钢轨打磨技术起源于20世纪50年代，我国于20世纪80年代引入钢轨打磨技术，现已成为世界范围内铁路线路一种常规的养护维修技术[1]。目前，各铁路局均已配备钢轨打磨车，钢轨打磨技术逐渐成为我国一项基本的线路维护技术[2]。
钢轨打磨前需要对现场钢轨廓形进行检测。近几年，随着计算机的普及和发展，以及机器视觉等技术的日臻成熟，基于机器视觉的钢轨轮廓测量研究得到了充分的发展[3-6]。这种测量手段建立在非接触光学系统的基础上，测量性能良好，通常用于动态检测，即检测设备和钢轨在相对运动的情况下进行检测。将设备安装在轨检车上，可以动态检测铁路沿线的钢轨状态。
我国在钢轨廓形动态检测方面还处于起步阶段，而国外进口的动态测量系统昂贵、维护保养困难[7]。同时国外对部分关键技术进行封锁，我国急需开发一套基于机器视觉的钢轨廓形动态测量系统。
我国钢轨打磨工艺亦处于起步阶段，没有形成一整套合理的钢轨打磨作业程序。我国的线路状况和国外存在差异，我国线路客货混运、行车密度大，又遇货运重载、客运提速，致使钢轨打磨工作量很大，钢轨打磨需求与设备配置矛盾突出，某些区段线路由于钢轨打磨不能及时、科学地实施，致使钢轨使用寿命缩短[8]。此外，我国的钢轨打磨标准、打磨工艺及方法仍需完善[9]，不同类型的钢轨表面不平顺和表面损伤与打磨工艺、参数的关系仍需深入研究[10]。
根据我国钢轨打磨技术现状和钢轨养护工作的实际需求，本文研发一套基于动态测量的钢轨廓形打磨智能分析系统(以下简称智能系统)。该系统能动态测量现场钢轨廓形，通过计算实时生成可供钢轨打磨列车使用的打磨策略，并传输给打磨列车的作业控制系统。
基于动态测量的钢轨廓形打磨智能分析系统(见图1)由3个子系统构成:钢轨廓形动态测量子系统、打磨策略子系统和接口子系统。
图1 系统总体框架
动态测量子系统采用线结构光视觉技术对钢轨廓形进行动态测量，从而获取钢轨廓形数据。主要包括线结构光源、高速摄像机、高性能图像采集卡、实时图像处理模块、里程定位模块等。
打磨策略子系统能结合钢轨打磨列车性能参数和其他现场条件参数，通过不间断分析并计算动态测量子系统传输的现场钢轨廓形数据，连续生成包含磨头角度、磨头功率等控制参数实时变化的打磨策略。
接口子系统主要通过TCP/IP协议与打磨策略子系统进行通信，将打磨策略实时传输给钢轨打磨列车的作业控制系统，进而对每个工作磨头的磨头角度、磨头功率等参数进行控制。此外，该子系统还具备人机交互及协调整个系统运转的功能。
在动态测量子系统中，通过激光摄像技术对钢轨廓形进行全断面测量，如图2所示。在测量过程中，分布于钢轨内外侧的线结构光视觉传感器投射出一道结构光平面。该光平面与钢轨相交，并在钢轨表面形成一条包含钢轨廓形信息的激光光条曲线。在对应位置安设高速摄像机，且与结构光平面呈一定角度，对钢轨廓形激光光条曲线进行拍摄。基于激光三角测量的原理，实现对钢轨廓形数据的测量。
图2 激光摄像技术测量
动态测量子系统的硬件装置主要包括安装连接装置、高速摄像机、高稳定结构光源、高速图像处理模块、实时定位模块等。硬件结构设计如图3所示。该硬件装置安装在钢轨打磨列车的转向架上，位于打磨列车前后两端(每车2套)。现场安装实物如图4所示。
图3 硬件结构设计图4 现场安装实物
动态测量子系统软件主要包括图像处理模块、标定对齐模块，以及数据定位与传输模块，如图5所示。
图5 动态测量子系统软件结构
动态测量子系统软件的工作流程如下：
1)钢轨打磨列车运行过程中，通过车轴转动带动光电里程计旋转，从而输出脉冲信号。系统将采集到的脉冲信号转换为触发信号，同时传输给左右股钢轨上方的4台高速摄像机进行廓形检测。高速摄像机接到指令后，在同一时刻对钢轨激光光条图像进行采集。
2)图像采集系统通过4台高速摄像机获取了钢轨廓形图像后，再实时传输给图像处理系统，由其进行相应的钢轨激光光条特征提取、激光光条坐标换算、重合区域坐标融合等计算。计算完成后输出完整的钢轨断面廓形数据。
3)通过车载局域网络将处理后的钢轨断面廓形数据实时传输给综合处理计算机。综合处理计算机将实时获取的钢轨廓形与钢轨基准廓形进行对比和匹配，通过轨腰曲线固有特征信息计算车辆振动量，对车辆振动量的计算结果进行振动补偿得到最终结果。
