CN111256586A - 一种用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单轨巡检技术领域，更具体地说，涉及一种用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统，包括用于采集轨道梁和接触轨图像的接触轨信息采集装置、用于采集轨道梁表面图像的轨道梁信息采集装置和检测系统主机，检测系统主机根据采集到的图像分析轨道梁是否产生缺陷以及接触轨安装位置、磨损程度。本发明提供的检测系统集成了接触轨检测、轨道梁检测功能，取代传统的人工巡检方式，节省了人力和时间，提高了检测效率，此外，检测标准更加统一，避免了因巡检人员个人经验不同而导致的巡检结果偏差，使得检测结果更加可靠。

Description

一种用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统

技术领域

本发明涉及单轨巡检技术领域，更具体地说，涉及一种用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统。

背景技术

跨座式单轨是通过单根轨道支持、稳定和导向，车体釆用橡胶轮胎骑在轨道梁上运行的轨道交通制式，在重庆已广泛使用。跨座式单轨的特点是适应性强、噪声低、转弯半径小、爬坡能力强。单轨制式能更好适应复杂的地形地貌环境。跨座式单轨的高架桥桥墩宽度平均不到2米，与其他高架轨道交通相比，桥墩占地宽度节省近一半，在城市道路中央或道路两旁的绿化带就可以立柱，占地小、遮挡少、选线灵活，对现有城市道路的交通干扰很轻微。

跨座式单轨列车运行在混凝土制轨道梁上。轨道梁底面固定在轨道地基上，上表面为走行面，供单轨列车的走行轮运行，侧面为稳定面和导行面。单轨列车的转向轮和稳定轮从轨道梁两侧夹紧轨道梁，将列车稳定在单轨轨道梁上，并控制列车沿轨道梁的方向进行转向。接触轨是将电能传输到地铁和城市轨道交通系统电力牵引车辆上的装置。在跨座式单轨的轨道梁的两侧安装有接触轨，每侧一根。接触轨系统主要由钢铝复合轨(包括铝轨本体和不锈钢带)、膨胀接头、端部弯头等相关部件及绝缘支撑装置组成，为电力机车组提供电能。电力的输送是通过电客车集电靴与复合轨的接触来实现的。根据集电靴从接触轨的取流方式不同，接触轨的安装方式可分为：上接触、下接触、侧接触三种方式。跨座式单轨的安装方式为侧接触。

跨座式单轨轨道检修是监测维护中十分重要的一环，为了单轨列车运行的安全性，需要经常对接触轨的安装位置及磨损程度、轨道梁表面是否存在缺陷进行检测。目前，针对跨座式单轨轨道上接触轨、轨道梁的检修主要还是靠人工巡检来完成，但是人工巡检需要耗费较多的时间、人力和财力，并且检测准确性严重依赖巡检人员个人经验，检测标准无法统一，因此人工巡检无法对接触轨、轨道梁进行规则化、系统性、高效率检测，此外人工巡检还存在一定的安全隐患，并不能满足接触轨、轨道梁的检测需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统，当工程车在单轨轨道上行进时，所述检测系统中的信息采集装置和检测系统主机能够实时、准确地获取接触轨的安装位置和损程度信息，并且分析轨道梁表面是否存在缺陷，取代传统的人工巡检方式，节省了人力和时间，提高了检测效率，检测标准统一，检测结果更加可靠。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统，包括：

设置于工程车车身内部的检测系统主机；

设置于工程车悬挂侧厢与轨道相对一侧的接触轨信息采集装置，所述悬挂侧厢与所述车身相连接，所述接触轨信息采集装置用于采集轨道梁和接触轨图像信息，所述检测系统主机根据所述轨道梁和接触轨图像信息检测所述接触轨的安装位置及磨损程度；

用于采集轨道梁表面图像信息的轨道梁信息采集装置，所述检测系统主机根据所述轨道梁表面图像信息检测轨道梁表面是否存在缺陷。

巡检工程车可以通过行走机构在跨座式单轨轨道上行进，巡检工程车上搭载了检测系统，检测系统包括接触轨信息采集装置和检测系统主机，接触轨信息采集装置将行进过程中采集到的轨道梁和接触轨图像信息发送到检测系统主机，由检测系统主机根据图像信息分析获取接触轨的安装位置及磨损程度信息，完成整个接触轨检测过程。

