CN111102959A - 一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测方法，通过对铁轨侧面图像的采集，图像中包含高精度刻度尺、铁轨侧面

、背景部分

和铁轨上表面对正面的投影直线

；对图像进行预处理后，使用边缘检测出投影直线

的轮廓，由霍夫变换拟合出投影直线

，得出直线函数，通过对比前后投影直线

之间的距离确定铁轨的沉降量。本发明还公开一种基于直线检测的铁路轨道沉降监测装置，包含图像采集、图像处理装置、数据传输装置、总成控制模块、监控中心、状态报警器和固定在铁轨侧面用于建立绝对坐标系的高精度刻度尺。本发明尤其适用于铁轨沉降严重地区，能够实现对轨道沉降的在线监测装置和方法，以保证列车的安全运行。

Description

一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法

技术领域

本发明专利涉及到轨道交通领域，尤其涉及到一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法。

背景技术

随着我国铁路运输事业的大力发展，保障列车行车安全成为了铁路运输的一个重要问题。铁路运营过程中，由于受到区域沉降、地下采矿、采水、铁路周边施工开挖基坑或堆载，周边环境变化等因素的影响，部分轨道局部地段出现不同程度的下沉现象，致使轨面局部不平顺，严重时会导致钢轨断裂、列车脱轨等事故。如果铁路轨道沉降超过一定值时，会使得轨距发生变化、钢轨断裂等现象，一旦这些沉降的轨道得不到及时修复，极易影响列车的行车安全，因此，实时监测轨道沉降有利于提高列车的行驶安全。

高速行驶的列车需要一个高稳定性的轨道。而路基作为轨道结构的基础，在路基强度达到破坏之前就可能出现了不能容许的沉降，而铁路路基的沉降直接反映到轨面高度上，过大或不均匀的沉降将造成轨道的不平顺，对轨面高度的监测可以有效反映轨道沉降程度。

当前，对于铁路轨道检测主要以大地水准测量为主，包括精密水准测量、精密三角高程测量等，该方法是国内外普遍采用的沉降检测方法，但该方法需要由专业技术人员使用专业设备来完成，使用的仪器价格昂贵，保养和维修都需要专人，检测的成本高昂，自动化程度低，无法实现对铁轨沉降的在线监测分析。

若能研发出一种兼具实时自动化测量、远动监控、监测预警等优点的轨道沉降监测装置，将具有很大的实际工程价值。

发明内容

本发明旨在提供一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法，使用电子式数据测量、数字图像处理和通信原理，满足对铁轨沉降非接触、高精度、全自动化检测的要求，具有智能化、数字化、小型化、网络化等特点，可实现对铁轨沉降的在线监测、实时分析、实时控制。

为达以上目的，本发明的解决方案是：

一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法，包含图像采集、处理装置、数据传输装置和固定在铁轨侧面用于建立绝对坐标系的高精度刻度尺；图像采集装置采集铁轨侧面的图像，该图像与高精度刻度尺同宽，铁轨侧面U₁与背景部分U₂相交直线y(铁轨上表面对正面的投影直线)的高度变化能有效的反映铁路轨道的沉降；图像处理装置对图像预处理，再由直线变换检测出水平轨面的直线，建立绝对坐标系，拟合出直线函数，通过对比前后水平轨面图像拟合直线之间的距离确定铁轨的沉降量；数据传输装置将沉降数据实时传输至监测中心；当沉降值达到警戒值时，状态报警器发出报警提示。

进一步，包括以下步骤：

前述的一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法，将图像采集、处理装置、数据传输装置和状态报警器安装在铁轨旁边的接触网支柱上，高精度刻度尺水平固定在铁轨侧面用于建立绝对坐标系；当轨道发生沉降时，图像采集装置采集的轨面高度随之变化。

