CN103010258A - 一种高铁和地铁扣件裂缝检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁路基础设施检测领域的设备,具体是一种高铁和地铁扣件裂缝检测系统和方法。本发明的目的是提供一种高铁和地铁扣件裂缝检测系统和方法，解决现有的扣件技术只能检测缺失和松动，而无法检测扣件是否有裂缝的缺陷，可用于高铁和地铁扣件缺失，部分破坏缺失和裂缝的快速在线检测，具有识别速度快，细节信息体现高，精确拍照等优点。利用现有高铁和地铁扣件沿铁轨左右对称安装的特点，本系统采用左右分别触发和采集图像，即当左边的光电触发器被铁轨左边的扣件触发时，右边的图像采集系统会对右边的扣件进行采集。

Description

一种高铁和地铁扣件裂缝检测系统和方法

技术领域

本发明涉及一种铁路基础设施检测领域的设备,具体是一种高铁和地铁扣件裂缝检测系统和方法。

背景技术

铁路是关系国计民生重大项目，随着铁路里程的增加，列车速度的不断提高，对于铁路的安全维护显得尤为重要，对于铁路基础设施状态的监控也是需求急剧上升。扣件是铁路基础设施中非常关键的设施之一，随着时间的流逝，及天气等其他各种外界因素的影响，扣件会出现裂纹，而扣件质量的下降直接会影响铁路的安全性能。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有以下三种：

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，对于高速铁路无法采用人工方法。

     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。其缺点是无法满足高速铁路的需求，有时需要过多的人工干预。

目前所有防护方法基本都不能完成高铁和地铁铁轨扣件裂缝的检测，即使人工排查的方法也无法大量的检测扣件是否有裂缝，由于裂纹本身较小，容易使人眼疲劳，所以对于铁路较长的里程数来说，人工巡检根本无法完成任务。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种高铁和地铁扣件裂缝检测系统和方法，解决现有的扣件技术只能检测缺失和松动，而无法检测扣件是否有裂缝的缺陷，可用于高铁和地铁扣件缺失，部分破坏缺失和裂缝的快速在线检测，具有识别速度快，细节信息体现高，精确拍照等优点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：本系统主要包括以下结构: 触发系统，图像采集系统，图像处理系统和电路系统。

其中触发系统包括：两个光电触发器；

图像采集系统包括：摄像机和LED光源；

图像处理系统包括：图像采集卡和工控机；

电路系统包括：连接各部分的电线、蓄电池以及信号处理装置。

利用现有高铁和地铁扣件沿铁轨左右对称安装的特点，本系统采用左右分别触发和采集图像，即当左边的光电触发器被铁轨左边的扣件触发时，右边的图像采集系统会对右边的扣件进行采集。

因此本系统分为前后两部分，前面部分左边安装触发系统，右边安装采集系统，后面部分左边安装采集系统，右边安装触发系统。

下面对本系统中的触发系统进行介绍，此系统中的触发系统应有两个光电触发器，利用高铁和地铁扣件形状特点，即扣件左右两边要比地面高，因此采用对高度灵敏的光电触发器，根据扣件的形状将两个触发器间距安装为16cm，只有当两个触发器同时被触发时，图像采集系统才开始采集图像，这样既保证了扣件不会被遗漏，同时部分拥有高度信息的杂物如石头等只能触发一个光电触发器，也不会影响图像的采集。

当两个触发器同时被触发时，脉冲信号进入电路控制系统，电路控制系统控制LED闪光，并用摄像机拍摄图像，摄像机拍摄的图像通过图像采集卡进入工控机，进行图像处理。

其图像处理过程如下：

1.定位

首先，对铁轨固件进行图像采集，进而构建图像匹配的模板，再将实际采集的图像与模板进行定位匹配。图像特征区域的选取是在标准模板图像和实际采集图像上选取相对应的特征区域以适应将来的图像定位匹配，由此确定扣件在图像中的位置。

2.几何校正

在区域内建立仅与该区域边界相关的扭曲函数,使区域内象素的扭曲局部化,同时又保证区域间扭曲函数的连续性,从而克服了基于特征线段、基于网格扭曲等方法的缺点。

3.平滑处理

    图像的高斯平滑是平滑线性滤波器的另一种应用，与图像的简单平滑不同的是，它在对邻域内像素灰度进行平均时，给予了不同位置像素不同的权值。模板上越是靠近邻域中心的位置，其权值就越高。如此安排权值的意义在于用此模板进行图像平滑时，在对图像细节进模糊的同时，可以更多地保留图像总体的灰度分布特征。相比图像的简单平滑，高斯平滑对高对比度图像的平滑效率较低，在离散型杂点的消除方面，高斯平滑的效果并不理想。然而如果需要在平滑过程中保留源图像的总体特征，高斯平滑就具有很大的优势。

4.斑点检测

图像分割技术是把图像分割成不同属性的若干部分或若干实体， 这是图像分析的首要步骤。 通常将图片分割至感兴趣的部分， 直到将他们从背景中隔离开来为止。 在图像被机器视觉实验系统获取之后， 为了能把目标实体从单一背景(本实验采用白色)背景中提取出来， 采用阈值分割方法， 分割采用的阈值通常依据图像的直方图分析结果来选定， 且其一般对于同一实验条件下的所有图像均保持恒定。

 

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

一、       可以快速获得高铁和地铁扣件的清晰图像，并对图像进行计算分析，获得有缺陷的扣件或者缺失扣件的位置；

二、       由于利用红外的LED作为照明光源，即可以在白天工作也可以在夜间工作；

三、       在控制LED照明时采用频闪的设计，有效的提高了照明光源的寿命，使得系统在使用时不用频繁的更换光源；

四、       目前所有铁轨扣件检测的系统中，没有系统可以实现扣件裂缝的检测，而本系统可以实现。

 

