CN103303337A - 基于图像序列的铁路扣件自适应定位方法及高速探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于图像序列的铁路扣件自适应定位方法及高速探测系统，所述系统由探测器、电缆和控制器三个部分组成；所述探测器一共有4个，均安装在列车车厢的下方，分别正对两根钢轨两侧的扣件所在区域的正上方；所述控制器安装于车厢内，通过电缆与4个探测器相连接；在列车运行过程中，探测器连续工作并实时获取扣件所在区域的图像，通过电缆传送到控制器，控制器通过图像处理和模式识别，根据采集到的图像序列中扣件出现的频数多少和扣件在视场中的位置，自动调整摄像机的采样频率，从而实现扣件的自适应定位和探测。

Description

基于图像序列的铁路扣件自适应定位方法及高速探测系统

技术领域

本发明涉及一种铁路基础设施检测领域的设备，具体是一种基于图像序列的铁路扣件自适应定位方法及其高速探测系统。

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，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、准确率有限。

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，因而成为世界范围内的研究热点。

但是，现有的视觉探测方法的研究都是基于对扣件本身的图像特征进行识别和判断其有无，其成功探测的前提是摄像机能够准确捕获扣件所在区域的图像。因此，如何实现扣件位置的定位，成为实现扣件缺失与否探测与识别的前提与关键。而目前现有的基于计算机视觉的扣件探测系统均无此功能，仅仅是在扣件定位之后进行特征提取与识别。因此，如何实现列车运行过程中扣件位置的自动定位，是一个世界范围的难题。

发明内容

为了解决现有的铁路扣件自动定位的问题，本发明提供一种基于图像序列的铁路扣件自适应定位方法及高速探测系统。

根据本发明的一方面，提供一种基于图像序列的铁路扣件高速探测系统，所述系统由探测器、电缆和控制器三个部分组成。探测器一共有4个，均安装在列车车厢的下方，分别正对两根钢轨两侧的扣件所在区域的正上方。控制器安装于车厢内，通过电缆与4个探测器相连接。在列车运行过程中，探测器连续工作并实时获取扣件所在区域的图像，通过电缆传送到控制器，控制器通过图像处理和模式识别，根据采集到的图像序列中扣件出现的频数多少和扣件在视场中的位置，自动调整摄像机的采样频率，从而实现扣件的自适应定位和探测。

优选地，所述探测器由摄像机、镜头、光源和外壳组成，其中：所述摄像机快速获取扣件所在区域的图像，供控制器进行分析和处理，所述摄像机采用外触发方式进行采样图像，触发信号来自控制器产生的采样控制信号，从而实现采样频率的自适应控制；所有4台摄像机采用同一外触发信号进行同步采样，从而保证采样位置的一致性；所述镜头应保证摄像机的视场大小应保证在横向（垂直于钢轨方向）上能够包含完整的扣件所在区域，且在纵向（平行于钢轨方向）上不超过两个轨枕间距的一半。

优选地，所述摄像机的分辨率可以兼顾识别精度和传输速度，保证高速铁路扣件探测的实时性。摄像机的数字接口应保证控制器能够方便、快速接受图像信号，保证图像传输的实时性。

本发明的光源采用低功耗高亮度的LED光源，并采用脉冲激励照明方式，即可保证具有足够的亮度，又可降低平均功率和功耗，减少发热。光源的打开与关闭是由来自控制器的照明控制信号进行控制，照明控制信号先于采样控制信号到达，迟于采样控制信号关闭，从而保证有效的照度，满足采样要求。照明控制信号先于采样控制信号的提前量，应大于光源开关的响应时间。

所述探测器的保护外壳采用金属制作，对摄像机、镜头和光源进行保护，避免受到砂石等的冲击和损伤。

本发明的控制器由计算机、稳压电源和机柜三个部分组成。计算机采用通行的工业控制计算机构成，以保证长期工作的稳定性和可靠性，适应复杂的车况与路况，并与车下探测器和车上其他设备实现可靠的联络与通讯。稳压电源为计算机、摄像机和光源提供稳定、可靠的能源与动力。计算机与稳压电源均安装在机柜之中。

