CN107621229A - 基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统及方法。包括空间定位模块、轨道宽度测量模块、中央控制模块；空间定位模块包括GPS定位器、增量型光电编码器，以提供列车里程数据和空间地理位置信息传输给所述中央控制模块；轨道宽度测量模块包括面阵黑白相机、红外线性激光器、加速度计，以实现铁路轨道的拍照及轨道宽度的测量、列车水平晃动的测量，并将所得数据传输给中央控制模块；中央控制模块包括便携式数据处理器及与该便携式数据处理器连接且用于与空间定位模块和轨道宽度测量模块通信的无线局域网交换机、用于触发所述轨道宽度测量模块进行测量的同步控制器。本发明实现了低成本、高精度的非接触式自动化实时监控测量。

Description

基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统及方法。

背景技术

铁路轨道由于其特殊性，使用频繁，其应力结构复杂，若造成轨道偏移进而使得轨道间距改变，将留下极大的安全隐患。因此定期科学的对铁路轨道宽度进行检测就尤为任重而道远。目前，铁路轨道宽度测量常用的方式主要有使用轨道测量尺进行人工测量，需耗费大量人力和物力，测量周期长并容易受到天气状况和地质条件等外部环境影响，无法满足我国日益增长的铁路线管护需求；轨距测量专用车采用位移传感器，安置于测量车的下方，侦测两条铁路轨道之间的距离，这种设计使铁路轨道宽度测量效率得到了一定程度的改善，但是其仍有设备结构复杂且昂贵，不方便运输，测量精度低，检测时铁路轨道宽度测量车需要占据铁路运营线路并提前封闭，影响铁路线路运营、浪费铁路运力等诸多缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统及方法，该系统及方法实现了低成本、高精度的非接触式自动化实时监控测量。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统，包括空间定位模块、轨道宽度测量模块、中央控制模块；

所述空间定位模块包括GPS定位器、增量型光电编码器，以提供列车里程数据和空间地理位置信息传输给所述中央控制模块；

所述轨道宽度测量模块包括面阵黑白相机、红外线性激光器、加速度计，以实现铁路轨道的拍照及轨道宽度的测量、列车水平晃动的测量，并将所得数据传输给中央控制模块；

所述中央控制模块包括便携式数据处理器及与该便携式数据处理器连接且用于与空间定位模块和轨道宽度测量模块通信的无线局域网交换机、用于触发所述轨道宽度测量模块进行测量的同步控制器。

在本发明一实施例中，所述GPS定位器安装于列车车顶顶部无遮挡处。

在本发明一实施例中，所述增量型光电编码器与列车车轮同轴固定连接。

在本发明一实施例中，所述面阵黑白相机、红外线性激光器安装于列车底部。

在本发明一实施例中，所述面阵黑白相机镜头中心与红外线性激光器出光口中心的连线与地面垂直。

本发明还提供了一种基于上述所述系统的实时铁路轨道宽度测量方法，具体实现如下，

对于面阵黑白相机，设其离地高度为h₁，设面阵黑白相机视角为θ₁，过面阵黑白相机镜头中心作一条射线，与地面相交于O，射线与地面的夹角为α，面阵黑白相机镜头中心到O点的距离为物距d₁，则可得面阵黑白相机的最大拍摄宽度L₁的函数关系表达式如（1）

（1）

对于红外线性激光器，设其离地高度为h₂，激光器发散角为θ₂，过红外线性激光器出光口作一条射线，与地面相交于O，射线与地面的夹角为β，激光器出光口到O点的距离为d₂：则可得激光亮线长度L₂函数关系表达式如（2）

（2）

设铁路轨道宽度为L，根据设计需求，即相机拍摄的最大拍摄宽度、激光亮线长度和铁路轨道宽度关系表达式如（3）

（3）

由L₂>L得表达式如（4）

（4）

由L₁>L₂得表达式如（5）

（5）

对于上述函数关系，当面阵黑白相机和红外线性激光器型号选定后，θ₁和θ₂随即确定；则面阵黑白相机、红外线性激光器的安装高度h₁，h₂和安装角度α，β需满足上述的条件；

依据相机的成像原理，设激光亮线的实际长度为L₁ ^’，靶面到镜面的距离为d₀，d₀由面阵黑白相机型号决定，靶面上虚像的长度为L₀ ^’，关系表达式如（6）

（6）

代入（1），即得表达式如（7）

（7）

通过滤波处理，滤除面阵黑白相机拍摄的灰度图像的铁轨影像，并采用纵向遍历和横向遍历的方法，对灰度图像进行进一步处理，得到仅有激光线的二值图像，由于L₂>L，因此需将激光线照射于铁轨外部的部分的线段滤除，得到表明铁路轨道间距的激光线的二值图像；

