CN104535652B - 一种钢轨损伤探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢轨损伤探测方法，该方法包括下列步骤：1)提供一种钢轨损伤探测推车，所述探测推车行走在钢轨之间，用于探测钢轨的损伤程度，其特征在于，所述探测推车包括推手、走行轮、竖式探测架、图像探测设备、超声波探测设备和ARM 11处理器，所述走行轮用于实现所述探测推车行走在钢轨之间，所述图像探测设备和所述超声波探测设备以上下排列方式位于所述竖式探测架上，所述图像探测设备对采集的钢轨图像进行图像处理，所述超声波探测设备对钢轨进行超声波探测，所述ARM 11处理器与所述图像探测设备和所述超声波探测设备分别连接，基于所述图像处理结果和所述超声波探测结果，确定钢轨的损伤程度；2)使用所述推车来探测。

Description

一种钢轨损伤探测方法

技术领域

本发明涉及铁路维护领域，尤其涉及一种钢轨损伤探测方法。

背景技术

近年来各国轨道交通都在高速发展，运营里程也在快速增长，轨道交通的发展给货运和客运提供了极大的便利，提高了交通运输的速度和运力。随着钢轨服役时间的增加和铁路向高速重载方向发展，钢轨损伤探测技术倍受关注。钢轨表面缺陷会加快车轮的磨损，同时钢轨表面裂缝反复碾压后也会导致断轨，这些都增加了脱轨的可能性，严重影响行车安全。如果忽视了对损伤钢轨的检测和处理，会导致严重的交通事故，后果不堪设想。

钢轨损伤的存在形式主要有两种：波纹缺陷和离散缺陷，基于钢轨损伤检测的重要性，各国交通管理部门纷纷制定不同的检测模式来实现对钢轨的检测和维护。现有技术中，典型的钢轨损失探测方式有以下几种：(1)采用超声波技术进行探测，超声波探测方式能够有效地识别离散缺陷；(2)人工方式检测，凭借轨道维护工人的个人经验，对每一个轨道沿线检测。但是这些方式检测效率较低，检测的缺陷不够全面。

因此，需要一种钢轨损伤探测方法，能够实现对全部轨道进行损伤探测的同时，能够识别出轨道的离散缺陷和波纹缺陷，并能够提高钢轨损失探测的速度，减少使用的人工成本。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种钢轨损伤探测方法，通过搭建随轨道探测的探测小车的形式，完成对全部轨道的损伤探测，同时引用有针对性的超声波技术和图像识别技术，识别出轨道的各种类型的缺陷，从而替代人工的探测模式，提高钢轨损伤探测的效率。

根据本发明的一方面，提供了一种钢轨损伤探测方法，该方法包括下列步骤：1)提供一种钢轨损伤探测推车，所述探测推车行走在钢轨之间，用于探测钢轨的损伤程度，其特征在于，所述探测推车包括推手、走行轮、竖式探测架、图像探测设备、超声波探测设备和ARM 11处理器，所述走行轮用于实现所述探测推车行走在钢轨之间，所述图像探测设备和所述超声波探测设备以上下排列方式位于所述竖式探测架上，所述图像探测设备对采集的钢轨图像进行图像处理，所述超声波探测设备对钢轨进行超声波探测，所述ARM 11处理器与所述图像探测设备和所述超声波探测设备分别连接，基于所述图像处理结果和所述超声波探测结果，确定钢轨的损伤程度；2)使用所述推车来探测。