本发明的电缆采用带有金属屏蔽的超六类千兆网线，保证数据传输的完整性、可靠性和实时性。

根据本发明的另一方面，提供一种图像序列的扣件位置自适应定位方法，该方法：首先，以较高的固定采用频率连续采用若干图像并形成一个图像序列，根据采集到的图像序列中扣件出现的频数多少，自动调整摄像机的采样频率，使得扣件出现的频数达到最大，从而使得采样频率趋近于扣件出现频率；然后，再根据每帧图像中扣件在摄像机视场中的位置，对摄像机的采集频率自动进行微调，使得扣件的位置逐步处于视场中心；当列车运行速度发生变化（发车、加速、减速、停车等）时，扣件在图像序列中的出现频数或扣件在视场中的位置将发生变化，重复上述过程，即可实现扣件的自适应定位。

所述铁路扣件自适应定位方法，具体包括以下步骤：

控制器的稳压电源打开之后，控制器中的工业计算机与探测器中的摄像机开始上电工作。

（1）控制器中的计算机以一较高的固定频率分别向探测器中的摄像机和光源发出采样控制信号和照明控制信号，该采样频率一般为扣件出现频率最大值的2倍以上。照明控制信号早于采样控制信号到达，晚于采样控制信号结束。探测器中的摄像机在接收到来自控制器的采样控制信号之后，快速捕获扣件所在区域的图像，并通过电缆实时传输到控制器的工业计算机之中。

（2）当采样的图像数量达到一定数目之后，可形成一个图像序列。该图像数目既要保证足够的图像序列长度，满足判断分析子的要求，同时也要考虑到床上的系统滞后量，均衡考虑。此时，计算机对摄像机传来的图像序列进行处理、识别和判断：如果该图像序列中所有图像完全一致而没有变化，说明列车处于静止状态，则返回步骤（2）；如果该图像序列中所有图像存在明显变化，则判断为列车处在行驶过程之中，则进入下一步；

（3）在上述图像序列中，统计扣件出现的频数（即出现扣件的图像数与总的采样图像数之比）。如果扣件出现的频数少于最大值100%，则说明采样频率过高。此时，应逐渐降低采样频率，并重新采样一个图像序列，重复本步骤，直至扣件出现的频数达到最大值100%，此时的采样频率已经接近扣件出现频率。

（4）在上述100%存在扣件的图像序列中，对每个图像中扣件所处的位置进行计算。如果每个图像中扣件的位置不一致，则说明采样频率与扣件出现频率仍然存在微小偏差。此时，可根据图像序列中扣件位置相对与列车运行方向的变化规律进行判断：如果在图像序列中扣件位置的变化是向前的，则说明采样频率略高于扣件出现频率，应该略微降低采样频率；如果在图像序列中扣件位置的变化是向后的，则说明采样频率略低于扣件出现频率，应该略微增高采样频率。重复本步骤，直到图像序列中所有的扣件位置稳定不变且处于临近视场中心的位置。此时，采样频率恰好等于扣件出现频率，扣件自动定位过程即告完成。

（5）扣件自动定位完成后，如果列车运行速度出现变化（例如刹车、提速等），则采样频率与扣件出现频率出现偏差，图像序列中扣件的位置也将再次出现变化（向前或向后）。此时，应该重复步骤（5）的工作，可以重新改变采样频率，使之重新与扣件出现频率一致，从而实现扣件的自适应定位。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明创造性地根据采样得到的图像序列中扣件出现的频数和扣件在视场中的位置自动调整采样频率，从而实现扣件的自适应定位，从根本上保证了扣件缺失与否识别的可靠性，并且极大地提高了探测与识别的准确性，大幅度降低了漏检率，增强了实用性。同时，该方法还可以推广应用于其他相关的高速运动目的的定位与探测领域。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一实施例的探测系统组成原理示意图。