获取的接触轨安装位置及磨损程度信息可以通过现有的数据通信方式传输至服务器进行存储，检修人员通过终端设备连接服务器调取数据，也可以将接触轨安装位置及磨损程度信息直接发送至检修人员的终端供其查看。此外，巡检工程车的车身内也可以设置控制室，检修人员在控制室直接控制接触轨检测的整个过程，查看接触轨检测过程中的各种数据信息。

接触轨信息采集装置的数量在此不做限定，可以用一个接触轨信息采集装置采集完整的轨道梁和接触轨表面的图像信息用于后续的分析，为了获得更精细的图像信息，也可以安装多个接触轨信息采集装置，分别采集轨道上不同位置的图像信息，以便获取质量更好的图像信息，这样检测系统主机可以以此得到更加精确的检测结果。

接触轨信息采集装置与悬挂侧厢的连接方式在此不做限定，但是优选为可拆卸的连接方式，这样方便于对接触轨信息采集装置的检修、维护。

巡检工程车可以是由驾驶员控制的驾驶模式，还可以是无人驾驶模式。如果是有人驾驶模式，在车身内设置驾驶室即可。

悬挂侧厢与工程车车身连接，且悬挂侧厢的一个面(内侧面)至少一部分与轨道侧面是相对的，这样设置在悬挂侧厢内侧面上的接触轨信息采集装置才能采集到接触轨图像信息。悬挂侧厢与工程车车身的连接方式在此不做限定，但是优选为可拆卸的连接方式，这样方便于对悬挂侧厢的检修、维护。

悬挂侧厢的形状、结构在此不做限制，可以是长方形、正方形、圆形等形状的板状结构，也可以是其他非板状的结构，但是考虑到车身连接悬挂侧厢后的体积不能太大，不能超出车辆限界，因此板状结构更为合适。

悬挂侧厢的数量在此不做限制，可以仅在工程车车身的连接一个悬挂侧厢，用于对轨道单个侧面的接触轨进行检测，当然，考虑到检测的全面性，优选在工程车车身两侧均连接悬挂侧厢，悬挂侧厢位于轨道两侧，可以对轨道两个侧面上的接触轨进行检测。

可以使用现有的机器视觉测量方法，通过采集到的接触轨图像信息获取接触轨的安装位置与磨损程度信息，在此不做赘述。

在跨座式单轨轨道检修维护中，除了要对接触轨进行检测外，还需要对轨道梁进行相应的缺陷检测，以提示潜在的危害风险，提前进行处置。因此，进一步在工程车上设置了轨道梁信息采集装置，所述轨道梁信息采集装置在工程车行进过程中实时采集轨道梁表面图像信息，并将采集到的轨道梁表面图像信息传输至检测系统主机，由检测系统主机对图像进行处理，识别图像中的裂纹、凹坑等缺陷。目前，在公路、铁路轨道表面检测领域已有多种视觉缺陷检测方法，本方案中可以使用现有的表面缺陷视觉检测方法，通过轨道梁表面图像信息识别轨道梁表面是否存在裂纹、凹坑等缺陷。

进一步地，所述接触轨信息采集装置具有第一外壳，所述第一外壳内部固定设置面阵相机和一字线型激光器，所述第一外壳壳体上设有第一视窗，所述一字线型激光器通过所述第一视窗将激光投射至轨道表面，所述面阵相机通过所述第一视窗采集投射至轨道表面的激光图像信息。

本实施例中，利用面阵相机和一字线型激光器，采用结构光测量方法获取接触轨的安装位置及磨损程度信息。一字线型激光器在轨道表面投射线性激光形成测量光条，面阵相机采集相应的测量光条图像信息，检测系统主机对获取的测量光条图像信息进行识别、提取和计算，可以获取轨道梁走行面和接触轨之间的高度差，从而确定接触轨的安装位置，还可以获取当前接触轨表面的凸起高度数据，与原始的接触轨表面的凸起高度进行比较，从而确定接触轨磨损程度。

第一外壳为密封结构，可以有效地防止外界的浮尘等因素对内部面阵相机和一字线型激光器的影响，提高检测精度并延长使用寿命。所述第一视窗可以为一个大的视窗，也可以设置为两个小的视窗，分别供面阵相机和一字线型激光器单独使用。第一外壳可以用金属材料制成，增加结构强度，在壳体上开孔，然后用光学镜片密封设置于开孔处，形成所述第一视窗。

