1、計 算 機 系 統 應 用 2010 年 第19卷 第 6 期158應用技術Appli ed T echniq u e計算機視覺技術在列車運行狀態綜合檢測中的應用寧 靜1 高品賢 1 林建輝2 (1.西南交通大學 機械工程學院 四川 成都 610031;2.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室 四川 成都610031摘 要: 對國外典型的利用圖像處理技術建立的鋼軌檢測系統進行了介紹。對國外的利用圖像處理進行接觸網磨損檢測的系統進行了總結。回顧了我國利用計算機視覺技術對列車綜合參數進行檢測的現狀和發展,對圖像處理技術在我國的高速鐵路綜合檢測車的應用進行了展望。關鍵詞: 計算機視覺;鋼軌磨損;接觸

2、網磨損;檢測系統App lication of the Comp uter V ision T echnology to the Train R unning State Synthesis MeasurementNING Jing 1, Gao Pin-Xian 1, LIN Jian-Hui 2(1.School of Mechanical Engineering, Sou thwest Jiaotong University, C hengdu 610031, China; 2.National PowerTraction Lab oratory , Sou thwest Jiaoton

3、g University, C hengdu 610031, C hinaAbstract: Two typical rail inspection systems based on image processing are introduced, especially the systemconf igureation and work principle of the KSIR Inspection cars(Russion. The development of measuring f or contact wire wear is summarized. And the status

4、of the train synthesize inspection car in China has been reviewed. In the end, the trend of the inspection based on the computer vision technology in the f uture has been discussed.Keywords: computer vision; rail wear; contact wire wear; inspect systems基礎設施安全狀態車載檢測技術及裝備,如軌道、弓網、通信和信號等專項檢測車和綜合安全檢測列車,以

5、及各種隨車安全監測裝置,是鐵路車、機、工、電、輛等各部門獲得列車運行安全狀態信息、提供養修決策、指導現場作業、評價工作質量和實施科學管理的重要手段,是確保列車按規定的最高速度安全、平穩、不間斷運行的技術保障。世界各國鐵路都十分重視智能綜合監測車的研發與應用。歐、美、日等許多發達國家陸續開發出應用現代高新技術的綜合監測車,檢測速度大大提高,檢測功能更加豐富,檢測精度和可靠性也得到提高。世界高速鐵路安全狀態檢測與故障診斷技術及裝 基金項目:教育部博士點基金(200806141058 收稿時間:2009-10-28;收到修改稿時間:2009-11-26備的主要特點之一就是激光和動態圖像處理技術獲得了

6、廣泛的應用,提高了檢測速度、精度和可靠性。1 在軌道檢測中的應用在上世紀九十年代初,美國的ORIAN(Optical Rail Inspection and Analysis系統研制成功。它是計算機視覺系統在軌道檢測領域最具有代表性的一個實例,主要用于動態檢測鋼軌磨損的。本世紀初,計算機視覺系統在鋼軌檢測中的范圍逐漸擴大,俄羅斯研制的綜合軌道檢測車KSIR 利用圖像處理技術,幾乎完成了鐵路軌道所有參數的動態檢測。它們的研制成功對于我國深入研究在高速鐵路軌道上如何利用計算2010 年 第19卷 第 6 期 計 算 機 系 統 應 用 Appli ed T echniqu e 應用技術159機視覺

7、的優點,動態獲取軌道參數具有十分重要的借鑒意義。1.1 測量鋼軌磨損的ORIAN(美國1995年美國紐約KLD 實驗室研制了鐵軌測量與分析光學系統ORIAN 1。它是一個先進的實時計算機視覺系統,它可在時速175公里/小時以上利用非接觸的方法測量鋼軌磨損。ORIAN 系統安裝了激光線光源用以照亮目標的輪廓。然后,利用超高分辨率的數字攝像機記錄目標橫截面光亮的動態視頻圖像。系統包括兩個安裝在軌檢車軸上的傳感器測量頭,每個測量頭包括兩個超高分辨率的數字攝像機,和兩個激光發射器模塊。與此同時,英國伯靈頓的William .T.開發了一種時速在60km /h 以上用于測量軌道幾何參數的系統2。此系統可

