CN105115976B - 一种铁轨磨耗缺陷检测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁轨磨耗缺陷检测***及方法，涉及磨耗检测领域。旨在实现测量精度高、作业效率高、对环境的适应能力强的铁轨磨耗缺陷检测***及方法。本发明的***安装在轨检车上用于对待检测路段的铁轨进行缺陷检测，在待检测路段设置有复数个节点，每一节点对应一标准三维模型；采用结构光传感器对铁轨表面建立三维重建，通过处理单元对结构光传感器获得的三维点云与相应的标准三维模型进行对比，检测以获得铁轨的绝对磨耗量，并对缺陷区域进行标记；同时通过处理单元对所有的三维点云进行拼接获得完整三维云图，对环境的适应能力强。在铁轨磨耗缺陷检测方法具有测量精度高、成本低廉的优点。

Description

一种铁轨磨耗缺陷检测***及方法

技术领域

本发明涉及磨耗检测领域，尤其涉及一种铁轨磨耗缺陷检测***及方法。

背景技术

现有的铁轨磨耗量测量技术包括接触式和非接触式测量两种。接触式测量即检测过程在检测设备与钢轨相对静止的情况下进行。

接触式测量可分为机械测量与电子测量两类。机械测量采用机械设备(如游标卡尺等)实现手工接触式测量，德国RM1200波形磨损检测设备就是典型的机械设备。这类方法虽然操作简单，成本低廉，但其作业效率低，劳动强度大。电子测量采用传感器(如光电传感器或位移传感器)为媒介间接测量铁轨的磨耗情况，丹麦的Miniprof***。为典型的传感器，这类方法测量精度较高，但是测量速度一般，且造价昂贵。

非接触式测量包括激光探测、电涡流、漏磁检测以及红外线检测等。

激光探测技术通过激光器发射一个激光束到铁轨表面，并利用传感器接收铁轨表面反射回来的激光束，通过检测反射回来的激光束的振幅以得到铁轨的磨耗信息。该技术存在显著的局限性，其分辨率较低，不能检测长度小于4毫米的铁轨缺陷，同时对铁轨表面破裂的检测能力有限。

电涡流检测技术是利用带有交变电流的激励线圈靠近铁轨，铁轨会因此产生旋涡状的感应交变电流(即涡流)，该涡流的分布和大小与铁轨电导率以及表面缺陷等密切相关。采用检测器检测线圈中的阻抗变化便可获得铁轨涡流分布与大小，进而推导出铁轨的磨耗信息。该技术对震动的鲁棒性很差，稍有震动就会使得检测效果变差，因此目前还难以采用此技术实现铁轨磨耗量的定量检测。

漏磁检测技术首先磁化待检测铁轨，在检测时，若铁轨内存在缺陷则会引起铁轨局部区域的磁阻增加从而产生一个扩散漏磁场，采用磁敏感元件检测漏磁场从而可以检测到铁轨的缺陷。该技术检测效率较低，一般要求轨检车速度不超过35km/h。此外，该技术只能检测个别种类的缺陷(如横向裂纹)，但对于腐蚀和剥落等磨耗难以检测出来。

红外线检测技术首先通过高频感应线圈在钢轨表面产生感应电流，铁轨表面的磨耗会导致不同区域消耗的电能产生差异，进而使得铁轨表面局部温度上升值产生差异。采用红外线检测器检测局部温度升温值进而可以解算出铁轨局部表面的磨耗及缺陷。该技术一般用于热轧板等平直型钢板表面缺陷的检测，但由于实际的铁轨表面通常并不平整，因此该技术难以适用于铁轨的实时在线测量。

