CN102556116A - 基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统与方法，所述系统包括激光定位系统、视觉识别系统和控制中心，同处于列车车体下方的探测器内，正对扣件所在区域的正上方。激光定位系统和视觉识别系统沿着列车运行的方向前后错开布置，激光定位系统在前，视觉识别系统在后，二者距离恒定。由激光定位系统对扣件的位置进行探测和定位，并发出同步信号，触发视觉识别系统工作。激光定位系统采用高速半导体光电管形成的一维阵列代替常规激光三角测距传感器中的线阵CCD完成的三角测距测量。本发明有效解决了探测准确性和列车运行高速度的矛盾，实现铁路扣件的高速探测与识别。

Description

基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统与方法

技术领域

本发明涉及一种铁路基础设施检测领域的设备，具体是一种基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统与方法。

背景技术

铁路作为一项关系国计民生的重大项目，其安全维护至关重要。随着铁路里程的增加，列车速度的提高，对铁路基础设施状态监控的需求急速上升。扣件是铁路基础设施中非常关键的设施之一，扣件缺失将对行车安全具有决定性的影响。传统的人工检查和养护已经不能满足要求，所以各种轨道检测设备应运而生。目前铁路扣件的检测方法主要分为以下三种：

第一种是人工检测：由铁路养护人员定期进行轨道人工巡检，发现扣减的缺失和松动后，进行及时的补偿和安装。其优点是发现扣件缺失后，可立即进行维护。其缺点是养护费用高，强度高，安全性差，需要回避列车运行时间。该方法主要在低速列车轨道检测中较为常用。

第二种是基于线阵激光的连续扫描装置：例如德国Sick公司等，利用相关的硬件和软件进行连续的扫描，然后进行图像拼接和分析，通过连续分段的分析获取轨基、轨枕和扣件信息，进行相关的位置判断和结构信息处理，获取扣件的状态信息。其优点是系统组成简单，易于维护。其缺点是检测速度较低，通用性不高。

第三种是基于面阵图像传感器的计算机视觉检测装置：如美国ENSCO公司的VIS系统、德国Atlas Electronic公司开发的光电式轨道检测系统及北京福斯达公司高速车载式轨道图像识别系统等。这种方法都是采取用高速摄像机采集扣件完整图片，然后进行图像处理，判断扣件是否存在。其优点是准确率高、智能化程度高。其缺点是检测速度较低，报道的最高速度为150km/h，无法满足高速铁路的需求，有时需要过多的人工干预。

发明内容

本发明为了解决现有扣件缺失探测技术的问题，提出一种基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统与方法，有效解决了探测准确性和列车运行高速度的矛盾，实现铁路扣件的高速探测与识别。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统，该探测系统由控制中心、激光定位系统和视觉识别系统三个部分组成，三个组成部分同处于安装在列车车厢下方的探测器内，正对扣件所在区域的正上方。激光定位系统和视觉识别系统沿着列车运行的方向前后错开布置，激光定位系统在前，视觉识别系统在后，二者距离恒定。在列车运行过程中，当探测器到达扣件所在区域上方时，由激光定位系统对扣件的位置进行自动探测和定位，并发出同步信号，触发视觉识别系统工作，从而保证扣件探测的高速度和高准确率。当视觉识别系统接收到来自激光定位系统的同步信号之后，实时采集扣件区域的图像，并实时将图像数据送入图像处理电路，进行图像处理和识别，并对于缺失扣件的图像进行存储。

第一部分为控制中心：

控制中心负责对激光定位系统和视觉识别系统进行统一的控制，并将探测结果传输到列车上，并记录扣件缺失的图片与里程信息。

控制中心由通行的工业控制计算机组成，包括与车上联络的通讯接口。

第二部分为激光定位系统：

扣件作为固定钢轨的装置，本身应该固定在相应的基座上。扣件固定基座在常规的有砟轨道中为轨枕，在高速铁路上则多为固定在水泥基座上的金属基板。由于扣件的高度相对于路基要有相当程度的凸起，因此利用扣件及其基板的凸起产生的垂直于轨面的位移，可以进行扣件安装位置的准确判断和定位。

本发明的激光定位系统与常规的激光三角测距传感器类似，由半导体激光器、发射镜组、接受镜组、光电阵列和光电处理电路组成。与常规的激光三角测距所不同的是，本发明的激光定位系统采用若干个高速半导体光电管形成的一维光电阵列代替常规激光三角测距传感器中的线阵CCD或PSD完成三角测距测量。