更具体地，在所述钢轨损伤探测推车中，还包括：钢轨清洁设备，包括水刷、水管和水阀，所述水刷用于对钢轨表面进行清除，所述水管用于为所述水刷提供用水，所述水阀与所述水管连接，用于控制所述水管供水的打开与关闭；太阳能供电设备，包括铅酸蓄电池和光伏板，所述光伏板与所述铅酸蓄电池连接，用于将太阳能转换为电能，并储存到所述铅酸蓄电池中；USB通信接口，用于插入外部U盘，接收外部U盘中预存的波纹上限灰度阈值、波纹下限灰度阈值、波纹长度阈值和幅值阈值，所述波纹上限灰度阈值和所述波纹下限灰度阈值用于将图像中的波纹和背景分离；静态存储设备，与所述USB通信接口连接，用于接收并存储所述波纹上限灰度阈值、所述波纹下限灰度阈值、所述波纹长度阈值和所述幅值阈值；所述超声波探测设备包括超声波发生器、超声波接收器和微控制器，所述超声波发生器向钢轨发出连续超声脉冲波束，如钢轨无损伤存在，超声脉冲波束到达钢轨后依原路返回到所述超声波接收器，所述超声波接收器接收得到底波，如钢轨有损伤，则所述超声波接收器在接收得到底波前还接收一个伤损波，所述微控制器与所述超声波接收器连接以分离出所述伤损波中的离散缺陷子波，并输出所述离散缺陷子波的幅值；所述图像探测设备包括摄像头和波纹缺陷检测器，所述摄像头对钢轨拍摄，以采集钢轨图像，所述波纹缺陷检测器与所述摄像头和所述静态存储设备分别连接，所述波纹缺陷检测器包括自适应直方图均衡化处理单元、灰度化处理单元、波纹图像分割单元和波纹缺陷识别单元，所述自适应直方图均衡化处理单元与所述摄像头连接，对所述钢轨图像的每一个像素在其邻域窗口进行自适应直方图均衡化处理，以获得均衡化图像，所述灰度化处理单元与所述自适应直方图均衡化处理单元连接，对所述均衡化图像进行灰度化处理，以获得灰度化图像，所述波纹图像分割单元与所述灰度化处理单元和所述静态存储设备分别连接，将所述灰度化图像中灰度值在所述波纹上限灰度阈值和所述波纹下限灰度阈值之间的像素识别并组成多个波纹子图案，所述波纹缺陷识别单元与所述波纹图像分割单元连接，累计所述多个波纹子图像的波纹长度以作为总波纹长度输出；所述ARM 11处理器与所述摄像头、所述波纹缺陷识别单元、所述微控制器和所述静态存储设备分别连接，将所述离散缺陷子波的幅值、所述总波纹长度复合在所述钢轨图像上以形成一个复合图像，当所述离散缺陷子波的幅值大于等于所述幅值阈值时，发出离散缺陷预警信号，当所述离散缺陷子波的幅值超过所述幅值阈值的50％时，发出离散缺陷报警信号，当所述总波纹长度大于等于所述波纹长度阈值时，发出波纹缺陷预警信号，当所述总波纹长度超过所述波纹长度阈值的50％时，发出波纹缺陷报警信号；无线收发设备，与所述ARM 11处理器连接，还与远端的铁道管理控制服务器建立双通道的无线通信链路，将所述离散缺陷预警信号、所述离散缺陷报警信号、所述波纹缺陷预警信号或所述波纹缺陷报警信号无线发送给所述铁道管理控制服务器；显示设备，与所述ARM 11处理器连接，用于实时显示所述复合图像，还用于实时显示所述离散缺陷预警信号、所述离散缺陷报警信号、所述波纹缺陷预警信号或所述波纹缺陷报警信号；其中，所述显示设备在所述复合图像中显示与所述离散缺陷子波的幅值对应的离散缺陷等级，以及显示与所述总波纹长度对应的波纹缺陷等级。

更具体地，在所述钢轨损伤探测推车中，所述显示设备还与所述静态存储设备连接，所述静态存储设备还存储了所述离散缺陷子波的幅值与所述离散缺陷等级的对应关系，以及存储了所述总波纹长度与所述波纹缺陷等级的对应关系。

更具体地，在所述钢轨损伤探测推车中，所述摄像头以1280×1024的分辨率采集所述钢轨图像。

更具体地，在所述钢轨损伤探测推车中，所述自适应直方图均衡化处理单元、所述灰度化处理单元、所述波纹图像分割单元和所述波纹缺陷识别单元分别采用不同的FPGA芯片实现。

更具体地，在所述钢轨损伤探测推车中，所述无线收发设备还用于接收所述铁道管理控制服务器发送的控制指令。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的钢轨损伤探测推车的结构方框图。

图2为根据本发明实施方案示出的钢轨损伤探测推车的超声波探测设备的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的钢轨损伤探测推车的实施方案进行详细说明。

高速铁路和重载铁路的运营对铁路基础设施的可靠性的要求十分严格。钢轨探伤作为基础设施检测工作的一部分，对铁路运营的安全起着至关重要的作用。

在过去，大部分的在线钢轨断裂都是内部缺陷造成的。内部缺陷通常产生于钢轨腰部和头部，随着钢轨的过度磨损和疲劳使用，内部缺陷不断发展扩大，最终导致断轨事故。

现在，随着先进生产技术的引进，例如高碳钢和钢铁清洁生产工艺的引进，钢轨内部缺陷出现的几率已经减少了很多，取而代之的是钢轨表面缺陷导致钢轨断裂的情况越来越常见。钢轨表面缺陷主要有两种表现形式：波纹缺陷和离散缺陷。现有技术中人工检测的模式对波纹缺陷检测效率较高，但耗费成本，超声波检测模式对离散缺陷检测效率较高，但缺少全轨道的检测平台。