对该表明铁路轨道间距的激光线线段进行横向计数，即可得到该线段横向所占的像素个数，假设其为n₀；

由于面阵黑白相机的型号选定后，像素的大小随即确定，假设每个像素的尺寸为a×a，则靶面上虚像的长度L₀ ^’关系表达式如（8）：

（8）

将（8）带入（7）即可得到实际的铁路轨道间距：

（9）。

在本发明一实施例中，所述滤波处理采用图像二值化算法。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明相比于昂贵的专用动检车，能够方便的挂载于普通车厢外部，实现了低成本、高精度的非接触式自动化实时监控测量，并能将测量数据保存和导出为铁路管护工作者在铁路轨道宽度管护决策时提供可靠的数据依据；且装置采用模块化设计，便于设备的升级和维护，应用前景广阔；系统使用安全高效，无需提前封闭待测量的铁路运营线路，可方便的挂载在普通铁路客运或货运车辆进行实时测量和测量数据的存储；一套系统可测量多条铁路线路，提高系统利用率，降低了检测设备购置费。

附图说明

图1为本发明系统的系统框图。

图2为本发明系统测量数据和逻辑控制信号连接关系图。

图3为里程触发脉冲计数原理图。

图4为轨道宽度测量模块安装设计侧视图。

图5 为相机成像原理图。

图6 为滤除图像背景后铁路轨道和激光亮线的灰度图。

图7 为激光亮线提取图。

图8 为像素点阵列图。

图9 为测距激光亮线的二值图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统，包括空间定位模块、轨道宽度测量模块、中央控制模块；

所述空间定位模块包括安装于列车车顶顶部无遮挡处的GPS定位器、与列车车轮同轴固定连接的增量型光电编码器，以提供列车里程数据和空间地理位置信息传输给所述中央控制模块；

所述轨道宽度测量模块包括安装于列车底部的面阵黑白相机、安装于列车底部的红外线性激光器、加速度计，以实现铁路轨道的拍照及轨道宽度的测量、列车水平晃动的测量，并将所得数据传输给中央控制模块；

所述中央控制模块包括便携式数据处理器及与该便携式数据处理器连接且用于与空间定位模块和轨道宽度测量模块通信的无线局域网交换机、用于触发所述轨道宽度测量模块进行测量的同步控制器。

所述面阵黑白相机镜头中心与红外线性激光器出光口中心的连线与地面垂直。

本发明还提供了一种基于上述所述系统的实时铁路轨道宽度测量方法，具体实现如下，

对于面阵黑白相机，设其离地高度为h₁，设面阵黑白相机视角为θ₁，过面阵黑白相机镜头中心作一条射线，与地面相交于O，射线与地面的夹角为α，面阵黑白相机镜头中心到O点的距离为物距d₁，则可得面阵黑白相机的最大拍摄宽度L₁的函数关系表达式如（1）

（1）

对于红外线性激光器，设其离地高度为h₂，激光器发散角为θ₂，过红外线性激光器出光口作一条射线，与地面相交于O，射线与地面的夹角为β，激光器出光口到O点的距离为d₂：则可得激光亮线长度L₂函数关系表达式如（2）

（2）

设铁路轨道宽度为L，根据设计需求，即相机拍摄的最大拍摄宽度、激光亮线长度和铁路轨道宽度关系表达式如（3）

（3）

由L₂>L得表达式如（4）

（4）

由L₁>L₂得表达式如（5）

（5）

对于上述函数关系，当面阵黑白相机和红外线性激光器型号选定后，θ₁和θ₂随即确定；则面阵黑白相机、红外线性激光器的安装高度h₁，h₂和安装角度α，β需满足上述的条件；

依据相机的成像原理，设激光亮线的实际长度为L₁ ^’，靶面到镜面的距离为d₀，d₀由面阵黑白相机型号决定，靶面上虚像的长度为L₀ ^’，关系表达式如（6）

（6）

代入（1），即得表达式如（7）

（7）

通过滤波处理（所述滤波处理采用图像二值化算法），滤除面阵黑白相机拍摄的灰度图像的铁轨影像，并采用纵向遍历和横向遍历的方法，对灰度图像进行进一步处理，得到仅有激光线的二值图像，由于L₂>L，因此需将激光线照射于铁轨外部的部分的线段滤除，得到表明铁路轨道间距的激光线的二值图像；

