CN103217106B

CN103217106B - 一种用于监测路轨横向位移的方法和装置

Info

Publication number: CN103217106B
Application number: CN201310092588.3A
Authority: CN
Inventors: 王瑛; 冯飞雪; 王铁流
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: CN103217106A

Abstract

一种用于监测路轨横向位移的方法和装置，其中监测的方法是通过视频采集设备，采集并处理图像数据，经有线通信发送到通信转接设备；利用通信转接设备，接收图像数据并经无线通信中转发送到上位数据处理单元；通过上位数据处理单元，根据数据比较，求出路轨横向位移偏移量，所述上位数据处理单元对整个装置的运行实施控制。其中监测的装置包括：位于测量现场的视频采集设备，其摄像头采集图像数据，其微控制单元进行处理，经通信转接设备转送给上位数据处理单元，根据数据对比，求出路轨横向位移偏移量。本发明在路轨横向位移测量中，使用图像处理技术，并实现了对数据采集监测、处理路轨位移的远距离控制和数据访问。装置可靠、稳定且功耗低。

Description

一种用于监测路轨横向位移的方法和装置

技术领域

本发明涉及铁路路轨特征信息的测量技术，尤其涉及一种通过图像处理实现测量路轨横向位移量的方法和装置。

背景技术

我国的铁路运输线路被分为上行线路和下行线路，所有车辆必须行驶在单行线路上，随着时间的推移，这种行驶会影响路轨的状况，另外，长期受到环境温度变化而导致钢轨产生胀缩，在车辆和环境的作用下，铁路路轨定会产生横向位移，这势必将给铁路的运行和人身财产安全带来危险。因此，对路轨横向位移量的测量成为日常维护路轨必不可少的重要环节。

目前，市场上多采用光学技术，例如，通过激光器发射光束来测量路轨的横向位移，现在常用的是光栅线位移测量方法，但是这种光栅线位移测量设备的组成较为复杂，它要求各个紧固部分均应牢固可靠，各个运动部分均应灵活平稳、无阻滞和无松动，一旦系统装置中的某一个分部出现松动或者阻滞都将使测量结果不可靠，而且光栅线位移测量的装置耗电量比较大。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可靠、稳定度高且功耗低的用于监测路轨横向位移的方法和装置，采用图像处理技术实现对路轨横向位移量的测量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于监测路轨横向位移的方法，在被测铁路钢轨腰部设有至少一个轨道标识，使用的功能装置包括视频采集设备、通信转接设备和上位数据处理单元，监测路轨横向位移的方法，包括以下步骤：

1）通过至少一个视频采集设备，采集并处理含有与其相应轨道标识的图像数据，将处理后的图像数据经有线通信发送到通信转接设备；

2）利用通信转接设备接收、并经无线通信进行图像数据的中转发送，发送到上位数据处理单元；

3）通过上位数据处理单元，接收图像数据，实现对图像数据的进一步处理，根据数据比较，求出路轨横向位移偏移量，所述上位数据处理单元对整个装置的运行实施控制。

上述步骤1）中的视频采集是通过摄像头进行现场采集，将采集到的图像数据在微控制单元内进行图像预处理，再将采集到的图像数据在微控制单元内对预处理过的图像进行质心运算，以求取图像质心位置数据。

一种实施上述方法的用于监测路轨横向位移的装置，在被测铁路钢轨腰部设有至少一个轨道标识，按照选泽的间距沿路轨线铺设，所述装置包括：

至少一个视频采集设备，位于与其相应轨道标识的测量现场，每个视频采集设备设有自己特有的ID,所述视频采集设备通过其485串口与所述通信转接设备有线连接，将采集并进行处理的含有轨道标识的图像数据，经有线传输到通信转接设备；

通信转接设备，所述通信转接设备通过外接的GPRS（通用分组无线服务）设备与所述上位数据处理单元进行无线通信，将接收的图像数据中转发送，实现远距离通信；

上位数据处理单元，所述上位数据处理单元通过串口COM1（串行通讯端口1）外接一个GPRS设备，用于数据的无线传输，由上位数据处理单元中的各个操作模块完成对接收的图像数据进一步处理，并进行存储和显示，根据数据对比，求出路轨横向位移偏移量，所述上位数据处理单元对整个装置的运行实施控制。

