王 健，胥燕軍，汪 力，王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

機(jī)器視覺在鋼軌磨耗檢測中的應(yīng)用研究

王 健，胥燕軍，汪 力，王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，鋼軌磨耗測量對保障鐵路運(yùn)輸安全越來越重要，機(jī)器視覺技術(shù)作為一種非接觸式的測量手段，可以對鋼軌狀態(tài)進(jìn)行快速、精確、連續(xù)測量，大大提高了鋼軌磨耗檢測的效率。介紹機(jī)器視覺的概念、主要組成部分、工作原理以及工作特點(diǎn)，對其在鋼軌磨耗測量中的國內(nèi)外應(yīng)用狀況進(jìn)行分析和總結(jié)，并對其檢測方式做出了分類和比較，得出機(jī)器視覺技術(shù)相對于傳統(tǒng)鋼軌磨耗測量方式的優(yōu)越性。機(jī)器視覺以其快速獲取大量信息、易于自動處理、檢測結(jié)果可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，越來越受到國內(nèi)鐵路科研單位的重視?？梢灶A(yù)見，隨著機(jī)器視覺技術(shù)的日益成熟和發(fā)展，其在包括鋼軌磨耗測量在內(nèi)的軌道狀態(tài)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛。

鋼軌；機(jī)器視覺；磨耗；測量

鋼軌作為軌道交通系統(tǒng)中重要的組成部分，在鐵路運(yùn)輸中起著至關(guān)重要的作用。隨著鐵路運(yùn)輸?shù)拇罅Πl(fā)展，列車的高速、重載、高密度運(yùn)行對鋼軌的損害越來越嚴(yán)重。鋼軌質(zhì)量參數(shù)包括鋼軌斷面磨耗和軌道不平順等方面，其中鋼軌斷面磨耗是鋼軌損害的主要方面[1]。鋼軌磨耗一方面加速了機(jī)車車輪的磨損，增加了軌距，另一方面會增加與機(jī)車車輪踏面的接觸面積，使運(yùn)行阻力增大。當(dāng)磨損超過一定限度時(shí)，軌頭斷面與車輪踏面失去匹配，將嚴(yán)重影響高速鐵路行車平穩(wěn)性，對行車安全造成極大的危害[1]。

目前，國內(nèi)普遍使用接觸式的靜態(tài)檢測方法對鋼軌斷面進(jìn)行磨耗測量，比如機(jī)械式的游標(biāo)卡尺和miniprof等。這種方法需要對鋼軌斷面逐個(gè)進(jìn)行靜態(tài)檢測，作業(yè)時(shí)間長，工作強(qiáng)度大，危險(xiǎn)性也高。隨著列車速度的不斷提高以及高速鐵路的快速發(fā)展，這種檢測方式已不能滿足快速、高密度行車的需要。隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺作為一種非接觸式的測量手段日趨成熟，并在眾多領(lǐng)域中得到成功應(yīng)用。目前，國內(nèi)外鐵路科研單位也正在積極地加大對機(jī)器視覺檢測產(chǎn)品的投入。

1 機(jī)器視覺

1.1 機(jī)器視覺概念

機(jī)器視覺綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù)，是一門涉及人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、心理物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理、模式識別等諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科[2]。機(jī)器視覺主要是用計(jì)算機(jī)來代替人的視覺，將客觀事物轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，經(jīng)過編制好的圖像處理軟件實(shí)現(xiàn)對客觀事物的測量、檢測和識別。美國制造工程師協(xié)會(SME，Society of Manufacturing Engineers)機(jī)器視覺分會和美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(RIA，Robotic Industries Association)的自動化視覺分會對機(jī)器視覺的定義：“機(jī)器視覺是通過光學(xué)、非接觸的傳感器自動地獲取和解釋處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲取所需要的信息或用于控制機(jī)器運(yùn)動或過程”[3]。

1.2 機(jī)器視覺系統(tǒng)組成及工作原理

一個(gè)典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)應(yīng)包括圖像采集、圖像處理、圖像分析等步驟[4]，所以該系統(tǒng)應(yīng)該包括光源、光學(xué)鏡頭、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、圖像處理系統(tǒng)(或平臺)、機(jī)器視覺軟件模塊、輸入輸出和控制執(zhí)行模塊等部件[3]，如圖1所示。

圖1 典型機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)組成

機(jī)器視覺的工作原理為：在光源的照射下，CCD相機(jī)獲取視場范圍內(nèi)目標(biāo)物體的圖像信息，并將光線變?yōu)殡娦盘?，然后將電信號傳輸?shù)綀D像采集卡中。圖像采集卡的作用是將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號即完成A/D轉(zhuǎn)化。經(jīng)圖像采集卡轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號傳入圖像處理系統(tǒng)中，經(jīng)過圖像灰度化、圖像二值化、圖像去噪、圖像標(biāo)定等一系列的處理，得到目標(biāo)物體的位置、方位、輪廓細(xì)節(jié)等信息，最終在輸出設(shè)備中完成顯示、打印等功能。

