CN110926361A - 一种检测轨冠饱满度的数值计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种检测轨冠饱满度的数值计算方法，该方法包括确定轨冠的拐点；确定轨冠的中心线；轨冠饱满度判定：利用中心线为对称轴，向轨冠两边依次取多个对应的数据点；计算两点之间的角度值：将数据点依次连线得到两条折线段，得到每一小段的斜率，从而获得两点间的角度值；在钢轨轨冠上取若干的数据点后，计算出整个轨冠的总面积S；如果得到的每个角度值在合格域内，再继续比较被测轨冠和外轮廓线和内轮廓线分别得到的面积，如果面积仍在对应的合格域内，则可以判定该钢轨的轨冠饱满度符合要求，反之，轨冠饱满度不符合要求。本发明通过数值计算精确地判定钢轨的轨冠饱满度是否满足标准要求。

Description

一种检测轨冠饱满度的数值计算方法

技术领域

本发明涉及钢轨检测领域，尤其涉及一种检测轨冠饱满度的数值计算方法。

背景技术

目前，在钢轨各个参数检测的现有标准中，钢轨轨冠饱满度应符合TB/T2344-2012的规定要求。其中，高速轨和普速轨的偏差分别为(-0.5，+0.6)mm，(-0.3，+0.6)mm，标准值10mm。在实际检测中，大多测量方法采用人工测量来判断饱满度是否合格，参数获取的准确性有待提高。

激光图像处理技术常常应用于非接触式钢轨廓形检测系统，其原理将激光扫描到钢轨表面上，然后利用相机对激光束进行拍照并从钢轨轮廓中提取图像和还原，最后进行钢轨廓形的检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测轨冠饱满度的数值计算方法，通过数值计算精确地判定钢轨的轨冠饱满度是否满足标准要求。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种检测轨冠饱满度的数值计算方法，该方法包括：

步骤一，利用扫描法确定轨冠的拐点；

步骤二，利用步骤一中的拐点数据确定轨冠的中心线；

步骤三，轨冠饱满度判定：

步骤3.1，利用步骤二的中心线为对称轴，向轨冠两边依次取多个对应的数据点；

步骤3.2，计算两点之间的角度值：将步骤3.1中的数据点依次连线得到两条折线段，得到每一小段的斜率，从而获得两点间的角度值；

步骤3.3，计算轨冠的面积：在钢轨轨冠上取若干的数据点后，计算出整个轨冠的总面积S；

步骤3.4，判断轨冠饱满度是否合格：如果得到的每个角度值在合格域内，再继续比较被测轨冠和外轮廓线和内轮廓线分别得到的面积，如果面积仍在对应的合格域内，则可以判定该钢轨的轨冠饱满度符合要求，反之，轨冠饱满度不符合要求；

其中，由钢轨外轮廓线相应的角度值以及钢轨内轮廓线相应的角度值得到的角度值范围为合格域。

进一步，步骤一中扫描法确定轨冠的拐点的方法如下：

利用激光轮廓仪扫描钢轨，从激光轮廓仪得到的数据中，钢轨轨冠左右两边各取第701-1000共三百个数据点，每个数据点之间的间隔为0.2mm；

根据离散点的二阶导公式：

可以得到每个数据点的二阶导数，二阶导数值最大的点即为拐点A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)。

进一步，步骤二中轨冠的中心线确定方法如下：

由轨冠两个拐点A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)确定一条直线，可以得到y₂＝k₂x₂+b₂，其中

得到这条线的中垂线，该线中点是

即可得到该轨冠的中心线y₁＝k₁x₁+b₁，

中心线与轨冠轮廓线的交点记为轨冠中点C(x_c，y_c)。

进一步，所述步骤3.1中，将钢轨轨冠左右两边的最后一个点分为各自的拐点A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)；

