CN113514003A - 基于5g的激光扫描钢轨磨损检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于5G的激光扫描钢轨磨损检测系统及方法，包括有远程PC机、检测车两大部分，检测车上搭载GPS、编码器、上位机、下位机、位置模块、激光轮廓传感器、工业黑白CCD相机，通过轨道车在铁轨上自动行驶，运用5G技术将远程图像数据采集完成后传输至PC机处理，以快速、精确、高效的方式检测铁轨磨损情况。该发明拥有结构简单，使用方便，可直接用于钢轨磨耗检测，极大的减少铁路后期维护成本并提高维护效率，且软件具有易维护的特性。

Description

基于5G的激光扫描钢轨磨损检测系统及方法

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，具体涉及基于5G的激光扫描钢轨磨损检测系统及方法，用于激光扫描铁路钢轨磨损消耗的检测。

背景技术

随着我国铁路交通运输的迅速发展，铁路交通出行是大家出行方式的最佳选项之一。目前我国“八横八纵”的铁路网上面每年都有亿万次的运输量。这对铁路运输的“基石”——钢轨产生了相当大的负荷，这其中对钢轨的磨损是相当大的。

从中国国家铁路集团有限公司获悉，2020年7月份，全国铁路固定资产投资完成671亿元，同比增长3.6％，其中基建大中型项目投资完成499亿元，同比增长11.3％。截至2020年7月底，全国铁路营业里程达到14.14万公里，其中高铁3.6万公里。而在未来的几年，我国铁路线仍然会有相当大的发展。在这巨大的数字量下，钢轨的磨损是不可忽视的问题，过度磨损后的钢轨会对运行列车的安全构成巨大威胁。

近十多年来，由于行车速度提高，运量增大，需进一步提高轨道的不平顺性，要求更准确地测出轨道不平顺波形，因而促进了轨道检测新技术的发展。现有主流检查方式主要依靠人工检查以及大型的检测车，人工检查效率低且需要对工人进行培训，工人需要时间积累经验，不能保证百分百的准确率；大型检测车准确率高，但需要对工人进行相应培训，且大型检测车灵活性较低，成本高。于是便需要快捷、安全、方便的对钢轨进行损耗检测。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于5G技术的激光扫描钢轨磨损检测系统及方法，目的是通过轨道车在铁轨上自动行驶，运用5G技术将远程图像数据采集完成后传输至PC机处理，以快速、精确、高效的方式检测铁轨磨损情况。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，基于5G技术的激光扫描钢轨磨损检测系统，其特征在于，包括有远程PC机、检测车两大部分；检测车分上方和下方，检测车的下方的下位机连接位置模块、设在轮侧的激光轮廓传感器和编码器；上方搭载上位机，上位机连接GPS定位器、工业黑白CCD相机；检测车上的上位机电脑终端通过5G网络与远程PC机通信连接。

所述的下位机采用型号为STM32f407的主控芯片。

当检测车同远程PC机通信时采用5G网络，其中包括上位机的钢轨轮廓信息与相机拍摄磨损处照片的回传。

利用基于5G技术的激光扫描钢轨磨损检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，检测车通过GPS定位器以及编码器的测距进行定位，下位机的主控芯片采用型号为stm32f407，以此芯片进行控制；检测前，在远程PC机上设定好检测路段钢轨外形数据的标准值，以及检测路段的位置信息；在检测车的上位机上设定好检测间隔路程，开启检测车，检测车在检测钢轨上运行；

步骤2，根据上位机所设置检测间隔路程，当检测车运行在钢轨上时，经过设置检测间隔路程时，激光轮廓传感器进行一次检测；当主控芯片获得位置模块测量到一个定值时，便向激光轮廓传感器发出检测命令，主控芯片将获得的激光检测传感器所测得的钢轨外形数据传送给上位机，上位机将钢轨外形数据与此时检测车所检测钢轨的位置信息利用5G网络传递给远程PC机；

步骤3，远程PC机将所接受的钢轨轮外形据同位置信息匹配，处理钢轨外形数据，将得到的钢轨外形数据输入到对应的数学模型中，若钢轨外形数据处于提前设定范围中，则直接存储数据，若钢轨外形数据不合理，发送命令至检测车，由下位机控制对异常点拍照回传，远程PC机将异常点照片与该点的钢轨轮廓数据以及位置信息共同存储；

步骤4，通过远程PC机查看数据、模型、异常点照片，得到准确的钢轨在垂直磨耗与侧面磨耗的数值，并与标准钢轨轮廓外形进行对比，同时可查看异常点处所拍摄的照片，对钢轨轮廓状况做出准确判断，高效检测钢轨磨损。