機(jī)器視覺屬于非接觸式的測量方式，與被檢測物體無接觸，檢測過程客觀，避免了人工檢測中人為的客觀因素的影響，檢測結(jié)果可靠性高。同時(shí)，機(jī)器視覺可以快速地獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)。

2 機(jī)器視覺在鋼軌磨耗測量中的應(yīng)用狀況

隨著機(jī)器視覺技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，國外對采用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行鋼軌磨耗測量進(jìn)行了大量研究并取得了許多階段性的研究成果和實(shí)際產(chǎn)品。許多發(fā)達(dá)國家的軌檢車或打磨車中都集成了基于機(jī)器視覺的鋼軌磨耗自動檢測系統(tǒng)，從某些程度上降低了人工測量的風(fēng)險(xiǎn)和成本，提高了檢測的效率，而且還在不斷加大相關(guān)科研的投入。國內(nèi)對于這方面的研究起步相對較晚，但發(fā)展很快，一些高校和科研單位已經(jīng)取得了一定的理論研究成果并在逐步的形成產(chǎn)品，但相對國外仍有一定的差距。

2.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

(1)美國KLD Labs公司的ORIAN(光學(xué)鋼軌檢查和分析)系統(tǒng)

ORAIN系統(tǒng)屬于車載式的鋼軌廓形實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)安裝在軌檢車下方，時(shí)速最高可達(dá)175 mile，能夠測量整個(gè)鋼軌斷面輪廓，即從鋼軌的頂面到底面[5]。該系統(tǒng)采用了最新的激光和成像技術(shù)，能夠測量鋼軌高度、軌頭垂直磨耗、側(cè)面磨耗以及導(dǎo)軌寬度和軌底角。安裝在軌檢車內(nèi)的中央計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備可以實(shí)時(shí)地獲取和顯示測量數(shù)據(jù)并能夠生成打磨指導(dǎo)報(bào)告。此外，該系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸至站點(diǎn)，以使數(shù)據(jù)能夠重放和分析。其工作原理如圖3所示。

圖2 ORAIN鋼軌廓形測量系統(tǒng)

圖3 ORAIN系統(tǒng)工作原理

(2)美國Beena Vision生產(chǎn)的TrackView-Profile系統(tǒng)

TrackView-Profile系統(tǒng)(圖4)是一套車載式的軌道和鋼軌廓形以及軌道幾何形位檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在鐵路車輛上，最高檢測速度可達(dá)128.8 km/h。該系統(tǒng)使用了高功率的可見激光作為照明，不論白天或晚上都能獲得較好的檢測結(jié)果。系統(tǒng)不僅可以測量鋼軌斷面數(shù)據(jù)和斷面參數(shù)，而且可以得到軌底坡和軌距大小，并能夠?qū)崟r(shí)的生成檢測報(bào)告和對磨耗超限進(jìn)行報(bào)警。

TrackView-Profile測得的主要參數(shù)如下：鋼軌斷面；軌底坡；鋼軌高度；軌頭寬度；軌頭磨耗百分比；鋼軌質(zhì)量；垂直磨耗、45°磨耗和總磨耗；軌距；軌道水平。

圖4 TrackView-Profile系統(tǒng)

(3)意大利MERMEC公司的RPS(Rail Profile System)和TecnoRail RPS系統(tǒng)(圖5)可以安裝在任何一輛鐵路車輛上，最高檢測速度可達(dá)350 km/h，能夠在列車行駛時(shí)準(zhǔn)確快速地測量整個(gè)鋼軌頭部的輪廓信息，并通過與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌曲線的對比計(jì)算出軌頭的關(guān)鍵參數(shù)和磨耗量。該系統(tǒng)帶有一個(gè)能對所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析的車載軟件，可以在車上或辦公室內(nèi)很方便地獲取鋼軌磨耗分析報(bào)告和質(zhì)量指數(shù)報(bào)告。

圖5 MERMER公司的RPS系統(tǒng)

TecnoRail是MERMEC公司生產(chǎn)的基于機(jī)器視覺技術(shù)的便攜式鋼軌磨耗測量設(shè)備，如圖6所示。該設(shè)備帶有一塊大的液晶顯示屏，可以實(shí)時(shí)地顯示出測量區(qū)域的鋼軌廓形和磨耗值。同時(shí)，該設(shè)備還可根據(jù)需要用于測量軌距和超高值。

圖6 TecnoRail

(4)瑞士ELAG公司的Railmonitor

Railmomitor是ELAG公司生產(chǎn)的便攜式鋼軌和道岔檢測儀，如圖7所示。該儀器測量分辨率為0.02 mm，測量精度可達(dá)±0.05 mm，測量時(shí)間小于9 s，集路軌、槽軌與岔道檢測于一體。檢測結(jié)果及時(shí)顯示并存儲于CF卡上，可快速將數(shù)據(jù)傳送到電腦進(jìn)行分析。

圖7 Railmonitor鋼軌輪廓測量系統(tǒng)

