CN109855562A - 钢轨磨耗测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种钢轨磨耗测量方法及装置，该方法包括：采用线扫描三维测量传感器对钢轨进行连续测量，获得测量数据；并根据测量数据获得钢轨的测量轨头轮廓、测量轨腰轮廓和测量轨底轮廓；将测量匹配轮廓与标准匹配轮廓进行匹配，获得测量匹配轮廓与标准匹配轮廓之间的偏移参数；根据偏移参数对测量轨头轮廓进行坐标转换，并将坐标转换后的测量轨头轮廓与标准轨头轮廓进行比较，根据比较结果计算获得钢轨的磨耗测量值。本发明实施例由于线扫描三维测量传感器可快速获取高精度的钢轨轮廓，即钢轨轮廓在横断面方向和测量移动方向的测点均相对密集，降低了钢轨表面起伏纹理对测量结果的影响，从而能够提高测量结果的精度。

Description

钢轨磨耗测量方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及测量技术领域，更具体地，涉及一种钢轨磨耗测量方法及装置。

背景技术

列车在运行过程中轮轨与轨头接触，将产生磨损，磨损通常集中于轨头踏面及侧面的圆弧段和侧面直线段。钢轨磨耗(磨损)一旦超限，会对铁路运输安全带来重大隐患，因此高精度测量钢轨磨耗显得非常重要。现有的钢轨磨耗测量方法有接触式测量和非接触式测量两类。其中的接触式测量一般由人工采用专用卡尺进行抽样测量，存在测量效率低，无法快速进行钢轨磨耗普查。其中的非接触式测量，通常采用基于机器视觉的钢轨磨耗测量技术。该技术利用CCD或CMOS摄像机拍摄垂直投射到钢轨表面的线结构光，再通过算法分割出图像中的结构光条纹，并提取结构光中心，再与标准无磨耗钢轨轮廓进行匹配从而计算出磨耗值。现有的非接触式方法由于采用的上述图像数据采集和处理的方式，存在数据采集频率低和测量精度较低的缺陷。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的钢轨磨耗测量方法及装置。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种钢轨磨耗测量方法，该方法包括：采用线扫描三维测量传感器对钢轨进行连续测量，获得测量数据；并根据测量数据获得钢轨的测量轨头轮廓、测量轨腰轮廓和测量轨底轮廓；将测量匹配轮廓与标准匹配轮廓进行匹配，获得测量匹配轮廓与标准匹配轮廓之间的偏移参数；其中，测量匹配轮廓包括测量轨腰轮廓和测量轨底轮廓；根据偏移参数对测量轨头轮廓进行坐标转换，并将坐标转换后的测量轨头轮廓与标准轨头轮廓进行比较，根据比较结果计算获得钢轨的磨耗测量值。

根据本发明实施例第二方面，提供了一种用于如第一方面各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的钢轨磨耗测量方法的钢轨磨耗测量装置，该装置包括：线扫描三维测量传感器、里程编码器和测量载体；里程编码器及至少一个线扫描三维传感器设置于测量载体；测量载体用于沿待测钢轨运动；线扫描三维测量传感器由激光器和三维相机组成，用于向所述钢轨发射一字激光线，并获取所述一字激光线对应的所述钢轨表面轮廓的高程数据；里程编码器用于记录测量载体沿钢轨行驶的里程信息。

根据本发明实施例的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的钢轨磨耗测量方法。

本发明实施例提供的钢轨磨耗测量方法及装置，采用线扫描三维测量传感器对钢轨进行连续测量，获得测量数据，并基于测量数据获得钢轨的磨耗测量值；由于线扫描三维测量传感器可快速获取高精度的钢轨轮廓，即钢轨轮廓在横断面方向和测量移动方向的测点均相对密集，其中单个钢轨轮廓横断面测点的相对密集性降低了钢轨表面起伏纹理对测量结果的影响，从而能够提高测量匹配轮廓与标准匹配轮廓的匹配精度，进一步提高钢轨磨耗测量值的测量精度；在载体运动方向的测点相对密集性使相近位置的测量结果可相互参考，降低了钢轨表面起伏纹理对测量结果的影响，提高测量结果的可靠性和准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的钢轨磨耗测量方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的测量方案的示意图；

图3为本发明实施例提供的钢轨轮廓分段示意图；

图4为本发明实施例提供的钢轨数据截取结果示意图；

图5为本发明实施例提供的原始钢轨轮廓与滤波后钢轨轮廓示例中的全局示意图；

图6为本发明实施例提供的原始钢轨轮廓与滤波后钢轨轮廓示例中的局部示意图；

图7为本发明实施例提供的钢轨轮廓分段结果示意图；

图8为本发明实施例的测量钢轨轮廓与标准钢轨轮廓匹配的全局示意图；

图9为本发明实施例的测量钢轨轮廓与标准钢轨轮廓匹配的局部示意图；

图10为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动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。

针对现有技术中存在的采样频率较低，同时钢轨腐蚀等因素易导致测量测量的钢轨轮廓中含较多的异常值，无法有效的利用相近位置的测量结果修正测量中的误差，进而导致测量精度较低的缺陷。

