基于线结构光的铁路磨耗测量的最小面积轮廓匹配方法与流程

本发明属于磨损检测领域，特别涉及一种铁轨非接触式磨损检测技术。

背景技术：

铁轨是铁路安全运行的基石，无论是普通火车，城市地铁，还是动车高铁，其铁轨的检修与维护是铁道工人一项必不可少的工作。近些来年，随着铁路运输量增加，铁轨的磨耗越来越严重，其使用寿命也进一步缩短。尤其是铁轨轨头内侧的圆弧面处，因为与列车车轮贴合式挤压，其磨损变形尤为严重，长此以往，就会影响列车运行的平稳程度，当列车在严重磨损的铁轨上非平稳运行时，非连续的挤压作用会进一步加剧铁轨的磨损程度，甚至可能发生横向脱轨的危险，对乘客生命及财产安全造成巨大的威胁。

目前，铁轨的磨损检测主要有接触测量和非接触式测量。接触式测量主要是通过位移轮传感器在铁轨某个横截面上的整个表面移动一遍，系统记录位移数据，获得铁轨断面的轮廓曲线，将绘制的曲线与标准曲线进行对比得到磨耗值；但是接触式测量有着测量速度慢，效率低的缺点，并且测量精度和准确度受位移轮的影响较大。而非接触式测量具有速度快、能获取轮廓全貌、数据管理方便等优点。

基于机器视觉的非接触式火车铁轨轮廓测量系统，其基本原理是：线激光器垂直照射到铁轨表面上，在铁轨断面上投射出一条反映铁轨轮廓的直线；然后再通过相机以一定的角度摄取到断面处激光散射光线，如图1；再通过图像标定还原、二值化、膨胀细化等一系列图像处理操作，得到未发生畸变的轮廓中心线图像；最后与标准轨道轮廓线图像进行对比，得到相关铁轨磨耗数据。

当提取到待测轮廓中心线图像以后，让其与标准铁轨轮廓对齐以后，就可以开始计算其磨耗值了。根据铁路工务段的《中华人民共和国铁道部铁路线路维修规则》，垂直磨耗的定义是，距离铁轨非工作边的轨头宽度的2/3点处垂直方向磨耗的厚度，如图2中的w1处；侧面磨耗的定义是，从铁轨轨头顶部往下16mm处在水平方向上磨耗的宽度，如图2中的w2处。而磨耗面积是指实际轮廓与标准轮廓之间的磨损部分的面积，即上图中阴影部分，单位为mm²。

由于列车车轮的构造以及列车车轮的行车特点，铁轨有左右两侧有工作面与非工作面之分。铁路上的一对铁轨中，远离两铁轨整体的中心位置(也称之为铁轨外侧)的方位为非工作边，如图2中所示。而靠近两铁轨整体的中心位置(也称之为铁轨内侧)的方位为工作边。检测部门对于铁轨轨头的检测标准主要依靠侧面磨耗、垂直磨耗以及磨耗面积这三个指标来判断这段铁轨磨损程度。

如图3所示，关于铁轨实际轮廓对准的方法目前主要是基于轨边直线与轨颚直线之间的轨颚圆弧处进行对准。其关键是找到实际轮廓和标准轮廓之间的某一个相对固定的点进行匹配对齐。理想状况下，直接找到轨边直线和轨颚曲线的交点，便可以直接进行匹配对齐，但是实际铁轨因为加工精度有限、长时间生锈腐蚀以及后期标定还原、图像处理操作的误差等原因，实际铁轨的轨边并不是理想直线，轨颚曲线处也不是标准曲线，并且如图1所示，受限于激光器和相机的位置，轨颚曲线下半部分可能处于激光器和相机的盲区。所以很难确定轨边直线与轨颚曲线的交点。目前有如下两种方案对齐基准点：

方案1：直线逼近法

建立笛卡尔坐标系，将图像中导轨的实际轮廓线和标准轮廓线统一到笛卡尔坐标系中。先通过角度传感器测量系统的倾斜角度，并通过该角度校准实际轮廓的倾斜，对于标准轮廓的轨颚曲线来说，其曲率半径是固定不变的，假设有一条斜率固定的直线：l＝kx+y(斜率接近90度)，从轨颚曲线半径外侧某点开始一直平移，直到与轨颚曲线相切，那么该直线与轨颚曲线的切点(设为b)，便是选取的基点。通过相同的方式，找出实际轮廓的基点(设为a)，然后通过平移，使实际轮廓的基点与标准轮廓的基准点(a与b)进行对准，将得到对齐之后的图形。通过使用标准件反复平移测试后，使k取到合适的值，最终得到比较稳定且效果最为理想的重合图像。