本发明搭建了一种钢轨损伤探测推车，能够替代人工检测的方式，实现同时检测钢轨表面缺陷中的波纹缺陷和离散缺陷，并能够提高钢轨探伤检测的效率，而且，一旦发现了波纹缺陷或离散缺陷，能够为远端和近端的管理人员提供相应等级的报警信息，方便管理人员及时采取措施，防患于未然。

图1为根据本发明实施方案示出的钢轨损伤探测推车的结构方框图，所述探测推车包括：ARM 11处理器1、图像探测设备2、超声波探测设备3和走行轮4，所述ARM 11处理器1与所述图像探测设备2、所述超声波探测设备3和所述走行轮4分别连接，所述ARM 11处理器控制所述走行轮4的行径路径，以保持所述探测推车行走在钢轨之间，探测钢轨的损伤程度，所述图像探测设备2对采集的钢轨图像进行图像处理，所述超声波探测设备3对钢轨进行超声波探测，所述ARM 11处理器1基于所述图像处理结果和所述超声波探测结果，确定钢轨的损伤程度。

其中，所述探测推车还包括推手和竖式探测架，所述图像探测设备2和所述超声波探测设备3以上下排列方式位于所述竖式探测架上，所述推手为铁道管理人员用于推动所述探测推车。

接着，继续对本发明的钢轨损伤探测推车的具体结构进行进一步的说明。

所述探测推车还包括：钢轨清洁设备，包括水刷、水管和水阀，所述水刷用于对钢轨表面进行清除，所述水管用于为所述水刷提供用水，所述水阀与所述水管连接，用于控制所述水管供水的打开与关闭。

所述探测推车还包括：太阳能供电设备，包括铅酸蓄电池和光伏板，所述光伏板与所述铅酸蓄电池连接，用于将太阳能转换为电能，并储存到所述铅酸蓄电池中。

所述探测推车还包括：USB通信接口，用于插入外部U盘，接收外部U盘中预存的波纹上限灰度阈值、波纹下限灰度阈值、波纹长度阈值和幅值阈值，所述波纹上限灰度阈值和所述波纹下限灰度阈值用于将图像中的波纹和背景分离。

所述探测推车还包括：静态存储设备，与所述USB通信接口连接，用于接收并存储所述波纹上限灰度阈值、所述波纹下限灰度阈值、所述波纹长度阈值和所述幅值阈值。

如图2所示，所述超声波探测设备3包括超声波发生器31、超声波接收器32和微控制器33，所述超声波发生器31向钢轨发出连续超声脉冲波束，如钢轨无损伤存在，超声脉冲波束到达钢轨后依原路返回到所述超声波接收器32，所述超声波接收器32接收得到底波，如钢轨有损伤，则所述超声波接收器32在接收得到底波前还接收一个伤损波，所述微控制器33与所述超声波接收器32连接以分离出所述伤损波中的离散缺陷子波，并输出所述离散缺陷子波的幅值。

所述图像探测设备2包括摄像头和波纹缺陷检测器，所述摄像头对钢轨拍摄，以采集钢轨图像，所述波纹缺陷检测器与所述摄像头和所述静态存储设备分别连接，所述波纹缺陷检测器包括自适应直方图均衡化处理单元、灰度化处理单元、波纹图像分割单元和波纹缺陷识别单元。

所述自适应直方图均衡化处理单元与所述摄像头连接，对所述钢轨图像的每一个像素在其邻域窗口进行自适应直方图均衡化处理，以获得均衡化图像，所述灰度化处理单元与所述自适应直方图均衡化处理单元连接，对所述均衡化图像进行灰度化处理，以获得灰度化图像，所述波纹图像分割单元与所述灰度化处理单元和所述静态存储设备分别连接，将所述灰度化图像中灰度值在所述波纹上限灰度阈值和所述波纹下限灰度阈值之间的像素识别并组成多个波纹子图案，所述波纹缺陷识别单元与所述波纹图像分割单元连接，累计所述多个波纹子图像的波纹长度以作为总波纹长度输出。

