CN104359421A - 钢轨轮廓检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢轨轮廓检测系统及检测方法中，手持式三维扫描仪扫描设置有所述检测定位点的被测钢轨，以生成所述被测钢轨的三维模型，数据处理装置根据所述被测钢轨的三维模型获得所述被测钢轨的轮廓及测量分析报告。本发明的钢轨轮廓检测系统运用过程中，携带更轻巧方便，测量更科学精准，可同时检测钢轨的横断面轮廓及纵断面轮廓，分析更直观可靠，降低了人力物力的耗费，提高了工作效率，满足本领域的实际需求。

Description

钢轨轮廓检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种钢轨轮廓检测系统及检测方法。

背景技术

铁路运输是我国运输事业的主要力量，它的发展直接制约着中国经济的发展。随着铁路事业的飞快发展，高速、重载列车运行量的增加，钢轨的磨损也越来越严重。钢轨磨损是钢轨质量参数中重要的一项。钢轨磨损造成钢轨轮廓尺寸变化，恶化了轮轨动力，加大列车运行过程中事故发生的可能性，减少钢轨和机车的使用寿命。铁路网的不断扩大和养护维修需求的增加对钢轨检测提出新的要求。

钢轨轮廓尺寸变化是影响钢轨寿命的主要原因。由于轮轨与钢轨长期接触，导致钢轨发生磨损，造成钢轨轮廓尺寸变化，减少了钢轨金属量，从而减少了钢轨使用寿命。钢轨轮廓尺寸变化，也严重影响机车运行中的平稳性、安全性，也增加了轮轨动力，所以需要及时的对钢轨轮廓尺寸进行检测，保证列车的正常运行。钢轨轮廓尺寸检测可以检测出的钢轨的磨损以及钢轨肥边等问题，其检测结果决定着钢轨打磨的必要性以及打磨是否合格，对钢轨打磨有着重要的指导意义。

目前，国内外的钢轨轮廓的检测方法主要是接触式和非接触式，其中，接触式测量的测量精度较高，但操作繁琐，测量效率低，测量精度低，且接触式测量所采用的装置只能完成横断面或纵断面的一种测量。非接触式测量采用激光传感器和线性电机驱动同时测量钢轨横断面及纵断面，但非接触式测量的装置测量前需要固定在钢轨上或者固定在车辆上，便携性较差。基于现有技术中存在的问题，开发一种便携式、高精度、可以同时测量横断面和纵断面的钢轨轮廓检测系统成为大势所趋。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢轨轮廓检测系统及检测方法，以解决使用现有技术中的钢轨轮廓检测方法中采用的检测装置存在操作复杂、便携性差、测量效率低、测量精度不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种钢轨轮廓检测系统，所述钢轨轮廓检测系统包括：