说明：总磨耗＝垂直磨耗+1/2侧面磨耗；垂直磨耗在钢轨顶面宽1/3处(距标准工作边)测量；侧面磨耗在钢轨踏面(按标准断面)下16mm处测量。

本发明的有益效果是：

本发明通过轨道车在铁轨上自动行驶，运用5G技术将远程图像数据采集完成后传输至PC机处理，以快速、精确、高效的方式检测铁轨磨损情况。

1)极大的减少铁路后期维护成本并提高维护效率，方便铁路维护工程师及时处理问题，进一步为火车运行提供安全保障。

2)激光检测发现异常点时，会进一步进行拍照，得到钢轨表面的图片，使钢轨表面磨损程度更加直观的呈现。

3)只需要操作员在在相应远程PC机的软件上操作即可，数据还可以实时查看，极大的提高了工作效率。

4)当检测车独行位置较远时，远程PC机可以通过5G模块送远程操控命令控制检测车，实现实时观察检测车此时处于的位置，检测的钢轨轮廓信息。

附图说明

图1为本发明中检测车结构模型。

图2为本发明中红外激光检测示意图。

图3为本发明中数据采集流程图。

图4为本发明中钢轨外形曲线数据拟合图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明包括钢轨轮廓激光扫描系统，保证钢轨外形轮廓数据得到的可靠性。检测车行驶系统保证车体正常的运行。5G通信保证扫描数据的快速的可靠的接收。整个系统通过采用5G技术，使得各个模块有序发挥作用共同完成扫描过程。远程PC机软件保证可实时监测系统的运行状况以及扫描数据。定位系统，保证检测的数据是对应的目标检测路段。检测车的红外激光驱动电路为MOS开关电路，其栅极由下位机芯片控制，通过芯片IO口高低电平经过后端处理接到MOS管的栅极。检测车的轮子与编码器连接，当在上位机中设定好采样间隔在检测车启动后，车轮子的运转带动编码器运作，编码器产生方波信号传递给下位机主控芯片，下位机主控芯片开始对信号进行采样处理，依据方波的数量来计算当前检测车的运行路程，当路程达到一个采样间隔距离后便通过IO口传输信号给MOS的栅极，驱动红外激光的运转，然后发送位置数据以及扫描命令。检测车上核心在于红外激光扫描，为保证教好的采取激光轮廓，选用650nm红外激光，同时也选取了650nm的滤波片装在摄像头前来进行滤除杂波。

①钢轨位置信息

首先将检测车放置到钢轨上，于远程PC机上设定好检测路段钢轨外形数据的标准值，以及检测路段的位置信息。于上位机上提前设定好检测间隔路程，开启检测车，此时检测车开始运转，检测车系统中的编码器开始产生方波信号，方波信号传递至主控芯片，主控芯片每一次收到一个方波信号便进行检测车路程的计算，当满足一次检测间隔路程后便触发中断，传递测距检测命令以及位置信息；

②钢轨外形数据采集

本车通过GPS定位以及编码器测距来进行定位，主控芯片采用stm32f407进行控制。当检测车运行在钢轨上，设置特定的运行路程时，定位系统进行一次检测。当主控芯片检测到位置模块测量到一个定值时，便通过主控芯片向PC机发出检测命令，同时发出此时检测车的位置信息，此时PC机可通过接收到的信息获得检测车此时的位置，以便校准位置或充当临时位置模块。在行驶的过程中，通过激光轮廓传感器对钢轨进行扫描，得到钢轨外形的实时数据，然后以PC机上的软件进行图像处理，得到的数据输入到对应的数学模型中，若PC机处理发现异常点，回传给检测车，对异常点进行拍照再次回传。最终将钢轨整体外形曲线数据、存在异常情况部分的照片以及位置数据输出保存到本地；

③数据通信

CCD工业相机图像采集完成后，需要将得到的异常点图像传递给PC机，此时PC机就需要与CCD工业相机建立数据传输通道；随着CCD工业相机的飞速发展，拍摄到的异常点图像具有较高的分辨率和较大的容量，而且对传输的速度有了新的要求；影响数据传输的关键在于相机接口以及通信技术的选择，所以结合现场实际因素考虑，选择以5G通信建立PC机与CCD工业相机的数据传输渠道；

④存贮采样区间数据

首先将检测车放置到钢轨上，然后通过PC机软件进行初始调试，设置好对应的检测区间，此时GPS进行定位，并且设定钢轨检测车的初始位置，再设置采样间隔值，当所有参数设置好后，通过PC机上的软件选择启动按钮，此时检测车开始运转，检测车系统中的编码器开始产生方波信号，方波信号传递至主控芯片，主控芯片每一次收到一个方波信号便进行检测车路程的计算，当满足一次采样间隔后便触发中断，并向上位机传递测距检测命令以及此时获得的位置信息；将所有信息打包发送至PC机，PC机对激光扫描获得的钢轨外形数据进行图像处理，获取对应的外形数据后再添加下位机传来的位置信息，将对应的位置信息与该处的铁轨外形数据匹配后保存到本地，此时一个采样间隔完成。将获得的该处钢轨外形数据与标准钢轨外形数据进行比对，为磨损值的计算做准备。