打磨策略子系统根据钢轨打磨列车各作业控制参数与钢轨磨削量之间的关系，确定各控制参数的先后顺序及其对打磨面积产生的影响。结合现场生产实践经验生成打磨策略，其设计方案如下：
1)使用试打磨模式对现场钢轨进行试打磨。在参数设置界面中，设置顶面打磨深度0～0.2 mm，作业速度15 km/h、打磨功率72%、磨头数量38～46个。根据预选钢轨基准廓形、计划打磨区段既有钢轨廓形及相关施工条件设计试打磨模式，并对钢轨进行试打磨作业。
2)计算单磨头平均打磨量。利用智能系统测量打磨前后的钢轨廓形并与基准廓形进行对比，计算试打磨的实际打磨面积，进而得到单磨头平均打磨面积。
3)计划打磨地段钢轨廓形检测。利用动态测量子系统测量计划打磨地段现场钢轨廓形，设定顶面打磨深度后选择基准廓形，将动态测量子系统获取的现场钢轨廓形与基准廓形进行对比和计算，得到计划打磨地段的计划打磨面积。
4)计算打磨遍数，分配初始单遍打磨量。根据单磨头平均打磨面积计算钢轨打磨列车理论单遍最大打磨面积，并对计划打磨面积进行分配以计算打磨遍数。确定打磨遍数后，再根据打磨列车和打磨工艺要求分配初始单遍打磨量。
5)计算打磨磨头数量。依据初始单遍打磨面积中不同区域的计划打磨面积，计算钢轨打磨列车磨头的数量及对应角度。
6)计算磨削功率。根据钢轨断面廓形不同区域的磨头分配情况，对每个磨头的打磨功率进行计算。
通过上述6个步骤在打磨策略子系统内部各元素之间建立规则和联系，经过条件选择和优化方案选择最终生成打磨策略。
接口子系统的主要功能是将打磨策略实时传输给钢轨打磨列车的作业控制系统，使其能够对钢轨打磨列车每个工作磨头的磨头角度、磨头功率等参数进行有效控制。为实现该功能，在硬件上钢轨打磨列车的1号和5号控制车内各增加了1台工控机，如图6所示。图中黑色部分(细线)为钢轨打磨列车作业控制系统，红色部分(粗线)为新增的接口子系统网络硬件部分。
图6 接口子系统硬件连接
接口子系统主要由1台工控机、输入输出显示器及1套接口软件组成。接口软件按照一定的通讯规则在打磨策略子系统与钢轨打磨列车的作业控制系统之间建立连接，按照TCP/IP协议通讯使子系统间传输的打磨策略被实时刷新，保证钢轨打磨列车作业控制系统执行的打磨策略与打磨策略子系统输出的打磨策略同步生效。此外，通过人机交互输入输出终端，操作人员不仅可以对钢轨打磨列车性能参数、钢轨打磨工艺参数、钢轨打磨作业现场数据进行输入，还可以通过监控界面对钢轨打磨过程参数进行实时监控。智能系统的运行状态信息、故障报警信息及其他信息均可以实时通过人机交互输入输出终端显示，以便操作人员更好地了解和掌握系统状态。
根据钢轨打磨列车施工现场的实际需求对智能系统进行了功能设计，主要有3种工作模式。
1)模式1，廓形质量检测。智能系统对现场钢轨的廓形进行动态测量，为打磨作业提供有效的钢轨廓形数据。廓形质量检测在钢轨打磨列车运行过程中完成，不会影响钢轨打磨作业。
2)模式2，试打磨。根据现场钢轨廓形测量数据进行试打磨作业，以确定打磨区段单个磨头的实际打磨效果。一般选取200～300 m的平直线路进行廓形测量，生成试打磨策略，进行试打磨作业，从而计算单个磨头的平均打磨量。当钢轨打磨列车、磨石材质或型号、待打磨钢轨规格型号发生变化时，应进行试打磨。
3)模式3，打磨作业。作业方式分为2种：①分段打磨。该模式能依据打磨区段的钢轨廓形数据，按照打磨工艺要求和钢轨状态需要进行分段。每个分段可选择不同的代表廓形，将前期测量的钢轨廓形数据输入智能系统，并按照一定的规则生成分段打磨策略。每个分段可自动选择不同的打磨基准廓形以指导打磨作业。该方式可以在打磨基准需求不同的区段间(如直线区段和曲线区段的打磨基准廓形不同)实现连续打磨作业。②边测量边打磨。根据动态策略子系统检测的廓形数据实时生成策略，作业控制系统依据动态策略控制打磨作业。
1)安全防护功能
根据打磨工艺要求及施工组织需要，设计了2种确保作业安全的模式：①顺坡模式。钢轨打磨列车在开始和结束时，打磨磨头会按照作业指令立即下降和提起。为减小打磨磨头突然下降和提起对钢轨表面平顺性造成的影响，在钢轨打磨列车经过磨头下降点前和提升点之后，系统会自动调用功率较小的“顺坡模式”保持磨头继续作业一段距离，以解决钢轨打磨起止点的不平顺问题。②安全模式。根据预先制定的规则，当系统判断输出打磨策略异常或无法正常输出打磨策略时会自动输出“安全模式”来指导钢轨打磨列车继续工作，以便操作人员采取相应措施。
