鋼軌輪廓檢測系統及檢測方法
2023-09-23 18:52:25 2
鋼軌輪廓檢測系統及檢測方法
【專利摘要】本發明提供了一種鋼軌輪廓檢測系統及檢測方法中，手持式三維掃描儀掃描設置有所述檢測定位點的被測鋼軌，以生成所述被測鋼軌的三維模型，數據處理裝置根據所述被測鋼軌的三維模型獲得所述被測鋼軌的輪廓及測量分析報告。本發明的鋼軌輪廓檢測系統運用過程中，攜帶更輕巧方便，測量更科學精準，可同時檢測鋼軌的橫斷面輪廓及縱斷面輪廓，分析更直觀可靠，降低了人力物力的耗費，提高了工作效率，滿足本領域的實際需求。
【專利說明】鋼軌輪廓檢測系統及檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及測量【技術領域】，特別涉及一種鋼軌輪廓檢測系統及檢測方法。
【背景技術】
[0002] 鐵路運輸是我國運輸事業的主要力量，它的發展直接制約著中國經濟的發展。隨 著鐵路事業的飛快發展，高速、重載列車運行量的增加，鋼軌的磨損也越來越嚴重。鋼軌磨 損是鋼軌質量參數中重要的一項。鋼軌磨損造成鋼軌輪廓尺寸變化，惡化了輪軌動力，加大 列車運行過程中事故發生的可能性，減少鋼軌和機車的使用壽命。鐵路網的不斷擴大和養 護維修需求的增加對鋼軌檢測提出新的要求。
[0003] 鋼軌輪廓尺寸變化是影響鋼軌壽命的主要原因。由於輪軌與鋼軌長期接觸，導致 鋼軌發生磨損，造成鋼軌輪廓尺寸變化，減少了鋼軌金屬量，從而減少了鋼軌使用壽命。鋼 軌輪廓尺寸變化，也嚴重影響機車運行中的平穩性、安全性，也增加了輪軌動力，所W需要 及時的對鋼軌輪廓尺寸進行檢測，保證列車的正常運行。鋼軌輪廓尺寸檢測可W檢測出的 鋼軌的磨損W及鋼軌服邊等問題，其檢測結果決定著鋼軌打磨的必要性W及打磨是否合 格，對鋼軌打磨有著重要的指導意義。
[0004] 目前，國內外的鋼軌輪廓的檢測方法主要是接觸式和非接觸式，其中，接觸式測量 的測量精度較高，但操作繁瑣，測量效率低，測量精度低，且接觸式測量所採用的裝置只能 完成橫斷面或縱斷面的一種測量。非接觸式測量採用雷射傳感器和線性電機驅動同時測 量鋼軌橫斷面及縱斷面，但非接觸式測量的裝置測量前需要固定在鋼軌上或者固定在車輛 上，便攜性較差。基於現有技術中存在的問題，開發一種可攜式、高精度、可W同時測量橫斷 面和縱斷面的鋼軌輪廓檢測系統成為大勢所趨。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在於提供一種鋼軌輪廓檢測系統及檢測方法，W解決使用現有技術 中的鋼軌輪廓檢測方法中採用的檢測裝置存在操作複雜、便攜性差、測量效率低、測量精度 不高的問題。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明提供一種鋼軌輪廓檢測系統，所述鋼軌輪廓檢測系 統包括：
[0007] 檢測定位點，設置於被測鋼軌的縱向的兩側；
[0008] 手持式H維掃描儀，用於對設置有所述檢測定位點的所述被測鋼軌進行掃描，W 生成所述被測鋼軌的H維模型；
[0009] 數據處理裝置與所述手持式H維掃描儀連接，用於根據所述被測鋼軌的H維模型 獲得所述被測鋼軌的輪廓及測量分析報告；其中，所述輪廓包括橫斷面輪廓及縱斷面輪廓。
[0010] 可選的，在所述的鋼軌輪廓檢測系統中，所述數據處理裝置根據被測鋼軌的H維 模型獲得所述被測鋼軌的橫斷面輪廓及測量分析報告包括如下步驟：
