,鋼軌磨耗測量精度受限,系統穩定性不能保障。針對廣州某地鐵線路的特點,為解決列車晃動、異常反光及異物遮擋等復雜干擾問題,實現鋼軌磨耗的精準測量,對該線路WG03、WG05、WG07型網軌檢測車鋼軌全斷面廓形檢測系統的軟件與硬件進行了優化,并對鋼軌磨耗現場檢測的準確性與重復性進行了驗證。

1 鋼軌全斷面廓形檢測系統的測量原理

鋼軌全斷面廓形檢測系統可利用激光發射器生成具有特定形狀的光場,與被測物體相交形成三維輪廓斷面,經圖像傳感器采集得到物體的激光條紋圖像,再經圖像處理分析后得到物體表面的輪廓空間坐標信息,實現鋼軌全斷面廓形的無接觸高精度檢測[2-3]。鋼軌全斷面廓形檢測系統的測量原理如圖1所示。

圖1 鋼軌全斷面廓形檢測系統的測量原理

采用線結構光視覺傳感裝置掃描鋼軌斷面生成鋼軌的廓形光條圖像。對圖像進行細化操作,進一步提取光條的中心線。通過坐標變換將2個輪廓半斷面合成為1個全斷面廓形。具體操作方法是:根據預先標定好的激光攝像組件的參數矩陣,將提取的光條中心線的二維圖像坐標轉換為三維物理坐標,即得到鋼軌截面的真實三維輪廓。基于ICP(迭代最近點法),以標準廓形點集作為目標點集,將目標點集按照可能發生磨耗的概率進行加權,將測量廓形與目標廓形進行最優匹配,實現三維鋼軌測量輪廓與標準設計輪廓統一到同一空間坐標系下的比對,計算測量點與對應標準軌上匹配基準點之間的歐氏距離,得到鋼軌輪廓上各點的磨耗值。

2 鋼軌全斷面廓形檢測系統的優化設計

在硬件設計上,創新研制了多點部署的高動態CMOS(互補金屬氧化物半導體)成像設備,實現了激光圖像的抗雜光、高保真采集。同時,采用450幀/s的高速圖像采集卡實現了鋼軌輪廓激光條紋圖像的高速獲取,并設計了車載數據預處理單元,保證了鋼軌全斷面廓形檢測系統檢測的實時性。

鋼軌全斷面廓形檢測系統的算法提出了基于邊界連通分析和深度神經網絡的圖像分割等創新算法,降低了目標輪廓測量時受列車晃動、廓形變化、反光、污損等干擾的影響[4-5];使用卷積神經網絡模型針對不同類型的鋼軌斷面廓形進行識別,利用模板匹配驅動的時空上下文視覺跟蹤算法實現軌腰激光條紋的快速追蹤,有效解決了列車通過道岔時的廓形測量問題[6-7],實現了多類廓形激光條紋的準確定位和追蹤;設計了基于邊界連通分析和深度神經網絡的圖像分割算法,實現了對于激光條紋的高精度圖像分割,其中深度神經網絡的輸入、輸出分別是激光條紋圖像和條紋邊界線位置;針對激光條紋圖像的特點,定制設計了深度神經網絡模型結構,并在構建訓練數據集時加入人工模擬噪聲,以期在保證效率的同時可以應對圖像上由于反光、污損和異物遮擋等造成的干擾以及列車晃動的影響[8];在此基礎上,設計了基于分段平滑與無縫拼接的方法,實現了光條中心線的高精度提取[9];利用基于截斷殘差直方圖的多項式擬合方法尋找廓形最優擬合曲線,降低了噪聲對輪廓擬合的影響;針對擬合曲線的曲率分布特征提出了基于動態窗口的最大曲率熵區間搜索算法,實現了鋼軌廓形特征區域的分割,最終以特征區域為基準實現測量輪廓與標準設計輪廓的對齊配準[10]。