检测定位点，设置于被测钢轨的纵向的两侧；

手持式三维扫描仪，用于对设置有所述检测定位点的所述被测钢轨进行扫描，以生成所述被测钢轨的三维模型；

数据处理装置与所述手持式三维扫描仪连接，用于根据所述被测钢轨的三维模型获得所述被测钢轨的轮廓及测量分析报告；其中，所述轮廓包括横断面轮廓及纵断面轮廓。

可选的，在所述的钢轨轮廓检测系统中，所述数据处理装置根据被测钢轨的三维模型获得所述被测钢轨的横断面轮廓及测量分析报告包括如下步骤：

使用K-MEANS聚类算法获取所述扫描结果中关于所述被测钢轨部分的扫描数据；

根据所述被测钢轨部分的扫描数据，使用RANSAC平面拟合算法计算所述被测钢轨的轨底平面及轨腰平面；

根据所述轨底平面及所述轨腰平面计算出切割平面；所述切割平面垂直于所述轨底平面及所述轨腰平面；

使用所述切割平面切割所述被测钢轨的三维模型以获得所述被测钢轨的横断面轮廓数据及轮廓图；

根据所述被测钢轨的横断面轮廓图与标准钢轨的横断面轮廓图对比，计算所述被测钢轨的横断面轮廓的评价参数，以生成所述被测钢轨的横断面轮廓及测量分析报告。

可选的，在所述的钢轨轮廓检测系统中，所述数据处理装置根据所述被测钢轨的三维模型获得所述被测钢轨的纵断面轮廓及测量分析报告包括如下步骤：

使用K-MEANS聚类算法获取所述扫描结果中关于所述被测钢轨部分的扫描数据；

根据所述被测钢轨部分的扫描数据，使用RANSAC平面拟合算法计算所述被测钢轨的轨头平面；

根据所述轨头平面获得纵向中线曲线；

对所述纵向中线曲线依次进行波长范围为10-30mm、30-100mm、100-300mm、300-1000mm的滤波；

根据每个波长范围滤波后的曲线，计算每个波长范围的纵向不平顺数据及所述纵向中线曲线的1/3倍频数据，以生成所述被测钢轨的纵断面轮廓及测量分析报告。

可选的，在所述的钢轨轮廓检测系统中，所述横断面轮廓的评价参数包括所述横断面的磨耗量及磨耗面积。

可选的，在所述的钢轨轮廓检测系统中，当检测所述被测钢轨的纵断面轮廓时，所述检测定位点设置长度为大于等于1m；当检测所述被测钢轨的横断面轮廓时，所述检测定位点设置长度为大于等于10cm。

可选的，在所述的钢轨轮廓检测系统中，还包括供能装置，所述供能装置设置于所述数据处理装置及所述手持式三维扫描仪之间；所述供能装置为所述数据处理装置及所述手持式三维扫描仪提供能量。

可选的，在所述的钢轨轮廓检测系统中，所述检测定位点的材质为反光材料；所述检测定位点的一侧设置有不干胶或者磁铁。

可选的，在所述的钢轨轮廓检测系统中，所述检测定位点的数量为若干个。

可选的，在所述的钢轨轮廓检测系统中，所述数据处理装置为电脑、pad或者手机。

本发明还提供一种钢轨轮廓检测方法，所述钢轨轮廓检测方法包括：

将检测定位点设置于被测钢轨的纵向的两侧；

使用手持式三维扫描仪扫描设置有所述检测定位点的所述被测钢轨；

使用数据处理装置处理所述手持式三维扫描仪的扫描结果，以获得所述被测钢轨的轮廓及测量分析报告；其中，所述轮廓包括横断面轮廓及纵断面轮廓。

在本发明所提供的钢轨轮廓检测系统及检测方法中，手持式三维扫描仪扫描设置有所述检测定位点的被测钢轨，以生成所述被测钢轨的三维模型，数据处理装置根据所述被测钢轨的三维模型获得所述被测钢轨的轮廓及测量分析报告。本发明的钢轨轮廓检测系统运用过程中，携带更轻巧方便，测量更科学精准，可同时检测钢轨的横断面轮廓及纵断面轮廓，分析更直观可靠，降低了人力物力的耗费，提高了工作效率，满足本领域的实际需求。

附图说明

图1是本发明一实施例中钢轨轮廓检测系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例中数据处理装置根据被测钢轨的三维模型获得所述被测钢轨的横断面轮廓及测量分析报告的步骤流程图；

图3是本发明一实施例中数据处理装置根据被测钢轨的三维模型获得所述被测钢轨的纵断面轮廓及测量分析报告的步骤流程图；

图4是本发明一实施例中钢轨轮廓检测方法的流程图；

图5是标准钢轨的横断面轮廓图；

图6是执行步骤S13后获得的被测钢轨的横断面轮廓图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的钢轨轮廓检测系统及检测方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，其为本发明的钢轨轮廓检测系统的结构示意图，如图1所示，所述钢轨轮廓检测系统包括：检测定位点5，设置于被测钢轨1的纵向的两侧；手持式三维扫描仪，用于对设置有所述检测定位点5的所述被测钢轨1进行扫描，以生成所述被测钢轨1的三维模型；数据处理装置4与所述手持式三维扫描仪2连接，用于根据所述被测钢轨1的三维模型获得所述被测钢轨1的轮廓及测量分析报告；其中，所述轮廓包括横断面轮廓及纵断面轮廓。