所述ARM 11处理器1与所述摄像头、所述波纹缺陷识别单元、所述微控制器33和所述静态存储设备分别连接，将所述离散缺陷子波的幅值、所述总波纹长度复合在所述钢轨图像上以形成一个复合图像，当所述离散缺陷子波的幅值大于等于所述幅值阈值时，发出离散缺陷预警信号，当所述离散缺陷子波的幅值超过所述幅值阈值的50％时，发出离散缺陷报警信号，当所述总波纹长度大于等于所述波纹长度阈值时，发出波纹缺陷预警信号，当所述总波纹长度超过所述波纹长度阈值的50％时，发出波纹缺陷报警信号。

所述探测推车还包括：无线收发设备，与所述ARM 11处理器1连接，还与远端的铁道管理控制服务器建立双通道的无线通信链路，将所述离散缺陷预警信号、所述离散缺陷报警信号、所述波纹缺陷预警信号或所述波纹缺陷报警信号无线发送给所述铁道管理控制服务器。

所述探测推车还包括：显示设备，与所述ARM 11处理器1连接，用于实时显示所述复合图像，还用于实时显示所述离散缺陷预警信号、所述离散缺陷报警信号、所述波纹缺陷预警信号或所述波纹缺陷报警信号。

其中，所述显示设备在所述复合图像中显示与所述离散缺陷子波的幅值对应的离散缺陷等级，以及显示与所述总波纹长度对应的波纹缺陷等级。

其中，在所述钢轨损伤探测推车中，所述显示设备还与所述静态存储设备连接，所述静态存储设备还存储了所述离散缺陷子波的幅值与所述离散缺陷等级的对应关系，以及存储了所述总波纹长度与所述波纹缺陷等级的对应关系，所述摄像头可以1280×1024的分辨率采集所述钢轨图像，所述自适应直方图均衡化处理单元、所述灰度化处理单元、所述波纹图像分割单元和所述波纹缺陷识别单元可以分别采用不同的FPGA芯片实现，以及所述无线收发设备还可以用于接收所述铁道管理控制服务器发送的控制指令。

另外，钢轨是铁路轨道的主要组成部件。他的功用在于引导机车车辆的车轮前进，承受车轮的巨大压力，并传递到轨枕上。钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面。在电气化铁道或自动闭塞区段，钢轨还可兼做轨道电路之用。钢轨的类型是以每米长的钢轨质量千克数表示的。铁路上使用的钢轨有75kg/m、60kg/m、50kg/m，43kg/m和38kg/m等几种。钢轨的断面形状采用具有最佳抗弯性能的工字形断面，有轨头、轨腰以及轨底三部分组成。

为使钢轨更好地承受来自各方面的力，保证必要强度条件，钢轨应有足够的高度，其头部和底部应有足够的面积和高度、腰部和底部不宜太薄。以上各种类型钢轨中，38kg/m钢轨现已停止生产，60kg/m、50kg/m钢轨在主要干线上铺设，站线及专用线一般铺设43kg/m钢轨。对于重载铁路和特别繁忙区段铁路，则铺设75kg/m钢轨。此外，为了适应道岔、特大桥和无缝线路等结构的需要，铁路还采用了特种断面(与中轴线不对称工字型)钢轨。现采用较多的为矮特种断面钢轨，简称AT轨。

另外，钢轨伤损是指钢轨在使用过程中，发生折断、裂纹及其它影响和限制钢轨使用性能的伤损。为便于统计和分析钢轨伤损，需对钢轨伤损进行分类。根据伤损在钢轨断面上的位置、伤损外貌及伤损原因等分为九类32种伤损，用两位数编号分类，十位数表示伤损的部位和状态，个位数表示造成伤损的原因。钢轨折断是指有下列情况之一者：钢轨全截面至少断成两部分；裂缝已经贯通整个轨头截面或轨底截面；钢轨顶面上有长大于50mm、深大于10mm的掉块。钢轨折断直接威胁行车安全，应及时更换。钢轨裂纹是指除钢轨折断之外，钢轨部分材料发生分离，形成裂纹。从钢轨表面缺陷上分类，可主要分为表面波纹缺陷和表面离散缺陷两种。

采用本发明的钢轨损伤探测推车，针对现有钢轨损伤探测检测范围不全面、耗费人力成本以及检测效率不高的技术问题，采用超声波探测技术和图像检测技术提高钢轨探测的精度，搭建可推送探测平台完成对全路段铁轨的检测，从而探测范围覆盖了所有的铁路钢轨，为铁路管理部门提供完善和更有价值的参考数据。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种钢轨损伤探测方法，该方法包括下列步骤：