图2是探测器的组成原理示意图。

图3是照明控制信号与采样控制信号的时序关系示意图。

图4是控制器的组成原理示意图。

图5是几种可能的扣件位置形式，其中(a)采样频率高于扣件出现频率的情形；(b)采样频率低于扣件出现频率的情形。

图中，1为探测器，2为电缆，3为控制器，4为车厢，5为钢轨，6为扣件，7为保护外壳，8为摄像机，9为镜头，10为光源，11为计算机，12为稳压电源，13为机柜。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

图1是本发明一实施例的铁路扣件高速探测系统组成原理示意图。本发明的探测系统由探测器1、电缆2和控制器3三个部分组成。探测器1一共工有4个，均安装在列车车厢4的下方，分别正对两根钢轨5两侧的扣件6所在区域的正上方。控制器3安装于车厢4内，通过电缆2与4个探测器1相连接。在列车运行过程中，探测器1连续工作并实时获取扣件6所在区域的图像，通过电缆2传送到控制器3，通过图像处理和模式识别，自动判断实现扣件6的自动定位。

图2是本发明的探测器1的组成原理示意图。本发明的探测器1由摄像机8、镜头9、光源10和外壳7组成。

本发明的摄像机8采用高速数字式摄像机，可以快速获取扣件6所在区域的图像，供控制器3进行分析和处理。例如，列车运行速度若为400km/h，轨枕距离为0.6m，两个扣件出现的时间间隔约为5.4ms，则摄像机的帧频应不低于185fps，可取为200fps。摄像机8的分辨率可以兼顾识别精度和传输速度，保证高速铁路扣件探测的实时性。例如，假设扣件所在区域大小为400mm×300mm，此为视场范围。为了保证扣件探测识别的准确性，图像的分辨力应不低于1mm。则摄像机的像素数则应不低于400pixel×300pixel。摄像机8的数字接口应保证控制器3能够方便、快速接受图像信号，保证图像传输的实时性。

与常规的视觉检测系统有所不同的是，本发明的摄像机8采用外触发方式进行采样图像，触发信号来自控制器3产生的采样控制信号，从而实现采样频率的自适应控制。所有4台摄像机8采用同一外触发信号进行同步采样，从而保证采样位置的一致性。

本发明的镜头9应保证摄像机8的视场大小应保证在横向（垂直于钢轨5方向）上能够包含完整的扣件6所在区域，且在纵向（平行于钢轨5方向）上不超过两个轨枕间距的一半。例如，假设扣件6所在区域大小为400mm×300mm，轨枕距离为600mm，则摄像机8的视场取为400mm×300mm是适合的。

本发明的光源10采用低功耗高亮度的LED光源，并采用脉冲激励照明方式，即可保证具有足够的亮度，又可降低平均功率和功耗，减少发热。光源10的打开与关闭是由来自控制器3的照明控制信号进行控制，照明控制信号先于采样控制信号到达，迟于采样控制信号关闭，从而保证有效的照度，满足采样要求。具体如图3所示。照明控制信号先于采样控制信号的提前量，应大于光源开关的响应时间。例如，假设光源开关的响应时间为1ms，则提前量可为2～5ms为宜。

探测器1的保护外壳7采用金属制作，对摄像机8、镜头9和光源10进行保护，避免受到砂石等的冲击和损伤。

图4是本发明的控制器3的组成原理示意图。本发明的控制器3由计算机11、稳压电源12和机柜13三个部分组成。计算机采用通行的工业控制计算机构成，以保证长期工作的稳定性和可靠性，适应复杂的车况与路况，并与车下探测器1和车上其他设备实现可靠的联络与通讯。稳压电源12为计算机11、摄像机8和光源10提供稳定、可靠的能源与动力。计算机11与稳压电源12均安装在机柜13之中。