进一步地，所述轨道梁信息采集装置包括设置于所述车身底盘的走行面信息采集装置和/或设置于所述悬挂侧厢与轨道相对一侧的轨道梁侧面信息采集装置。

轨道梁信息采集装置用于采集轨道梁表面的图像，轨道梁的外表面大致可以分成顶部的走行面和安装有接触轨的两个侧面，所以，轨道梁信息采集装置可以是用于采集走行面图像的走行面信息采集装置，也可以是采集轨道梁侧面图像的轨道梁侧面信息采集装置。其中，走行面信息采集装置可设置于所述车身底盘上，便于采集走行面图像信息，而轨道梁侧面信息采集装置可设置于所述悬挂侧厢与轨道相对一侧，便于采集轨道梁侧面图像。当然，为了检测的全面性，优选所述轨道梁信息采集装置包括走行面信息采集装置和轨道梁侧面信息采集装置。

进一步地，所述轨道梁信息采集装置包括至少两个所述轨道梁侧面信息采集装置，接触轨所处水平面的上方和下方分别至少设置一个所述轨道梁侧面信息采集装置。

接触轨设置于轨道梁的侧面上，视觉上将轨道梁侧面分为上、下两个部分。如果仅设置一个轨道梁侧面信息采集装置，由于接触轨的遮挡，可能无法采集到完整的轨道梁侧面图像。为了采集的图像更加完整，尽量不遗漏任何死角，优选用不同的轨道梁侧面信息采集装置分别采集被接触轨分为上、下两个部分的轨道梁侧面图像，如此可以减少图像采集死角。当然，可以进一步增加所述轨道梁侧面信息采集装置的数量至两个以上，以便采集到更加完整的图像。

进一步地，所述轨道梁信息采集装置具有第二外壳，所述第二外壳内部固定设置线阵相机，所述第二外壳壳体上设有第二视窗，所述线阵相机通过所述第二视窗采集轨道梁图像信息。

线阵相机是采用线阵图像传感器的相机，拍摄的图像为“线状”，只有几个像素的宽度，长度可达几千像素。通常运用在被拍摄物体与相机有相对运动的场景中。线阵相机在运动过程中连续拍摄多幅“线状”图像，并通过相机软件处理集成为一幅完整的图像，可以实现对大幅面物体的高精度拍摄。本方案中利用线阵相机对轨道梁表面图形进行采集，之后将采集到的图像传输至检测系统主机，由检测系统主机对图像进行处理，识别图像中的裂纹、凹坑等缺陷。

第二外壳为密封结构，可以有效地防止外界的浮尘等因素对内部线阵相机的影响，提高检测精度并延长使用寿命。第二外壳可以用金属材料制成，增加结构强度，在壳体上开孔，然后用光学镜片密封设置于开孔处，形成所述第二视窗。

进一步地，所述第二视窗外侧连接有遮光檐，所述遮光檐具有向外突出的扁平开孔，所述线阵相机通过所述扁平开孔采集轨道梁图像信息。

在线阵相机采集图像时，如果外部环境光线照射第二视窗镜头，会对成像产生干扰。为了防止外界光线干扰，可以在第二视窗外侧设置遮光檐，遮光檐具有一个向外突出的扁平开孔，线阵相机可以通过扁平开孔采集轨道梁图像信息，而环境光线则不会产生干扰，此外，遮光檐还能防止灰尘和水等杂质沾染第二视窗上的镜头，保持镜头的明亮。

进一步地，还包括测速轮和光电编码器，所述测速轮设置于所述车身的底盘上，所述光电编码器根据所述测速轮轮轴转动等间距地向所述线阵相机输出脉冲信号，控制所述线阵相机等间距进行图像采集。

线阵相机在采集轨道梁图像时，需要等间距拍摄采集，在工程车匀速行进的情形下，可以将线阵相机设置为按一定的频率进行采样。但是，现实中，由于突发因素较多，工程车在行进时可能无法保持匀速，所以，线阵相机按一定的频率进行采样也可能不是等间距的。

为了解决工程车在非匀速行进情形下线阵相机等间距拍摄采集的问题，在工程车的底盘上设置测速轮，测速轮随工程车行进同步转动，将光电编码器安装在测速轮轮轴上。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。因此，当测速轮轮轴转动时，带动光电编码器的内轴同步转动，光电编码器根据旋转角度等间距地输出信号给线阵相机，使线阵相机实现等间距图像采集。同时光电编码器的输出结果可以作为计算工程车运行里程的依据，由主机采集并计算里程。