前述的一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法，所述图像采集装置安装在铁轨旁边的接触网支柱上，与水平轨面相平行；其中，图像采集装置包含：采集图像更为稳定的工业相机，使用长焦镜头，具有较高的成像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力，对水平轨面成像清晰；工业相机具有用于补偿光源LED补光灯，可以实现夜间、光线较差等情况下的监测功能；镜头上方安装有遮雨、遮光挡板，使相机具备在下雨或下雪、光线较强等恶劣天气条件下工作的能力；与图像处理装置连接的数据传输线；图像采集装置供电电源，提供装置所需电源；便于安装、拆卸的可拆卸式固定支架，可调整工业相机的工作高度，使其平行于水平轨面。

前述的一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法，所述图像采集装置工作原理：固定图像采集装置与水平轨面相平行，采集铁轨侧面的图像；如图1所示该图像与高精度刻度尺同宽，图像中包含高精度刻度尺、铁轨侧面U₁、背景部分U₂和铁轨上表面对正面的投影直线y；在铁路巡检工作日期间，图像采集装置定时对水平轨面图像采集，同时将采集的模拟图像数据通过数据传输线传输给图像处理装置。

前述的一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法，所述图像采集装置包含：用于将模拟信号转化数字信号的视频解码器；处理、计算、传输图像数据的高性能DSP主处理器；与高性能DSP相连接的外部存储器；满足图像采集装置的电源电路；传输数据使用数据传输线。

前述的一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法，所述图像处理装置工作原理：视频解码器接收采集到的模拟图像数据，并将模拟图像数据装换为YCbCr422形式的数字图像数据；高性能DSP主处理器接收该数据后，运用事先编写好的图像处理及识别算法对其进行处理，得出轨道沉降量；当高性能DSP主处理器内部存储器容量不足时，外部存储器用于扩容；所得的沉降量经过数据传输线传输至数据传输装置。

所述高性能DSP主处理器中的图像处理及识别算法对轨面图像依次进行以下处理步骤：

1)先对轨面图像采用基于Gamma变换的图像增强，变换内容就是对原图像的每一个像素值a做乘积运算，其基本形式为：

(b*256-0.5)＝c[(a+0.5)/256]^1/γ

其中b为变换后的像素值，取c＝1，根据图像的平均灰度值g确定γ值，g在90-110区间，γ取0.5；g在110-130区间，γ取0.6；g在130-150区间，γ取0.7；g在150-170区间，γ取0.8；g在170-180区间，γ取1；g在180-190区间，γ取1.2；g在190-200区间，γ取1.4；g在200-210区间，γ取1.6；g在210-220区间，γ取1.8；Gamma变换的图像增强可对轨面图像的校正，修正灰度不均匀的图片，增强亮度的对比度，提高检测准确性。

2)采用高斯滤波对图像去噪处理，对图像中的每个点的像素使用离散化的窗口卷积使进行扫描，并且用卷积确定该点的相邻区域内像素的加权平均灰度值，将模板中心像素点值使用加权平均灰度值代替，可以达到消除高斯噪声、平滑轨面图像的作用。

3)对预处理后的轨面图像采用Canny边缘检测，通过求水平x、竖直y方向的一阶偏导来计算梯度方向和幅值，梯度方向的计算公式为：

其中，D(x,y)为梯度值，x、y为横纵坐标值。对幅值θ的计算公式为：

θ(x,y)＝tan^-1(D_y(x,y)/D_x(x,y))

将当前像素的梯度强度与沿正负梯度方向上的两个像素进行比较，若该像素的梯度强度与另外两个像素相比最大，则该像素点保留为边缘点，否则该像素点置为背景色；选定像素阈值，当边缘像素的梯度值大于该阈值则认定该点为边界。

4)对轨面的直线轮廓进行霍夫直线检测包含步骤有：以图像左下顶点建立直角坐标系，该坐标系x坐标使用高精度刻度尺的刻度，y坐标使用与x坐标相同刻度尺度；拟合出轨面的直线函数；将x-y坐标系y＝kx+b变成k-b坐标系b＝-kx+y，表示为过点(k,b)的直线束；x-y空间的直线上每一个点在k-b坐标系中都表现为经过(k,b)的直线，k-b坐标系中所有点表示直线的数目；拟合轨面直线位于图像上部，其纵坐标最大，选取该b值最大的直线函数作为轨面直线的拟合函数y＝k₁x+b₁。