本发明的电缆2采用带有金属屏蔽的超六类千兆网线，保证数据传输的完整性、可靠性和实时性。

实施例2

本实施例涉及采用实施例1系统进行的的铁路扣件自适应定位方法，该方法包括以下步骤：

（1）控制器3的稳压电源打开之后，控制器3中的计算机11与探测器1中的摄像机8开始上电工作。

（2）控制器3中的计算机11以一较高的固定频率分别向探测器3中的摄像机8和光源10发出采样控制信号和照明控制信号，该采样频率一般为扣件出现频率最大值的2倍以上。例如，对于列车运行速度400km/h，轨枕距离为0.6m，对应的扣件出现频率最高约为185Hz，则采样频率可取为400Hz为宜。照明控制信号早于采样控制信号到达，晚于采样控制信号结束。探测器1中的摄像机8在接收到来自控制器3的采样控制信号之后，快速捕获扣件6所在区域的图像，并通过电缆2实时传输到控制器3的工业计算机11之中。

（3）当采样的图像数量达到一定数目N之后，可形成一个图像序列。该图像数目N既要保证足够的图像序列长度，满足判断分析子的要求，同时也要考虑到床上的系统滞后量，均衡考虑，可取为几到几百的范围，例如N=100。此时，计算机11对摄像机8传来的图像序列进行处理、识别和判断：如果该图像序列中所有图像完全一致而没有变化，说明列车处于静止状态，则返回步骤（2）；如果该图像序列中所有图像存在明显变化，则判断为列车处在行驶过程之中，则进入下一步；

（4）在上述图像序列中，统计扣件6出现的频数（即出现扣件6的图像数n与总的采样图像数N之比，即n/N）。如果扣件6出现的频数少于最大值100%，则说明采样频率过高。此时，应逐渐降低采样频率，降低幅度一般不超过最高频率的5%，可为20Hz或10Hz。此时重新再采样一个图像序列，重复本步骤，直至扣件6出现的频数达到最大值100%。此时的采样频率已经接近扣件出现频率。

（5）在上述100%存在扣件6的图像序列中，对每个图像中扣件6所处的位置进行计算。如果每个图像中扣件6的位置不一致，则说明采样频率与扣件出现频率仍然存在微小偏差。此时，可根据图像序列中扣件位置相对与列车运行方向的变化规律进行判断（如图5所示）：如果在图像序列中扣件位置的变化是向前的，则说明采样频率略高于扣件出现频率，应该略微降低采样频率；如果在图像序列中扣件位置的变化是向后的，则说明采样频率略低于扣件出现频率，应该略微增高采样频率。重复本步骤，直到图像序列中所有的扣件位置稳定不变且处于临近视场中心的位置。此时，采样频率恰好等于扣件出现频率，扣件自动定位过程即告完成。

（6）扣件自动定位完成后，如果列车运行速度出现变化（例如刹车、提速等），则采样频率与扣件出现频率出现偏差，图像序列中扣件6的位置也将再次出现变化（向前或向后）。此时，应该重复步骤（5）的工作，可以重新改变采样频率，使之重新与扣件出现频率一致，从而实现扣件6的自适应定位。

本发明的高速铁路扣件自适应定位方法与探测系统同样可以适用于其他高速运动目标的快速定位与探测。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种基于图像序列的铁路扣件高速探测系统，其特征在于：所述系统由探测器、电缆和控制器三个部分组成；所述探测器一共有4个，均安装在列车车厢的下方，分别正对两根钢轨两侧的扣件所在区域的正上方；所述控制器安装于车厢内，通过电缆与4个探测器相连接；在列车运行过程中，探测器连续工作并实时获取扣件所在区域的图像，通过电缆传送到控制器，控制器通过图像处理和模式识别，根据采集到的图像序列中扣件出现的频数多少和扣件在视场中的位置，自动调整摄像机的采样频率，从而实现扣件的自适应定位和探测。