进一步地，还包括电感式接近开关，所述电感式接近开关设置于所述车身的底盘上，用于探测金属指型板。

跨座式单轨轨道是由多段混凝土轨道梁连接而成的，轨道梁信息采集装置采集轨道梁图像时，可能会将两段混凝土轨道梁连接处的缝隙采集进图像中，从而使得检测系统主机将连接处缝隙错误地识别为裂缝。由于两段轨道梁之间是利用金属指型板进行连接的，所以，为了避免上述错误发生，可在车身的底盘上设置电感式接近开关对金属指型板进行探测。电感式接近开关由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场，当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到对金属指型板非接触式检测的目的。当电感式接近开关探测到金属指型板后，向检测系统主机发送信号，使主机得以识别出金属指型板所在的位置，并在轨道梁图像中剔除指型板图像或控制轨道梁信息采集装置在金属指型板所在位置不进行图像采集，从而避免错误地将轨道梁连接处识别为裂缝。

进一步地，还包括线光源，用于为所述轨道梁信息采集装置补光。在外界环境光线不佳的情形下，帮助所述轨道梁信息采集装置获得优质的图像。

进一步地，还包括限界检测装置，用于检测车辆限界内是否存在障碍物。

在轨道交通领域，限界是指为保证运输安全而制定的建筑物、设备与车辆相互间在线路上不能逾越的轮廓尺寸线，分建筑接近限界和车辆限界两种。前者是位于轨道路线两边的建筑物不容许侵入的轮廓线，后者是车辆本身及其装载的货物不容许越出的轮廓线，两者之间应留出一定的空隙。另外，在曲线地段，由于车辆两端向曲线外侧凸出，车辆中部向曲线内侧凸出，且因设置外轨超高引起车辆向曲线内侧倾斜，所以应照基本限界的横向宽度作适当加大，称作限界加宽。设定限界之后，运行中的车辆就不会与沿线建筑物发生碰撞。

巡检工程车在轨道上行进时，需要对限界内是否存在障碍物进行识别，如果发现障碍物，需要及时向检测系统主机反馈报警信息。障碍物检测装置可以用现有技术，比如基于视觉信息的各类障碍物检测装置，在此不做赘述。障碍物检测装置的安装位置不做具体限定，无论是安装在车身上还是安装在悬挂侧厢上，只要能采集到需要的信息即可。

本发明提供的一种用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统，所述工程车包括车身和与所述车身连接的悬挂侧厢，所述检测系统包括接触轨信息采集装置、轨道梁信息采集装置和检测系统主机。所述悬挂侧厢上设有用于采集轨道梁和接触轨图像信息的接触轨信息采集装置和用于采集轨道梁表面图像信息的轨道梁信息采集装置，车身内设有检测系统主机。巡检工程车可以通过行走机构在跨座式单轨轨道上行进，接触轨信息采集装置将行进过程中采集到的轨道梁和接触轨图像信息发送到检测系统主机，由检测系统主机根据接触轨图像信息分析获取接触轨的安装位置及磨损程度信息，轨道梁信息采集装置将行进过程中采集到的轨道梁图像信息发送到检测系统主机，由检测系统主机根据轨道梁图像信息分析轨道梁表面是否存在裂纹、凹陷等缺陷。

进一步地，所述检测系统还包括限界检测装置，对车辆限界内是否存在障碍物进行检测。本发明提供的跨座式单轨巡检工程车上的检测系统集成了接触轨检测、轨道梁检测、限界检测三种功能，取代传统的人工巡检方式，节省了人力和时间，提高了检测效率，此外，检测标准更加统一，避免了因巡检人员个人经验不同而导致的巡检结果偏差，使得检测结果更加可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为跨座式单轨巡检工程车外观整体示意图；