2.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

(1)深圳真尚有公司生產(chǎn)的鋼軌磨耗測量儀

如圖8所示，該儀器采用激光二維掃描傳感器和激光位移傳感器，可以對車輪輪廓和鋼軌輪廓進(jìn)行動態(tài)二維掃描測量。相對于一維點(diǎn)激光測量，該儀器可以快速地掃描鋼軌的整個(gè)剖面，而不是有限的幾個(gè)點(diǎn)，能夠全面、精確的反應(yīng)鋼軌斷面的輪廓情況。

該儀器在檢測車每側(cè)軌道上方安裝5～7個(gè)激光位移傳感器，最高速度可以達(dá)到128 km/h，采樣頻率為20 cm，測量精度可達(dá)±0.05 mm。

圖8 真尚有公司生產(chǎn)的鋼軌磨耗測量儀

(2)武漢理工大學(xué)研發(fā)的便攜式鋼軌磨耗測量系統(tǒng)

武漢鐵路局武漢大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段與武漢理工大學(xué)在2011年鐵道部專項(xiàng)課題支持下，開發(fā)了基于機(jī)器視覺的便攜式鋼軌磨耗非接觸測量系統(tǒng)[6]，如圖9所示。該系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確的檢測鋼軌磨損的實(shí)際情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。此外，該系統(tǒng)能結(jié)合PGM-96C型鋼軌打磨車自身參數(shù)和工作特點(diǎn)，采用基于專家的專業(yè)知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的控制算法，自動為PGM-96C型鋼軌打磨車生成最佳打磨控制決策[6]。

圖9 武漢理工大學(xué)開發(fā)的便攜式鋼軌磨耗測量系統(tǒng)

(3)北京鐵科英邁公司研發(fā)的鋼軌輪廓檢測系統(tǒng)

該系統(tǒng)為采用激光攝像和圖像處理技術(shù)及全新圖像處理算法的車載式鋼軌輪廓檢測系統(tǒng)，每股鋼軌兩側(cè)分別有一個(gè)攝像機(jī)同時(shí)拍攝，可實(shí)現(xiàn)速度160 km/h狀態(tài)下的鋼軌磨耗和軌底坡的動態(tài)檢測，如圖10所示。該系統(tǒng)采樣間隔為1 m，可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。磨耗測量精度為0.2 mm，軌底坡測量范圍為±1/10 rad，測量精度為1/320 rad。系統(tǒng)操作界面如圖11所示。

圖10 鋼軌輪廓采集系統(tǒng)

圖11 系統(tǒng)操作界面

目前該系統(tǒng)已在神華準(zhǔn)能大準(zhǔn)軌道檢查車，塑黃綜合檢測列車，北京、上海等10個(gè)鐵路局鋼軌探傷車得到應(yīng)用。

3 結(jié)論與展望

目前，基于機(jī)器視覺原理的鋼軌磨耗測量方式主要向兩個(gè)方向發(fā)展：一是車載式的測量方式，這種檢測方法將磨耗檢測設(shè)備集成于軌檢車或鋼軌打磨車上，檢測速度快，適合于高速鐵路和大范圍線路巡檢；另一種是便攜式測量方式，這種方式設(shè)備簡單，易于攜帶，靈活性較強(qiáng)，采樣間隔相對較小，適合于磨耗檢校和小范圍內(nèi)測量。

隨著我國高速鐵路和重載鐵路的發(fā)展，鋼軌磨耗問題日益凸顯，磨耗測量的快速、準(zhǔn)確性也越來越受到關(guān)注。機(jī)器視覺以其快速獲取大量信息、易于自動處理、檢測結(jié)果可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)越來越受到國內(nèi)鐵路科研單位的重視。

可以預(yù)見，隨著機(jī)器視覺技術(shù)的日益成熟和發(fā)展，其在包括鋼軌磨耗測量在內(nèi)的軌道狀態(tài)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛。

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The application Research of Machine Vision in Rail Wear Detection

WANG Jian， XU Yan-jun， WANG Li， WANG Ping

(MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu， 610031，China)

With the rapid development of railway transport， the rail wear measurement has becoming increasingly important to guarantee the safety of railway transportation. Machine vision technology， as a means of non-contact measurement， identifies fast， accurately and continuously the state of rail， and greatly improves the rail wear detection efficiency. This paper introduces the concept of machine vision， the main component of its working principle and operational characteristics. It analyzes and summarizes its application in rail wear measurement at home and abroad， and classifies and compares the detection methods， and points out the superiority of machine vision. Compared with conventional rail wear measurement， the quick access to large amounts of information， easy automatic processing， and reliable test results and other advantages provided by machine vision technology， have attracted more and more attention from railway research institutes. It can be predicted that with the development of the machine vision technology， it will be extensively used in track condition detection， including rail wear measurement．

Rail; Machine vision; Wear; Measurement

2013-12-02；

：2013-12-23

四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011GZ0241)；國家自然科學(xué)基金委高鐵聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1234201)

王 健(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：534447262@qq.com。

1004-2954(2014)09-0036-04

U213.4+2

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.009