其中，手持式三维扫描仪2是现有的技术，其工作原理主要是通过创建其所扫描物体几何表面的点云(point cloud)，利用点云中的点来插补成物体的表面形状，点云中的点的越多，分布越密集，可以创建更精准的物体模型(这个过程称做三维重建)。本发明正是基于手持式三维扫描仪2的这一特性，通过在被测钢轨1的纵向的两侧设置检测定位点5，以配合手持式三维扫描仪2创建点云的需求，从而生成所述被测钢轨1的三维模型，整个过程仅需要测量人员手持手持式三维扫描仪2在被测钢轨1周围扫描即可，操作简单，可实施性强。

需要注意的是使用手持式三维扫描仪2扫描被测钢轨1时，需要将手持式三维扫描仪2与被测钢轨1保持一定的距离，该距离的选择依据是在手持式三维扫描仪2扫描被测钢轨1的地方出现的光斑能够覆盖至少三个检测定位点5为准，从而较好的提高了测量结果的精准度。

为了维持所述数据处理装置4及所述手持式三维扫描仪2的持续工作，在所述数据处理装置4及所述手持式三维扫描仪2之间还设置有供能装置3，符合钢轨轮廓检测系统的实际应用的需求。

进一步地，当检测所述被测钢轨1的横断面轮廓时，所述检测定位点5设置长度为大于等于10cm。为了较好的保证得到精度较高的横断面轮廓及测量分析报告，需要将所述检测定位点5设置于被测钢轨1的纵向的两侧的长度为大于等于10cm。

进一步地，当检测所述被测钢轨1的纵断面轮廓时，所述检测定位点5设置长度为大于等于1m。为了较好的保证测量结果的精准度，当需要检测所述被测钢轨1的纵断面轮廓时，需要将所述检测定位点5设置于被测钢轨1的纵向的两侧的长度为大于等于1m。实际上在检测所述被测钢轨1的纵断面轮廓时，所述被测钢轨1的横断面轮廓可以同时被检测，仅需要采用所述数据处理装置4对所述被测钢轨1的三维模型作不同处理过程即可。

请参照图2，其为本发明一实施例中数据处理装置4根据被测钢轨1的三维模型获得所述被测钢轨1的横断面轮廓及测量分析报告的步骤流程图。如图2所示，所述数据处理装置4根据被测钢轨1的三维模型获得所述被测钢轨1的横断面轮廓及测量分析报告包括如下步骤：

首先，执行步骤S10，使用K-MEANS聚类算法获取所述扫描结果中关于所述被测钢轨1部分的扫描数据。

由于手持三维扫描仪在扫描设置有所述检测定位点5的所述被测钢轨1的过程中同样会扫描到非钢轨部分(即扣件、道砟或者地面等)，这些非钢轨部分的扫描结果会导致生成的所述被测钢轨1的三维模型中也包含该部分，进而导致最终计算量工作量变大，且测量精准度不高的问题。因此，为了着重对被测钢轨1部分的三维模型展开后续的计算，提高工作效率及测量精准度，就需要将非钢轨部分的扫描结果及其它噪音数据剔除出去，而本发明所使用K-MEANS聚类算法恰恰能达到此目的。

接着，执行步骤S11，根据所述被测钢轨1部分的扫描数据，使用RANSAC平面拟合算法计算所述被测钢轨的轨底平面及轨腰平面。

接着，执行步骤S12，根据所述轨底平面及所述轨腰平面计算出切割平面；所述切割平面垂直于所述轨底平面及所述轨腰平面。

具体的，计算所述切割平面的过程是利用所述轨底平面的法线及所述轨腰平面的法线计算出所述切割平面的法线由于所述切割平面垂直于所述轨底平面及所述轨腰平面，故根据所述切割平面的法线就可确定所述切割平面的方向，进而为后续获得横断面轮廓图做准备。

接着，执行步骤S13，使用所述切割平面切割所述被测钢轨1的三维模型以获得所述被测钢轨1的横断面轮廓数据及轮廓图。

接着，执行步骤S14，根据所述被测钢轨1的横断面轮廓图与标准钢轨的横断面轮廓图对比，计算所述被测钢轨1的横断面轮廓的评价参数，以生成所述被测钢轨1的横断面轮廓及测量分析报告。

具体的，请参考图5及图6，图5为标准钢轨的横断面轮廓图；图6为执行步骤S13后获得的被测钢轨1的横断面轮廓图。通过对比图5及图6这两个图，可以较为直观的获知图6与图5的差异，并且可以计算出所述被测钢轨1的横断面轮廓的评价参数，为生产所述被测钢轨1的横断面轮廓及测量分析报告准备了条件。