5)铁轨沉降的发生反映在拟合函数竖直位移，计算出实时测量得到轨面的直线拟合函数y₁＝k₁x+b₁与未发生沉降轨面的直线拟合函数y₂＝k₁x+b₂之间的距离Δd，如下公式：

前述的一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法，所述数据传输装置包含：CAN通信接口模块、总成控制模块通信；使用CAN通信接口模块负责与总成控制模块通信；通过CAN总线将监测数据传输给总成控制模块，总成控制模块与监控中心通过以太网通信或者将监测中心的监测、预警指令传输到监测装置。考虑到传输距离与传输稳定性等因素，CAN总线网络上最多可挂接220个节点设备，本监测装置中以110个监测节点为一个单元，每个单元配置一个总成控制模块，监控中心可实时显示、存储检测轨道沉降数据。

所述的总成控制模块由总成控制模块MCU、以太网通信接口、CAN通信接口组成。总成控制模块MCU是连接CAN总线和以太网的桥梁，实现两层通信网络之间的通信协议和数据格式的转换，将监测节点测得的轨道沉降量以及监测点杆号数据，格式转换后经以太网传输至监测中心。

所述监测中心设置在铁路调度中心或工务段，监测中心计算机包括以下功能：用户管理、日志管理、轨道状态实时显示、数据存储、数据接收、生成统计报表；通过以太网接收来自总成控制模块传来的轨道沉降量以及监测点杆号；对沉降量超过铁轨沉降安全要求值15mm的监测点，监测中心将报警信号传输给监测中心和现场监测点的状态报警器，状态报警器发出报警信号，并且通知相关部门。

所述状态监控报警器安装在接触网支柱上和监测中心，包含报警指示灯、数据传输线、报警控制电路；状态监控报警器通过数据传输线接收来自检测中心的报警信号，状态监控报警器上红灯亮，表示轨道沉降超过铁轨沉降安全要求值15mm；绿灯亮表示沉降量未达到报警值。

由于采用了上述的技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种适用于铁路轨道沉降监测，具有自动化测量、远动监控、监测预警等优点，能够实现铁路轨道沉降在线监测的装置和方法，以保证铁路部门在运行前能够及时发现铁路轨道的沉降量；如果出现沉降量超过警戒值，可发出报警信号通知相关的部门可以及时采取行动以保证列车的运行安全。

2、本发明可以实现远动监控，在恶劣天气下，工作人员可以在不出去户外的情况下实现监测，保障工作人员在测量时的安全。

3、本发明采用电子方法识别，测量的结果经过处理之后直接传送到监控中心，便于数据的传送和保存。

4、本发明可以使用监测中心计算机查看、分析测量结果，具有可视化、操作简便的优点。

5、本发明采用高性能DSP芯片作为图像处理器，具有成本低、低功耗、高性能的处理能力的优点，可以实现实时对图像的处理、分析。

6、本发明采用以太网进行数据传输，具有数据传输速度快、可实现远程访问、投资成本低的优点。

7、本发明采用CAN总线进行数据传输，具有实时性好、稳定性高、灵活性好以及连接方便等优越性能。

8、本发明采用图像识别的技术，不仅可以用于铁路轨道沉降的监测，还可用于道路或地基的沉降监测。

9、本发明具有自动化测量、自动报警的功能，通过相关设置可以实现无人值守。

10、本发明具有警报功能，铁路轨道沉降超过警戒值时会自动发出警报，减少因未及时发现铁路轨道沉降而造成的损失。

11、本发明带有LED补光灯、遮雨、遮光措施，具备在多种恶劣环境工作的能力。

附图说明

图1为本发明一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法的相机成像示意图；

图2为本发明一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法总体结构框图；

图3为本发明一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例对本发明进一步加以详细说明。

如图1所示为本发明一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法的相机成像示意图，示意图中包含高精度刻度尺、铁轨侧面U₁、背景部分U₂和铁轨上表面对正面的投影直线y，对y高度变化的检测能有效的反映铁轨的沉降。