[0011] 使用K-MEANS聚類算法獲取所述掃描結果中關於所述被測鋼軌部分的掃描數據；
[0012] 根據所述被測鋼軌部分的掃描數據，使用RANSAC平面擬合算法計算所述被測鋼 軌的軌底平面及軌腰平面；
[0013] 根據所述軌底平面及所述軌腰平面計算出切割平面；所述切割平面垂直於所述軌 底平面及所述軌腰平面；
[0014] 使用所述切割平面切割所述被測鋼軌的H維模型W獲得所述被測鋼軌的橫斷面 輪廓數據及輪廓圖；
[0015] 根據所述被測鋼軌的橫斷面輪廓圖與標準鋼軌的橫斷面輪廓圖對比，計算所述被 測鋼軌的橫斷面輪廓的評價參數，W生成所述被測鋼軌的橫斷面輪廓及測量分析報告。
[0016] 可選的，在所述的鋼軌輪廓檢測系統中，所述數據處理裝置根據所述被測鋼軌的 H維模型獲得所述被測鋼軌的縱斷面輪廓及測量分析報告包括如下步驟：
[0017] 使用K-MEANS聚類算法獲取所述掃描結果中關於所述被測鋼軌部分的掃描數據；
[0018] 根據所述被測鋼軌部分的掃描數據，使用RANSAC平面擬合算法計算所述被測鋼 軌的軌頭平面；
[0019] 根據所述軌頭平面獲得縱向中線曲線；
[0020] 對所述縱向中線曲線依次進行波長範圍為10-30mm、30-100mm、100-300mm、 300-1000mm的濾波；
[0021] 根據每個波長範圍濾波後的曲線，計算每個波長範圍的縱向不平順數據及所述縱 向中線曲線的1/3倍頻數據，W生成所述被測鋼軌的縱斷面輪廓及測量分析報告。
[0022] 可選的，在所述的鋼軌輪廓檢測系統中，所述橫斷面輪廓的評價參數包括所述橫 斷面的磨耗量及磨耗面積。
[0023] 可選的，在所述的鋼軌輪廓檢測系統中，當檢測所述被測鋼軌的縱斷面輪廓時，所 述檢測定位點設置長度為大於等於Im;當檢測所述被測鋼軌的橫斷面輪廓時，所述檢測定 位點設置長度為大於等於10cm。
[0024] 可選的，在所述的鋼軌輪廓檢測系統中，還包括供能裝置，所述供能裝置設置於所 述數據處理裝置及所述手持式H維掃描儀之間；所述供能裝置為所述數據處理裝置及所述 手持式H維掃描儀提供能量。
[0025] 可選的，在所述的鋼軌輪廓檢測系統中，所述檢測定位點的材質為反光材料；所述 檢測定位點的一側設置有不乾膠或者磁鐵。
[0026] 可選的，在所述的鋼軌輪廓檢測系統中，所述檢測定位點的數量為若干個。
[0027] 可選的，在所述的鋼軌輪廓檢測系統中，所述數據處理裝置為電腦、pad或者手機。
[0028] 本發明還提供一種鋼軌輪廓檢測方法，所述鋼軌輪廓檢測方法包括：
[0029] 將檢測定位點設置於被測鋼軌的縱向的兩側；
[0030] 使用手持式H維掃描儀掃描設置有所述檢測定位點的所述被測鋼軌；
[0031] 使用數據處理裝置處理所述手持式H維掃描儀的掃描結果，W獲得所述被測鋼軌 的輪廓及測量分析報告；其中，所述輪廓包括橫斷面輪廓及縱斷面輪廓。
[0032] 在本發明所提供的鋼軌輪廓檢測系統及檢測方法中，手持式H維掃描儀掃描設置 有所述檢測定位點的被測鋼軌，W生成所述被測鋼軌的H維模型，數據處理裝置根據所述 被測鋼軌的H維模型獲得所述被測鋼軌的輪廓及測量分析報告。本發明的鋼軌輪廓檢測系 統運用過程中，攜帶更輕巧方便，測量更科學精準，可同時檢測鋼軌的橫斷面輪廓及縱斷面 輪廓，分析更直觀可靠，降低了人力物力的耗費，提高了工作效率，滿足本領域的實際需求。【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1是本發明一實施例中鋼軌輪廓檢測系統的結構示意圖；