进一步的，所述横断面轮廓的评价参数包括所述横断面的磨耗量及磨耗面积。

请参照图3，其为本发明一实施例中数据处理装置4根据被测钢轨1的三维模型获得所述被测钢轨1的纵断面轮廓及测量分析报告的步骤流程图。如图3所示，所述数据处理装置4根据所述被测钢轨1的三维模型获得所述被测钢轨1的纵断面轮廓及测量分析报告包括如下步骤：

首先，执行步骤S20，使用K-MEANS聚类算法获取所述扫描结果中关于所述被测钢轨1部分的扫描数据。

接着，执行步骤S21，根据所述被测钢轨1部分的扫描数据，使用RANSAC平面拟合算法计算所述被测钢轨的轨头平面。

接着，执行步骤S22，根据所述轨头平面获得纵向中线曲线。

正常标准钢轨的轨头平面的纵向中线为直线，而经过长期的轮轨与钢轨的接触，钢轨的轨头会有不同程度的磨损，故此时轨头平面获得纵向中线为曲线，发明人通过结合所述轨头平面的图形，多次沿纵向取中点的微元化方式最终获得被测钢轨1的轨头平面的纵向中线曲线，而纵向中线曲线能够较好的表征被测钢轨1的纵断面的评价参数，如滤波数据、不平顺数据及所述纵向中线曲线的1/3倍频数据等。

接着，执行步骤S23，对所述纵向中线曲线依次进行波长范围为10-30mm、30-100mm、100-300mm、300-1000mm的滤波。

接着，执行步骤S24，根据每个波长范围滤波后的曲线，计算每个波长范围的纵向不平顺数据及所述纵向中线曲线的1/3倍频数据，以生成所述被测钢轨1的纵断面轮廓及测量分析报告。

进一步地，所述检测定位点5的数量为若干个；所述检测定位点5的材质为反光材料；所述检测定位点5的一侧设置有不干胶或者磁铁。

由于手持式三维扫描仪2主要是采用其内部光学传感器的光学原理实现创建点云的，这就需要所述检测定位点5为反光材料，以使手持式三维扫描仪2具有较好的工作性能。其中，为了便于测量人员灵活的设置所述检测定位点5的位置并能随需求移动所述检测定位点5，将所述检测定位点5的一侧设置有不干胶或者磁铁。应用时，所述检测定位点5可以采用以下几种方式：1.将所述检测定位点5黏贴或者吸附在被测钢轨1的轨底上边缘；2.将所述检测定位点5黏贴或者吸附在平板上，将黏贴或者吸附有所述检测定位点5的平板设置于钢轨的轨底的两侧。当然，对于所述检测定位点5应用时所采用的方式包括但不局限于上述两种方式。

较佳的，所述数据处理装置4为电脑、pad或者手机。通过电脑、pad或者手机可以直观的看到被测钢轨1的轮廓的测量分析报告，并对检测过程中手持式三维扫描仪2的扫描结果进行储存显示，符合实际的需求。

请参照图4，其为本发明一实施例中钢轨轮廓检测方法的流程图。所述钢轨轮廓检测方法具体包括如下步骤：

首先，执行步骤S1，将检测定位点5设置于被测钢轨1的纵向的两侧。

其中，将检测定位点5设置于被测钢轨1的纵向的两侧包括设置在所述被测钢轨1的轨底上缘及轨底两侧的情况。具体设置检测定位点5设置沿被测钢轨1的纵向的长度是根据实际测量人员预检测横断面轮廓还是纵断面轮廓来决定的，具有较好的可适用性，从而能够以较高的工作效率完成检测。

接着，执行步骤S2，使用手持式三维扫描仪2扫描设置有所述检测定位点5的所述被测钢轨1。

接着，执行步骤S3，使用数据处理装置4处理所述手持式三维扫描仪2的扫描结果，以获得所述被测钢轨1的轮廓及测量分析报告。

综上，在本发明所提供的钢轨轮廓检测系统及检测方法中，手持式三维扫描仪扫描设置有所述检测定位点的被测钢轨，以生成所述被测钢轨的三维模型，数据处理装置根据所述被测钢轨的三维模型获得所述被测钢轨的轮廓及测量分析报告。本发明的钢轨轮廓检测系统运用过程中，携带更轻巧方便，测量更科学精准，可同时检测钢轨的横断面轮廓及纵断面轮廓，分析更直观可靠，降低了人力物力的耗费，提高了工作效率，满足本领域的实际需求。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种钢轨轮廓检测系统，其特征在于，包括：