其中，钢轨轨冠左边点依次为

A(x_A，y_A)，钢轨轨冠右边点与钢轨轨冠左边点一一对应，依次为

B(x_B，y_B)。

所述步骤3.2，钢轨轨冠左边前两个点

的斜率、角度值分别为：

钢轨轨冠右边前两个点N₁(x_N1，y_N2)、点N₂(x_N2，y_N2)的斜率、角度值分别为：

所述步骤3.3中，总面积S为：

其中

与现有技术相比，本发明的优点为：该方法通过数值计算精确地判定钢轨的轨冠饱满度是否满足标准要求。

附图说明

图1是一种检测轨冠饱满度的数值计算方法的流程图；

图2是由标准钢轨衍生而来的内外轮廓线的示意图；

图3是标注实际测量钢轨轨冠重要的点和区域的示意图；

图4是为了便于理解角度值以及面积计算的示意图。

附图标记说明：A，B分别是轨冠的拐点，C是轨冠的中点，Ⅰ,Ⅱ是轨冠左右两边计算拐点的取点区，1表示外轮廓线，2表示标准轨的轮廓线，3表示内轮廓线。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明所采用的技术方案作进一步的说明。

图1给出了检测轨冠饱满度的数值计算方法流程，该图中的流程包括：钢轨开始扫描→获取图形，进行预处理→确定钢轨轨冠上的拐点→通过计算得到轨冠的中心线，进而得到轨冠轮廓线上的中心点→由中心点向两端取多个相对称的数据点→将相邻的点连成线，计算其角度以及轨冠面积→由标准轨冠衍生出一条内轮廓线和一条外轮廓线→也同样对两条轮廓线做数据处理，就得到了一系列合格的数据区间→所得到的该钢轨数据值是否均在相应的数值区间内→当所得到的数据在相应的数值区间内，则该钢轨的饱满度合格，反之，则该钢轨的饱满度不合格。

确定两条钢轨轮廓线，即一条外轮廓线，代表在轨冠饱满度合格前提下所能接受的最大的正偏差值；一条内轮廓线，代表在轨冠饱满度合格前提下所能接受的绝对值最大的负偏差值。对待测钢轨进行检测，获取其轨冠一系列的点的坐标通过计算从而获得角度值以及整个钢轨轨冠的面积，用同样的方法获得两条轮廓线相应的角度值和面积，这样我们可以得到相应的上限值和下限值。最后通过比较实际测量的数据在不在该范围内即可判断该钢轨的轨冠饱满度是否合格。

图2中示出了标准轨的轮廓线2、外轮廓线1、内轮廓线3，图3中示出了轨冠的拐点A、拐点B、轨冠的中点C，而I是轨冠左边计算拐点的取点区，II为轨冠右边两点计算拐点的取点区。

结合图2-4，下面详细描述检测轨冠饱满度的数值计算方法(其中x_i表示i点的横坐标，y_i表示i点的纵坐标，k₁表示轨冠两拐点的斜率，k₂表示轨冠中心线的斜率，k_ij表示i点和j点连线的斜率，θ_ij表示i点和j点连线与水平线的夹角，S表示轨冠总面积，S_i+1表示第i个直角梯形或直角三角形的面积S_余剩余的轨冠面积)：

步骤一：确定轨冠的拐点

从激光轮廓仪扫描到的数据中，左右两边各取第701～1000共三百个数据点，每个数据点之间的间隔为0.2mm(这三百个点中有一部分是无效值)，位置在图3的Ⅰ，Ⅱ区域里。

