陈 敏 中国铁路上海局集团有限公司工务部
钢轨是线路结构的重要部件，承担着引导车轮、传递载荷的作用，是实现高速列车安全、平稳、舒适和不间断运行的重要保证。
为及时掌握钢轨状态，除钢轨探伤外，还需定期对钢轨进行周期性检查。高速铁路线路维修规则规定：应采用巡检设备检查与人工巡检相结合的方式对钢轨外观及表面伤损进行检查。人工巡视检查每年不少于1遍。当钢轨存在光带不良、擦伤、硌伤、鱼鳞纹、磨耗、锈蚀及其他伤损时，会影响行车平稳性及安全性，因此，尚需增加钢轨不定期检查检测。
为高效、精准的检测钢轨病害，及时发现并排除安全隐患，上海局积极引入了以机器视觉为代表的人工智能技术，以便提高工作效率、精准掌握设备状态，有效实施预防性状态修，保障高速铁路行车安全。
机器视觉，简单地说，就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉检测系统的功能多种多样，但技术原理大同小异。系统通过图像采集装置将被测目标转换成图像信息，传送给专用的图像处理系统，分析得到被测目标的形态亮度、颜色等信息，经各种运算筛选提取需求的特征信息，从而得到理想的检测数据。
1.1 检测效率
（1）走行装置
为提高检测效率，实现检测单元“自走行”，研制了一套电机驱动的走行装置，如图1所示，检测速度最快达15 km/h。走行装置可搭载多个不同功能的检测单元，实现多功能设备的整合与融合。为方便上下道作业，走行装置采用可快速拆卸、组合安装形式。
图1 走行装置结构
（2）安全性分析
根据标准要求，对走行装置进行安全性评估。
如图2，计算脱轨系数：
图2 走行装置受力分析
式中，μ1表示轮缘处的摩擦系数，按钢轨摩擦系数，取μ1=0.8；
α1为最大轮缘接触角，按超高最大175 mm 计算可得，α1=67.2640。则脱轨系数Q/P=0.545〈1.0，满足安全性要求。
1.2 检测功能
检测仪具有对钢轨状态实时检测、统计分析功能，可实现钢轨垂磨、侧磨、波磨和轨面状态的测量。
（1）钢轨垂磨、侧磨检测
以钢轨非工作边（即外侧斜边）和非工作边下颚点为基准，将实测廓形和对应标准廓形进行匹配。
如图3，将实际测量到的钢轨轨头廓形下颚点与定标的标准钢轨轨头下颚两端点重合，得重合点B"。以下颚点为原点旋转标准廓形，使得标准廓形非工作边与实测廓形重合，完成钢轨廓形匹配。分别计算距离非工作边的2/3（或1/2）轨头宽处和轨顶面下16 mm 处标准廓形与实测廓形的差值，即为钢轨的垂直磨耗H和侧面磨耗L。
图3 垂磨、侧磨计算原理图
（2）GQI测量
按照钢轨打磨验收标准中关于GQI 的计算要求，设定了GQI算法。公式如下：
式中：
K1偏差指数GD权重系数，K1=0.7
K2偏差指数GA权重系数，K2=0.3
Amax正公差带曲线与横坐标围成的面积，单位mm2
Areal偏差曲线与横坐标围成的面积之和，单位mm2
di各区域法向偏差未超过公差带的点数（按目标廓形弧长0.05 mm等间距插值）
Di各区域法向偏差计算的总点数（按目标廓形弧长0.05 mm等间距插值）
Ki各区域的权重系数K1=K4=0.2，K2=K3=0.3
（3）波磨检测
波磨检测分为定量检测和定性检测。定量检测采用弦测法，利用激光位移传感器精确测量出波磨值。定性检测采用机器视觉方式，通过提取特征、图像转换、机器学习等步骤，最终确认波磨是否存在。此外，检测仪利用深度学习的方法，还实现了对擦伤硌伤、焊接接头等轨面状态的识别。
（4）光带测量
先对原始图像进行预处理，提取出钢轨区域，经滤波、增强后，提取出理想的光带图像。
1.3 检测精度