另外，在钢轨磨耗检测中，在磨耗值计算前，需将测量钢轨轮廓与标准钢轨轮廓进行配准，钢轨配准的准确性将直接影响磨耗测量的准确性。目前常用的钢轨配准点一般选择轨颚、轨腰下端R20对应的圆心坐标或轨腰。其中以轨颚、轨腰下端R20对应的圆心坐标为参考点的方法中，由于钢轨腐蚀等因素易导致测量测量的钢轨轮廓中含较多的异常值，且用于参考点计算的测点数据较少，容易产生较大的配准误差；以轨腰轮廓作为配准点的方法，由于轨腰区域的曲率变化较小，易在钢轨匹配的平移量估计中产生较大误差，进而影响最终的测量结果。

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明实施例提供一种钢轨磨耗测量方法。参见图1，该方法包括但不限于如下步骤：

步骤10、采用线扫描三维测量传感器对钢轨进行连续测量，获得测量数据；并根据测量数据获得钢轨的测量轨头轮廓、测量轨腰轮廓和测量轨底轮廓。

其中，线扫描三维测量传感器可由三维相机、激光器和控制器组成，该线扫描三维传感器可利用三角测量原理获得激光线所对应钢轨表面的高程。可将线扫描三维测量传感器设置于测量载体(例如小车)，该测量载体可沿钢轨移动，具体的安装方式可参见图2。线扫描三维测量传感器在X方向的测量范围应至少覆盖钢轨的外部轮廓。线扫描三维测量传感器的断面测量方向与钢轨的横断面方向平行，也即垂直于测量载体的行车方向。在测量过程中，可驱动移动载体沿钢轨运动，线扫描三维测量传感器可在测量载体的运动过程中进行连续测量，从而获得钢轨的测量数据。线扫描三维测量传感器具体可设置于钢轨的上方以及钢轨的内侧，测量获得的测量数据能够反映钢轨踏面和钢轨内侧的外轮廓。

具体地，测量数据中所反映的轮廓应至少包括轨头轮廓、轨腰轮廓和轨底轮廓，但测量数据中还存在反映其他轮廓的其他数据。因此，需要将轨头轮廓、轨腰轮廓和轨底轮廓对应的数据从整体的测量数据中提取出来，并根据提取的数据获得对应的轮廓。参见图3，应当理解的是，轨头轮廓并不是如常规技术中定义的完整的轨头轮廓，而是AD段，即包括对应于钢轨内侧的踏面轮廓AC和侧面轮廓CD。轨腰轮廓为钢轨内侧的轨腰轮廓，即为EF段；轨底轮廓为钢轨内侧的轨底轮廓，即FG段。

另外，在执行上述步骤10前，可对测量数据进行预处理，该预处理包括坐标转换和异常值处理两部分。其中，坐标转换是：通过标定文件将测量数据进行像方坐标到物方坐标的转换(即通过标定获取测量数据在物方的(X,Z)坐标)。其中，参见图2，X方向为钢轨的横断面方向，Y方向为检测方向(即移动载具的运动方向)，Z方向为高程方向。其中，标定文件是在线扫描三维测量传感器安装在测量载体后，在钢轨磨耗测量前，通过标定的方法获得的，该标定文件用于记录像方坐标到物方坐标的转换关系的文件。

步骤20、将测量匹配轮廓与标准匹配轮廓进行匹配，获得测量匹配轮廓与标准匹配轮廓之间的偏移参数；其中，测量匹配轮廓包括测量轨腰轮廓和测量轨底轮廓。

具体地，针对现有技术中利用轨颚、轨腰下端R20对应的圆心坐标或轨腰作为配准点所存在的配准误差较大的缺陷。本发明实施例采用匹配轮廓进行配准。其中，匹配轮廓包括轨腰轮廓和轨底轮廓，即图中的EG段。由于匹配轮廓的长度相比于轨颚等较长，因此，能够提高测量匹配轮廓与标准匹配轮廓进行匹配的准确性。通过配准可获得偏移参数，该偏移参数反映测量获得的钢轨轮廓与标准的钢轨轮廓的位置之间的差距。

另外，在执行步骤20之前，可对上述步骤10中获得的测量轨头轮廓AD段、测量轨腰轮廓EF段和测量轨底轮廓FG段中存在的异常值进行处理。具体地，提取的钢轨各子段(AD段、EF段、FG段)数据后，首先对子段原始的轮廓(即相应的测量数据)分别进行滤波处理，获取各子段轮廓参考轮廓(数据)；再计算各测点的原始数据与参考数据在X方向和Z方向的欧式距离，结合各子段轮廓在X方向和Z方向的偏离阈值TX(TX_AD、TX_EF、TX_FG)、TZ(TZ_AD、TZ_EF、TZ_FG)，剔除欧式距离大于TX或TZ的测点(或用当前测点对应位置的滤波值替换当前测点的原始测量值)。