对该表明铁路轨道间距的激光线线段进行横向计数，即可得到该线段横向所占的像素个数，假设其为n₀；

由于面阵黑白相机的型号选定后，像素的大小随即确定，假设每个像素的尺寸为a×a，则靶面上虚像的长度L₀ ^’关系表达式如（8）：

（8）

将（8）带入（7）即可得到实际的铁路轨道间距：

（9）。

以下为本发明的具体实现实例。

本发明公开了一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统，能够悬挂于普通客运或货运列车车体外对铁路轨道宽度进行全天候实时监控测量。相比于昂贵的专用动检车，所述系统能够方便的挂载于普通车厢外部，实现了低成本、高精度的非接触式自动化实时监控测量，并能将测量数据保存和导出为铁路管护工作者在铁路轨道宽度管护决策时提供可靠的数据依据；且系统采用模块化设计，便于设备的升级和维护，应用前景广阔；系统使用安全高效，无需提前封闭待测量的铁路运营线路，可方便的挂载在普通铁路客运或货运车辆进行实时测量和测量数据的存储；一套系统可测量多条铁路线路，提高系统利用率，降低了检测设备购置费。

本发明系统框图如图1所示，采用模块化设计，分为三个模块。空间定位模块由一个增量型光电编码器与一台GPS定位器组成；轨道宽度测量模块由一个加速度计、一台面阵黑白相机与一台红外线性激光器组成；中央控制模块由一部便携式数据处理器、无线局域网交换机与一台同步控制器组成。各模块功能及核心工作原理如下所述，系统测量数据和逻辑控制信号连接关系图如图2所示：

空间定位模块为系统提供里程数据和空间地理位置信息以及产生里程触发信号。其中GPS定位器安装在车体顶部无遮挡处；增量型光电编码器与车轮同轴固定连接时编码器随车轮每转动一周都会输出固定数目和周期长度的方波脉冲。当与编码器连接的行走动轮的外径确定后，每个方波脉冲对应的位移距离也随之确定，使便携式数据处理器通过统计方波脉冲数就可以精确地测量检测系统所走过的里程。

设相机拍照的视野范围长度为x₂、宽度为L₁，相机投影于地面的点到视野范围最近端为x₁，相机投影于地面的点到视野范围最远端为x。

为不使图像被拉伸或者压缩变形等畸变，设物距为d₁，镜头焦距为f，相机靶面长度为u、宽度为v。则镜头焦距应符合如表达式（1）

f=v• d₁/ L₁ （1）

f=u• d₁/ x₂

当本发明系统开始采集后，由光电编码器发出的脉冲信号个数作为里程触发的依据，经便携式数据处理器统计每隔x₂个脉冲（每个脉冲代表列车车轮前进1mm）给面阵黑白相机一个外部触发信号，触发面阵黑白相机拍照，经过一定的延时，同步控制器向核心处理器发出反馈信号计算激光亮线宽度，里程触发脉冲个数取决于相机拍照的视野范围，里程触发脉冲个数原理如图3所示，对于面阵黑白相机，设其离地高度为h₁，相机视角为θ₁，过相机镜头中心作一条射线，与地面相交于O，射线与地面的夹角为α，里程触发脉冲计数原理如表达式（2）

（2）

GPS定位器实时记录行程和铁路里程桩号、空间地理位置，当GPS定位器收到来自同步控制器的触发信号时将对应该时刻的铁路里程桩号、空间地理位置发送给便携式数据处理器存储。与此同时GPS定位器为系统授时并辅助便携式数据处理器显示行驶路线和地理位置信息。

轨道宽度测量模块用面阵黑白相机对铁路轨道拍照、提取红外激光亮线并计算铁路轨道宽度，可以对铁路轨道宽度完成非接触式实时检测，用加速度计数据辅助修正由列车水平方向上晃动造成的测量误差，轨道宽度测量模块安装设计侧视图如图4所示。基于面阵黑白相机的铁路轨道宽度测量算法原理如下所述：

红外线性激光器发出的激光亮线在面阵黑白相机拍照的视野范围内建立物象坐标，激光线垂直铁轨方向照射，并成像于相机靶面，通过图像处理得到激光线在图像中的像素点，根据像素点个数建立像素坐标并计算激光线的长度，通过物象和像素坐标映射关系来得到实际的轨道宽度。