发明内容

针对现有的铁轨磨耗量测量技术存在的上述问题，现提供一种旨在实现测量精度高、作业效率高、对环境的适应能力强的铁轨磨耗缺陷检测***及方法。

具体技术方案如下：

一种铁轨磨耗缺陷检测***，安装在轨检车上用于对待检测路段的铁轨进行缺陷检测，所述待检测路段设置有复数个节点，每一节点对应一标准三维模型；包括：

一结构光传感器，用于在所述节点对所述铁轨建立三维点云以进行成像；

一处理单元，连接所述结构光传感器，将与所述节点对应的所述三维点云与相应的所述标准三维模型进行对比，获取铁轨上的绝对磨耗量，并对缺陷区域进行标记；

所述处理单元沿着轨检车的行驶路径依次对相邻的所述节点对应的所述三维点云进行拼接，以获取所述待检测路段的所述铁轨的完整三维云图。

优选的，还包括：

一里程测量单元，分别连接所述结构光传感器和所述处理单元，用于测量相邻两个所述节点之间所述轨检车的行驶的距离；

所述处理单元将所述距离作为相邻两个所述节点对应的三维点云拼接的初值，对相邻两次成像对应的三维点云进行拼接。

优选的，所述结构光传感器包括：

一结构光投影模块，用以将光栅图像投射至所述节点所在的所述铁轨上；

一摄像模块，用以拍摄发生形变后的所述光栅图像。

优选的，所述处理单元采用点云精配准算法对相邻所述节点对应的所述三维点云进行拼接配准。

一种铁轨磨耗缺陷检测方法，应用于所述的铁轨磨耗缺陷检测***，所述铁轨磨耗缺陷检测方法包括：

S1.在所述节点对所述铁轨建立三维点云以进行成像；

S2.将与所述节点对应的所述三维点云与相应的所述标准三维模型进行对比，获取铁轨上的绝对磨耗量，并对缺陷区域进行标记；

S3.沿着轨检车的行驶路径依次对相邻的所述节点对应的所述三维点云进行拼接，以获取所述待检测路段的所述铁轨的完整三维云图。

优选的，所述步骤S2中还包括：测量相邻两个所述节点之间所述轨检车的行驶的距离，将所述距离作为相邻两个所述节点对应的三维点云拼接的初值，对相邻两次成像对应的三维点云进行拼接。

优选的，所述步骤S1的具体过程为：将光栅图像投射至所述节点所在的所述铁轨上，拍摄发生形变后的所述光栅图像。

优选的，在所述S2中，采用点云精配准算法对相邻所述节点对应的所述三维点云进行拼接配准。

上述技术方案的有益效果：

本技术方案中，在铁轨磨耗缺陷检测***中采用结构光传感器对铁轨表面建立三维重建，通过处理单元对结构光传感器获得的三维点云检测以获得铁轨的绝对磨耗量，测量精度高且作业效率高；同时通过处理单元对所有的三维点云进行拼接获得完整三维云图，对环境的适应能力强。在铁轨磨耗缺陷检测方法具有测量精度高、成本低廉的优点。

附图说明

图1为本发明所述的铁轨磨耗缺陷检测***的一种实施例的模块图；

图2为本发明所述的铁轨磨耗缺陷检测***的另一种实施例的模块图；

图3为本发明所述的铁轨磨耗缺陷检测方法的一种实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，一种铁轨磨耗缺陷检测***，安装在轨检车上用于对待检测路段的铁轨进行缺陷检测，待检测路段设置有复数个节点，每一节点对应一标准三维模型；包括：

一结构光传感器，用于在节点对铁轨建立三维点云以进行成像；

一处理单元，连接结构光传感器，将与节点对应的三维点云与相应的标准三维模型进行对比，获取铁轨上的绝对磨耗量，并对缺陷区域进行标记；

处理单元沿着轨检车的行驶路径依次对相邻的节点对应的三维点云进行拼接，以获取待检测路段的铁轨的完整三维云图。

在本实施例中，在铁轨磨耗缺陷检测***中采用结构光传感器对铁轨表面建立三维重建，通过处理单元对结构光传感器获得的三维点云检测以获得铁轨的绝对磨耗量，测量精度高、作业效率高且成本低；同时通过处理单元对所有的三维点云进行拼接获得完整三维云图，对环境的适应能力强。

由于结构光传感器视场的限制，一次测量只能获得一个局部铁轨路段的三维点云。因此，若实现对全路段铁轨的测量，需要将轨检车在铁轨上按一定速度运行，并控制成像速率。成像速率可根据轨检车运行速度和结构光传感器的成像视场大小综合确定，从而确保每两次成像之间存在一定的重合度，以保证检测***能有效地实现对全路段铁轨的检测。