图2为接触轨横截面示意图；

图3为悬挂侧厢与轨道相对一侧的结构示意图；

图4A为本发明一个实施例中接触轨信息采集装置外部结构示意图；

图4B为本发明一个实施例中接触轨信息采集装置内部结构示意图；

图5为本发明一个实施例中第一接触轨信息采集装置采集到的图像示意图；

图6为本发明一个实施例中第二接触轨信息采集装置采集到的图像示意图；

图7为本发明一个实施例中标定板示意图；

图8为跨座式单轨巡检工程车车身底盘结构示意图；

图9A为本发明一个实施例中轨道梁信息采集装置外部结构示意图；

图9B为本发明一个实施例中轨道梁信息采集装置内部结构示意图。

其中，附图中标记如下：

100-车身，110-测速轮，120-电感式接近开关，200-悬挂侧厢，210-第一接触轨信息采集装置，211-第一外壳，212-面阵相机，213-一字线型激光器，214-第一视窗，220-第二接触轨信息采集装置，230-第一轨道梁信息采集装置，231-第二外壳，232-线阵相机，233-遮光檐，240-第二轨道梁信息采集装置，250-第三轨道梁信息采集装置，260-线光源，310-轨道梁，311-走行面，320-接触轨，321-铝轨本体，322-不锈钢带。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～9，图1为跨座式单轨巡检工程车外观整体示意图；图2为接触轨横截面示意图；图3为悬挂侧厢与轨道相对一侧的结构示意图；图4A为本发明一个实施例中接触轨信息采集装置外部结构示意图；图4B为本发明一个实施例中接触轨信息采集装置内部结构示意图；图5为本发明一个实施例中第一接触轨信息采集装置采集到的图像示意图；图6为本发明一个实施例中第二接触轨信息采集装置采集到的图像示意图；图7为本发明一个实施例中标定板示意图；图8为跨座式单轨巡检工程车车身底盘结构示意图；图9A为本发明一个实施例中轨道梁信息采集装置外部结构示意图；图9B为本发明一个实施例中轨道梁信息采集装置内部结构示意图。

如图1所示，一种跨座式单轨巡检工程车，大致可以分为上下两个部分，上部为车身100，下部为连接于车身100上的悬挂侧厢200。车身100内部设有驾驶室、控制室等，驾驶室用于司机控制车辆的运行，控制室中设有检测系统主机。工程车底盘上设有行走机构，由电力或者内燃机提供驱动力，驱动工程车在跨座式单轨轨道上行进。

车身100的两侧均连接有悬挂侧厢200，悬挂侧厢200与轨道相对的一侧(内侧面)上设有连接支架，所述连接支架用于安装固定各种检测用的传感器模块。所述传感器模块与所述检测系统主机通信连接，所述传感器模块将采集到的各种信息传输至所述检测系统主机，由检测系统主机进行汇总分析，获取相应的检测结果。

跨座式单轨轨道包括混凝土制轨道梁310和连接于轨道梁310两侧的接触轨320。在工程车巡检过程中，需要对轨道梁310和接触轨320进行全面检测。接触轨检测中包括安装位置检测和磨损检测。如图2所示，接触轨320中的钢铝复合轨包括铝轨本体321和不锈钢带322，不锈钢带322虽然属于耐磨材料，但是在长期使用后，还是会产生磨损，所以需要检测不锈钢带322的磨损是否超过限定值。

如图3所示，悬挂侧厢200与轨道相对一侧的连接支架上固定安装有第一接触轨信息采集装置210和第二接触轨信息采集装置220，且两个接触轨信息采集装置(210，220)的安装位置存在一定的高度差。位于上方的第一接触轨信息采集装置210用于采集轨道梁走行面311和接触轨320上表面的图像信息，位于下方的第二接触轨信息采集装置220则专门采集接触轨320表面的图像信息。第一接触轨信息采集装置210采集到的图像信息用于分析接触轨320的安装位置，第二接触轨信息采集装置220采集到的图像信息用于分析接触轨320的磨损程度。

本实施例中，如图4A和4B所示，第一接触轨信息采集装置210和第二接触轨信息采集装置220的结构是一致的，均具有第一外壳211，所述第一外壳211内部固定设置面阵相机212和一字线型激光器213。所述第一外壳211壳体上设有第一视窗214，所述一字线型激光器213通过所述第一视窗214将激光投射至轨道表面，所述面阵相机212通过所述第一视窗214采集投射至轨道表面的激光图像信息。面阵相机212和一字线型激光器213固定后，两者轴线之间成一定的夹角，该夹角根据应用场景、拍摄距离等因素可以自行进行设定，本实施例中，面阵相机212和一字线型激光器213之间的夹角可以在23°到39°范围内。

为了获得轨道梁走行面311和接触轨320上表面的图像信息，第一接触轨信息采集装置210安装于轨道梁走行面311所在平面的上方，采用倾斜向下的视角采集图像，本实施例中，第一接触轨信息采集装置210向下的倾角(安装平面与水平面之间的夹角)可以设置在30°到40°范围内，优选为35°。第二接触轨信息采集装置220专门用于采集接触轨320的图像，其安装位置是比较灵活的，可以安装在接触轨320的上或下方采用倾斜视角采集图像，也可以正对接触轨320外表面，总之，只要能采集到接触轨320完整外表面图像的安装位置都是可以接受的。