步骤30、根据偏移参数对测量轨头轮廓进行坐标转换，并将坐标转换后的测量轨头轮廓与标准轨头轮廓进行比较，根据比较结果计算获得钢轨的磨耗测量值。

具体地，根据偏移参数将测量轨头轮廓移动到对应的位置，然后在该位置上将测量轨头轮廓AD段与标准轨头轮廓AD段进行比较，计算钢轨的垂直磨耗W_v和侧面磨耗W_h。并进一步根据垂直磨耗W_v和侧面磨耗W_h计算钢轨总磨耗W。另外，在将坐标转换后的AD段轮廓与标准AD段轮廓比较之前，可对坐标转换后的AD段轮廓先进行滤波处理。可以理解的是，由于线扫描三维测量传感器是连续、密集对钢轨进行测量的，因此，可以相互参考里程位置相近的测点所对应的磨耗测量值。

本发明实施例提供的钢轨磨耗测量方法，采用线扫描三维测量传感器对钢轨进行连续测量，获得测量数据，并基于测量数据获得钢轨的磨耗测量值；由于线扫描三维测量传感器可快速获取高精度的钢轨轮廓，即钢轨轮廓在横断面方向和测量移动方向的测点均相对密集，其中单个钢轨轮廓横断面测点的相对密集性降低了钢轨表面起伏纹理对测量结果的影响，从而能够提高测量匹配轮廓与标准匹配轮廓的匹配精度，进一步提高钢轨磨耗测量值的测量精度；在载体运动方向的测点相对密集性使相近位置的测量结果可相互参考，降低了钢轨表面起伏纹理对测量结果的影响，提高测量结果的可靠性和准确性。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述步骤10中的根据测量数据获得钢轨的测量轨头轮廓、测量轨腰轮廓和测量轨底轮廓，包括但不限于如下步骤：

步骤101、根据测量数据定位获得钢轨踏面和钢轨内侧轨底截取点，并根据钢轨踏面和钢轨内侧轨底截取点在测量数据中截取获得测量钢轨轮廓。

其中，测量钢轨轮廓为图中的AG段，轨底截取点为G点。本步骤的原理是首先定位钢轨踏面和钢轨内侧轨底截取点，然后根据轮廓的连续性将AG段截取出来。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，步骤101中的根据测量数据定位获得钢轨踏面和钢轨内侧轨底截取点的方法，包括但不限于如下步骤：

步骤1011、根据高程变化特征在测量数据中定位获得钢轨踏面；其中，高程变化特征包括钢轨踏面的高程相对较高的特征、钢轨在横断面方向上的连续性特征以及钢轨踏面在横断面方向的宽度范围特征。

具体地，本步骤是用来定位获得钢轨踏面的。定位所利用的高程变化特征包括：钢轨踏面高程相对较高、钢轨在X方向上连续以及钢轨踏面在X方向具备一定宽度范围的特征，从而利用高程变化特征在测量数据中定位获得钢轨踏面的数据，根据钢轨踏面的数据可进一步获得钢轨踏面。

步骤1012、根据钢轨内侧轨底截取点与钢轨踏面之间的相对位置关系以及钢轨内侧轨底截取点的曲率变化大的特征在测量数据中定位获得钢轨内侧轨底截取点。

具体地，本步骤是用来定位获得钢轨内侧轨底截取点G点的。G点位置的判断是利用G点与钢轨踏面之间的相对位置关系以及G点自身曲率变化较大的特征进行定位，从而从测量数据中获得G点的数据，并可根据G点的数据进一步定位获得G点。

步骤102、对测量钢轨轮廓进行分段处理，获得测量轨头轮廓、测量轨腰轮廓和测量轨底轮廓。

具体地，测量钢轨轮廓为图中的AG段，由于AG段包括轨头、轨腰和轨底，因此需要对AG段进行进一步划分。本步骤首先可对步骤101中截取获得的测量钢轨轮廓的数据进行滤波处理，从而获得测量钢轨轮廓的主趋势。然后依据钢轨的形状，分别提取钢轨的AD段、EF段和FG段的数据。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述步骤102中的对测量钢轨轮廓进行分段处理，获得测量轨头轮廓、测量轨腰轮廓和测量轨底轮廓的方法，包括但不限于如下步骤：

步骤1021、通过测量轨腰轮廓在高程方向位于测量钢轨轮廓的中间区域、在平面内的斜率的绝对值较大且连续出现的距离较长的特征定位获得测量轨腰轮廓；其中，平面为高程方向与横断面方向形成的平面。

具体地，本步骤的目的是提取测量轨腰轮廓EF段。即利用钢轨轨腰(EF段)在Z方向位于钢轨轮廓的中间区域、在XZ平面的斜率的绝对值较大，且连续出现的距离较长的特征，相比于AD段和FG段优先定位测量轨腰轮廓。

步骤1022、根据测量轨底轮廓与测量轨腰轮廓之间的相对位置关系以及测量轨底轮廓与测量轨腰轮廓相邻的特征定位获得测量轨底轮廓；以及，测量轨头轮廓包括踏面轮廓和侧面轮廓，根据侧面轮廓的下端点与测量轨腰轮廓的相对位置关系以及侧面轮廓的斜率与测量轨腰轮廓的斜率在平面相近的特征定位获得测量轨头轮廓。