2)系统自检及诊断功能
系统内部具有自检、诊断与复位功能，对于运行过程中出现的异常情况，能够自动检查、诊断并报警。系统主界面上设置了异常信息预警窗口，当各子系统内部或数据采集、分析、计算、传输等关键环节出现异常而导致系统功能无法正常运行或系统功能正常运行但输出无效或错误信息时，会在预警窗口显示错误信息。通过自动检查、诊断，并结合异常信息的严重等级，以辅助颜色、声、光等报警信号的方式提醒操作人员采取相应的措施。
3)作业速度推荐功能
系统能够有效利用预先测量和存储的钢轨廓形数据，在操作人员完成对打磨作业的参数输入后，会自动计算并显示“分段打磨”或“边测量边打磨”作业方式下推荐的钢轨打磨列车作业速度，以供操作人员参考和选择。该项功能避免了以往钢轨打磨列车作业速度人为选择的盲目性，实现了速度选择的智能化，使钢轨打磨列车的作业参数匹配更加合理。
4)可扩展性
系统在设计中预留了“廓形质量评价”功能模块，在质量评价标准确定以后，该功能可投入使用。一方面，能够统计日常检测的钢轨廓形数据，对既有线路钢轨廓形质量进行定量分析，为线路维护计划制定者提供大数据分析支持。另一方面，能够客观评价打磨作业前后的钢轨廓形质量，为钢轨打磨作业、质量验收提供科学的依据。
预留系统廓形检测升级能力。在作业时，系统的钢轨廓形动态测量速度限值为20 km/h。后期可根据现场使用情况提高动态测量速度。为实现此目标，系统在软件设计及硬件选用上预留了80 km/h廓形动态测量及处理能力。
系统预留了标准以太网接口、串行通用接口和无线传输接口，为日后检测系统与数据中心之间通信，检测数据、报表文件自动传输，打磨作业科学管理等提供了有效途径。系统能够扩展到不同的车型，如PGM48型钢轨打磨车、GMC96x型钢轨打磨车、RGH20C型道岔打磨车等。同时，动态测量子系统能适应不同厂家(如Harsco，Speno等)的打磨车型。
智能系统在设计、制造、实验室试验完成后，于2015年3月装车调试，2015年11月开始投入现场作业。系统的操作界面和打磨策略输出界面如图7所示。
图7 系统的操作界面和打磨策略输出界面
现场分别对该系统的“质量检测”、“分段打磨”及“边测量边打磨”主要工作模式模块功能进行了测试和应用，并对打磨效果进行了分析。测试概况如下：
1)选择“质量检测”作业模式，系统能够在非打磨作业时以不低于80 km/h的速度进行质量检测，在打磨作业时以20 km/h的速度进行质量检测，检测效果良好。
2)选择“分段打磨”作业模式，在汉丹线下行K33+000—K34+200区间，智能系统控制打磨列车按照15 km/h 的推荐速度进行打磨作业。打磨作业完成后，在打磨作业范围内的K33+000—K33+300区段选择4个测量点(K33+030，K33+040，K33+050，K33+060)。利用Miniprof廓形仪对测量点左右股钢轨廓形数据进行测量，并与基准廓形数据进行法线值对比，计算其法线差值。法线差值中左股最大值为0.26 mm，右股为0.13 mm。
3)选择“边测量边打磨”作业模式，在汉丹线下行K33+400—K34+200区间，智能系统控制打磨列车按照15 km/h的推荐速度作业。作业完成后在打磨作业范围内的K33+600—K34+000区段选择3个测量点(K33+600，K33+800，K34+000)，利用Miniprof廓形仪对测量点左右股钢轨廓形数据进行测量，并与基准廓形数据进行法线值对比，计算其法线差值。法线差值中左股最大值为0.22 mm，右股为0.28 mm。
在现场应用中，系统运行稳定，作业质量满足验收要求。目前，智能系统已应用于GMC-96x型钢轨打磨列车，累积作业在100 km以上。
本文开发了基于动态测量的钢轨廓形打磨智能分析系统，动态测量现场钢轨廓形。通过计算实时生成可供钢轨打磨列车使用的打磨策略，并传输给打磨列车的作业控制系统以指导钢轨打磨列车打磨作业。现场作业表明，打磨作业质量高，满足验收要求，系统累积作业在100 km以上。
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