所述视频采集设备包括摄像头，用于图像的采集，在测量现场，视频采集设备固定在铁架支座上，并使其摄像头对准与其相应的轨道标识。

与现有技术相比，本发明技术方案的技术效果是：本发明在路轨横向位移测量中，使用视频采集技术和装置，其中用到了图像处理技术，例如预处理流程和质心算法，有效地解决了采集图像边缘不齐和随机噪声的影响。另外，通过通信转接设备，实现了对数据采集监测、处理路轨位移的远距离控制和数据访问，在上位数据处理单元中可完成数据的实时读取，处理和保存，从而克服了本地监测的局限性，明显地提高了监测路轨横向位移的效率和质量。本发明的测量装置，只需保证装置的摄像头部分无松动即可，其稳定度高，能在恶劣的环境中工作，而且本系统低功耗，无大功率用电元件。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，该实施例仅用于解释本发明。并不对本发明的保护范围构成限制。

图1为本发明装置的现场路轨横向位移监测示意图；

图2为本发明测量路轨横向位移偏移量的控制流程图。

具体实施方式

本发明用于监测路轨横向位移的方法是，采用图像处理技术，通过现场采集处理，经串口转换设备，实现路轨位移图像数据的远程控制和数据访问，求出可靠的路轨横向位移偏移量。

为了实施本发明监测路轨横向位移的方法，使用的装置包括视频采集设备、通信转接设备和上位数据处理单元。参见图1，在被测铁路钢轨4腰部设有至少一个轨道标识5，按照选泽的间距沿路轨线铺设。轨道标识5铺设间距根据本地路轨情况而定，若多发问题的路轨段就铺设的间距稍小些，若很少出现问题的路轨段铺设的间距可稍大些。

视频采集设备包括摄像头1、LCD（液晶显示器）显示屏、SARM（静态随机存储器）、JTAG（联合测试行为组织）接口、微控制单元和485串口，其中，摄像头1用于图像的采集，LCD显示屏用于在安装调试阶段观测轨道标识5是否位于图像中间，SARM用于存储摄像头1采集到的图像数据，JTAG接口用于给微控制单元烧写图像处理程序，485串口用于数据的接收与发送，微控制单元用于图像预处理和质心运算。至少一个视频采集设备位于与其相应轨道标识的测量现场，固定在铁架支座2上，与每个轨道标识5一一对应，其摄像头1对着与其相应的轨道标识5。

通信转接设备是485串口转232串口的转换器。其中485串口与视频采集设备的485串口相连接，而232串口外接GPRS设备，实现视频采集设备与上位数据处理单元之间以无线通信方式传输数据。

上位数据处理单元是装有上位数据处理软件的PC机，通过串口COM1（串行通讯端口1）外接一个GPRS设备，用于数据的无线传输。由上位数据处理单元中的各个操作模块完成对接收的图像数据进一步处理，并进行存储和显示，根据数据对比，求出路轨横向位移偏移量，所述上位数据处理单元对整个装置的运行实施控制。上位数据处理单元主要实现的功能包括：选择通信串口和通信速率；检测与视频采集设备的通信情况和当前设备的ID号；确定图像模板、采集图像、保存图像、打开图像、显示图像和停止采集；根据模板质心数据来求取横向水平位移量并将质心数据和横向偏移量保存；检测视频采集设备的工作状态和与上位数据处理机通信是否正常；采集视频采集设备的ID；将实时采集的图像数据通过质心算法后，求出的质心数据；采集质心数据，清除质心数据显示区的内容，删除某行质心数据和停止采集。也可以手动的设置采集次数和采集间隔，进行自动采集功能。

本发明用于监测路轨横向位移的方法，首先，通过至少一个视频采集设备，通过摄像头1现场采集含有与其相应轨道标识5的图像数据，将采集到的图像数据在微控制单元内进行采集图像预处理，图像预处理的主要步骤包括：