具体地，在步骤1021中定位获得了测量轨腰轮廓EF段后，依据FG段与EF段的相对位置关系且FG段与EF段相邻的特征，定位钢轨FG段的轮廓(即测量轨底轮廓)。另外，测量轨头轮廓AD可进一步划分为踏面轮廓AC段和侧面轮廓CD段，那么，可根据CD段的D点靠近EF段、CD段在X方向和Z方向与EF段的相对位置关系、CD段与EF段在XZ平面的斜率相近，且位于轨头侧面下端点，定位侧面轮廓下端点D点的位置，进而定位AD段轮廓。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述步骤20中的将测量匹配轮廓与标准匹配轮廓进行匹配，获得测量匹配轮廓与标准匹配轮廓之间的偏移参数的方法，包括但不限于如下步骤：

步骤201、将测量匹配轮廓调整至不同的位置，并在每一位置获取测量匹配轮廓中的测点与标准匹配轮廓中对应测点之间的距离参数。

具体地，将测量匹配轮廓与标准匹配轮廓进行匹配，即为将测量匹配轮廓中的EF段与标准匹配轮廓的EF段进行比较，将测量匹配轮廓中的FG段与标准匹配轮廓中的FG段进行比较。测量匹配轮廓在每个位置时，可首先测量获得测量匹配轮廓中每一测点与标准匹配轮廓中对应测量之间的距离，然后可计算所有测点的距离参数，这样就可获得每个位置对应的一个距离参数。其中，上述距离参数可以为平均距离、平均距离平方，累计距离和或者累计距离平方和等，本发明实施例对此不作限定。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述步骤201中的将测量匹配轮廓调整至不同的位置，并在每一位置获取测量匹配轮廓中的测点与标准匹配轮廓中对应测点之间的距离参数，包括但不限于：

步骤2011、将标准匹配轮廓沿顺时针旋转一定旋转角度，以使标准匹配轮廓在横断面方向的不同位置处只有一个取值；获取标准匹配轮廓中的标准轨腰轮廓在平面内的第一中心点坐标，平面为高程方向与横断面方向形成的平面。

具体地，为了便于将测量匹配轮廓与标准匹配轮廓中的测点进行比较，可将标准匹配轮廓沿顺时针方向旋转角度α，使标准匹配轮廓在X方向的不同位置只有1个取值。并将标准匹配轮廓中的EF段在X方向、Z方向的中心点，记为(x_s,z_s)，该坐标即为第一中心点坐标。

步骤2012、计算测量轨腰轮廓在平面内的第二中心点坐标和倾斜角度，并根据第一中心点坐标、第二中心点坐标、倾斜角度和旋转角度设置初始校正参数。

具体地，计算测量轨腰轮廓EF段在X方向、Z方向的中心点，记为(x₀,z₀)，该坐标即为第二中心点坐标。然后，可基于最小二乘拟合方法计算测量轨腰轮廓EF段的倾斜角度θ₀。因此，基于第一中心点坐标、第二中心点坐标、倾斜角度和旋转角度可设置初始校正参数为(x_s-x₀,z_s-z₀,-θ₀+α)。

步骤2013、根据初始校正参数调整测量匹配轮廓的位置，并计算位置对应的距离参数；

具体地，在步骤2012后，可依据当前的初始校正参数，对测量匹配轮廓(包括EF段、FG段)进行校正，即调整到相应的位置；然后可计算并记录该位置对应的距离参数。

步骤2014、设定最大迭代次数、搜索步长分辨率和最小误差阈值，其中，搜索步长分辨率包括坐标步长分辨率和角度步长分辨率；采用设定优化迭代算法对初始校正参数进行优化，并根据优化后的每一初始校正参数调整测量匹配轮廓的位置，在每次在调整位置后沿横断面方向计算距离参数。

具体地，设定最大迭代次数MaxC，设定满足要求的最小误差阈值T_MinE，设定在X方向、Z方向、旋转角度的搜索步长分辨为xs、zs、θs；选择合适优化迭代算法(或枚举法)，进行优化，能够获得不同位置对应的不同的距离参数。

步骤202、根据对应于最小距离参数的测量匹配轮廓的位置，获取测量匹配轮廓与标准匹配轮廓之间的偏移参数；其中，偏移参数包括坐标平移量和旋转角度。

具体地，当距离参数最小时(例如当所有点的平均距离(或)最小时)，将处于该位置的测量匹配轮廓与标准匹配轮廓进行比较，得到当前轮廓数据与标准轮廓数据的坐标平移量(x，z)和旋转角度θ'；即依据优化迭代结果，结合旋转角度α，得到最终的校正参数x，z，θ(其中θ＝θ'-α)。之后可依据参数x，z，θ对测量轨头轮廓AD段进行坐标转换。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述步骤201中的调整测量匹配轮廓的位置之前，还包括：

若测量轨腰轮廓的长度大于标准匹配轮廓中的标准轨腰轮廓的长度，则从测量轨腰轮廓的上端点附近去除部分测点，以使测量轨腰轮廓的长度不大于标准轨腰轮廓的长度；以及，若测量轨底轮廓的长度大于标准匹配轮廓中的标准轨底轮廓的长度，则从测量轨底轮廓的钢轨内侧轨底截取点附近去除部分测点，以使测量轨底轮廓的长度不大于标准轨底轮廓的长度。