虽然方案1的算法实现简单，但是当复杂环境下，经过一系列图像处理操作后，使得轨颚曲线如果有一定程度的变形，仅仅依靠一个切点的方法，将可能会导致图像匹配失败。另外，通过角度传感器实现角度校准，当测量系统的轻微晃动，或者由于远处火车移动造成的震动，都会一定程度上影响角度传感器的测量值，使得测量结果受角度传感器的影响太大。

方案2：轨颚曲线重心法

轨颚曲线重心法的步骤如下：

首先，利用hough变换找出轨边直线。然后，直线拟合和轮廓旋转；得知直线相对于标准轨边直线的旋转角度θ；最后，通过重心统计法得到基准点进行平移对齐；实现铁轨轮廓的完全定位。

方案2用重心统计的方法直接减小了方案一中的轨颚曲线轻微变形带来的误差。但是当铁轨磨损较为严重时，如图2所示，在未发生旋转的情况下，可以看到此时实际轮廓曲线与标准轮廓曲线的轨边直线倾斜角度并不相同，再采用最小二乘法拟合轨边直线反而会引进新的旋转误差。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请提出了一种基于线结构光的铁路磨耗测量的最小面积轮廓匹配方法，利用铁轨轮廓非工作边磨耗少的特点，采用了铁轨轮廓曲线的非工作边进行轮廓面积对齐方式，强化了铁轨轮廓曲线匹配对齐的稳定性。

本申请采用的技术方案为：基于线结构光的铁路磨耗测量的最小面积轮廓匹配方法，包括：

s1、对测量系统获取到的钢轨轮廓曲线，采用最小二乘法拟合得到钢轨轮廓曲线倾斜角度；

s2、根据步骤s1得到的倾斜角度计算得到钢轨轮廓曲线的旋转公式；并根据得到的旋转公式对钢轨轮廓曲线进行旋转变换；

s3、将旋转后的钢轨轮廓曲线与标准钢轨轮廓曲线进行匹配对齐。

进一步地，步骤s1所述钢轨轮廓曲线倾斜角度，具体得到过程为：经过若干次试验，找出一个点集区间，该点集区间内的点具有最高的直线拟合系数，从而根据该拟合系数得到拟合直线；将得到的拟合直线与标准轨顶直线进行比较，得到钢轨轮廓曲线倾斜角度。

进一步地，步骤s2所述旋转公式具体为：

其中，r：表示二维旋转，x表示旋转后钢轨轮廓曲线上点的横坐标，y表示旋转后钢轨轮廓曲线上点的纵坐标，x表示旋转前钢轨轮廓曲线上点的横坐标，y表示旋转前钢轨轮廓曲线上点的纵坐标。

进一步地，步骤s3具体为：

s31、以标准轮廓的轨顶直线和轨额曲线的分界点为基准点，以轨额曲线的总点数j为度量，通过遍历，得到第j/3个点和第2j/3个点的横坐标分别为m、n；将m、n分别作为起点和终点；

s32、根据步骤s31得到的起点和终点计算标准钢轨轮廓曲线和经步骤s2旋转后的钢轨轮廓曲线之间的面积；

s33、沿横轴方向移动步骤s2旋转后的钢轨轮廓曲线，使得步骤s32中的面积逐渐减小，当面积减小至最小值时，达到最佳匹配对齐。

更进一步地，步骤s31所述面积计算式为：

其中，a为标准钢轨轮廓曲线和步骤s2旋转后的钢轨轮廓曲线之间的面积，xs,i为标准钢轨轮廓曲线轨颚曲线上点的横坐标；xp,i为步骤s2旋转后的钢轨轮廓曲线轨颚曲线上点的横坐标。

本发明的有益效果：本申请的基于线结构光的铁路磨耗测量的最小面积轮廓匹配方法，针对目前的钢轨磨损测量中，测量得到的钢轨轮廓与标准的钢轨轮廓对准，所存在的无法得到准确结果的问题，通过采用最小二乘法拟合得到钢轨轮廓曲线倾斜角度；并根据该倾斜角度对测量得到的钢轨轮廓曲线进行转换，然后将旋转后的钢轨轮廓曲线与标准钢轨轮廓曲线进行匹配对齐，使测量系统具有更为可靠的匹配准度和测量准确度，并且能够有效提高铁路养护工人的测量效率。