1）灰度拉伸，拉伸图像某段灰度区间，以改善输出图像，突出图像中的轨道标识5；

2）二值化，对图像在轨道标识5灰度阈值上，进行二值化，使轨道标识5用白色像素点显示；

3）分割，将二值化的图像自上而下等分成4份，并根据每份白色像素的个数和密度选取出最好的、干扰最少的一份图像；

4）截取，将分割出来的那份最好的、干扰最少的图像进行截取，作为质心运算的图像；

5）去干扰点，将截取后的图像根据白色像素点密度和图像特征进行除噪，将其它干扰点变成黑色点。

预处理完成后，在微控制单元内对预处理过的图像进行质心运算，以求取图像质心位置数据，质心位置由下列公式（1）计算得出：

式中，x为X轴坐标，y为Y轴坐标，m为此坐标的图像值。

视频采集设备将经预处理后的图像数据和运算出的质心位置数据，通过其485串口以有线传输方式发送给通信转接设备。

然后，利用通信转接设备接收、通过其外接的GPRS（通用分组无线服务）设备，经无线通信，将接收到的预处理后的图像数据和运算出的质心位置数据发送到上位数据处理单元。

最后，通过上位数据处理单元，接收图像数据，实现对图像数据的进一步处理，根据数据比较，求出路轨横向位移偏移量，上位数据处理单元对整个装置的运行实施控制。参见图2，本发明测量路轨横向位移偏移量的控制步骤如下：

1）初始化，监测路轨横向位移的装置进行内部参数初始化工作，包括：视频采集设备的检测；通信转接设备的地址采集；检测视频采集设备和上位数据处理单元之间的通信是否正常；以及内部芯片的初始化。

2）采集轨道标识图像，使本发明装置的每个视频采集设备的摄像头1对准与其相应的路轨上的轨道标识5，通过显示屏观测以使轨道标识5正好处于采集到的图像中间。

3）图像预处理，视频采集设备将采集到的图像在微处理器内部进行预处理，除去无用信息。

4）数据处理与质心运算，视频采集设备在微处理器内再将处理过的图像执行质心算法，求出当前图像的质心位置数据并储存在内部存储器中。

5）发送质心位置图像数据，视频采集设备将所得到质心位置数据和图像数据，通过485串口以有线传输方式发送给本发明装置的通信转接设备。

6）GPRS设备传输，通过通信转接设备的232串口，GPRS设备以无线传输方式，将接收到的质心位置数据和图像数据传输给本发明装置的上位数据处理单元，实现远距离的数据传输。

7）上位数据处理单元接收，上位数据处理单元接收质心位置数据和图像数据。

8）显示、保存，上位数据处理单元将接收到的采集图像的质心位置数据进行显示并保存。

9）比较数据，上位数据处理单元将此次采集的质心位置图像数据和最近20次的质心位置图像数据作比较，判断此次采集到的质心位置图像数据是否正常，若质心差的绝对值大于20个像素点，则认为此次采集的质心位置图像数据不可靠，不对此次质心数据进行运算，回到步骤2）至9）再重新进行程序，如果正常，继续进行下一步骤。

10）显示、保存，上位数据处理单元将认为正常的质心位置图像数据进行显示并保存。

11）显示、保存偏移量，将此次采集的可靠质心位置图像数据与模板质心位置图像数据作矢量差运算，将矢量差值作为路轨横向位移偏移量。进行显示并保存，完成此次监测。

除上述示例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于监测路轨横向位移的方法，在被测铁路钢轨腰部设有至少一个轨道标识，其特征在于，使用的功能装置包括视频采集设备、通信转接设备和上位数据处理单元，监测路轨横向位移的方法，包括以下步骤：

1)通过至少一个视频采集设备，采集并处理含有与其相应轨道标识的图像数据，将处理后的图像数据经有线通信发送到通信转接设备；

2)利用通信转接设备接收、并经无线通信进行图像数据的中转发送，发送到上位数据处理单元；

3)通过上位数据处理单元，接收图像数据，实现对图像数据的进一步处理，根据数据比较，求出路轨横向位移偏移量，所述上位数据处理单元对整个装置的运行实施控制；

所述视频采集是通过摄像头进行现场采集，将采集到的图像数据在微控制单元内进行图像预处理；再在微控制单元内对预处理过的图像进行质心运算，以求取图像质心位置数据。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述图像预处理，主要步骤包括：

1)灰度拉伸，拉伸图像某段灰度区间，以改善输出图像，突出图像中的轨道标识；

2)二值化，对图像在轨道标识灰度阈值上，进行二值化，使轨道标识用白色像素点显示；

3)分割，将二值化的图像自上而下等分成N份，并根据每份白色像素的个数和密度选取出最好的、干扰最少的一份图像，其中N≥2；

4)截取，将分割出来的那份最好的、干扰最少的图像进行截取，作为质心运算的图像；

5)去干扰点，将截取后的图像根据白色像素点密度和图像特征进行除噪，将其它干扰点变成黑色点。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述质心位置，由下列公式(1)计算得出：