具体地，需要对参与轮廓匹配的测量匹配理论课的长度进行确认。可计算轮廓EF段(即测量轨腰轮廓)的长度，若其长度大于标准轮廓EF段(即标准轨腰轮廓)的长度，则从测量轨腰轮廓的端点E附近去除部分数据，使最终的测量轨腰轮廓EF段的长度不大于标准轨腰轮廓EF段的长度。还可计算轮廓FG段(即测量轨底轮廓)的长度，若其长度大于标准轮廓FG段(即标准轨底轮廓)的长度，则从测量轨底轮廓的端点G附近去除部分数据，使最终的测量轨底轮廓FG段的长度不大于标准轨底轮廓FG段的长度。应当说明的是，本发明实施例对测量轨腰轮廓的长度进行确认的步骤与对测量轨底轮廓的长度进行确认的步骤的先后顺序不作限定。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述步骤40中的根据比较结果计算获得钢轨的磨耗测量值之后，还包括：对磨耗数据集合进行滤波处理，获得参考磨耗测量值；其中，磨耗数据集合包括钢轨中多个位于不同里程处的测点分别对应的磨耗测量值；对于每一测点对应的磨耗测量值，将磨耗测量值与参考磨耗测量值进行比较，获得差异值；若差异值大于差异阈值，则将测点的磨耗测量值替换为参考模块测量值或删除测点的磨耗测量值，得到初修正的磨耗测量值；对初修正的磨耗测量值，进行数据滤波，得到最终的磨耗测量结果。

具体地，上述步骤是对测量结果进行修正。由于钢轨轮廓的测量数据受钢轨表面起伏纹理(由于钢轨腐蚀等因素导致)的影响，基于单个断面计算的钢轨磨耗存在较大的测量误差，对测量结果进行修正可提高测量结果的测量精度。上述方法中的磨耗测量值可以为垂直磨耗测量值和侧面磨耗测量值。对垂直磨耗或侧面磨耗具体修正方法如下：首先对原始的磨耗数据进行滤波，获取参考钢轨磨耗；再分析原始磨耗与参考磨耗的差异值D，删除差异值大于T_D的测量值(或用当前测点的参考磨耗值替换当前测点的原始测量值)；接着对异常处理后的磨耗数据滤波，进而得到最终(修正)的磨耗测量结果；最后，依据修正的垂直磨耗和侧面磨耗重新计算钢轨总磨耗。磨耗数据滤波可选用均值滤波、高斯滤波等滤波器。

另外，应当说明的是，在测量过程中，在存在扣件区域的横断面数据中，钢轨轮廓FG段不能完整采集，此时只能采集钢轨轮廓FG段靠近F端点的部分轮廓，在此种情况下，钢轨轮廓FG测量的有效测量范围将减少，但仍然可以使用本专利发明内容进行钢轨磨耗测量。

综上，本发明实施例提供的钢轨磨耗测量方法至少具有以下有益效果：

(1)由于线扫描三维测量传感器在横断面方向采样点的密集性，降低了钢轨表面起伏纹理对测量结果的影响，间接提高测量轮廓与标准钢轨轮廓匹配的准确性；

(2)由于线扫描三维测量传感器在Y方向(测量移动方向)采样点非常密集，对基于断面计算的钢轨磨耗进行了修正，使测量结果受钢轨表面起伏纹理和测量姿态的影响较小，测量结果稳定可靠，抗干扰能力强；

(3)实现非接触式的钢轨磨耗快速、连续、动态测量，提高检测效率；

(4)设计一种可靠的钢轨测量轮廓与标准轮廓的匹配方法，提高了测量轮廓与标准钢轨轮廓匹配的准确性。

本发明实施例还提供一种用于上述任一实施例提供的钢轨磨耗测量方法的磨耗测量装置，该装置包括：线扫描三维测量传感器、里程编码器和测量载体；里程编码器及至少一个线扫描三维传感器设置于测量载体；测量载体用于沿待测钢轨运动；线扫描三维测量传感器由激光器和三维相机组成，用于向所述钢轨发射一字激光线，并获取所述一字激光线对应的所述钢轨表面轮廓的高程数据；线扫描三维测量传感器包括第一线扫描三维测量传感器和第二线扫描三维测量传感器，第一线扫描三维测量传感器位于钢轨的正上方，用于测量踏面轮廓；第二线扫描三维测量传感器位于钢轨的侧部，用于测量侧面轮廓、轨腰轮廓和轨底轮廓；里程编码器用于记录测量载体沿钢轨行驶的里程信息。

具体地，线扫描三维测量传感器可为一套线扫描三维测量传感器，也可为多套线扫描三维测量传感器。线扫描三维测量传感器由三维相机、激光器、控制器组成，利用三角测量原理，获取激光线所对应钢轨表面的高程。线扫描三维测量传感器扫描钢轨不同分段时可具有不同的精度，具体为：钢轨AB段区域在X方向的测量精度高于0.5mm(分辨率<0.5mm)，在Z方向的测量精度高于0.3mm(分辨率<0.3mm)；钢轨CD段区域在X方向的测量精度高于0.3mm(分辨率<0.3mm)，在Z方向的测量精度高于0.5mm(分辨率<0.5mm)；钢轨BC段、EF段、FG段区域在X方向的测量精度高于0.5mm(分辨率<0.5mm)，在Z方向的测量精度高于0.5mm(分辨率<0.5mm)。线扫描三维测量传感器的采样频率＞1000Hz/s；线扫描三维测量传感器安装区如图2所示，含钢轨上方和钢轨内侧方向一定区域范围。