[0034] 圖2是本發明一實施例中數據處理裝置根據被測鋼軌的H維模型獲得所述被測 鋼軌的橫斷面輪廓及測量分析報告的步驟流程圖；
[00巧]圖3是本發明一實施例中數據處理裝置根據被測鋼軌的H維模型獲得所述被測 鋼軌的縱斷面輪廓及測量分析報告的步驟流程圖；
[0036] 圖4是本發明一實施例中鋼軌輪廓檢測方法的流程圖；
[0037] 圖5是標準鋼軌的橫斷面輪廓圖；
[0038] 圖6是執行步驟S13後獲得的被測鋼軌的橫斷面輪廓圖。
【具體實施方式】
[0039]W下結合附圖和具體實施例對本發明提出的鋼軌輪廓檢測系統及檢測方法作進 一步詳細說明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是， 附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用W方便、明晰地輔助說明本發明 實施例的目的。
[0040] 請參考圖1，其為本發明的鋼軌輪廓檢測系統的結構示意圖，如圖1所示，所述鋼 軌輪廓檢測系統包括：檢測定位點5,設置於被測鋼軌1的縱向的兩側；手持式H維掃描儀， 用於對設置有所述檢測定位點5的所述被測鋼軌1進行掃描，W生成所述被測鋼軌1的H 維模型；數據處理裝置4與所述手持式H維掃描儀2連接，用於根據所述被測鋼軌1的H維 模型獲得所述被測鋼軌1的輪廓及測量分析報告；其中，所述輪廓包括橫斷面輪廓及縱斷 面輪廓。
[0041] 其中，手持式H維掃描儀2是現有的技術，其工作原理主要是通過創建其所掃描 物體幾何表面的點雲（pointcloud)，利用點雲中的點來插補成物體的表面形狀，點雲中的 點的越多，分布越密集，可W創建更精準的物體模型（該個過程稱做H維重建）。本發明正 是基於手持式H維掃描儀2的該一特性，通過在被測鋼軌1的縱向的兩側設置檢測定位點 5,W配合手持式H維掃描儀2創建點雲的需求，從而生成所述被測鋼軌1的H維模型，整個 過程僅需要測量人員手持手持式H維掃描儀2在被測鋼軌1周圍掃描即可，操作簡單，可實 施性強。
[0042] 需要注意的是使用手持式H維掃描儀2掃描被測鋼軌1時，需要將手持式H維掃 描儀2與被測鋼軌1保持一定的距離，該距離的選擇依據是在手持式H維掃描儀2掃描被 測鋼軌1的地方出現的光斑能夠覆蓋至少H個檢測定位點5為準，從而較好的提高了測量 結果的精準度。
[0043]為了維持所述數據處理裝置4及所述手持式H維掃描儀2的持續工作，在所述數 據處理裝置4及所述手持式H維掃描儀2之間還設置有供能裝置3,符合鋼軌輪廓檢測系統 的實際應用的需求。
[0044] 進一步地，當檢測所述被測鋼軌1的橫斷面輪廓時，所述檢測定位點5設置長度為 大於等於10cm。為了較好的保證得到精度較高的橫斷面輪廓及測量分析報告，需要將所述 檢測定位點5設置於被測鋼軌I的縱向的兩側的長度為大於等於10cm。
[0045] 進一步地，當檢測所述被測鋼軌1的縱斷面輪廓時，所述檢測定位點5設置長度為 大於等於Im。為了較好的保證測量結果的精準度，當需要檢測所述被測鋼軌1的縱斷面輪 廓時，需要將所述檢測定位點5設置於被測鋼軌1的縱向的兩側的長度為大於等於Im。實 際上在檢測所述被測鋼軌1的縱斷面輪廓時，所述被測鋼軌1的橫斷面輪廓可W同時被檢 測，僅需要採用所述數據處理裝置4對所述被測鋼軌1的H維模型作不同處理過程即可。