8、分別測量鐵軌的幾何量和鋼軌的斷面輪廓。軌道的幾何參數可以通過實時處理獲取。鋼軌的斷面輪廓數據在實時情況下只能有一些局部的輸出,更多的輪廓數據將在后續處理當中獲得。并且對在實時和后續處理中輸出的軌道幾何參數以及鋼軌的斷面輪廓信息進行了比較。隨后,英國Birm ingham 大學的Clemens Mair 于1998年提出計算機視覺技術應廣泛的應用于鐵路運行狀態的各個檢測領域,并對其廣發的應用前景進行了展望3,提出鐵軌的檢測系統、接觸網的幾何測量等都可以利用此項技術實現。 1.2 綜合軌道檢測車KSIR 4,5(俄羅斯圖1 KSIR 檢測車中CCD 和激光源的安裝位置從1998年開始莫斯科國立大學

9、鐵道工程系等單位針對莫斯科的地鐵系統設計了一個利用CCD 和圖像處理技術的非接觸式檢測車Non-contact photo- nic m easurement system (KSIR。該系統包括四個子系統(見圖1:BFSM(rail wear, height and track gauge measurem ent鋼軌磨損,高度和軌距測量;FIP(rail slum p measurement鐵軌的水平不平順測量;FKR(contact rail m easurement鋼軌的接觸測量;USI(speed, level and car locating速度,水平以及定位系統。整個系統包括五個

10、矩陣式CCD ,五個紅外線線光源,四個線陣式CCD ,四個紅外線點光源。該系統可實現在時速70公里/小時以上的全天候在線監測。2 在接觸網磨損檢測中的應用隨著高速鐵路的飛速發展,及時掌握接觸網的準確磨損狀態,保證鐵路運行的安全可靠顯得日趨重要。SNCF(法國鐵路公司和JNR(日本鐵路公司首先提出了接觸網的磨損測量方法。但是前者提出的理論沒有實現,而后者提出的方法在實現過程中也受到諸多限制。目前在接觸網磨損檢測中,非接觸測量的方法包括磁場分析,小波反射以及光電檢測等方法。縱觀目前投入應用的檢測系統,利用CCD+激光組建的系統在實際過程中是最為成功的,其檢測原理為首先利用激光照亮接觸網的輪廓,然后

11、通過CCD 采集激光與接觸網交匯處反射光帶的方法,獲取原始圖像,再通過圖像處理的方法獲得接觸網的剩余厚度值,從而獲得接觸網磨損程度的信息(見圖2。圖2 接觸網磨損測量的原理2.1 接觸網磨損檢測系統MEDES 6 (西班牙:MEDES 系統是由UPM-DIE 設計,RENFE(西班牙國家鐵路投資并使用的基于計算機視覺原理的接觸網磨損檢測系統。由于該系統良好的可靠性(此系統可被使用在除去雨雪天氣的全天候環境,包括白天和夜晚以及低廉的成本和信號的可操作性,已申請了西班牙(專利號:9401633和歐洲的專利(專利號:96500022.7。在法國的測試結果表明,MEDES 系統的輸出結果與列車的運行速

12、度無關,系統的精確度為±5%,轉換為殘留厚度的測試誤差被控制在7%以內,且其測試結果有可重復性。計 算 機 系 統 應 用 2010 年 第19卷 第 6 期 160應用技術Appli ed T echniq u e2.2接觸網的自動厚度測量系統ATON 7(ATO N :Autom atic Thickness measurement of Overhead wires Netherlands Railways 荷蘭荷蘭鐵路接觸網自動厚度測量系統ATO N 是由TNO TPD 設計的,并最終在荷蘭的鐵路系統投入了使用。其在線測量時速可達90300公里/小時,可檢驗大于9mm 的磨損

13、寬度,從而實現對整個接觸網的非接觸測量。CCD 獲取的圖像分辨率在垂直行車方向為0.15 mm ,在行車方向為2 cm ;垂直行車方向的視覺范圍為1100 mm ,接觸網的高度范圍為4450 mm 6300 mm 。該系統可同時檢測24根接觸網。該系統適用于全天候的應用環境,但是雨、濃霧和嚴重的結冰等惡劣氣候會對設備的測量結果造成影響。MEDES 和ATO N 都是利用CCD+激光的方法來實現在線測量的。二者主要的不同在于ATON 利用了一個復雜的,特制的伸縮的光學系統而MEDES 采用了商用的光學系統的電學裝置相結合的方式。這樣使得MEDES 系統更易于實現,而且更加易于操作。 2.3 日本

14、接觸網檢測系統日本在其新干線上開發了基于CCD 攝像機的高架接觸線檢測系統8。 其測量原理如下:它用激光束掃描整個接觸網交錯線區域,當激光束掃到接觸網的摩擦面時,會產生不規律的反射光,其中會有部分的反射光反射回光源,這些光線會被CCD 相機接收,由于激光束是以恒定的速度掃描,因此接收到反射光的持續時間是與磨損線寬度呈正比的。由此,可通過測量激光的反射時間來測量接觸網的磨損狀況。 2.4 Wire Wear Measurem ent System 導線磨耗檢測系統9WWS 能在200km/h 的速度下同時測量4根接觸網的磨損情況。系統可以每25mm 計算出一次導線磨耗值。2.5 WIRE CHE