3 鋼軌全斷面廓形檢測系統中的軟件開發

3.1 鋼軌全斷面廓形采集軟件

鋼軌全斷面廓形采集軟件運行在Windows操作系統上,其軟件系統結構由基礎層、業務邏輯層和展示層組成。鋼軌全斷面廓形采集軟件界面如圖2所示。

圖2 鋼軌全斷面廓形采集軟件界面截圖

該軟件基于MFC(微軟基礎類庫)框架開發,系統底層以C++為基礎,依賴框架的各類基礎控件,構建系統界面;業務邏輯層集成了硬件設備檢測、硬件參數設置、原始圖像解析、鋼軌廓形實時存儲、相機參數解算、位移計算和結果輸出等功能;展示層具備原始圖像還原和參數設置等功能。

3.2 鋼軌全斷面廓形數據分析軟件

鋼軌全斷面廓形數據分析軟件用于鋼軌廓形檢測數據的綜合分析展示。該系統可集成各類鋼軌廓形算法,自動識別多項超限信息,增加波形自動對齊算法實現波形對比分析,實現鋼軌健康狀態的可視化展示。鋼軌全斷面廓形數據分析軟件總體架構如圖3所示。

圖3 鋼軌全斷面廓形數據分析軟件總體架構

該軟件基于Qt框架開發,系統底層以Qt框架為基礎,依賴框架的各類基礎控件,構建系統界面;在業務邏輯層集成檢測文件加載解析、鋼軌廓形算法集成、超限數據管理及報表功能等;在展示層進行波形、廓形、超限數據的具體展示及相關用戶交互操作。鋼軌全斷面廓形數據分析軟件界面如圖4所示。

圖4 鋼軌全斷面廓形數據分析軟件界面截圖

鋼軌全斷面廓形數據分析軟件功能包括:波形展示、廓形展示、超限計算與管理、報表管理及鋼軌磨耗分析與展示五部分功能。

1) 波形展示。波形展示包含通道設置、顯示比例設置和波形操作等相關功能。其中:通道設置具有設置系統波形區域通道是否顯示以及通道配色等相關功能;顯示比例設置實現了波形區域內相應里程范圍大小的顯示;波形播放功能實現了檢測數據在波形區域內的自動播放,波形定位功能實現了檢測文件內波形按里程的快速定位和展示,以及指定里程范圍內波形數據的顯示。

2) 廓形數據展示。廓形數據展示實現了指定里程位置左軌和右軌鋼軌廓形的展示,標準軌數據展示實現了本次檢測線路鋼軌標準形狀數據的展示。

3) 超限計算與管理。超限數據展示實現了本檢測文件中根據超限算法解析出來的超限數據的界面展示;超限數據操作實現了對超限數據有效或無效的判別;超限數據聯動實現了雙擊列表內某一超限數據時,波形區域和廓形區域內相關里程的切換和相關數據的展示。

4) 報表管理。波形數據導出用于將波形區域內的數據導出為Excel;廓形數據導出實現了當前里程位置左、右軌的鋼軌廓形數據導出為Excel的操作;超限數據導出實現了將超限數據導出為Word、PDF等的相關操作。匯總報表導出實現了按照檢測報告模板進行Word、PDF格式導出的操作。

5) 鋼軌磨耗分析與展示。實現了磨耗測量算法的集成與展示,并根據線路里程位置實現了鋼軌磨耗檢測結果與廓形可視化圖形的聯動。

4 鋼軌磨耗動態檢測試驗

廣州地鐵在WG03、WG05、WG07型網軌檢測車上布置安裝了鋼軌全斷面廓形檢測系統,以定期對線路鋼軌廓形進行檢測。基于獲得的鋼軌高精度廓形,行車設備維保部門可分析輪軌匹配狀態、鋼軌服役狀態,以及鋼軌磨耗發展趨勢,從而制定相應的換軌和鋼軌打磨等維護方案。