设相机镜头中心到O点的距离为物距d₁，相机的最大拍摄宽度L₁的函数关系表达式如（3）

（3）

对于红外线性激光器，设其离地高度为h₂，激光器发散角为θ₂，过红外线性激光器出光口作一条射线，与地面相交于O，射线与地面的夹角为β，激光器出光口到O点的距离为d₂。

同理激光亮线L₂函数关系表达式如（4）

（4）

设铁路轨道宽度为L，根据设计需求，即相机拍摄的宽度、激光亮线长度和铁路轨道宽度关系表达式如（5）

（5）

由L₂>L得表达式如（6）

（6）

由L₁>L₂得表达式如（7）

（7）

对于上述函数关系，当面阵黑白相机和红外线性激光器型号选定后，θ₁和θ₂随即确定。则安装高度h₁，h₂和安装角度α，β需满足上述的条件。

相机的成像原理如图5所示，设激光线的实际长度为L₁ ^’，靶面到镜面的距离为d₀，靶面上虚像的长度为L₀ ^’，关系表达式如（8）

（8）

根据h₁和α完成面阵黑白相机的安装并确定d₁，d₀由相机型号确定，带入（3），即表达式如（9）

（9）

根据上述原理，得到铁路轨道灰度图像如图6所示。图中，较宽的竖直方向的两道直线即为铁轨的影像，三条较细的水平方向的直线即为激光线，由于铁轨高于地面，而相机相对地面以一定角度倾斜拍摄打在铁轨上的一字激光线，影像上将出现错位。

可通过滤波处理，容易滤除铁轨的影像。设定阈值，将滤波后的图像进行二值化处理。每个像素由1位数据表示，1’b0表示为黑，1’b1表示为白。通过上述处理后，仅留下表示三道激光线的像素点，但是由于铁路轨道情况复杂，例如细小杂物反光等原因，亦或滤波处理的不彻底等，都有可能留下光斑等干扰因素。为了去除这些干扰因素，本设计提出，采用纵向遍历和横向遍历的方法，对灰度图像进行进一步处理。

设灰度图像共有N列，Y行，如图7所示，每个像素可表示为h(N*y+n)，则像素与像素编号之间的关系表达式如（10）

（10）

其中，y为该像素在图像中所处行数，且0≤y≤Y-1；N为该像素在图像中所处列数，且0≤n≤N-1。

纵向遍历即为逐列扫描所有像素点，由所选用的激光器照射在地面的线宽和机器视觉一般需要至少4个像素表征一个最小特征，可以得到激光线纵向所占像素点个数为6~8个，设置纵向遍历的阈值S_Y为6，纵向扫描每列像素时，若连续6个及以上的像素值为1（即色度为白），则保留这些像素点，否则全部置0（即色度设置为黑）。设一个光斑所占据的像素点中，每列占据的像素点都小于6，即纵向上像素值为1的点个数小于6，则通过纵向遍历，该光斑将被去除。而若光斑纵向占据的像素点大于6，或者其所占的像素点中，某几列存在连续6个像素点值为1，则这些像素点将被保留，需要通过横向遍历进一步对其处理。

横向遍历即为逐行扫描所有像素点。通常光斑明显比激光线的长度小，因此可根据实际情况适当选取横向上的阈值S_N，原理与纵向遍历类似，若连续出现像素值为1的点个数大于等于阈值S_N，则保留这些点，否则像素值皆置0。

通过纵向遍历和横向遍历，可以得到仅有激光线的二值图像，如图8所示。最后，需要提取出表明铁路轨道间距的激光线的二值图像。

根据前文所述，需满足L₂>L，即在安装线性激光发射器时，要使激光线的长度大于轨道宽度，但是实际上只需略大于轨道间距即可。如图8所示，上方两段较短的线段，即为激光线照射于铁轨外部的部分，因铁轨与地面的高度差以及摄像头与激光发射器的出射角度差，在平面呈现上发生的错位。在激光器选型或者安装调试时，应使这两段激光线长度明显小于处于图6中部，表明轨道间距的激光线的长度。方便设计重设横向阈值，将两段较短的线段滤除，仅留下测距线段，如图9所示。对该线段进行横向计数，即可得到该线段横向所占的像素个数，假设其为n₀。亦可根据实际情况，直接对图8中只有测距线段可能出现的区域进行扫描计数，得到参数n₀。