[0046] 請參照圖2,其為本發明一實施例中數據處理裝置4根據被測鋼軌1的H維模型獲 得所述被測鋼軌1的橫斷面輪廓及測量分析報告的步驟流程圖。如圖2所示，所述數據處 理裝置4根據被測鋼軌1的H維模型獲得所述被測鋼軌1的橫斷面輪廓及測量分析報告包 括如下步驟：
[0047] 首先，執行步驟S10,使用K-MEANS聚類算法獲取所述掃描結果中關於所述被測鋼 軌1部分的掃描數據。
[0048] 由於手持H維掃描儀在掃描設置有所述檢測定位點5的所述被測鋼軌1的過程中 同樣會掃描到非鋼軌部分（即扣件、道巧或者地面等），該些非鋼軌部分的掃描結果會導致 生成的所述被測鋼軌1的H維模型中也包含該部分，進而導致最終計算量工作量變大，且 測量精準度不高的問題。因此，為了著重對被測鋼軌1部分的H維模型展開後續的計算，提 高工作效率及測量精準度，就需要將非鋼軌部分的掃描結果及其它噪音數據剔除出去，而 本發明所使用K-MEANS聚類算法恰恰能達到此目的。
[0049] 接著，執行步驟S11，根據所述被測鋼軌1部分的掃描數據，使用RANSAC平面擬合 算法計算所述被測鋼軌的軌底平面及軌腰平面。
[0050] 接著，執行步驟S12,根據所述軌底平面及所述軌腰平面計算出切割平面；所述切 割平面垂直於所述軌底平面及所述軌腰平面。
[0051] 具體的，計算所述切割平面的過程是利用所述軌底平面的法線及所述軌腰平 面的法線]計算出所述切割平面的法線]^。由於所述切割平面垂直於所述軌底平面及 所述軌腰平面，故]^ ，根據所述切割平面的法線就可確定所述切割平面 的方向，進而為後續獲得橫斷面輪廓圖做準備。
[0052] 接著，執行步驟S13,使用所述切割平面切割所述被測鋼軌1的H維模型W獲得所 述被測鋼軌1的橫斷面輪廓數據及輪廓圖。
[0053] 接著，執行步驟S14,根據所述被測鋼軌1的橫斷面輪廓圖與標準鋼軌的橫斷面輪 廓圖對比，計算所述被測鋼軌1的橫斷面輪廓的評價參數，W生成所述被測鋼軌1的橫斷面 輪廓及測量分析報告。
[0054] 具體的，請參考圖5及圖6,圖5為標準鋼軌的橫斷面輪廓圖；圖6為執行步驟S13 後獲得的被測鋼軌1的橫斷面輪廓圖。通過對比圖5及圖6該兩個圖，可W較為直觀的獲 知圖6與圖5的差異，並且可W計算出所述被測鋼軌1的橫斷面輪廓的評價參數，為生產所 述被測鋼軌1的橫斷面輪廓及測量分析報告準備了條件。
[00巧]進一步的，所述橫斷面輪廓的評價參數包括所述橫斷面的磨耗量及磨耗面積。
[0056] 請參照圖3,其為本發明一實施例中數據處理裝置4根據被測鋼軌I的H維模型獲 得所述被測鋼軌1的縱斷面輪廓及測量分析報告的步驟流程圖。如圖3所示，所述數據處 理裝置4根據所述被測鋼軌1的H維模型獲得所述被測鋼軌1的縱斷面輪廓及測量分析報 告包括如下步驟：
[0057] 首先，執行步驟S20,使用K-MEANS聚類算法獲取所述掃描結果中關於所述被測鋼 軌1部分的掃描數據。
[005引接著，執行步驟S21，根據所述被測鋼軌1部分的掃描數據，使用RANSAC平面擬合 算法計算所述被測鋼軌的軌頭平面。
[0059] 接著，執行步驟S22,根據所述軌頭平面獲得縱向中線曲線。
[0060] 正常標準鋼軌的軌頭平面的縱向中線為直線，而經過長期的輪軌與鋼軌的接觸， 鋼軌的軌頭會有不同程度的磨損，故此時軌頭平面獲得縱向中線為曲線，發明人通過結合 所述軌頭平面的圖形，多次沿縱向取中點的微元化方式最終獲得被測鋼軌1的軌頭平面的 縱向中線曲線，而縱向中線曲線能夠較好的表徵被測鋼軌1的縱斷面的評價參數，如濾波 數據、不平順數據及所述縱向中線曲線的1/3倍頻數據等。