本发明的激光定位系统的工作过程如下：由激光器发出的光束经过发射镜组后形成准直激光束，垂直向下投射到扣件所在区域上并形成一个光斑。该光斑经过接收镜组后成像在半导体光电管阵列上，将使得半导体光电管阵列中的某个或某几个光电管导通并产生相应的电信号输出。光电管阵列输出的电信号送入光电处理电路，通过逻辑分析处理后，形成最终的同步信号输出。

当列车运行到达某一个扣件位置时，扣件及其基板的凸起将使得光斑产生垂直于轨面的位移，并导致光斑的成像位置发生变化，从而使得光电管阵列中导通的光电管发生变化，并发出不同的电信号。这些电信号经过光电处理电路的逻辑分析处理后，形成最终的同步信号输出，触发视觉识别系统工作。由于本发明的激光定位系统采用了半导体激光器和高速光电管阵列作为探测手段，因而可以获得极高的探测速度，完全可以满足高速铁路的速度要求。

第三部分为视觉识别系统：

利用计算机视觉的方法识别和判断扣件是否缺失，具有最佳的智能化程度和准确性，工作可靠、稳定、易于维护。

本发明的视觉识别系统与常规的计算机视觉检测系统类似，主要包括摄像机、镜头、光源、图像处理电路等组成。只是针对高速轨道检测的需求和特点，光源采用高亮LED面光源，镜头采用高分辨率广角镜头，摄像机采用高速工业摄像机，配合高增益和短曝光时间，完成高速运动物体的清晰采样，进而完成图像信息的处理，实现扣件状态的判断。

与常规的计算机视觉检测系统不同的是，本发明并不是将整个运行场景进行全部的分析，而是针对铁路扣件所在位置选择小视场进行图像采样和处理，在保证高精度的前提下，摒弃没有价值的两组扣件之间的大量无用信息，避免了搜索扣件位置的工作，减小处理信息量，提高处理速度，实现扣件的高速识别与探测。此外，为了克服扣件阴影对探测的影响，本发明采用两个LED面光源，分别布置在高速设计的两侧，沿钢轨方向(即列车行进方向)排开。

为了保障激光定位系统同步信号的可靠性和有效性，激光定位系统与视觉识别系统的距离应该保证激光定位系统中半导体激光器产生的光斑处于视觉识别系统中摄像机的视场范围内。

本发明提供一种基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测方法，包括以下步骤：

第一步，在控制中心的控制下，激光定位系统打开半导体激光器，视觉识别系统打开照明光源；

第二步，激光定位系统连续采集扣件所在区域的高度信息，当到达扣件位置后，由于扣件高度的变化而使得光电阵列产生相应的电信号，经过光电处理电路后产生同步信号，并直接送达视觉识别系统；

第三步，视觉识别系统在接收到来自激光定位系统的同步信号后，直接触发高速工业摄像机动作，快速捕获扣件所在区域的图像，并实时传输到图像处理电路。

第四步，视觉识别系统的图像处理电路对摄像机传来的图像进行处理、识别和判断，当发现扣件缺失时立即向控制中心发出报警信号；

第五步，控制中心接收到来自视觉识别系统的扣件缺失报警信号之后，立即通过通讯接口将报警信号发送到车上，同时将扣件缺失的图片及历程信息自动记录下来，以备人工查询。

本发明中，激光定位系统采用高速半导体光电管形成的一维阵列代替常规激光三角测距传感器中的线阵CCD完成三角测距测量，视觉识别系统针对铁路扣件所在位置选择小视场进行图像采样和处理，并采用多个LED面光源进行照明。本发明利用光电器件的高速响应和高敏感特性完成对扣件位置的定位和同步，利用视觉识别系统对扣件区域进行连续、高速的实时图像采集，通过图像处理和模式识别得出扣件存在与否的结论，有效解决了探测准确性和列车运行高速度的矛盾，实现铁路扣件的高速探测与识别，检测速度较高，能满足高速铁路的需求，无需要过多的人工干预。