對廣州地鐵1、2、3、4、5、8、14號線共計22段不同曲線半徑、不同鋼軌磨耗程度的曲線段的鋼軌磨耗采用測量尺進行人工測量,對比鋼軌全斷面廓形檢測系統所測量的磨耗值,共計2 100組數據(測量位置間隔為1 m ),后者鋼軌磨耗測量值與前者鋼軌磨耗測量值的平均誤差為0.42 mm。鋼軌全斷面廓形檢測系統的磨耗測量值整體上與現場磨耗實測值一致,這對于監測鋼軌磨耗峰值意義較大。

4.1 鋼軌磨耗檢測準確性分析

以廣州地鐵1號線芳村站—黃沙站區間為例,現場以1 m為間隔,共采集101處實測磨耗值。將其與當日檢測車采集的鋼軌軌廓數據分析結果進行對比。

4.1.1 鋼軌側磨對比分析

鋼軌側磨-里程關系曲線如圖5所示。由圖5可見:鋼軌側磨的現場測量結果與鋼軌全斷面廓形檢測系統的檢測結果趨勢完全一致,且重復性較好。其中:鋼軌側磨最大差值為1.37 mm,對應里程為K4+228,此處鋼軌側磨值為7.88 mm;鋼軌側磨最小差值為0,平均差值為0.23 mm。

圖5 鋼軌側磨-里程關系曲線

鋼軌側磨最大差值位置的廓形如圖6所示。該位置的鋼軌側磨系統檢測值為6.51 mm,此處鋼軌側磨差值較大并非表明全斷面廓形檢測系統的檢測結果錯誤,究其原因主要是現場測量和鋼軌全斷面廓形檢測系統檢測時的被測對象并非完全一致,存在部分位置偏差。由此可見,鋼軌全斷面廓形檢測系統檢測的鋼軌側磨精度能夠滿足現場準確性要求。

圖6 鋼軌側磨最大差值位置的廓形

4.1.2 鋼軌垂磨對比分析

鋼軌垂磨-里程關系曲線如圖7所示。由圖7可見:鋼軌垂磨的現場測量結果與鋼軌全斷面廓形檢測系統的檢測結果趨勢基本一致。其中:鋼軌垂磨最大差值為1.34 mm,其對應的線路里程為K4+264,此處鋼軌垂磨值為2.31 mm;鋼軌垂磨最小差值為0.007 10 mm,平均差值為0.22 mm。

圖7 鋼軌垂磨-里程關系曲線

鋼軌垂磨最大差值位置的廓形如圖8所示。該位置的鋼軌垂磨系統檢測值為0.97 mm,該差異原因與第4.1.1節類似,考慮為被測位置略有差異,鋼軌廓形匹配無異常,鋼軌垂磨檢測結果可靠。由此可見,鋼軌全斷面廓形檢測系統檢測的鋼軌垂磨精度能夠滿足準確性要求。

圖8 鋼軌垂磨最大差值位置的廓形

4.2 鋼軌磨耗檢測重復性對比分析

選取2023年不同時間段采集的鋼軌同一位置的磨耗數據進行重復性對比。鋼軌側磨重復性對比見圖9。鋼軌垂磨重復性對比見圖10。由圖9—圖10可見,該系統具備了較高的檢測重復性。

圖9 鋼軌側磨重復性對比

圖10 鋼軌垂磨重復性對比

5 結語

鋼軌全斷面廓形檢測系統在廣州地鐵1、2、3、4、5、8、14號線不同磨耗鋼軌、不同半徑曲線線路上得到充分應用。經驗證,該系統對鋼軌磨耗測量的準確性和重復性滿足現場使用要求,并與現場磨耗趨勢一致,測量結果精確可靠,已在城市軌道交通線網內逐步推廣應用。鋼軌全斷面廓形檢測系統在鋼軌磨耗動態檢測中的推廣應用,實現了鋼軌磨耗的高速、高精度測量,優化了傳統人工測量,是廣州軌道交通智慧測量的一大進步。