检测定位点，设置于被测钢轨的纵向的两侧；

手持式三维扫描仪，用于对设置有所述检测定位点的所述被测钢轨进行扫描，以生成所述被测钢轨的三维模型；

数据处理装置与所述手持式三维扫描仪连接，用于根据所述被测钢轨的三维数字模型获得所述被测钢轨的轮廓及测量分析报告；其中，所述轮廓包括横断面轮廓及纵断面轮廓。

2.如权利要求1所述的钢轨轮廓检测系统，其特征在于，所述数据处理装置根据被测钢轨的三维模型获得所述被测钢轨的横断面轮廓及测量分析报告包括如下步骤：

使用K-MEANS聚类算法获取所述扫描结果中关于所述被测钢轨部分的扫描数据；

根据所述被测钢轨部分的扫描数据，使用RANSAC平面拟合算法计算所述被测钢轨的轨底平面及轨腰平面；

根据所述轨底平面及所述轨腰平面计算出切割平面；所述切割平面垂直于所述轨底平面及所述轨腰平面；

使用所述切割平面切割所述被测钢轨的三维模型以获得所述被测钢轨的横断面轮廓数据及轮廓图；

根据所述被测钢轨的横断面轮廓图与标准钢轨的横断面轮廓图对比，计算所述被测钢轨的横断面轮廓的评价参数，以生成所述被测钢轨的横断面轮廓及测量分析报告。

3.如权利要求1所述的钢轨轮廓检测系统，其特征在于，所述数据处理装置根据所述被测钢轨的三维模型获得所述被测钢轨的纵断面轮廓及测量分析报告包括如下步骤：

使用K-MEANS聚类算法获取所述扫描结果中关于所述被测钢轨部分的扫描数据；

根据所述被测钢轨部分的扫描数据，使用RANSAC平面拟合算法计算所述被测钢轨的轨头平面；

根据所述轨头平面获得纵向中线曲线；

对所述纵向中线曲线依次进行波长范围为10-30mm、30-100mm、100-300mm、300-1000mm的滤波；

根据每个波长范围滤波后的曲线，计算每个波长范围的纵向不平顺数据及所述纵向中线曲线的1/3倍频数据，以生成所述被测钢轨的纵断面轮廓及测量分析报告。

4.如权利要求3所述的钢轨轮廓检测系统，其特征在于，所述横断面轮廓的评价参数包括所述横断面的磨耗量及磨耗面积。

5.如权利要求1所述的钢轨轮廓检测系统，其特征在于，当检测所述被测钢轨的纵断面轮廓时，所述检测定位点设置长度为大于等于1m；当检测所述被测钢轨的横断面轮廓时，所述检测定位点设置长度为大于等于10cm。

6.如权利要求1所述的钢轨轮廓检测系统，其特征在于，还包括供能装置，所述供能装置设置于所述数据处理装置及所述手持式三维扫描仪之间；所述供能装置为所述数据处理装置及所述手持式三维扫描仪提供能量。

7.如权利要求1所述的钢轨轮廓检测系统，其特征在于，所述检测定位点的材质为反光材料；所述检测定位点的一侧设置有不干胶或者磁铁。

8.如权利要求7所述的钢轨轮廓检测系统，其特征在于，所述检测定位点的数量为若干个。

9.如权利要求1-8中任一项所述的钢轨轮廓检测系统，其特征在于，所述数据处理装置为电脑、pad或者手机。

10.一种钢轨轮廓检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

将检测定位点设置于被测钢轨的纵向的两侧；

使用手持式三维扫描仪扫描设置有所述检测定位点的所述被测钢轨；

使用数据处理装置处理所述手持式三维扫描仪的扫描结果，以获得所述被测钢轨的轮廓及测量分析报告；其中，所述轮廓包括横断面轮廓及纵断面轮廓。