一种钢轨平直度检测与打磨分析方法与流程

本发明涉及钢轨检测，尤其涉及一种钢轨平直度检测与打磨分析方法。

背景技术：

1、钢轨是铁路运输的基础部件，其直线度（平直度）直接关系到列车运行的平稳性、安全性和乘坐舒适度。在铁路建设和养护维修中，必须对钢轨焊接接头的平直度进行精密检测，以确保接头区域与母材平顺过渡，避免因接头不平整导致的轮轨冲击、轨道结构损伤乃至行车安全事故。

2、目前，现有的钢轨平直度测量方式主要有以下几种：

3、（1）人工测量法：作业人员使用1m标准直尺紧贴钢轨表面，配合塞尺测量直尺与钢轨表面之间的最大间隙。该方法完全依赖人工操作，测量精度受人为因素影响大，不同作业人员的读数可能存在较大差异；且只能获取个别点的间隙值，无法量化整个接头区域的连续轮廓数据，信息量有限；同时测量效率低、劳动强度大，不适合大规模检测作业。

4、（2）固定式测量台：在焊接基地或固定检测工位安装专用测量台架，钢轨通过辊道输送至测量工位进行检测。该类设备体积庞大、成本高昂且不可移动，仅适用于焊接基地的出厂检测，无法满足现场焊接作业后的在线检测需求。

5、（3）基于图像或视觉的测量方案：使用工业相机拍摄钢轨表面，通过图像处理算法分析焊缝区域的轮廓。该类方法对环境光照条件敏感，在户外复杂光照环境下稳定性较差；且图像处理算法计算量大，实时性难以保证；相机标定和维护较为复杂。

6、此外，现有便携式电子测量装置虽然实现了数字化读数，但功能仍局限于数据采集层面，缺乏对测量数据的深度分析能力，如无法自动识别需打磨的区域并生成定量化的打磨建议，难以为后续打磨作业提供精确的施工指导。

7、综上所述，现有技术存在测量精度依赖人工、设备缺乏机动性、环境适应性差、缺乏智能数据分析能力等问题。因此，亟需一种高精度、具备智能化数据处理能力的钢轨直线度测量解决方案。

技术实现思路

1、本发明提出一种钢轨平直度检测与打磨分析方法，解决了现有技术中的便携式测量装置缺乏智能数据分析能力、无法为打磨作业提供定量化指导等问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、本发明提供了一种钢轨平直度检测与打磨分析方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：获取测量装置沿钢轨纵向等间距采样采集的位移数据序列；

5、步骤s2：对位移数据序列进行一次基准校正，所述一次基准校正包括：

6、以数据序列的首个采样点的位移值为基准，将所有采样点的位移值减去该首个采样点的位移值，实现数据序列首端归零；

7、再以数据序列的末端采样点的位移值为基准，按照线性插值方式对中间各采样点的位移值进行旋转补偿，实现数据序列末端归零，以消除测量装置在钢轨上放置时产生的安装偏置和倾斜误差；

8、步骤s3：基于校正后的数据序列计算钢轨平直度值，并根据用户设定的超限阈值识别需打磨的区域，生成打磨建议。

9、优选地，在进行一次基准校正之前，还包括对位移数据序列进行曲率补偿修正的步骤：

10、当被测钢轨位于曲线地段时，钢轨自身的弯曲弧度会在位移数据中引入系统性几何偏差，根据钢轨曲线半径对每个采样点逐一进行修正；

11、对于第个采样点，首先计算该采样点到传感器运动行程中点的水平距离：

12、；

13、其中，为第个采样点到传感器运动行程中点的水平距离；为测量装置单次测量的采样点总数，为传感器相对于行程中点的安装偏置；

14、然后根据钢轨曲线半径计算该采样点的修正值：

15、；

16、其中，为第个采样点的修正值；

17、根据修正值计算修正后的位移数据：

18、；

19、其中，为第个采样点修正后的位移数据，为第个采样点的原始位移数据。

20、优选地，在进行一次基准校正之前，还包括对位移数据序列进行平滑滤波处理的步骤：

21、采用滑动滤波算法对位移数据序列进行平滑处理，对于第个采样点，以其为中心取前后各个点构成滤波窗口，计算窗口内所有数据点的算术平均值作为该点的滤波结果：

22、通过滑动滤波去除传感器电气噪声、机械振动噪声及钢轨表面微观粗糙度引入的噪声成分。

23、具体地，步骤s2中，以数据序列的首个采样点的位移值为基准，将所有采样点的位移值减去该首个采样点的位移值，具体为：

24、；

25、其中，为平移后第个采样点的位移数据，为第个采样点滤波后的位移数据，为滤波后数据序列首个采样点的位移值；

26、按照线性插值方式对中间各采样点的位移值进行旋转补偿，具体为：

27、；

28、其中，为平移并旋转后第个采样点的位移数据，为平移后数据序列末端采样点的位移值，为单次测量的采样点总数。

29、优选地，在进行一次基准校正之后，还包括根据用户选择的基准方式对旋转后的数据序列进行二次基准校正的步骤，所述基准方式包括两端点法和顶部对齐法：

30、基于两端点法的二次基准校正方法为：直接将平移旋转后的数据序列作为最终校正结果，即以首尾两端采样点确定基准直线；

31、基于顶部对齐法的二次基准校正方法为：在平移旋转后的数据序列基础上，枚举多个基准直线方向，计算每个基准直线方向下的包容带宽度，选择包容带宽度最小的基准直线方向作为最优基准方向，并将上包络线对齐到零位；