图2中，X方向为钢轨横断面方向，Y方向为测量载体移动方向，Z方向为高程方向。里程编码器，用来记录测量载体所行使的里程信息；测量载体可在钢轨上沿钢轨方向运动，其运动速度为0km/h～300km/h。

为了说明本发明实施例提供的上述钢轨磨耗测量方法和钢轨磨耗测量装置，以下以一个具体的实例进行说明：

采用两套线扫描三维测量传感器，获取单根钢轨三维信息。其中，1个三维测量传感器安装在钢轨正上方，采集钢轨AB段和BC段的数据，传感器底部在Z方向距离钢轨踏面约500mmm，其在高程方向(Z方向)的理论测量精度约为0.013mm；在钢轨横断面方向(X方向)的测量精度约为0.22mm；另1个三维测量传感器安装在钢轨侧面，采集钢轨CD段、EF段和FG段区域的数据，传感器在X方向距离钢轨轨腰约500mmm，其在高程方向(Z方向)的理论测量精度约为0.22mm；在钢轨横断面方向(X方向)的测量精度约为0.13mm。线扫描三维测量传感器的采样频率＞2500Hz/s。实验中检测对象是50kg/m标准钢轨。

其中钢轨磨耗计算方法的数据处理流程如下：

步骤1、数据预处理。将测量的数据通过标定文件进行像方坐标到物方坐标的转换(即通过标定获取测量数据在物方的(X,Z)坐标)；其中标定文件，在线扫描三维测量传感器安装在测量载体后，在轨距测量前，通过标定的方法，记录像方坐标到物方坐标的转换关系；再去除测量数据中的零点异常值。

步骤2、钢轨数据截取。具体方法如下：先利用钢轨踏面高程相对较高、钢轨在X方向上连续、踏面在X方向具备一定宽度范围特征，初步定位钢轨踏面数据区域；再结合钢轨轮廓趋势和数据采集点顺序关系，定位钢轨的轨头、轨腰、轨底数据；最后，依据初步定为的结果，截取钢轨的轨头、轨腰、轨底数据；其中轨底数据的截取点为G点，G点位置的判断利用其与钢轨踏面的相对位置关系以及自身曲率变化较大的特征进行定位；数据截取效果如图4所示。

步骤3、钢轨轮廓分段。首先用半径为10的均值滤波对原始钢轨轮廓数据进行滤波处理，获取钢轨轮廓主趋势，例如对图5中的虚线框内的轮廓进行滤波，结果如图6所示。再依据钢轨的形状，分别提取钢轨的AC段(或AB段)、CD段、EF段、FG段数据。提取钢轨子段的具体步骤如下：首先，利用钢轨轨腰(EF段)在Z方向位于钢轨中间区域，在XZ平面的斜率的绝对值大于SlopT(SlopT＝5.5)，且连续出现的距离较长(大于45mm)，优先定位钢轨轨腰(EF段)；依据FG段与EF段的相对位置关系，且FG段与EF段相邻，定位钢轨FG段轮廓；依据CD段靠近D点附近与EF段在X方向和Z方向的相对位置关系(在X方向位于EF段左侧，在Z方向位于EF段上侧)，且其与EF段在XZ平面的斜率相近(斜率的绝对值大于4)，且位于轨头侧面下端点，定位钢轨D点位置，进而定位钢轨AD段轮廓，分段的结果如图7所示。

步骤4、钢轨异常数据处理。对提取的钢轨各子段(AD段、EF段、FG段)数据，首先对子段原始轮廓(数据)分别进行半径为10的均值滤波处理，获取各子段轮廓参考轮廓(数据)；再计算各测点的原始数据与参考数据在X方向和Z方向的欧式距离，结合各子段轮廓在X方向和Z方向的偏离阈值TX(TX_AD＝0.3mm；TX_EF＝0.3mm、TX_FG＝0.3mm)、TZ(TZ_AD＝0.3mm、TZ_EF＝0.3mm、TZ_FG＝0.3mm)，剔除偏离值大于TX或TZ的测点(或用当前测点对应位置的滤波值替换当前测点的原始测量值)。