式中，x为X轴坐标，y为Y轴坐标，m为此坐标的图像值。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，在步骤2)中，所述图像数据的中转发送是将经预处理后的图像数据和运算出的质心位置数据传送给上位数据处理单元。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，测量路轨横向位移偏移量的控制步骤如下：

1)初始化，监测路轨横向位移的装置进行内部参数初始化工作；

2)采集轨道标识图像，使装置的每个视频采集设备对准与其相应的路轨上的轨道标识，通过显示屏观测以使轨道标识正好处于采集到的图像中间；

3)图像预处理，视频采集设备将采集到的图像在微控制单元内部进行预处理，除去无用信息；

4)数据处理与质心运算，视频采集设备在微控制单元内再将处理过的图像执行质心算法，求出当前图像的质心位置数据并储存在内部存储器中；

5)发送质心位置图像数据，视频采集设备将所得到质心位置数据和图像数据，通过485串口以有线传输方式发送给装置的通信转接设备；

6)GPRS(通用分组无线服务)设备传输，通过通信转接设备的232串口，GPRS设备以无线传输方式，将接收到的质心位置数据和图像数据传输给装置的上位数据处理单元，实现远距离的数据传输；

7)上位数据处理单元接收，上位数据处理单元接收质心位置数据和图像数据；

8)显示、保存，上位数据处理单元将接收到的采集图像的质心位置数据进行显示并保存；

9)比较数据，上位数据处理单元将接收到的质心位置图像数据和历史质心位置图像数据进行比较，判断此次采集到的质心位置图像数据是否正常，如果不正常，则重复进行步骤2)至9)，如果正常，继续进行下一步骤；

10)显示、保存，上位数据处理单元将认为正常的质心位置图像数据进行显示并保存；

11)显示、保存偏移量，将认为正常的质心位置图像数据和模板质心位置图像数据相比较，求出路轨横向位移偏移量，进行显示并保存。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述步骤1)中的初始化，包括：视频采集设备的检测，通信转接设备的地址采集，检测视频采集设备和上位数据处理单元之间的通信是否正常，以及内部芯片的初始化。

7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述步骤9)中的接收到的质心位置图像数据和历史质心位置图像数据进行比较，是将此次采集的质心位置图像数据和最近20次的质心位置图像数据作比较，若质心差的绝对值大于20个像素点，则认为此次采集的质心位置图像数据不可靠，不对此次质心数据进行运算，回到步骤2)重复以上步骤。

8.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述步骤11)中的将认为正常的质心位置图像数据和模板质心位置图像数据相比较，是将此次采集的可靠质心位置图像数据与模板质心位置图像数据作矢量差运算，将矢量差值作为路轨横向位移偏移量。

9.一种实施权利要求1所述方法的用于监测路轨横向位移的装置，在被测铁路钢轨腰部设有至少一个轨道标识，按照选择的间距沿路轨线铺设，其特征在于，所述装置包括：

通信转接设备，所述通信转接设备通过外接的GPRS(通用分组无线服务)设备与所述上位数据处理单元进行无线通信，将接收的图像数据中转发送，实现远距离通信；

上位数据处理单元，所述上位数据处理单元通过串口COM1(串行通讯端口1)外接一个GPRS设备，用于数据的无线传输，由上位数据处理单元中的各个操作模块完成对接收的图像数据进一步处理，并进行存储和显示，根据数据对比，求出路轨横向位移偏移量，所述上位数据处理单元对整个装置的运行实施控制。

10.根据权利要求9所述装置，其特征在于，所述视频采集设备包括摄像头、LCD(液晶显示器)显示屏、SRAM(静态随机存储器)、JTAG(联合测试行为组织)接口、微控制单元和485串口，其中，摄像头用于图像的采集，LCD显示屏用于在安装调试阶段观测轨道标识是否位于图像中间，SRAM用于存储摄像头采集到的图像数据，JTAG接口用于给微控制单元烧写图像处理程序，485串口用于数据的接收与发送，微控制单元用于图像预处理和质心运算。

11.根据权利要求10所述装置，其特征在于，所述通信转接设备是485串口转232串口的转换器，其中485串口与视频采集设备的485串口相连接，而232串口外接GPRS设备，实现视频采集设备与上位数据处理单元之间的数据传输。

12.根据权利要求11所述装置，其特征在于，在测量现场，所述视频采集设备固定在铁架支座上，并使其摄像头对准与其相应的轨道标识。