面阵黑白相机的型号选定后，像素的大小随即确定，假设每个像素的尺寸为a×a，则靶面上虚像的长度L₀ ^’关系表达式如（11）：

（11）

将（11）带入（9）即可得到实际的铁路轨道间距：

（12）

中央控制模块由一部便携式数据处理器、无线局域网交换机与一台同步控制器组成。同步控制器收到来自便携式数据处理器的控制信号后，触发轨道测距模块，该模块将图像和加速度计数据传送到无线局域网交换机。当交换机收到来自便携式数据处理器发来的数据读取信号后，发送原始测量数据给该处理器。

本发明公布的一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量装置，克服了过去使用轨道测量尺进行人工测量以及使用轨距测量车进行测量的诸多缺陷。将激光器和相机合理的安置于列车上后，相机可实时的收到铁轨和激光线的影像信号，数据通过无线局域网交换机，便携式数据处理模块即可分析得到实时的轨距信息，克服了轨道测量尺和轨道测量车需要人工操作的问题，同时由于其可随车测量，无需占据铁路运营的时刻和线路，极大的节省了人力物力。此外，在具有结构简单，低成本的优势同时，由于相机有较高的分辨率，在安装正确的情况下，具有比轨道测量尺和轨道测量车更高的精度。且系统采用模块化设计，便于设备的升级和维护，应用前景广阔。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统，其特征在于：包括空间定位模块、轨道宽度测量模块、中央控制模块；

所述空间定位模块包括GPS定位器、增量型光电编码器，以提供列车里程数据和空间地理位置信息传输给所述中央控制模块；

所述轨道宽度测量模块包括面阵黑白相机、红外线性激光器、加速度计，以实现铁路轨道的拍照及轨道宽度的测量、列车水平晃动的测量，并将所得数据传输给中央控制模块；

所述中央控制模块包括便携式数据处理器及与该便携式数据处理器连接且用于与空间定位模块和轨道宽度测量模块通信的无线局域网交换机、用于触发所述轨道宽度测量模块进行测量的同步控制器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述GPS定位器安装于列车车顶顶部无遮挡处。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述增量型光电编码器与列车车轮同轴固定连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述面阵黑白相机、红外线性激光器安装于列车底部。

5.根据权利要求1或4所述的系统，其特征在于：所述面阵黑白相机镜头中心与红外线性激光器出光口中心的连线与地面垂直。

6.一种基于权利要求1至5任一所述系统的实时铁路轨道宽度测量方法，其特征在于：具体实现如下，

对于面阵黑白相机，设其离地高度为h₁，设面阵黑白相机视角为θ₁，过面阵黑白相机镜头中心作一条射线，与地面相交于O，射线与地面的夹角为α，面阵黑白相机镜头中心到O点的距离为物距d₁，则可得面阵黑白相机的最大拍摄宽度L₁的函数关系表达式如（1）

（1）

对于红外线性激光器，设其离地高度为h₂，激光器发散角为θ₂，过红外线性激光器出光口作一条射线，与地面相交于O，射线与地面的夹角为β，激光器出光口到O点的距离为d₂：则可得激光亮线长度L₂函数关系表达式如（2）

（2）

设铁路轨道宽度为L，根据设计需求，即相机拍摄的最大拍摄宽度、激光亮线长度和铁路轨道宽度关系表达式如（3）

（3）

由L₂>L得表达式如（4）

（4）

由L₁>L₂得表达式如（5）

（5）

对于上述函数关系，当面阵黑白相机和红外线性激光器型号选定后，θ₁和θ₂随即确定；则面阵黑白相机、红外线性激光器的安装高度h₁，h₂和安装角度α，β需满足上述的条件；

依据相机的成像原理，设激光亮线的实际长度为L₁ ^’，靶面到镜面的距离为d₀，d₀由面阵黑白相机型号决定，靶面上虚像的长度为L₀ ^’，关系表达式如（6）

（6）

代入（1），即得表达式如（7）

（7）

通过滤波处理，滤除面阵黑白相机拍摄的灰度图像的铁轨影像，并采用纵向遍历和横向遍历的方法，对灰度图像进行进一步处理，得到仅有激光线的二值图像，由于L₂>L，因此需将激光线照射于铁轨外部的部分的线段滤除，得到表明铁路轨道间距的激光线的二值图像；

对该表明铁路轨道间距的激光线线段进行横向计数，即可得到该线段横向所占的像素个数，假设其为n₀；

由于面阵黑白相机的型号选定后，像素的大小随即确定，假设每个像素的尺寸为a×a，则靶面上虚像的长度L₀ ^’关系表达式如（8）：

（8）

将（8）带入（7）即可得到实际的铁路轨道间距：

（9）。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述滤波处理采用图像二值化算法。