如图2所示，是本发明的一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法的示意图，其中图像采集装置安装在铁轨旁边的接触网支柱上，与水平轨面相平行；其中，图像采集装置1包含：采集图像更为稳定的工业相机，采用长焦镜头，其具有较高的成像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力，对水平轨面成像清晰；工业相机具有用于补偿光源LED补光灯，可以实现夜间、光线较差等情况下的监测功能；图像采集装置1上方安装有遮雨、遮光挡板5，使相机具备在下雨或下雪、光线较强等恶劣天气条件下工作的能力；水平固定在铁轨侧面用于建立绝对坐标系的高精度刻度尺2；与图像处理装置6连接的数据传输线以及给图像采集装置供电电源线8，提供装置所需电源；便于安装、拆卸的可拆卸式固定支架4，可调整工业相机的工作高度，使其平行于水平轨面。

数据传输装置7包含：CAN通信接口模块、总成控制模块通信；使用CAN通信接口模块负责与总成控制模块通信；通过CAN总线将监测数据传输给总成控制模块，总成控制模块与监控中心通过以太网通信或者将监测中心的监测、预警指令传输到监测装置。

外部装置通过线缆10为测量装置供电和通信，线缆10中包含电源线和网络数据线，其中，电源线给监测装置供电，网络数据线负责监测装置和监控中心的通信，传输测量结果和监控中心指令；数据线9用于监测装置的图像采集装置1、图像处理装置6、数据传输装置7和状态监控报警器8之间的数据传输。

如图3所示总成控制装置包括总成控制模块MCU、以太网通信接口、CAN通信接口组成，该装置负责将监测点数据传输至监测中心以及将监测中心发出的报警信息传输至监测点的状态监控报警器；监测中心设置在铁路调度中心或工务段，监测中心计算机包括以下功能：用户管理、日志管理、轨道状态实时显示、数据存储、数据接收、生成统计报表。

本发明对铁轨沉降监测通过上述的装置来实现，拆卸式固定支架4安装在接触网支柱上，图像采集装置1固定在拆卸式固定支架4；图像采集装置1与水平轨面相平行，采集铁轨侧面的图像，获取铁轨上表面对正面的投影直线y；将图像数据传输至图像处理装置6，图像处理装置6对数据进行模数转换后，对图像数据进行预处理，预处理包含图像增强、去噪，再使用Canny边缘检测提取出轨面的轮廓后，以图像左下顶点建立以高精度刻度尺为参考的直角坐标系，由霍夫直线变换检测出水平轨面的拟合直线，拟合出直线函数y₂；通过对比轨面的直线函数y₂与未发生沉降轨面的直线函数y₁之间的距离Δd，确定铁轨的沉降量；利用数据传输装置7将各个监测点的沉降数据汇总至总成模块，总成模块实时传输至监测中心；当沉降值达到警戒值时，监测中心发出报警提示，状态报警器报警提醒。

除了上述的实施方式，根据具体情况的不同本发明的具体技术方案还可以包含各种变化，比如：安装不采用螺栓而是采用其他的安装方式，比如焊接、铆接等；图像处理装置中的控制和处理数据核心不采用DSP而是采用其他芯片；不采用LED光源而是采用其他光源，如白炽灯等；不采用有线传输的方式而是采用无线传输方式数据；不采用CAN总线而是采用其他的总线方式；不将数据传输到监控中心而是在本地进行数据的存储等等；直线检测手段不适用霍夫变换而使用其他之间检测手段，在此不再赘述。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置和方法，其特征在于：铁轨上表面对正面投影直线的高度变化能有效的反映铁路轨道的沉降；基于直线检测的铁轨沉降在线监测装置包含图像采集、处理装置和数据传输装置；图像采集装置采集水平轨面的图像；图像处理装置对图像预处理，再由直线变换检测出水平轨面的直线，建立绝对坐标系，拟合出直线函数，通过对比前后轨面图像拟合直线之间的距离确定铁轨的沉降量；数据传输装置将沉降数据实时传输至监测中心；当沉降值达到警戒值时，状态报警器发出报警提示。