步骤5、测量钢轨轮廓与标准钢轨轮廓匹配。标准钢轨轮廓EF在X方向、Z方向的中心点，记为(x_s,z_s)，测量钢轨轮廓与标准钢轨轮廓匹配，为了便于将测量的轮廓数据与标准轮廓数据点进行比较，将标准轮廓EG段的数据沿顺时针方向旋转角度α(α＝45°)，使标准轮廓数据在X方向的不同位置只有1个取值。测量钢轨轮廓与标准钢轨轮廓匹配的数据处理步骤如下：1)参与钢轨轮廓匹配的测量数据确认。计算轮廓EF段的长度，若其长度大于标准轮廓EF段的长度，则从端点E附近去除部分数据，使最终的测量轮廓EF段的长度不大于标准轮廓EF段的长度；计算轮廓FG段的长度，若其长度大于标准轮廓FG段的长度，则从端点G附近去除部分数据，使最终的测量轮廓FG段的长度不大于标准轮廓FG段的长度；2)计算轮廓EF段在X方向、Z方向的中心点，记为(x₀,z₀)，基于最小二乘拟合方法计算轮廓EF段的倾斜角度θ₀，设置初始校正参数为(x_s-x₀,z_s-z₀,-θ₀+α)；3)依据当前校正参数，对轮廓EF段、FG段进行校正；4)将校正后的轮廓数据，沿X方向，逐点依据计算各测点到标准轮廓EF段的距离，统计并记录平均距离；5)设定最大迭代次数MaxC＝100，设定满足要求的最小误差阈值T_MinE＝0.1mm，设定在X方向、Z方向、旋转角度的搜索步长分辨为xs＝0.05mm、zs＝0.05、θs＝0.01°；选择合适优化迭代算法(或枚举法)，获取最优校正参数(x,z,θ')；6)依据优化迭代结果，结合旋转角度α，得到最终的校正参数x，z，θ(其中θ＝θ'-α)；7)依据参数x，z，θ对AD段轮廓数据进行坐标转换；匹配结果如图8和图9所示。

步骤6、钢轨磨耗值计算。先将坐标转换后的AD段轮廓进行半径为10的均值滤波，获取钢轨轮廓AD段主趋势，计算钢轨顶面宽度1/3处标准轮廓与滤波轮廓在Z方向上的距离，作为钢轨的垂直磨耗W_v；计算钢轨踏面下16mm处钢轨侧面与标准轮廓在X方向上的距离，作为钢轨的侧面磨耗W_h；依据垂直磨耗W_v和侧面磨耗W_h计算钢轨总磨耗W(W＝W_v+0.5*W_h)。

步骤7、测量结果修正。对步骤6中计算的钢轨磨耗值，可结合相邻位置的测量结果进行结果修正。由于测量的钢轨轮廓数据受钢轨表面起伏纹理(由于钢轨腐蚀等因素导致)，基于单个断面计算的钢轨磨耗存在较大的测量误差，若对测量结果进行修正可提高测量结果的测量精度。对垂直磨耗和侧面磨耗具体修正方法如下:首先对原始的磨耗数据进行滤波，获取参考钢轨磨耗；再分析原始磨耗与参考磨耗的差异值D，删除差异值大于T_D(T_D＝1mm)的测量值；接着对异常处理后的磨耗数据进行均值滤波，进而得到最终(修正)的磨耗测量结果；最后，依据修正的垂直磨耗和侧面磨耗重新计算钢轨总磨耗。

本发明实施例提供了一种电子设备，如图10所示，该设备包括：处理器(processor)501、通信接口(Communications Interface)502、存储器(memory)503和通信总线504，其中，处理器501，通信接口502，存储器503通过通信总线504完成相互间的通信。处理器501可以调用存储器503上并可在处理器501上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的钢轨磨耗测量方法，例如包括：采用线扫描三维测量传感器对钢轨进行连续测量，获得测量数据；并根据测量数据获得钢轨的测量轨头轮廓、测量轨腰轮廓和测量轨底轮廓；将测量匹配轮廓与标准匹配轮廓进行匹配，获得测量匹配轮廓与标准匹配轮廓之间的偏移参数；其中，测量匹配轮廓包括测量轨腰轮廓和测量轨底轮廓；根据偏移参数对测量轨头轮廓进行坐标转换，并将坐标转换后的测量轨头轮廓与标准轨头轮廓进行比较，根据比较结果计算获得钢轨的磨耗测量值。

此外，上述的存储器503中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种钢轨磨耗测量方法，其特征在于，包括：

采用线扫描三维测量传感器对钢轨进行连续测量，获得测量数据；并根据所述测量数据获得所述钢轨的测量轨头轮廓、测量轨腰轮廓和测量轨底轮廓；

将测量匹配轮廓与标准匹配轮廓进行匹配，获得所述测量匹配轮廓与所述标准匹配轮廓之间的偏移参数；其中，所述测量匹配轮廓包括所述测量轨腰轮廓和所述测量轨底轮廓；

根据所述偏移参数对所述测量轨头轮廓进行坐标转换，并将坐标转换后的所述测量轨头轮廓与标准轨头轮廓进行比较，根据比较结果计算获得所述钢轨的磨耗测量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述测量数据获得所述钢轨的测量轨头轮廓、测量轨腰轮廓和测量轨底轮廓，包括：

根据所述测量数据定位获得钢轨踏面和钢轨内侧轨底截取点，并根据所述钢轨踏面和所述钢轨内侧轨底截取点在所述测量数据中截取获得所述测量钢轨轮廓；

对所述测量钢轨轮廓进行分段处理，获得所述测量轨头轮廓、所述测量轨腰轮廓和所述测量轨底轮廓。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述测量数据定位获得钢轨踏面和钢轨内侧轨底截取点，包括：

