一种轨道车辆的非接触式轨道巡检系统 |
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| 申请号 | CN201710584552.5 | 申请日 | 2017-07-18 | 公开(公告)号 | CN107364466A | 公开(公告)日 | 2017-11-21 |
| 申请人 | 上海欣铁机电科技有限公司; | 发明人 | 龚佩毅; 汤友福; 余佳磊; 龚一帆; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种轨道车辆的非 接触 式轨道巡检系统，包括用以拍摄轨道 钢 轨、扣件、轨道板和道床图像的CCD高速线阵列摄像装置和对图像进行分析处理的 图像分析 处理系统，所述CCD高速线阵列摄像装置安装在搭载于工务轨道检查车或钢轨探伤车的悬挂安装座上，本发明的有益效果是：解决了现有检测方法手段单一、可靠性低、工作效率低等问题，检测工作自动化、信息化、连续化和精准化，工作量小且效率高，降低了运营成本，能给出高 质量 的综合评价结果，可以及时掌握轨道质量状态，正确指 导线 路养护维修，确保道路运输安全，满足了当今高速 铁 路及城市轨道交通发展的需求。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种轨道车辆的非接触式轨道巡检系统，其特征在于，包括用以拍摄轨道钢轨、扣件、轨道板和道床图像的CCD高速线阵列摄像装置和对图像进行分析处理的图像分析处理系统，所述CCD高速线阵列摄像装置安装在搭载于工务轨道检查车或钢轨探伤车的悬挂安装座上。 |
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| 说明书全文 | 一种轨道车辆的非接触式轨道巡检系统技术领域[0001] 本发明涉及一种轨道巡检系统，具体是一种轨道车辆的非接触式轨道巡检系统。 背景技术[0002] 高速铁路和城市轨道交通的运用使得人们的生活更加便捷，随着速度的提高和大规模的投入运营对轨道设备的检查和监控将作为铁路交通的安全重点更为加以关注。传统的巡检检查是由人工完成，其检测精度是与巡检人员的技能水平和经验息息相关，并且工作量大、耗时长、工作效率低，已经不能满足当今高速铁路及城市轨道交通的运营安全需求。 发明内容[0003] 本发明的目的在于提供一种轨道车辆的非接触式轨道巡检系统，以解决上述背景技术中提出的问题。 [0004] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： [0005] 一种轨道车辆的非接触式轨道巡检系统，包括用以拍摄轨道钢轨、扣件、轨道板和道床图像的CCD高速线阵列摄像装置和对图像进行分析处理的图像分析处理系统，所述CCD高速线阵列摄像装置安装在搭载于工务轨道检查车或钢轨探伤车的悬挂安装座上。 [0006] 作为本发明进一步的方案：所述悬挂安装座包括焊接固定在在工务轨道检查车或钢轨探伤车上的底架上的左悬挂安装座、中间悬挂安装座和右悬挂安装座，用于固定和安装CCD高速线阵列摄像装置。 [0007] 作为本发明再进一步的方案：所述CCD高速线阵列摄像装置包括安装在左悬挂安装座上的三台高速线阵列摄像机和安装在右悬挂安装座上的三台高速线阵列摄像机，由左至右分别为左外、左中、左内、右外、右中和右内高速线阵列摄像机，其中左中和右中高速线阵列摄像机的位置与左右两根钢轨相互对应，用于负责两根钢轨中心线左右各半边轨道图像的拍摄，左外、左内、右外和右内高速线阵列摄像机向两根钢轨的中心线偏离一定角度，分别负责拍摄左股钢轨外侧扣件和左股钢轨轨面、左股钢轨轨面和左股钢轨内侧扣件、右股钢轨内侧扣件和右股钢轨轨面、右股钢轨轨面和右股钢轨外侧扣件这一轨道零部件最为集中、结构最为复杂区域的局部状态。 [0010] 作为本发明再进一步的方案：所述图像分析处理系统包括用于控制CCD高速线阵列摄像装置同步采集图像的采集卡、对图像进行分析处理的图像分析处理模块和用于对图像进行显示播放的显示屏，其中采集卡用于触发CCD高速线阵列摄像装置中多个高速线阵列摄像机的开关，高速线阵列摄像机电性连接图像分析处理模块和显示屏。 [0011] 作为本发明再进一步的方案：所述图像分析处理系统内还包括用于对图像进行储存的内存。 [0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：解决了现有检测方法手段单一、可靠性低、工作效率低等问题，检测工作自动化、信息化、连续化和精准化，工作量小且效率高，降低了运营成本，能给出高质量的综合评价结果，可以及时掌握轨道质量状态，正确指导线路养护维修，确保道路运输安全，满足了当今高速铁路及城市轨道交通发展的需求。附图说明 [0013] 图1为一种轨道车辆的非接触式轨道巡检系统的正视图。 [0014] 图2为一种轨道车辆的非接触式轨道巡检系统的俯视图。 [0015] 图中：1-左悬挂安装座、2-中间悬挂安装座、3-右悬挂安装座、4-CCD高速线阵列摄像装置、5-钢缆绳、6-LED高亮度照明设备。 具体实施方式[0016] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0017] 请参阅图1～2，本发明实施例中，一种轨道车辆的非接触式轨道巡检系统，包括用以拍摄轨道钢轨、扣件、轨道板和道床图像的CCD高速线阵列摄像装置4和对图像进行分析处理的图像分析处理系统，所述CCD高速线阵列摄像装置4安装在搭载于工务轨道检查车或钢轨探伤车的悬挂安装座上，在工务轨道检查车或钢轨探伤车在轨道上运动时，CCD高速线阵列摄像装置4将摄得的图像信息传输给图像分析处理系统进行分析处理，得到轨道的质量状态，为线路养护维修提供工作依据。 [0018] 所述悬挂安装座包括焊接固定在在工务轨道检查车或钢轨探伤车上的底架上的左悬挂安装座1、中间悬挂安装座2和右悬挂安装座3，用于固定和安装CCD高速线阵列摄像装置4。 [0019] 所述CCD高速线阵列摄像装置4包括安装在左悬挂安装座1上的三台高速线阵列摄像机和安装在右悬挂安装座3上的三台高速线阵列摄像机，由左至右分别命名为左外、左中、左内、右外、右中和右内高速线阵列摄像机，其中左中和右中高速线阵列摄像机的位置与左右两根钢轨相互对应，用于负责两根钢轨中心线左右各半边轨道图像的拍摄，可以拍摄到钢轨、扣件、轨枕(轨道板)和道床整个轨道的总体面貌，左外、左内、右外和右内高速线阵列摄像机向两根钢轨的中心线偏离一定角度，分别负责拍摄左股钢轨外侧扣件和左股钢轨轨面、左股钢轨轨面和左股钢轨内侧扣件、右股钢轨内侧扣件和右股钢轨轨面、右股钢轨轨面和右股钢轨外侧扣件这一轨道零部件最为集中、结构最为复杂区域的局部状态。 [0020] 所述CCD高速线阵列摄像装置4与悬挂安装座通过螺栓和螺母配合的方式进行固定，且螺母为防松螺母，且在配合处设有螺纹密封胶防松，尽可能减少迎风面面积以减少风阻，同时使用钢缆绳5将二者拴固在一起，进行二次防脱固定，保证整个CCD高速线阵列摄像装置4形成双重安全设计，保障设备安全。 [0021] 所述悬挂安装座上还安装有进行照明的LED高亮度照明设备6，LED高亮度照明设备6包括多路光源，LED高亮度照明设备6的制作具有两个特点：一是以被摄物体表面光照强度基本等强为原则，设计了多路光源，以便根据钢轨、扣件、轨枕离照明设备的距离远近来调节灯光亮度，使同灰度的被摄表面在不同的拍摄位置(远近)得到等强的光照强度，图像上可获得相同的灰度值。另是强化轨道上各个零部件间的边缘以及拍摄深度方向轨道零部件缺陷如钢轨擦伤、轨道板裂纹边缘的显现，设计了光照β偏角，利用零部件间的高差产生的阴影达到边缘的强化。 [0022] 所述图像分析处理系统包括用于控制CCD高速线阵列摄像装置4同步采集图像的采集卡、对图像进行分析处理的图像分析处理模块和用于对图像进行显示播放的显示屏，其中采集卡用于触发CCD高速线阵列摄像装置4中多个高速线阵列摄像机的开关，实现多个高速线阵列摄像机的同步摄像，高速线阵列摄像机电性连接图像分析处理模块和显示屏，拍摄后的图像可以传输至图像分析处理模块进行处理，并在显示屏中进行播放。 [0023] 所述图像分析处理系统内还包括用于对图像进行储存的内存。 [0024] 本发明的工作原理是：图像分析处理模块用以对所拍摄图像进行处理，它包括对原始图像根据不同的轨道结构病害的特征采用图像滤波、图像锐化和图像增强等方法进行图像预处理，以提高图像整体和局部的清晰度，图像的预处理为后续的图像自动识别做了部分准备工作，图像分析处理模块同时实现对钢轨接触疲劳裂纹、剥落掉块、擦伤、光带异常和扣件安装歪斜、断裂、缺失以及轨枕或轨道板裂纹、道床翻浆冒泥、轨道异物等缺陷图像即可视性轨道结构病害的自动识别，并且可完成轨道结构病害的统计、报表自动生成和图像回放。 [0025] 图像自动识别包括钢轨缺陷图像(钢轨接触疲劳裂纹、钢轨剥落掉块和擦伤、钢轨表面光带异常)识别、扣件缺陷图像(扣件安装歪斜、裂断、缺失)、轨枕缺陷图像(轨枕或轨道板裂纹)识别、道床缺陷图像(道床翻浆冒泥)识别和轨道异物等缺陷图像识别，图像自动识别是在为之专门设计的硬件设备的配合下，才能得到更好的效果，由于LED高亮度照明设备设计的多路光源避免了一幅图像同时关注两个或多个目标难以得到同样清晰程度的尴尬；光照β偏角使零部件间的高差产生的阴影成为边缘的强化；根据轨道结构的特点采取多路高速线阵列摄像机按照一定方式布局的方案提高了钢轨扣件轨道零部件集中区域的物理分辨率即图像精度； [0026] 左外、左内和右内及右外高速线阵列摄像机分别拍摄左股钢轨外侧扣件和左股钢轨轨面、左股钢轨轨面和左股钢轨内侧扣件、右股钢轨内侧扣件和右股钢轨轨面、右股钢轨轨面和右股钢轨外侧扣件四幅图像，获得的图像中在较为固定的区域内出现钢轨和扣件两个轨道部件，图像自动识别系统采用边缘检测和阈值分割处理后，将扣件螺栓作为先验知识的感兴趣区域(ROI)定位，由于扣件螺栓在图像中的位置只按轨距的变化和车轮游间而左右晃动，所述的图像自动识别系统可在一定的区域范围内进行搜索，按螺栓圆面积和螺栓间距的呈周期性特征来确定扣件螺栓的存在及准确的位置，再根据扣件螺栓到钢轨边缘的固定距离，来划定钢轨和扣件的分界线，从而把图像剪切为钢轨图像区域和扣件图像区域。 [0027] 钢轨缺陷的识别： [0028] 图像中所获得的钢轨缺陷主要有三种类型：钢轨接触疲劳裂纹、钢轨剥落掉块和擦伤、钢轨表面光带异常，钢轨接触疲劳裂纹一般发生在钢轨内侧作用边，裂纹的延展方向与钢轨纵向有固定的夹角，裂纹的间距呈周期性；钢轨剥落掉块和擦伤虽然成因不同，但两者在图像表征灰度值和边缘形状基本相同；钢轨表面光带表现了轮轨接触状态，光带沿钢轨纵向延展，时宽时窄，中心位置左右晃动，光带呈高亮度，具有高灰度值。 [0029] 钢轨缺陷图像识别是对于上述三种类型钢轨缺陷的自身固有的特征进行自动识别的： [0030] 钢轨缺陷图像识别对钢轨接触疲劳裂纹的识别采用了裂纹间距计算识别法，这种方法是在规定的区域(钢轨左右边区域)的水平方向分若干组沿钢轨纵向搜索裂纹，并计算记录裂纹间距，最后以裂纹间距的均方差与均值之比来识别这种缺陷是否存在； [0031] 钢轨缺陷图像识别对钢轨剥落掉块和擦伤的识别采用了单元(分段)区域低灰度值像素比例识别法，即沿钢轨纵向按规定的长度截取一段图像，统计在一定灰度值以下的像素占单元总像素的比例，以此来判定识别钢轨剥落掉块和擦伤的存在； [0032] 钢轨缺陷图像识别对钢轨表面光带异常的识别采用了边缘追踪计算法，经阈值分割处理后的钢轨图像，使光带与非光带的灰度值产生了突显的差别，软件通过对左右两条灰度值分界线进行搜索计算，获得两条描述光带宽度的曲线，然后计算两曲线的距离、两曲线的中心线等来获得光带的宽窄变化、光带的中心偏移变化情况，以此来识别光带是否异常。 [0033] 扣件缺陷识别： [0034] 图像所获得的扣件缺陷主要有三种类型：扣件弹条安装歪斜、裂断、缺失：扣件弹条安装歪斜即是扣件弹条没有按正常的位置安装，产生了位置的偏差；扣件弹条裂断即是扣件弹条裂断、变形，造成扣件弹条整体形状的变形或不完整；扣件弹条缺失即在规定的轨道位置上没有扣件弹条，在图像上这些缺陷扣件边缘及边缘位置与正常扣件弹条边缘及位置产生了差异。 [0035] 扣件缺陷图像识别采用基于扣件形状及位置的关键边缘匹配法，即将扣件螺栓作为先验知识的感兴趣区域(ROI)定位并计算得到螺栓圆心，在扣件图像区域范围内以圆心为中心向周围的扣件关键边缘进行匹配。根据在关键边缘上正常扣件弹条与缺陷扣件的差异及三种不同缺陷扣件之间的差异，达到自动识别的目。 [0036] 轨枕或轨道板缺陷识别： [0037] 左中和右中高速线阵列摄像机拍摄得到反映轨道中心线左右各半钢轨、扣件、轨枕(轨道板)和道床即整个轨道的总体面貌的图像； [0038] 图像自动识别对这图像作边缘检测和阈值分割处理，并将扣件螺栓作为先验知识的感兴趣区域(ROI)定位并计算得到螺栓圆心。 [0039] 对于轨枕轨道(有砟轨道)，可直接根据扣件螺栓圆心，按轨枕和钢轨、扣件尺寸，剪切剔除钢轨、扣件和道床区域的图像，保留得到轨枕区域图像。 [0040] 对于轨道板轨道(无砟轨道)可采用基于形状特征的提取和匹配，剔除轨道板接缝、定位凸台、轨道电路应答器等，再根据扣件螺栓圆心，按轨枕和钢轨、扣件尺寸，剪切剔除钢轨、扣件和道床区域的图像，保留得到轨道板区域图像。 [0041] 图像所获得的轨枕或轨道板缺陷即为轨枕或轨道板裂纹，这种裂纹一般表现为三种形式：单裂纹、龟列和掉块。正常轨枕或轨道板图像与有这些裂纹的图像以及裂纹图像之间有着明显的区别。 [0042] 轨枕或轨道板缺陷图像识别对单裂纹、龟列和掉块的识别采用单元区域低灰度值像素比例识别法，即将轨枕或轨道板区域的图象按里程等规则划分为若干个单元，然后计算每隔单元低灰度值像素占单元的比例，由于这个比例由低向高是按正常单元、单裂纹单元、龟列单元和掉块单元排列的，由此来识别它们之间的差别， [0043] 根据龟列单元和掉块单元各自的排列计算各缺陷的面积；对可能发生单裂纹的单元，进行裂纹搜索和追踪，凡裂纹贯穿单元尺寸时，判定为单裂纹单元，并对其按一定的规则向四周进行边缘追踪，最后确定单裂纹的长度，专业部门可根据裂纹的面积和长度来做最后的判定。 [0044] 道床缺陷缺陷识别： [0045] 图像自动识别系统在处理过程中也得到了道床区域的图像，图像所获得的道床缺陷为道床翻浆冒泥，正常道床和翻浆冒泥图像经阈值分割处理后区别明显。 [0046] 道床缺陷图像识别对道床翻浆冒泥采用单元区域低灰度值像素比例识别法识别。 [0047] 轨道异物识别： [0048] 轨道异物检测图像有两种情况：一是面积较大的轨道异物，其所处的位置一般侵入各轨道零部件的交界，遮掩了交界线；二是轨道异物在某一轨道零部件图像区域范围内，特别是在轨道板轨道上，存在于轨道板图像区域范围内。 [0049] 所述的轨道异物图像识别软件对于前一种情况采用基于整轨道几何形状特征的提取与匹配方法；对于后一种情况采用基于在轨道上几种规定的安装设备几何形状特征的提取与匹配方法。 [0050] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。 [0051] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。 |
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