在优选的实施例中，如图2所示，还包括：

一里程测量单元，分别连接结构光传感器和处理单元，用于测量相邻两个节点之间轨检车的行驶的距离；

处理单元将距离作为相邻两个节点对应的三维点云拼接的初值，对相邻两次成像对应的三维点云进行拼接。

进一步地，里程测量单元可采用旋转编码器以及惯性测量单元等。

在本实施例中，可将里程测量单元安装于轨检车车轮上，以测量相邻两次成像之间轨检车的移动距离，并将该距离发送至处理单元，作为相邻两次测量得到的铁轨三维点云拼接所需的初值。

在优选的实施例中，结构光传感器包括：

一结构光投影模块，用以将光栅图像投射至节点所在的铁轨上；

一摄像模块，用以拍摄发生形变后的光栅图像。

进一步地，摄像模块可采用CCD摄像机。

在本实施例中，在待测量路段上，采用安装在轨检车上的结构光传感器实现铁轨路面的三维重建。该结构光传感器包含一个结构光投影模块和一个CCD摄像机。结构光投影模块将已完成编码的光栅图像(结构光)投射到铁轨上，由于铁轨表面的形状变化，本来均匀分布的光栅图像会发生形变，该形变调制了铁轨的表面形状信息。进而采用CCD摄像机拍摄到发生形变后的光栅图像，采用处理单元将形变后的光栅图像与原始参考光栅图像进行对比，从而解算出铁轨的表面形状信息，获得反映铁轨表面形状的三维点云,即密集点坐标。

在优选的实施例中，处理单元采用点云精配准算法对相邻节点对应的三维点云进行拼接配准。

在本实施例中，采用点云精配准算法实现相邻点云之间的精配准，点云精配准算法如采用迭代最近点算法。在轨检车行进的过程中完成所有节点对应的三维点云之间的配准，从而得到了测量路段铁轨的一个完整三维云图。

如图3所示，一种铁轨磨耗缺陷检测方法，应用于的铁轨磨耗缺陷检测***，铁轨磨耗缺陷检测方法包括：

S1.在节点对铁轨建立三维点云以进行成像；

S2.将与节点对应的三维点云与相应的标准三维模型进行对比，获取铁轨上的绝对磨耗量，并对缺陷区域进行标记；

将三维点云与三维模型进行比对，可以计算出测量段铁轨在每一个位置上的绝对磨耗量、计算出铁轨不同位置间的磨耗差异，并得到铁轨上的缺陷区域。对于每一个区域，可以采用模式识别的方法识别出该处的缺陷类型以及缺陷的破损强度，如基于机器学习的分类器；

S3.沿着轨检车的行驶路径依次对相邻的节点对应的三维点云进行拼接，以获取待检测路段的铁轨的完整三维云图。

在优选的实施例中，步骤S2中还包括：测量相邻两个节点之间轨检车的行驶的距离，将距离作为相邻两个节点对应的三维点云拼接的初值，对相邻两次成像对应的三维点云进行拼接。

在优选的实施例中，步骤S1的具体过程为：将光栅图像投射至节点所在的铁轨上，拍摄发生形变后的光栅图像。

在优选的实施例中，在S2中，采用点云精配准算法对相邻节点对应的三维点云进行拼接配准。

点云精配准算法如采用迭代最近点算法实现。

本发明可在轨检车行进过程中在线实时完成铁轨磨耗与缺陷的检测分析。得到检测分析结果后，将结果传回数据显示中心，可以在监视屏幕上在用三维动画实时显示铁轨的磨耗情况，并标记出缺陷的位置、类型与强度，为监控人员提供决策依据。

本发明的检测***的测量工作流程：当测量命令开始后，***对各个部件进行自检，若***工作正常，则首先由结构光投影模块向铁轨投射编码后的结构光，该结构光遇到铁轨后会发生形变，接着采用CCD摄像模块拍摄铁轨上形变后的光栅图像，并由处理单元依据形变前后的光栅图像解算出该处的铁轨三维点云。得到铁轨三维点云后，计算该处的铁轨磨耗量并分析铁轨缺陷情况，进而利用里程测量单元的信息实现前后帧三维点云的配准，从而得到从测量起始点到当前位置的铁轨完整三维点云，并将三维点云、磨耗信息以及缺陷信息等实时显示和存储。接着，轨检车移动到下一个检测位置，直到所有待检区域的铁轨均测量完为止。当测量***完成了待测路段的数据采集和计算，获得了所需的铁轨磨耗量与缺陷检测的结果后，则一次测量作业结束。由于上述流程可以实时在线处理，因此测量过程中轨检车并不需要停下来测量，可实现边行进边测量。