32、其中，所述包容带为数据序列的上包络线与下包络线之间的区域，所述上包络线为数据序列中各采样点相对基准直线的正向最大偏移所构成的包络线，所述下包络线为数据序列中各采样点相对基准直线的负向最大偏移所构成的包络线。

33、具体地，步骤s3包括以下步骤：

34、从校正后的数据序列中找出最大值和最小值，为单次测量的采样点总数，所述钢轨平直度值为：；

35、将用户设定的超限阈值与数据序列进行比较，找出所有满足下式的连续采样点区间：

36、；

37、其中，为第个采样点经基准校正后的最终位移数据；

38、将所有连续采样点区间标记为候选打磨区域。

39、进一步地，对于位置相邻的候选打磨区域，当两区域之间的间距小于预设的第一阈值时，将两区域合并为一个打磨区域，以避免因局部噪声点将同一连续凸起区域分割成多个独立区域；

40、对于合并后宽度小于预设的第二阈值的打磨区域，将其过滤排除，以去除微小的局部毛刺对打磨判断的干扰；

41、将最终确定的每个打磨区域以文本形式输出，标明每个区域的起始位置、区域宽度和打磨深度；所述起始位置为打磨区域第一个采样点相对于测量起始点的距离，所述区域宽度为打磨区域所包含的连续采样点数量换算成的距离，所述打磨深度为打磨区域内所有采样点中的最大凸起高度。

42、优选地，当待测钢轨长度超出测量装置单次测量长度时，步骤s1包括以下步骤：

43、步骤s11：将测量装置沿钢轨纵向依次进行多次测量，每次测量均获得一组位移数据序列，相邻两次测量之间保持预设长度的重叠区域；

44、步骤s12：对于相邻两段测量数据，以第一段为基准段，第二段为待配准段，提取两段测量数据中的重叠区域；

45、步骤s13：对所述重叠区域的两端各裁去预定数量的采样点，得到有效重叠区域；

46、步骤s14：以所述有效重叠区域为配准依据，计算第二段数据相对于第一段数据的线性变换参数，并将第二段的全部数据按所述线性变换参数进行校正；

47、步骤s15：在重叠区域内，采用线性权重渐变方式对两段数据进行加权融合，得到融合后的重叠区域数据；

48、步骤s16：将第一段非重叠部分数据、融合后的重叠部分数据和第二段非重叠部分数据按物理位置顺序拼接为完整的位移数据序列。

49、具体地，步骤s14包括以下步骤：

50、采用线性最小二乘法求解最优的旋转系数和偏移量，使有效重叠区域内两段数据的差异平方和最小：

51、；

52、其中，为基准段在有效重叠区域内的第个采样点的位移数据，为待配准段在有效重叠区域内对应的第个采样点的位移数据，为有效重叠区域的数据点总数；

53、将待配准段的全部数据按下式进行线性变换校正：

54、；

55、其中，为校正后的待配准段整个区域内的第个采样点的位移数据，为校正前待配准段整个区域内的第个采样点的位移数据；旋转系数用于补偿两段测量间因测量装置放置角度差异导致的倾斜偏差；偏移量用于补偿两段测量间因测量装置放置高度差异导致的整体高度偏移。

56、具体地，步骤s15中，加权融合的方法为：

57、在有效重叠区域内，从重叠区域的起始端到终止端，第一段数据的权重从1线性递减至0，第二段数据的权重从0线性递增至1，第个采样点的位移数据的融合结果为：

58、；

59、，；

60、其中，为加权融合后有效重叠区域内的第个采样点的位移数据；为基准段在有效重叠区域内的第个采样点的位移数据，为校正后的第二段数据在有效重叠区域内的第个采样点的位移数据，为有效重叠区域的数据点总数。

61、相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

62、（1）本发明通过基准校正消除测量装置放置姿态引入的安装偏置和倾斜误差，再基于校正后的数据自动计算平直度值并识别超限区域、生成打磨建议，构建了从数据采集到打磨指导的全自动化流程，全程无需人工读数与主观判断，检测结果的客观性、一致性和可重复性显著提升，同时为现场打磨作业提供了定量化的施工依据。

63、（2）本发明通过引入曲率补偿修正，根据曲线半径和采样点位置逐一计算钢轨自身弯曲弧度引入的几何偏差并从原始数据中扣除，有效消除了曲线地段测量中的系统性误差，使同一套检测方法能够同时适用于直线与曲线两种线路工况。

64、（3）本发明通过对候选打磨区域进行相邻合并与微小区域过滤，并输出每个区域的位置、宽度和深度信息，实现了打磨区域的精准定位与定量描述，避免了因局部噪声导致的误判，为现场打磨作业提供了精确的施工指导，有效减少了打磨的盲目性和材料浪费。

65、（4）本发明通过多段拼接测量方法，在相邻测量段之间设置重叠区域，以有效重叠区域为配准依据求解线性变换参数并进行加权融合，将多段数据拼接为完整的位移数据序列，突破了单次测量长度的物理限制，在不降低测量精度的前提下实现了对任意长度钢轨的连续检测覆盖。