附图说明

图1为非接触式火车铁轨测量系统原理图；

图2为剖面铁轨磨耗示意图；

图3为标准铁轨剖面轮廓各部分示意图；

图4为本申请的方案流程图；

图5为本申请实施例提供的最小二乘法拟合、旋转、平移实际轮廓轨边直线示意图；

其中，图5(a)为旋转前图像；图5(b)为平移后的图像；

图6为本申请实施例提供的最小面积对齐算法流程图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

当出现以下几种情况时，现有的方案均无法得到准确的结果：

(1)当两段铁轨焊接附近的地方，为了保障轨道电路的运行，照射到轨颚曲线上的激光容易被铁轨接续线或者绝缘夹板挡住。

(2)当测量系统相对于铁轨有一定角度的旋转时，两个对称位置的激光器就会呈现出一边高一边底的情况。此时偏高的激光器可能会照射不到轨颚曲线。

因此，本申请提出一种基于线结构光的铁路磨耗测量的最小面积轮廓匹配方法，如图4所示包括以下步骤：

s1、对测量系统获取到的钢轨轮廓曲线，采用最小二乘法拟合得到钢轨轮廓曲线倾斜角度；

s2、根据步骤s1得到的倾斜角度计算得到钢轨轮廓曲线的旋转公式；并根据得到的旋转公式对钢轨轮廓曲线进行旋转变换；

s3、将旋转后的钢轨轮廓曲线与标准钢轨轮廓曲线进行匹配对齐。

步骤s1具体为：因为由于系统的倾斜角度一般不会太大，倾斜角低于30度，因为测量系统发生旋转时，实际左右轮廓曲线产生了相同角度的旋转，故可以用该角度同时校准工作边和非工作边的旋转误差；所以整个曲线的偏斜角度也不是太大。

故如图5(a)实线所示轮廓曲线最左边的点一定是轨顶直线上的点；然后在图像中从左往右遍历，通过多次试验，找出一个点集区间ab，使ab之间的点具有较高的直线拟合系数。然后求得ab拟合后的直线与标准轨顶直线进行比较，得到其发生旋转的角度θ。

使ab之间的点具有较高的直线拟合系数，具体实现过程为：通过至少20组试验，得到若干直线拟合系数，从中选取最大的直线拟合系数。至少进行20组实验是因为申请人反复试验了不同类型的轨形，试验达到20组以上能够得到最高直线拟合系数；

步骤s2具体为：旋转轮廓曲线图像。在图像的几何变换中，旋转r是最常用的一种变换，变换关系如式(1)，

旋转的角度θ已经在上一步中求得，故通过式(1)可以将图像进行旋转变换，将测量系统的倾斜角度进行校正。

步骤s3具体为：校对了旋转误差以后，把可以把实际轮廓的轨顶和标准轮廓的轨顶直线平移到同一条直线上了，如图5(b)所示，图5(b)中的虚线为标准钢轨轮廓曲线。接下来只需要沿该直线方向左右平移便可以使实际轮廓和标准轮廓最佳重合了。以标准轮廓的轨顶直线和轨额曲线的分界点为基准点，以轨颚曲线的总点数j为度量，分别遍历到第j/3个点和第2j/3个点(这两点之间激光光照均匀，且在非工作边轨颚曲线中间，不会被磨损)，记录这两个点的横坐标m、n，分别以这两个点的横坐标为起点和终点，计算标准轮廓和实际轮廓之间的面积。阴影部分的面积为：

其中，xs,i为标准轮廓轨额曲线上的点的横坐标，xp,i为实际轮廓轨额曲线上的点的横坐标。

然后沿横向方向移动实际轮廓曲线，每次移动一个像素单位，使面积a逐渐减小，当面积a达到最小值时，非工作边的实际轮廓曲线此时与标准轮廓曲线将达到最佳重合。面积变为负数值的前一个值作为面积最小值。

匹配对齐的具体流程图如图6，f(y)和g(y)分别为标准轮廓轨额曲线和实际轮廓轨额曲线关于坐标y的方程。当非工作边匹配好了之后，工作边将以非工作边为基准进行匹配对齐。包括：

1、初始化移动标志m＝0；m＝1表示右移一个像素单位，m＝-1表示左移一个像素单位；

2、令纵坐标y＝m，面积a＝0；然后判断纵坐标y是否小于n；若是则a＝a+f(y)-g(y)，且y＝y+1；否则判断面积a是否大于0；

3、若面积a大于0则判断m是否大于或等于0，若是则m赋值为1，且g(y)＝g(y)+1，并返回步骤2；否则位移停止；

4、若面积a小于或等于0，则判断m是否小于或等于0，若是则m赋值为-1，且g(y)＝g(y)-1，并返回步骤2；否则位移停止。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。