2.根据权利要求1所述的基于图像序列的铁路扣件高速探测系统，其特征在于：所述探测器由摄像机、镜头、光源和外壳组成，其中：所述摄像机快速获取扣件所在区域的图像，供控制器进行分析和处理，所述摄像机采用外触发方式进行采样图像，触发信号来自控制器产生的采样控制信号，从而实现采样频率的自适应控制；所有4台摄像机采用同一外触发信号进行同步采样，从而保证采样位置的一致性；所述镜头保证摄像机的视场大小在横向上能够包含完整的扣件所在区域，且在纵向上不超过两个轨枕间距的一半。

3.根据权利要求1所述的基于图像序列的铁路扣件高速探测系统，其特征在于：所述光源采用LED光源，并采用脉冲激励照明方式，光源的打开与关闭是由来自控制器的照明控制信号进行控制，照明控制信号先于采样控制信号到达，迟于采样控制信号关闭；照明控制信号先于采样控制信号的提前量，大于光源开关的响应时间。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于图像序列的铁路扣件高速探测系统，其特征在于：所述控制器由计算机、稳压电源和机柜三个部分组成，计算机采用通行的工业控制计算机构成，并与车下探测器和车上其他设备实现联络与通讯；稳压电源为计算机、摄像机和光源提供能源与动力；计算机与稳压电源均安装在机柜之中。

5.根据权利要求1-3任一项所述的基于图像序列的铁路扣件高速探测系统，其特征在于：所述探测器的保护外壳采用金属制作，对摄像机、镜头和光源进行保护。

6.根据权利要求1-3任一项所述的基于图像序列的铁路扣件高速探测系统，其特征在于：所述电缆采用带有金属屏蔽的超六类千兆网线。

7.一种采用权利要求1所述系统实现的铁路扣件自适应定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）控制器的稳压电源打开之后，控制器中的工业计算机与探测器中的摄像机开始上电工作；

（2）控制器中的计算机以一固定频率分别向探测器中的摄像机和光源发出采样控制信号和照明控制信号，该采样频率为扣件出现频率最大值的2倍以上；照明控制信号早于采样控制信号到达，晚于采样控制信号结束；探测器中的摄像机在接收到来自控制器的采样控制信号之后，快速捕获扣件所在区域的图像，并通过电缆实时传输到控制器的工业计算机之中；

（3）当采样的图像数量达到一定数目之后，形成一个图像序列，该图像数目既要保证足够的图像序列长度，满足判断分析子的要求，同时也要考虑到床上的系统滞后量，此时，计算机对摄像机传来的图像序列进行处理、识别和判断：如果该图像序列中所有图像完全一致而没有变化，说明列车处于静止状态，则返回步骤（2）；如果该图像序列中所有图像存在明显变化，则判断为列车处在行驶过程之中，则进入下一步；

（4）在上述图像序列中，统计扣件出现的频数即出现扣件的图像数与总的采样图像数之比，如果扣件出现的频数少于最大值100%，则说明采样频率过高，此时，逐渐降低采样频率，并重新采样一个图像序列，重复本步骤，直至扣件出现的频数达到最大值100%，此时的采样频率已经接近扣件出现频率；

（5）在上述100%存在扣件的图像序列中，对每个图像中扣件所处的位置进行计算，如果每个图像中扣件的位置不一致，则说明采样频率与扣件出现频率仍然存在微小偏差，此时，根据图像序列中扣件位置相对与列车运行方向的变化规律进行判断：如果在图像序列中扣件位置的变化是向前的，则说明采样频率略高于扣件出现频率，应该略微降低采样频率；如果在图像序列中扣件位置的变化是向后的，则说明采样频率略低于扣件出现频率，应该略微增高采样频率；重复本步骤，直到图像序列中所有的扣件位置稳定不变且处于临近视场中心的位置，此时，采样频率恰好等于扣件出现频率，扣件自动定位过程即告完成；

（6）扣件自动定位完成后，如果列车运行速度出现变化，则采样频率与扣件出现频率出现偏差，图像序列中扣件的位置也将再次出现变化，此时，应该重复步骤（5）的工作，重新改变采样频率，使之重新与扣件出现频率一致，从而实现扣件的自适应定位。

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