[0061] 接著，執行步驟S23,對所述縱向中線曲線依次進行波長範圍為10-30mm、 30-100mm、100-300mm、300-1000mm的濾波。
[0062]接著，執行步驟S24,根據每個波長範圍濾波後的曲線，計算每個波長範圍的縱向 不平順數據及所述縱向中線曲線的1/3倍頻數據，W生成所述被測鋼軌1的縱斷面輪廓及 測量分析報告。
[0063] 進一步地，所述檢測定位點5的數量為若干個；所述檢測定位點5的材質為反光材 料；所述檢測定位點5的一側設置有不乾膠或者磁鐵。
[0064] 由於手持式H維掃描儀2主要是採用其內部光學傳感器的光學原理實現創建點 雲的，該就需要所述檢測定位點5為反光材料，W使手持式H維掃描儀2具有較好的工作性 能。其中，為了便於測量人員靈活的設置所述檢測定位點5的位置並能隨需求移動所述檢 測定位點5,將所述檢測定位點5的一側設置有不乾膠或者磁鐵。應用時，所述檢測定位點 5可W採用W下幾種方式；1.將所述檢測定位點5黏貼或者吸附在被測鋼軌1的軌底上邊 緣；2.將所述檢測定位點5黏貼或者吸附在平板上，將黏貼或者吸附有所述檢測定位點5 的平板設置於鋼軌的軌底的兩側。當然，對於所述檢測定位點5應用時所採用的方式包括 但不局限於上述兩種方式。
[0065] 較佳的，所述數據處理裝置4為電腦、pad或者手機。通過電腦、pad或者手機可W 直觀的看到被測鋼軌1的輪廓的測量分析報告，並對檢測過程中手持式H維掃描儀2的掃 描結果進行儲存顯示，符合實際的需求。
[0066] 請參照圖4,其為本發明一實施例中鋼軌輪廓檢測方法的流程圖。所述鋼軌輪廓檢 測方法具體包括如下步驟：
[0067] 首先，執行步驟SI,將檢測定位點5設置於被測鋼軌1的縱向的兩側。
[0068] 其中，將檢測定位點5設置於被測鋼軌1的縱向的兩側包括設置在所述被測鋼軌 1的軌底上緣及軌底兩側的情況。具體設置檢測定位點5設置沿被測鋼軌1的縱向的長度 是根據實際測量人員預檢測橫斷面輪廓還是縱斷面輪廓來決定的，具有較好的可適用性， 從而能夠W較高的工作效率完成檢測。
[0069]接著，執行步驟S2,使用手持式H維掃描儀2掃描設置有所述檢測定位點5的所述 被測鋼軌1。
[0070] 接著，執行步驟S3,使用數據處理裝置4處理所述手持式H維掃描儀2的掃描結 果，W獲得所述被測鋼軌1的輪廓及測量分析報告。
[0071] 綜上，在本發明所提供的鋼軌輪廓檢測系統及檢測方法中，手持式H維掃描儀掃 描設置有所述檢測定位點的被測鋼軌，W生成所述被測鋼軌的H維模型，數據處理裝置根 據所述被測鋼軌的H維模型獲得所述被測鋼軌的輪廓及測量分析報告。本發明的鋼軌輪廓 檢測系統運用過程中，攜帶更輕巧方便，測量更科學精準，可同時檢測鋼軌的橫斷面輪廓及 縱斷面輪廓，分析更直觀可靠，降低了人力物力的耗費，提高了工作效率，滿足本領域的實 際需求。
[0072] 上述描述僅是對本發明較佳實施例的描述，並非對本發明範圍的任何限定，本發 明領域的普通技術人員根據上述掲示內容做的任何變更、修飾，均屬於權利要求書的保護 範圍。
【權利要求】
1. 一種鋼軌輪廓檢測系統，其特徵在於，包括： 檢測定位點，設置於被測鋼軌的縱向的兩側； 手持式三維掃描儀，用於對設置有所述檢測定位點的所述被測鋼軌進行掃描，以生成 所述被測鋼軌的三維模型； 數據處理裝置與所述手持式三維掃描儀連接，用於根據所述被測鋼軌的三維數字模型 獲得所述被測鋼軌的輪廓及測量分析報告；其中，所述輪廓包括橫斷面輪廓及縱斷面輪廓。