2.根据权利要求1所述的基于直线检测的铁路轨道沉降监测装置，其特征在于：

将图像采集、处理装置、数据传输装置和状态报警器安装在铁轨旁边的接触网支柱上，高精度刻度尺水平固定在铁轨侧面用于建立绝对坐标系，图像采集装置与水平轨面相平行，定时对水平轨面采集铁轨侧面图像，图像与高精度刻度尺同宽；当轨道发生沉降时，图像采集装置采集到的轨面高度随之变化。

3.根据权利要求1至2所述的基于直线检测的铁路轨道沉降监测装置，其特征在于：图像采集装置包含：采集图像更为稳定的工业相机，该相机使用长焦镜头；用于补偿光源的LED补光灯；镜头上方安装有遮雨、遮光挡板；数据传输线；电源线；可拆卸固定支架。

4.根据权利要求1至3所述的基于直线检测的铁路轨道沉降监测装置，其特征在于：图像处理装置对来自图像采集装置的图像处理过程依次包含：图像的预处理、轨面直线检测、直线距离计算；1）对采集轨面图像的预处理依次按照以下步骤：先对图像采用基于Gamma变换的图像增强，修正灰度不均匀的图像，增强图像亮度的对比度；再对图像采用去噪效果明显的小波去噪，该方法去噪的同时可以较好地保留图像的细节;2）对采集轨面图像的轨面直线的拟合依次按照以下步骤：先对采用Canny边缘检测，提取出轨面的直线轮廓，以增加直线检测的准确度；再对轨面的直线轮廓进行Hough直线检测，建立图像坐标系，以图像左下顶点建立直角坐标系，该坐标系坐标使用高精度刻度尺的刻度，坐标使用与坐标相同刻度尺度，拟合出轨面的直线函数；3）计算出实时测量得到轨面的直线与未发生沉降轨面的直线之间的距离。

5.根据权利要求1、权利要求2、权利要求4所述的基于直线检测的铁路轨道沉降监测装置，其特征在于：

图像处理装置包含：视频解码器，将模拟信号转化为数字信号；高性能DSP主处理器，负责处理、计算、传输图像数据；外部存储器，用于存储数据；数据传输线；电源电路。

6.根据权利要求1至5所述的基于直线检测的铁路轨道沉降监测装置，其特征在于：数据传输装置中使用CAN通信接口模块与总成控制模块通信，通过CAN总线将监测数据传输给总成控制模块，将处理后的数据传输到监控中心或者将监控中心的指令传输到监测装置，监控中心实时显示、存储检测轨道沉降数据。

7.根据权利要求1至2所述的基于直线检测的铁路轨道沉降监测装置，其特征在于：状态报警器分别安装在接触网支柱上和监控中心内；状态报警器与监控中心通信，当沉降值达到警戒值时，状态报警器发出报警提示。

8.根据权利要求3所述的基于直线检测的铁路轨道沉降监测装置，其特征在于：

1）所述图像采集装置使用工业相机，使用长焦镜头，具有较高的成像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力，对水平轨面成像清晰；2）所述工业相机具有LED补光灯，可以实现夜间、光线较差等情况下的监测功能;3）所述的监测装置有遮雨、遮光措施，因此具备在下雨或下雪、光线较强等恶劣天气条件下工作的特点。

9.根据权利要求5所述的基于直线检测的铁路轨道沉降监测装置，其特征在于：

所述图像处理装置使用DSP主处理器，高性能DSP可以满足对图像快速运算处理，并且DSP的可编程性使系统的设计更加灵活。

10.根据权利要求6、权利要求7所述的基于直线检测的铁路轨道沉降监测装置,其特征在于：1）所述状态监控报警器安装在接触网支柱上和监控中心，包含报警指示灯、数据传输线、报警控制电路；2）所述状态监控报警器接收控制中心发出沉降报警信息，实时发出报警提醒。

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