附图说明

图1是本发明实施例的探测系统组成原理示意图。

图2是本发明实施例的激光定位系统的组成原理示意图。

图3是本发明实施例的视觉识别系统的组成原理示意图。

图4是本发明实施例的实时采集到的扣件区域图像。

图中，1为激光定位系统，2为控制中心，3为探测器，4视觉识别系统，5为车体，6为扣件，7为钢轨，8为半导体激光器，9为发射镜组，10为接收镜组，11为光电阵列，12为光电处理电路，13为摄像机，14为镜头，15为照明光源，16为图像处理电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种铁路扣件高速探测系统，组成原理如图1所示，探测系统主要分为三个部分：激光定位系统1、控制中心2和视觉识别系统4，三个组成部分按照在探测器3内部，探测器3安置与车体下方，正对扣件6所在区域的正上方。激光定位系统1和视觉识别系统4沿着列车运行的方向前后错开布置，激光定位系统1在前，视觉识别系统4在后，二者距离恒定。在列车运行过程中，当探测器3到达扣件6所在区域的上方时，由激光定位系统1对扣件6的位置进行自动探测和定位，并发出同步信号，触发视觉识别系统4工作，从而保证扣件探测的高速度和高准确率。

本实施例中，激光定位系统1的组成原理如图2所示。激光定位系统1属于激光三角测距传感器，它主要由半导体激光器8、发射镜组9、接收镜组10、光电阵列11和光电处理电路12等部分组成。

本实施例中激光定位系统1采用若干个高速半导体光电管形成的一维光电阵列11代替常规激光三角测距传感器中的线阵CCD或PSD完成三角测距。激光定位系统1的工作过程如下：由激光器8发出的光束经过发射镜组9后形成准直激光束，垂直向下投射到扣件6所在区域上并形成一个光斑。该光斑经过接收镜组10后成像在半导体光电管阵列11上，将使得半导体光电管阵列11中的某个或某几个光电管导通并产生相应的电信号输出。光电管阵列11输出的电信号送入光电处理电路12，通过逻辑分析处理后，形成最终的同步信号输出。

光电管的数量取决于探测的量程大小和分辨力的高低，本实施例的高度探测范围为350～450mm，变化范围为100mm，分辨力为20mm，因此光电阵列中的半导体光电管数量为5。光电管的响应频率应达100KHz以上，对于400km/h的高速列车运行速度，每次采用时间间隔对应与列车行进距离为1.1mm，远远小于扣件弹条约10mm的直径尺寸，完全可以满足扣件识别的水平分辨率要求。

本实施例中，视觉识别系统4的结构布局如图3所示。视觉识别系统4与常规的计算机视觉检测系统类似，主要包括高速摄像机13、镜头14、照明光源15和图像处理电路16等部分组成。

为了满足高速铁路的运行速度要求，本实施例中视觉识别系统4所使用的高速工业摄像机13对快门时间和采样帧频有一定要求。例如按照最高400km/h速度，扣件6的间隔距离为600mm计算，摄像机13的快门时间应不超过40us，采样帧频不低于400fps。

与常规的计算机视觉检测系统不同的是，本实施例中视觉识别系统4并不是将整个运行场景进行全部的分析，而是以扣件6所在位置为中心，选择较小的视场范围进行图像采样和处理。这样，在保证高精度的前提下，摒弃没有价值的两组扣件之间的大量无用信息，避免了搜索扣件位置的工作，减小处理信息量，提高处理速度，实现扣件的高速识别与探测。例如，假设弹性扣件6的尺寸约为150mm×200mm，视场范围可选为320mm×240mm。如果选用640×480pixel的摄像机，则平面分辨力约为0.5mm，完全可以满足扣件识别的要求。

为了降低功耗，提高系统长期工作稳定性，本实施例中，采用高亮度LED面光源作为视觉识别系统4的照明光源15。同时，为了克服扣件阴影对探测的影响，本实施例中可采用多个LED面光源，分别布置在高速摄像机13的周围。本实施例中采用两个LED面光源15，分别布置在摄像机13的前后两侧。

为了保障激光定位系统1产生的同步信号的可靠性和有效性，激光定位系统1与视觉识别系统4的距离应该保证半导体激光器8产生的光斑处于高速摄像机13的视场范围内。

实施例2

本实施例提供一种铁路扣件缺失高速探测方法，实施过程如下：

在控制中心2的控制下，激光定位系统1打开半导体激光器8，视觉识别系统4打开照明光源15；

a)激光定位系统1连续采集扣件6所在区域的高度信息，当到达扣件6位置后，由于扣件6高度的变化而使得光电阵列11产生相应的电信号，经过光电处理电路12后产生同步信号，并直接送达视觉识别系统4；