附图说明

图1为高铁和地铁扣件裂缝检测系统；

图2为高铁和地铁扣件触发装置结构图；

图3为高铁和地铁扣件裂缝检测系统拍摄扣件原图；

图4为定位模板图像；

图5为定位处理后的图像；

图6为几何校正区域示意图；

图7为几何校正区域校正后图像；

图8为平滑处理后的图像；

图9为斑点检测最终结果。

 

1—光电探测器 I  2—光电探测器II  3—摄像机 4—LED光源 5—蓄电池  6—工控机  7—电路控制板 8—扣件 9—铁轨

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括触发系统，图像采集系统，图像处理系统和电路系统。其中触发系统包括：两个光电触发器1,2；

图像采集系统包括：摄像机3和LED光源4；

图像处理系统包括：图像采集卡和工控机6；

电路系统包括：连接各部分的电线、蓄电池5以及信号处理装置7。

如图1所示，小车沿着铁轨方向分为前后两段，前面部分和后面部分的图像采集系统和触发系统以铁轨为轴对称，因此只说明小车前半段即可说明此处结构。光电触发器I和光电触发器II安装在高铁和地铁右侧正上方，即光电触发器I和光电触发器II到铁轨9的距离应该等于扣件8到铁轨9的距离。摄像机3和照明LED灯4安装在铁轨9左侧，摄像机3安装在铁轨9左侧扣件正上方，即摄像机3到铁轨9的距离和扣件到铁轨的距离相等。

当小车沿着铁轨运动时，如图2所示，当光电触发器I和光电触发器II同时被扣件8较高部分触发时，两个触发器会给电路控制系统一个高频信号，然后电路控制系统控制LED灯发光，同时控制摄像机3拍照,获得的图像通过图像采集卡存储到工控机上。

 

通过工控机处理过程和结果如下：

1.定位

首先，对铁轨固件进行图像采集，进而构建图像匹配的模板，再将实际采集的图像与模板进行定位匹配。图像特征区域的选取是在标准模板图像和实际采集图像上选取相对应的特征区域以适应将来的图像定位匹配，标准模版图像如图4所示，实际采集图像如图5所示，将图中方框所示的内容进行匹配，由此确定扣件在图像中的位置。

2.几何校正

在区域内建立仅与该区域边界相关的扭曲函数,使区域内象素的扭曲局部化,同时又保证区域间扭曲函数的连续性,从而克服了基于特征线段、基于网格扭曲等方法的缺点，将定位后的图像取出其中部分进行校正，如图6所示为几何校正区域示意图，几何校正以后得到如图7所示结果。

3.平滑处理

图像的高斯平滑是平滑线性滤波器的另一种应用，与图像的简单平滑不同的是，它在对邻域内像素灰度进行平均时，给予了不同位置像素不同的权值。模板上越是靠近邻域中心的位置，其权值就越高。如此安排权值的意义在于用此模板进行图像平滑时，在对图像细节进模糊的同时，可以更多地保留图像总体的灰度分布特征。相比图像的简单平滑，高斯平滑对高对比度图像的平滑效率较低，在离散型杂点的消除方面，高斯平滑的效果并不理想。然而如果需要在平滑过程中保留源图像的总体特征，高斯平滑就具有很大的优势。

将上一步得到的图像即图7用高斯平滑处理，得到的结果如图8所示。

4.斑点检测

图像分割技术是把图像分割成不同属性的若干部分或若干实体， 这是图像分析的首要步骤。 通常将图片分割至感兴趣的部分， 直到将他们从背景中隔离开来为止。 在图像被机器视觉实验系统获取之后， 为了能把目标实体从单一背景(本实验采用白色)背景中提取出来， 采用阈值分割方法， 分割采用的阈值通常依据图像的直方图分析结果来选定， 且其一般对于同一实验条件下的所有图像均保持恒定。

 

将图8进行斑点检测，得到如图9所示结果，说明扣件存在裂纹，检测过程完成。

Claims (6)

1.一种高铁和地铁扣件裂缝检测系统和方法，本系统主要包括以下结构: 触发系统，图像采集系统，图像处理系统和电路系统,其中触发系统包括：两个光电触发器；图像采集系统包括：摄像机和LED光源；图像处理系统包括：图像采集卡和工控机；电路系统包括：连接各部分的电线、蓄电池以及信号处理装置。

2.根据权利要求1所述的一种高铁和地铁扣件裂缝检测系统和方法，其特征在于所用光电触发器可以是红外光电触发器，也可以是激光光电触发器，探测距离要求在13cm以上。

3.根据权利要求1所述的一种高铁和地铁扣件裂缝检测系统和方法，其特征在于所用照明LED灯为红外波段，也可以为可见光波段。

4.根据权利要求1所述的一种高铁和地铁扣件裂缝检测系统和方法，其特征在于根据扣件的形状两个触发器水平安装间距为16cm。

5.根据权利要求1所述的一种高铁和地铁扣件裂缝检测系统和方法，其特征在于所述两个触发器同时被触发时，脉冲信号进入电路控制系统，电路控制系统控制LED闪光，并用摄像机拍摄图像，摄像机拍摄的图像通过图像采集卡进入工控机，进行图像处理,得到扣件缺陷的识别结果。

6.根据权利要求1所述的一种高铁和地铁扣件裂缝检测系统和方法，其特征在于获得图像通过定位，几何校正，平滑处理和斑点检测四步，可得到检测要求结果。

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