15、CK 系統WIRE CHECK 系統的測量原理在文獻23中有詳細描述。2.6 俄羅斯系統10俄羅斯儀器科學科技設計院(TDI SIE和俄羅斯科學院西伯利亞分院(SB RAS于2006年研制了一種能夠進行缺陷探測并測量接觸網磨損的非接觸檢測系統。其基本原理與其他系統類似,但是他們給出了可對圖像進行分析的具體算法。由于接觸網橫截面與激光柱的交匯處的圖像形狀為月牙形的圖像,可以首先對這個月牙形的光帶進行分區(見圖3;然后通過尋找每個圖像垂直帶的聚集中心來獲取底部的期望輪廓線(見圖4。這種數據處理的方法在“Seyatel ”列車上進行了測試,最終數據處理的測量精度為:高度0.1mm ,橫截面1.5mm

16、2,能夠滿足自動檢測的需求。圖3 將交匯處的月牙形圖像分割為垂直帶圖4 提取垂直帶的聚集中心表1為國外各個系統的參數指標對比。表1 國外各個系統的參數指標9, 14-17:3 我國利用計算機視覺技術對列車綜合參數進行檢測的現狀和發展由于CCD 檢測是一種直接測量法,它不受機車速度的限制,可以跨越低速到高速進行動態檢測,我國也有探討利用數字圖像處理技術進行非接觸式尺寸測量的問題。2010 年 第19卷 第 6 期 計 算 機 系 統 應 用Appli ed T echniqu e 應用技術161西南交通大學謝小玲等于2001年介紹了基于CCD 動態檢測軌道不平順的方法,給出了系統檢測的原理、總體

17、結構、工作流程和數據分析流程。并且利用實驗結果證明了該裝置的準確性和可靠性11。大連交通大學利用MATLAB 軟件對接觸網數字圖像進行了處理和分析,并給出了相應的試驗結果。測量誤差與實際比較小于10%,基本能夠滿足接觸網磨損測量的要求12。杭州電子大學于2006年利用光電技術對運動中輪對車輪踏面缺陷進行了理論研究13。車輪蹋面缺陷包括檫傷和剝落。他們利用數字圖象處理技術來處理通過高速CCD 攝象機獲得蹋面的輪廓圖象。測量裝置被安裝在鐵軌的直線段區域,當車輛以規定速度通過時,設置在鐵軌兩側的此裝置可以獲得深度,長度以及可能存在缺陷的位置信息。提出了一種利用柵格跟蹤獲得車輪輪廓的方法。理論上,當擦

18、傷長度大于17mm 和剝落長度大于2mm 時,可在2mm 誤差范圍內識別。測試過程中,列車的運行速度應低于6km /h 。4 結論我國鐵道科學研究院在安全綜合檢測車的研制過程中14,其軌道檢測子系統中采用了CCD 攝像機+激光光源的方法來實現軌道幾何狀態檢測;其接觸網檢測子系統中接觸網導線的高度、拉出值、錨段關節及線岔處的兩線水平及垂直間距的檢測也是有計算機視覺系統來實現的;在線路周邊環境監視子系統中對列車運行時實時環境的觀測也是通過對的圖像信息的采集和處理,來加以實現的。由此,我們有理由相信,在將來的智能化高速線路檢測系統中,其地面監測子系統在實施地對車安全監測過程中,通過高速攝影或紅外線技

19、術,測試高速列車輪軌動態接觸狀態,包括車輪相對于軌面的抬升量、車輪與軌面接觸點的變化過程、軌距動態擴大量等參數,即可實現動態測試高速列車運行時的輪軌動態運用安全性能;監測和識別高速列車在鋼軌上的蛇行失穩狀態;監測列車高速運行時的輪軌動態接觸狀態等功能。由于計算機視覺系統具有全天候、非接觸、在線精確檢測、數據輸出直觀等特點,采用自行研發的高頻快速的FPGA 和DSP 結合的圖像采集與處理高速數字圖像處理方法與慣性基準法,超聲波檢測法等多種檢測方法的相互配合和冗余將成為列車綜合檢測發展的趨勢。計算機視覺技術對列車影運行狀態的綜合檢測的發展將具有廣闊的應用和前景。參考文獻1 Daniel LM. N

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