以钢轨左边为例，根据离散点的二阶导公式：

可以得出每个数据点的二阶导数，二阶导数值最大的那个点即为我们所要找的拐点A(x_A，y_A)，同理也能得到右边的拐点B(x_B，y_B)。

步骤二：确定中心线

由轨冠两个拐点A(x_A，y_A)，B(x_B，y_B)，两点确定一条直线，可以得到y₂＝k₂x₂+b₂，其中

做这条线的中垂线，该线中点是

即可得到该轨冠的中心线y₁＝k₁x₁+b₁，

中心线与轨冠轮廓线的交点记为轨冠中点C(x_c，y_c)。

步骤三：轨冠饱满度的判定

(1)以步骤二中所确定的中心线为对称轴，向两边依次取多个对应的数据点，若选取的点数越多，最后得到的结果精度也就越高。

左右两边的最后一个点为各自的拐点A(x_A，y_A)，B(x_B，y_B)。

为方便描述，记左边点依次为

A(x_A，y_A)。

右边点一一对应，依次为

(2)计算两点之间的角度值

将这些点依次连线得到两条折线段，得到每一小段的斜率，进而获得两点间的角度值。具体算法如下：

以左边前两个

为例，

可以结合附图4来理解，原理就是把一条光滑的曲线近似看作一条由很多条小线段组成的折线段，且小线段越多，近似度就越高。

(3)计算轨冠的面积

在钢轨轨冠上取足够多的点后，整个轨冠的总面积S就近似等于很多个直角梯形和直角三角形的总面积，取得点越多，计算出来的面积越精确。

例如在左边，任取两个相邻的点

则

需要注意的是，由左右最后两点为两个端点的图形并不是直角梯形，而是直角三角形，但仍可用上述公式进行计算。

所以可以计算出总面积：

其中

(4)判断轨冠饱满度是否合格

经过上述步骤，已经得到大量的角度值以及轨冠的面积，由外轮廓线和内轮廓线相应的角度值和轨冠面积可以得到一个范围，可以称它为合格域，如果实际得到的每个角度值都在合格域内，则可以判定该钢轨的轨冠饱满度符合要求，反之，轨冠饱满度不符合要求。

本发明的检测轨冠饱满度的数值计算方法具体应用实施步骤：

步骤一：使载有激光轮廓仪的滑台匀速运行，滑台运行前钢轨必须保持静止状态，且滑台应平稳运行，不能有震动，抖动等状况。

步骤二：将左右两侧传感器的数据通过以太网通信传输给上位机，上位机通过LabVIEW软件对于获取的数据进行处理，算法参照前面的描述步骤进行计算。

步骤三：将LabVIEW得到的数据与标准数据进行对比，如果实际得到的每个角度值都在合格域内，再继续比较被测轨冠的面积和外轮廓线和内轮廓线分别得到的面积；如果面积仍在对应的合格域中，则可以判定该钢轨的轨冠饱满度符合要求，反之，轨冠饱满度不符合要求。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种检测轨冠饱满度的数值计算方法，其特征在于，该方法包括：

步骤一，利用扫描法确定轨冠的拐点；

步骤二，利用步骤一中的拐点数据确定轨冠的中心线；

步骤三，轨冠饱满度判定：

步骤3.1，利用步骤二的中心线为对称轴，向轨冠两边依次取多个对应的数据点；

步骤3.2，计算两点之间的角度值：将步骤3.1中的数据点依次连线得到两条折线段，得到每一小段的斜率，从而获得两点间的角度值；

步骤3.3，计算轨冠的面积：在钢轨轨冠上取若干的数据点后，计算出整个轨冠的总面积S；

步骤3.4，判断轨冠饱满度是否合格：如果得到的每个角度值在合格域内，再继续比较被测轨冠和外轮廓线和内轮廓线分别得到的面积，如果面积仍在对应的合格域内，则可以判定该钢轨的轨冠饱满度符合要求，反之，轨冠饱满度不符合要求；

其中，由钢轨外轮廓线相应的角度值以及钢轨内轮廓线相应的角度值得到的角度值范围为合格域。

2.根据权利要求1所述的一种检测轨冠饱满度的数值计算方法，其特征在于，步骤一中扫描法确定轨冠的拐点的方法如下：

利用激光轮廓仪扫描钢轨，从激光轮廓仪得到的数据中，钢轨轨冠左右两边各取第701-1000共三百个数据点，每个数据点之间的间隔为0.2mm；

根据离散点的二阶导公式：

可以得到每个数据点的二阶导数，二阶导数值最大的点即为拐点A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)。

3.根据权利要求1所述的一种检测轨冠饱满度的数值计算方法，其特征在于，步骤二中轨冠的中心线确定方法如下：

由轨冠两个拐点A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)确定一条直线，可以得到y₂＝k₂x₂+b₂，其中

得到这条线的中垂线，该线中点是

即可得到该轨冠的中心线y₁＝k₁x₁+b₁，

中心线与轨冠轮廓线的交点记为轨冠中点C(x_c，y_c)。

4.根据权利要求1所述的一种检测轨冠饱满度的数值计算方法，其特征在于，所述步骤3.1中，将钢轨轨冠左右两边的最后一个点分为各自的拐点A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)；

其中，钢轨轨冠左边点依次为

A(x_A，y_A)，钢轨轨冠右边点与钢轨轨冠左边点一一对应，依次为

B(x_B，y_B)。

所述步骤3.2，钢轨轨冠左边前两个点

的斜率、角度值分别为：

钢轨轨冠右边前两个点N₁(x_N1，y_N2)、点N₂(x_N2，y_N2)的斜率、角度值分别为：

所述步骤3.3中，总面积S为：

其中

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