b)视觉识别系统4在接收到来自激光定位系统1的同步信号后，直接触发高速工业摄像机13动作，快速捕获扣件6所在区域的图像(如图4所示)，并实时传输到图像处理电路16。

c)视觉识别系统4的图像处理电路16对摄像机13传来的图像进行处理、识别和判断，当发现扣件6缺失时立即向控制中心2发出报警信号；

d)控制中心2接收到来自视觉识别系统4的扣件缺失报警信号之后，立即通过通讯接口将报警信号发送到车上，同时将扣件缺失的图片及里程信息自动记录下来，以备人工查询。

本发明的铁路扣件高速探测系统同样可以适用于其他高速运动目标的快速识别与探测。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统，其特征在于：由激光定位系统、视觉识别系统和控制中心组成，这三个部分同处于列车车体下方的探测器内，正对扣件所在区域的正上方；激光定位系统和视觉识别系统沿着列车运行的方向前后错开布置，激光定位系统在前，视觉识别系统在后，二者距离恒定；由激光定位系统对扣件的位置进行探测和定位，并发出同步信号，触发视觉识别系统工作，当视觉识别系统接收到来自激光定位系统的同步信号之后，实时采集扣件区域的图像，并实时将图像数据送入图像处理电路，进行图像处理和识别，并对于缺失扣件的图像进行存储。

2.根据权利要求1所述的基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统，其特征在于：所述激光定位系统采用高速半导体光电管形成的一维阵列完成的三角测距测量，当列车运行到达某一个扣件位置时，扣件及其基板的凸起将使得光斑产生垂直于轨面的位移，并导致光斑的成像位置发生变化，从而使得光电管阵列中的某个或某几个光电管导通，并发出不同的电信号，这些电信号经过光电处理电路的逻辑分析处理后，形成最终的同步信号输出，触发后面的视觉识别系统工作。

3.根据权利要求1所述的基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统，其特征是：所述视觉识别系统利用计算机视觉的方法识别和判断扣件是否缺失，以扣件所在位置为中心，选择小的视场范围进行图像采样和处理。

4.根据权利要求1或2所述的基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统，其特征是：所述视觉识别系统采用多个LED面光源，分别布置在高速设计的周围，沿钢轨方向排开。

5.根据权利要求1所述的基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统，其特征是：所述激光定位系统与视觉识别系统的距离保证激光定位系统中半导体激光器产生的光斑处于视觉识别系统中摄像机的视场范围之内。

6.一种基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，在控制中心的控制下，激光定位系统打开半导体激光器，视觉识别系统打开照明光源；

第二步，激光定位系统连续采集扣件所在区域的高度信息，当到达扣件位置后，扣件高度的变化而使得光电阵列产生相应的电信号，经过光电处理电路后产生同步信号，并直接送达视觉识别系统；

第三步，视觉识别系统在接收到来自激光定位系统的同步信号后，直接触发高速工业摄像机动作，快速捕获扣件所在区域的图像，并实时传输到图像处理电路；

第四步，视觉识别系统的图像处理电路对摄像机传来的图像进行处理、识别和判断，当发现扣件缺失时立即向控制中心发出报警信号；

第五步，控制中心接收到来自视觉识别系统的扣件缺失报警信号之后，立即通过通讯接口将报警信号发送到车上，同时将扣件缺失的图片及历程信息自动记录下来，以备人工查询。

7.根据权利要求6所述的基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测方法，其特征在于：所述激光定位系统采用高速半导体光电管形成的一维阵列完成的三角测距测量，当列车运行到达某一个扣件位置时，扣件及其基板的凸起将使得光斑产生垂直于轨面的位移，并导致光斑的成像位置发生变化，从而使得光电管阵列中的某个或某几个光电管导通，并发出不同的电信号，这些电信号经过光电处理电路的逻辑分析处理后，形成最终的同步信号输出，触发后面的视觉识别系统工作。

8.根据权利要求6所述的基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测方法，其特征是：所述视觉识别系统利用计算机视觉的方法识别和判断扣件是否缺失，以扣件所在位置为中心，选择小的视场范围进行图像采样和处理。

9.根据权利要求6或8所述的基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统，其特征是：所述视觉识别系统采用多个LED面光源，分别布置在高速设计的周围，沿钢轨方向排开。

10.根据权利要求1所述的基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统，其特征是：所述激光定位系统与视觉识别系统的距离保证激光定位系统中半导体激光器产生的光斑处于视觉识别系统中摄像机的视场范围之内。

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