根据高程变化特征在所述测量数据中定位获得所述钢轨踏面；其中，所述高程变化特征包括所述钢轨踏面的高程相对较高的特征、钢轨在横断面方向上的连续性特征以及所述钢轨踏面在横断面方向的宽度范围特征；

根据所述钢轨内侧轨底截取点与所述钢轨踏面之间的相对位置关系以及所述钢轨内侧轨底截取点的曲率变化大的特征在所述测量数据中定位获得所述钢轨内侧轨底截取点。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述测量钢轨轮廓进行分段处理，获得所述测量轨头轮廓、所述测量轨腰轮廓和所述测量轨底轮廓，包括：

通过所述测量轨腰轮廓在高程方向位于所述测量钢轨轮廓的中间区域、在平面内的斜率的绝对值较大且连续出现的距离较长的特征定位获得所述测量轨腰轮廓；其中，所述平面为高程方向与横断面方向形成的平面；

根据所述测量轨底轮廓与所述测量轨腰轮廓之间的相对位置关系以及所述测量轨底轮廓与所述测量轨腰轮廓相邻的特征定位获得所述测量轨底轮廓；以及，所述测量轨头轮廓包括踏面轮廓和侧面轮廓，根据所述侧面轮廓的下端点与所述测量轨腰轮廓的相对位置关系以及所述侧面轮廓的斜率与所述测量轨腰轮廓的斜率在所述平面相近的特征定位获得所述测量轨头轮廓。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将测量匹配轮廓与标准匹配轮廓进行匹配，获得所述测量匹配轮廓与所述标准匹配轮廓之间的偏移参数，包括：

将所述测量匹配轮廓调整至不同的位置，并在每一位置获取所述测量匹配轮廓中的测点与所述标准匹配轮廓中对应测点之间的距离参数；

根据对应于最小距离参数的所述测量匹配轮廓的位置，获取所述测量匹配轮廓与所述标准匹配轮廓之间的偏移参数；其中，所述偏移参数包括坐标平移量和旋转角度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述测量匹配轮廓调整至不同的位置，并在每一位置获取所述测量匹配轮廓中的测点与所述标准匹配轮廓中对应测点之间的距离参数，包括：

将所述标准匹配轮廓沿顺时针旋转一定旋转角度，以使所述标准匹配轮廓在横断面方向的不同位置处只有一个取值；获取所述标准匹配轮廓中的标准轨腰轮廓在平面内的第一中心点坐标，所述平面为高程方向与横断面方向形成的平面；

计算所述测量轨腰轮廓在所述平面内的第二中心点坐标和倾斜角度，并根据所述第一中心点坐标、所述第二中心点坐标、所述倾斜角度和所述旋转角度设置初始校正参数；

根据所述初始校正参数调整所述测量匹配轮廓的位置，并计算所述位置对应的距离参数；

设定最大迭代次数、搜索步长分辨率和最小误差阈值，其中，所述搜索步长分辨率包括坐标步长分辨率和角度步长分辨率；采用设定优化迭代算法对所述初始校正参数进行优化，并根据优化后的每一所述初始校正参数调整所述测量匹配轮廓的位置，在每次在调整位置后沿横断面方向计算所述距离参数。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述调整所述测量匹配轮廓的位置之前，还包括：

若所述测量轨腰轮廓的长度大于所述标准匹配轮廓中的标准轨腰轮廓的长度，则从所述测量轨腰轮廓的上端点附近去除部分测点，以使所述测量轨腰轮廓的长度不大于所述标准轨腰轮廓的长度；以及，若所述测量轨底轮廓的长度大于所述标准匹配轮廓中的标准轨底轮廓的长度，则从所述测量轨底轮廓的钢轨内侧轨底截取点附近去除部分测点，以使所述测量轨底轮廓的长度不大于所述标准轨底轮廓的长度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据比较结果计算获得所述钢轨的磨耗测量值之后，还包括：

对磨耗数据集合进行滤波处理，获得参考磨耗测量值；其中，所述磨耗数据集合包括所述钢轨中多个位于不同里程处的测点分别对应的磨耗测量值；

对于每一所述测点对应的所述磨耗测量值，将所述磨耗测量值与所述参考磨耗测量值进行比较，获得差异值；若所述差异值大于差异阈值，则将所述测点的磨耗测量值替换为所述参考模块测量值或删除所述测点的磨耗测量值，得到初修正的磨耗测量值；对所述初修正的磨耗测量值，进行数据滤波，得到最终的磨耗测量结果。

9.一种用于权利要求1-8任一项所述的钢轨磨耗测量方法的钢轨磨耗测量装置，其特征在于，包括：线扫描三维测量传感器、里程编码器和测量载体；所述里程编码器及至少一个所述线扫描三维传感器设置于所述测量载体；

所述测量载体用于沿待测钢轨运动；

所述线扫描三维测量传感器由激光器和三维相机组成，所述线扫描三维测量传感器用于向所述钢轨发射一字激光线，并获取所述一字激光线对应的所述钢轨表面轮廓的高程数据；所述线扫描三维测量传感器可为一套线扫描三维测量传感器，也可为多套线扫描三维测量传感器；

所述里程编码器用于记录所述测量载体沿所述钢轨行驶的里程信息。

10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至8任一项所述钢轨磨耗测量方法的步骤。