2. 如權利要求1所述的鋼軌輪廓檢測系統，其特徵在於，所述數據處理裝置根據被測 鋼軌的三維模型獲得所述被測鋼軌的橫斷面輪廓及測量分析報告包括如下步驟： 使用K-MEANS聚類算法獲取所述掃描結果中關於所述被測鋼軌部分的掃描數據； 根據所述被測鋼軌部分的掃描數據，使用RANSAC平面擬合算法計算所述被測鋼軌的 軌底平面及軌腰平面； 根據所述軌底平面及所述軌腰平面計算出切割平面；所述切割平面垂直於所述軌底平 面及所述軌腰平面； 使用所述切割平面切割所述被測鋼軌的三維模型以獲得所述被測鋼軌的橫斷面輪廓 數據及輪廓圖； 根據所述被測鋼軌的橫斷面輪廓圖與標準鋼軌的橫斷面輪廓圖對比，計算所述被測鋼 軌的橫斷面輪廓的評價參數，以生成所述被測鋼軌的橫斷面輪廓及測量分析報告。
3. 如權利要求1所述的鋼軌輪廓檢測系統，其特徵在於，所述數據處理裝置根據所述 被測鋼軌的三維模型獲得所述被測鋼軌的縱斷面輪廓及測量分析報告包括如下步驟： 使用K-MEANS聚類算法獲取所述掃描結果中關於所述被測鋼軌部分的掃描數據； 根據所述被測鋼軌部分的掃描數據，使用RANSAC平面擬合算法計算所述被測鋼軌的 軌頭平面； 根據所述軌頭平面獲得縱向中線曲線； 對所述縱向中線曲線依次進行波長範圍為10_30mm、30-100mm、100-300mm、300-1000mm 的濾波； 根據每個波長範圍濾波後的曲線，計算每個波長範圍的縱向不平順數據及所述縱向中 線曲線的1/3倍頻數據，以生成所述被測鋼軌的縱斷面輪廓及測量分析報告。
4. 如權利要求3所述的鋼軌輪廓檢測系統，其特徵在於，所述橫斷面輪廓的評價參數 包括所述橫斷面的磨耗量及磨耗面積。
5. 如權利要求1所述的鋼軌輪廓檢測系統，其特徵在於，當檢測所述被測鋼軌的縱斷 面輪廓時，所述檢測定位點設置長度為大於等於lm;當檢測所述被測鋼軌的橫斷面輪廓 時，所述檢測定位點設置長度為大於等於l〇cm。
6. 如權利要求1所述的鋼軌輪廓檢測系統，其特徵在於，還包括供能裝置，所述供能裝 置設置於所述數據處理裝置及所述手持式三維掃描儀之間；所述供能裝置為所述數據處理 裝置及所述手持式三維掃描儀提供能量。
7. 如權利要求1所述的鋼軌輪廓檢測系統，其特徵在於，所述檢測定位點的材質為反 光材料；所述檢測定位點的一側設置有不乾膠或者磁鐵。
8. 如權利要求7所述的鋼軌輪廓檢測系統，其特徵在於，所述檢測定位點的數量為若 幹個。
9. 如權利要求1-8中任一項所述的鋼軌輪廓檢測系統，其特徵在於，所述數據處理裝 置為電腦、pad或者手機。
10. -種鋼軌輪廓檢測方法，其特徵在於，包括如下步驟： 將檢測定位點設置於被測鋼軌的縱向的兩側； 使用手持式三維掃描儀掃描設置有所述檢測定位點的所述被測鋼軌； 使用數據處理裝置處理所述手持式三維掃描儀的掃描結果，以獲得所述被測鋼軌的輪 廓及測量分析報告；其中，所述輪廓包括橫斷面輪廓及縱斷面輪廓。
【文檔編號】G01B11/24GK104359421SQ201410629251
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月10日 優先權日:2014年11月10日
【發明者】劉博 , 喬炳龍, 周宇 申請人:上海同儒機電科技有限公司