图像处理图例如图4所见，将检测到的钢轨轮廓进行网格化处理并建立坐标系，以标准钢轨表面中心点为坐标原点，中线点水平面为x轴建立直角坐标系。管理软件接收到轮廓数据后与标准钢轨的轮廓数据进行拟合对比并在图中绘出此时的轮廓曲线，得到如图4所示的轮廓对比图。

表1为数据处理报告，软件给出的异常点报告，除显示异常点编号、位置及钢轨信息等基本信息外，报告会给出钢轨的磨耗情况，包括垂直磨耗、水平磨耗及钢轨的总磨耗，并会显示经软件处理得到的异常点处钢轨轮廓对比图，由此生成一份异常点处的磨耗报告。

表1

表1通过对软件给出的数据进行分析，将数据分析得到的结果，以及结果和实际情况之间的差异，磨耗信息，位置信息直观的展示出来，能更直接明了的说明轨道磨损及其当前位置情况。

利用基于5G技术的激光扫描钢轨磨损检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，检测车通过GPS定位器以及编码器的测距进行定位，下位机的主控芯片采用型号为stm32f407，以此芯片进行控制；检测前，在远程PC机上设定好检测路段钢轨外形数据的标准值，以及检测路段的位置信息；在检测车的上位机上设定好检测间隔路程，开启检测车，检测车在检测钢轨上运行；

步骤2，根据上位机所设置检测间隔路程，当检测车运行在钢轨上时，经过设置检测间隔路程时，激光轮廓传感器进行一次检测；当主控芯片获得位置模块测量到一个定值时，便向激光轮廓传感器发出检测命令，主控芯片将获得的激光检测传感器所测得的钢轨外形数据传送给上位机，上位机将钢轨外形数据与此时检测车所检测钢轨的位置信息利用5G网络传递给远程PC机；

步骤3，远程PC机将所接受的钢轨轮外形据同位置信息匹配，处理钢轨外形数据，将得到的钢轨外形数据输入到对应的数学模型中，若钢轨外形数据合理(数据处于提前设定的一定范围)则直接存储数据，若钢轨外形数据不合理，发送命令至检测车，由下位机控制对异常点拍照回传，远程PC机将异常点照片与该点的钢轨轮廓数据以及位置信息共同存储；

步骤4，通过远程PC机查看数据、模型、异常点照片，得到准确的钢轨在垂直磨耗与侧面磨耗的数值，并与标准钢轨轮廓外形进行对比，同时可查看异常点处所拍摄的照片，对钢轨轮廓状况做出准确判断，高效检测钢轨磨损，判断标准见表2。

表2为高效检测钢轨磨损判断标准

注：总磨耗＝垂直磨耗+1/2侧面磨耗；②垂直磨耗在钢轨顶面宽1/3处(距标准工作边)测量；侧面磨耗在钢轨踏面(按标准断面)下16mm处测量。

表2

Claims (3)

1.基于5G技术的激光扫描钢轨磨损检测系统，其特征在于，包括有远程PC机、检测车两大部分；检测车分上方和下方，检测车的下方的下位机连接位置模块、设在轮侧的激光轮廓传感器和编码器；上方搭载上位机，上位机连接GPS定位器、工业黑白CCD相机；检测车上的上位机电脑终端通过5G网络与远程PC机通信连接。

2.根据权利要求1所述的基于5G技术的激光扫描钢轨磨损检测系统，其特征在于，所述的下位机采用型号为STM32f407的主控芯片。

3.利用基于5G技术的激光扫描钢轨磨损检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，检测车通过GPS定位器以及编码器的测距进行定位，下位机的主控芯片采用型号为stm32f407，以此芯片进行控制；检测前，在远程PC机上设定好检测路段钢轨外形数据的标准值，以及检测路段的位置信息；在检测车的上位机上设定好检测间隔路程，开启检测车，检测车在检测钢轨上运行；

步骤2，根据上位机所设置检测间隔路程，当检测车运行在钢轨上时，经过设置检测间隔路程时，激光轮廓传感器进行一次检测；当主控芯片获得位置模块测量到一个定值时，便向激光轮廓传感器发出检测命令，主控芯片将获得的激光检测传感器所测得的钢轨外形数据传送给上位机，上位机将钢轨外形数据与此时检测车所检测钢轨的位置信息利用5G网络传递给远程PC机；

步骤3，远程PC机将所接受的钢轨轮外形据同位置信息匹配，处理钢轨外形数据，将得到的钢轨外形数据输入到对应的数学模型中，若钢轨外形数据处于提前设定范围中，则直接存储数据，若钢轨外形数据不合理，发送命令至检测车，由下位机控制对异常点拍照回传，远程PC机将异常点照片与该点的钢轨轮廓数据以及位置信息共同存储；

步骤4，通过远程PC机查看数据、模型、异常点照片，得到准确的钢轨在垂直磨耗与侧面磨耗的数值，并与标准钢轨轮廓外形在同一张图上对比，同时可查看异常点处所拍摄的照片，对钢轨轮廓状况做出准确判断，高效检测钢轨磨损。

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