自走行检测仪的横向检测精度不受走形速度影响，主要取决于检测相机精度，包括钢轨廓形检测精度和光带宽度检测精度。
检测使用130 万像素的相机，视野为40 mm×32 mm，像素精度约为0.03 mm。综合考虑光源、设备振动等因素，经算法处理后，有效像素为1个。实际检测精度为：
0.03 mm/像素×1，像素=0.03 mm
同理，光带宽度的检测精度约为0.07 mm。
纵向检测精度受走形速度影响。按15 km/h 的快速检测条件估算，对设备使用的线阵相机的精度影响约为13.4%，实际检测精度约为0.70 mm。检测精度满足维修规则要求。
2.1 检测精度
道岔钢轨廓形的检测精度主要取决于检测相机精度。为保证非标准断面（道岔、伸缩调节器）钢轨检测精度，减小设备使用时的振动等干扰因素，检测仪采用手推式，结构如图4所示。
图4 高速铁路道岔钢轨廓形检测仪结构图
检测使用500万像素的相机，视野为50 mm×37.5 mm，像素精度约为0.02 mm。综合考虑光源、设备振动等因素，经算法处理后，有效像素为0.5个。实际检测精度可达：
0.02 mm/像素×0.5,像素=0.01 mm
2.2 检测功能
（1）组合断面比对
对于尖轨区域，检测仪能够按照标准道岔廓形对检测出的组合断面轮廓进行比对。以18号单开道岔为例，检测仪提供距离尖轨尖2.889 m，6.569 m 及7.304 m 三个位置（即15 mm 断面、35 mm 断面、40 mm 断面）的标准廓形用于比对，同时可计算出对应尖轨降低值。
（2）轮轨接触分析
轮轨接触关系是基于检测获得的双轨廓形、轨距及顶面水平数据计算获得，采用迹线法原理进行轮轨接触分析。检测仪提供轨迹线、滚动圆轮径差、接触角及等效锥度等指标的计算。其中等效锥度提供简化法和UIC519-2004 两种方式的计算结果。
（3）型面综合评估
检测仪依据检测数据，从型面偏差、轮轨接触状态、对称性等多个方面，对被测区段的钢轨型面进行综合评估，并支持历史检测数据比对。
3.1 标准断面钢轨状态检测
以虹封线某区段的检测为例。设备在15 km/h 速度下，以100 mm 的采样间隔，高密度的采集廓形数据。将检测数据与标准60 轨匹配，并进行综合分析，得到钢轨磨耗、GQI变化结果，如图5所示，满足钢轨状态评定要求。
图5 左、右股GQI随里程变化图
3.2 非标准断面钢轨廓形检测
以沪宁城际花桥站1号道岔的检测为例。该道岔为1/18单开道岔，测量起点位于道岔后第1号轨枕，测量终点位于道岔后第131 号轨枕，测量总长度80 m。尖轨尖位于道岔后2 m 的右轨位置，提取距离尖轨尖2.889 m，6.569 m 及7.304 m三个位置的廓形进行比对，比对时将实测廓形与标准廓形按标准最高点位置对应对齐，最高点以下16 mm 处的工作边左右对齐计算得出偏差量值。其中，35 mm 断面的对比情况如图6所示。
图6 35断面廓形对比图
实测廓形与标准廓形的偏差量如表1所示。
表1 35断面廓形偏差统计表（单位：mm）
（1）基于机器视觉检测技术，研制了钢轨状态快速综合检测仪、道岔钢轨廓形检测仪等新型智能化钢轨检测设备。
（2）标准断面钢轨状态快速检测技术实现了对钢轨垂磨、侧磨、GQI、波磨、轨面状态等多项目的检测。非标准断面钢轨廓形检测技术实现了对特殊结构钢轨廓形快速、连续、精确检测。
（3）基于高密度、高精度、全方位的综合检测数据，开发了钢轨状态综合分析系统，能够自动关联相关技术标准，一键式出具检测报告，快速反馈检测结果。
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