本发明可以实现对铁轨磨耗量与缺陷的实时在线测量、定位与显示。其优点包括：

1)非接触测量

本发明测量过程不需接触铁轨，不会对测量人员及铁轨产生任何损伤和副作用。

2)自动化程度高

本发明可以有设备全过程实现铁轨磨耗量测量，无需人工干预及标志物。

3)成本低

本发明利用低成本的光学及计算机设备实现，无需在铁轨沿线建设任何测量辅助设施，成本低，可重复使用。

4)长时间连续稳定工作

巡检工人难以对铁轨表面的连续观测，但本发明可实现长时间不间断的连续测量。

5)可工作于恶劣环境

本发明可以工作于人工难以接近的危险及恶劣环境，如高架桥和隧道等危险地段。

6)实时在线测量，作业效率高

本发明在轨检车行进的过程中实现在线的检测、测量与定位，作业效率高，便于及时发现问题解决问题。

7)可检测多种不同的铁轨缺陷

本发明可实现对铁轨表面组块、轨道边缘破损、周期性凹痕、车轮滑转点、绝缘接头、毁坏轨道、紧固件、枕木、压舱物以及岔道等磨耗量的三维测量、磨耗量计算与缺陷分析。

8)可实现实时存储和事后回溯

轨检车行进过程中得到的铁轨三维点云与磨耗缺陷分析结果既可以实时回传到监控中心显示，也可以保存下来用于后续的回溯显示与分析。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种铁轨磨耗缺陷检测***，安装在轨检车上用于对待检测路段的铁轨进行缺陷检测，所述待检测路段设置有复数个节点，每一节点对应一标准三维模型；其特征在于，包括：

一结构光传感器，用于在所述节点对所述铁轨建立三维点云以进行成像；

一处理单元，连接所述结构光传感器，将与所述节点对应的所述三维点云与相应的所述标准三维模型进行对比，获取铁轨上的绝对磨耗量，并对缺陷区域进行标记；

所述处理单元沿着轨检车的行驶路径依次对相邻的所述节点对应的所述三维点云进行拼接，以获取所述待检测路段的所述铁轨的完整三维云图；

一里程测量单元，分别连接所述结构光传感器和所述处理单元，用于测量相邻两个所述节点之间所述轨检车的行驶的距离；

所述处理单元将所述距离作为相邻两个所述节点对应的三维点云拼接的初值，对相邻两次成像对应的三维点云进行拼接。

2.如权利要求1所述的铁轨磨耗缺陷检测***，其特征在于，所述结构光传感器包括：

一结构光投影模块，用以将光栅图像投射至所述节点所在的所述铁轨上；

一摄像模块，用以拍摄发生形变后的所述光栅图像。

3.如权利要求1所述的铁轨磨耗缺陷检测***，其特征在于，所述处理单元采用点云精配准算法对相邻所述节点对应的所述三维点云进行拼接配准。

4.一种铁轨磨耗缺陷检测方法，其特征在于，应用于如权利要求1-3中任意一项所述的铁轨磨耗缺陷检测***，所述铁轨磨耗缺陷检测方法包括：

S1.在所述节点对所述铁轨建立三维点云以进行成像；

S2.将与所述节点对应的所述三维点云与相应的所述标准三维模型进行对比，获取铁轨上的绝对磨耗量，并对缺陷区域进行标记；

S3.沿着轨检车的行驶路径依次对相邻的所述节点对应的所述三维点云进行拼接，以获取所述待检测路段的所述铁轨的完整三维云图。

5.如权利要求4所述的铁轨磨耗缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S2中还包括：测量相邻两个所述节点之间所述轨检车的行驶的距离，将所述距离作为相邻两个所述节点对应的三维点云拼接的初值，对相邻两次成像对应的三维点云进行拼接。

6.如权利要求4所述的铁轨磨耗缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S1的具体过程为：将光栅图像投射至所述节点所在的所述铁轨上，拍摄发生形变后的所述光栅图像。

7.如权利要求5所述的铁轨磨耗缺陷检测方法，其特征在于，在所述S2中，采用点云精配准算法对相邻所述节点对应的所述三维点云进行拼接配准。