1)提供一种钢轨损伤探测推车，所述探测推车行走在钢轨之间，用于探测钢轨的损伤程度，其特征在于，所述探测推车包括推手、走行轮、竖式探测架、图像探测设备、超声波探测设备和ARM 11处理器，所述走行轮用于实现所述探测推车行走在钢轨之间，所述图像探测设备和所述超声波探测设备以上下排列方式位于所述竖式探测架上，所述图像探测设备对采集的钢轨图像进行图像处理，所述超声波探测设备对钢轨进行超声波探测，所述ARM11处理器与所述图像探测设备和所述超声波探测设备分别连接，基于所述图像处理结果和所述超声波探测结果，确定钢轨的损伤程度；

2)使用所述推车来探测；

其特征在于，所述探测推车还包括：

钢轨清洁设备，包括水刷、水管和水阀，所述水刷用于对钢轨表面进行清除，所述水管用于为所述水刷提供用水，所述水阀与所述水管连接，用于控制所述水管供水的打开与关闭；

太阳能供电设备，包括铅酸蓄电池和光伏板，所述光伏板与所述铅酸蓄电池连接，用于将太阳能转换为电能，并储存到所述铅酸蓄电池中；

USB通信接口，用于插入外部U盘，接收外部U盘中预存的波纹上限灰度阈值、波纹下限灰度阈值、波纹长度阈值和幅值阈值，所述波纹上限灰度阈值和所述波纹下限灰度阈值用于将图像中的波纹和背景分离；

静态存储设备，与所述USB通信接口连接，用于接收并存储所述波纹上限灰度阈值、所述波纹下限灰度阈值、所述波纹长度阈值和所述幅值阈值；

所述超声波探测设备包括超声波发生器、超声波接收器和微控制器，所述超声波发生器向钢轨发出连续超声脉冲波束，如钢轨无损伤存在，超声脉冲波束到达钢轨后依原路返回到所述超声波接收器，所述超声波接收器接收得到底波，如钢轨有损伤，则所述超声波接收器在接收得到底波前还接收一个伤损波，所述微控制器与所述超声波接收器连接以分离出所述伤损波中的离散缺陷子波，并输出所述离散缺陷子波的幅值；

所述图像探测设备包括摄像头和波纹缺陷检测器，所述摄像头对钢轨拍摄，以采集钢轨图像，所述波纹缺陷检测器与所述摄像头和所述静态存储设备分别连接，所述波纹缺陷检测器包括自适应直方图均衡化处理单元、灰度化处理单元、波纹图像分割单元和波纹缺陷识别单元，所述自适应直方图均衡化处理单元与所述摄像头连接，对所述钢轨图像的每一个像素在其邻域窗口进行自适应直方图均衡化处理，以获得均衡化图像，所述灰度化处理单元与所述自适应直方图均衡化处理单元连接，对所述均衡化图像进行灰度化处理，以获得灰度化图像，所述波纹图像分割单元与所述灰度化处理单元和所述静态存储设备分别连接，将所述灰度化图像中灰度值在所述波纹上限灰度阈值和所述波纹下限灰度阈值之间的像素识别并组成多个波纹子图案，所述波纹缺陷识别单元与所述波纹图像分割单元连接，累计所述多个波纹子图像的波纹长度以作为总波纹长度输出；

所述ARM 11处理器与所述摄像头、所述波纹缺陷识别单元、所述微控制器和所述静态存储设备分别连接，将所述离散缺陷子波的幅值、所述总波纹长度复合在所述钢轨图像上以形成一个复合图像，当所述离散缺陷子波的幅值大于等于所述幅值阈值时，发出离散缺陷预警信号，当所述离散缺陷子波的幅值超过所述幅值阈值的50％时，发出离散缺陷报警信号，当所述总波纹长度大于等于所述波纹长度阈值时，发出波纹缺陷预警信号，当所述总波纹长度超过所述波纹长度阈值的50％时，发出波纹缺陷报警信号；

无线收发设备，与所述ARM 11处理器连接，还与远端的铁道管理控制服务器建立双通道的无线通信链路，将所述离散缺陷预警信号、所述离散缺陷报警信号、所述波纹缺陷预警信号或所述波纹缺陷报警信号无线发送给所述铁道管理控制服务器；

显示设备，与所述ARM 11处理器连接，用于实时显示所述复合图像，还用于实时显示所述离散缺陷预警信号、所述离散缺陷报警信号、所述波纹缺陷预警信号或所述波纹缺陷报警信号；

其中，所述显示设备在所述复合图像中显示与所述离散缺陷子波的幅值对应的离散缺陷等级，以及显示与所述总波纹长度对应的波纹缺陷等级。