第一接触轨信息采集装置210采集到的激光图像信息如图5所示，其中线条A对应投射在轨道梁走行面311上的激光，线条B对应投射在接触轨320上表面的激光。所述检测系统主机对图像信息进行分析、计算，可以获取线条A和线条B之间的空间距离，即为轨道梁310走行面311与接触轨320上表面之间的高度差。通过所述高度差，即可获知接触轨320在轨道梁310上的安装位置，以此判断安装位置是否处于可接受范围内。

第二接触轨信息采集装置220采集到的激光图像信息如图6所示，其中线条C对应投射在接触轨320上不锈钢带322表面的激光。如图2所示，接触轨320主体钢铝复合轨包括铝轨本体321和不锈钢带322，不锈钢带322凸出于铝轨本体321，两者的连接位置出现两个特征点P1和P2。因此，如图6所示，当激光投射在接触轨320表面上时，也会形成两个对应的特征点p1和p2。所述检测系统主机对图像信息进行分析、计算，可以获取特征点p1与线条C之间的空间距离以及取特征点p2与线条C之间的空间距离，以上述两个空间距离表征接触轨320表面凸起的高度值，并以此判断接触轨320的磨损程度是否处于可接受范围内。

在本发明的一个实施例中，所述检测系统主机通过第一接触轨信息采集装置210采集到的激光图像信息，获取接触轨320安装位置的方法，包括以下步骤：

步骤1A，将矩阵卷积算法引入到Steger算法中，提取每一帧图像中的结构光条纹中心。

Steger算法原理为：二维图像中的曲线结构在其法向上n(t)可近似为具有类抛物型分布，因此在期望的中心点上具有一阶方向导数为0，二阶方向导数是一个较大绝对值的特征。所以Steger算法的实现步骤分为三步，首先为确保图像的一般性去噪以及逐点微分，一般利用高斯核(Gaussian Kernels)对图像进行卷积；其次计算曲线的法向方向；最后选取满足上述方向导数特征的点，即为期望获取的中心点。

为了提升运算能力，本发明运用Nvidia GPU高性能并行计算框架CUDA，实现了快速高效的卷积运算，对传统的Steger算法进行改进，使得其计算能力提升了约20倍。本方案不仅极大地降低了运算时间，而且本方案能够处理高速获取的大量图像信息，使得整个算法的实现成为可能。

步骤1B，对提取到的光条纹中心，通过匹配算法，对图像的特征位置分析，提取特征线条。

根据轨道梁310和接触轨320的几何形态，首先设计标准平行线、梯形结构作为对比模版。采集到的图像信息中，提取的光条纹中心也具有相应的平行线、梯形结构。以所述对比模版与特定光条中心邻域之间的结构信息熵Φ为依据，进行两者结构之间的相似度分析，选取相似度最大的光条中心作为光条曲线上梯形特征的定位，从而获得线条A和线条B光条纹中心点的具体图像坐标。

同样地，为了提升运算能力，本发明运用Nvidia GPU高性能计算框架CUDA，将传统算法中的顺序执行改进为并行执行，提高了匹配的计算性能，实现了批量化处理能力及实时性。

步骤1C，计算线条A和线条B之间的图像坐标中的高度差，再将图像坐标中的高度差换算成世界坐标系中的实际高度差，即为轨道梁走行面311与接触轨320上表面之间的高度差。

通过对接触轨信息采集装置进行标定，获取图像坐标系与空间坐标系的坐标转换方程。标定是获得二维图像坐标和三维空间坐标之间转换关系的过程，具体方法为：如图7所示，设置一标定板，标定板通常为棋盘格图案，每个棋盘格的尺寸已知。首先，使用相机拍摄标定板的图像，将多幅标定板图像通过计算消除图像的像差。其次，拍摄多幅激光照射在标定板上的图像，由于标定板每个棋盘格尺寸已知，可将多条激光光条直线拟合为激光平面方程，并获得图像坐标与空间坐标的转换关系方程。

将线条A上的点和线条B上的点，分别带入坐标转换方程，将二维坐标转换为三维坐标，即可获得两条空间直线上点的坐标，将两条空间直线上的点分别拟合为空间直线方程，再运用空间几何知识计算两直线之间的距离，即为需要测量的接触轨320上表面与轨道梁走行面311的高度差。

在本发明的一个实施例中，所述检测系统主机通过第二接触轨信息采集装置220采集到的激光图像信息，获取接触轨320磨损程度信息的方法，包括以下步骤：

步骤2A，将矩阵卷积算法引入到Steger算法中，提取每一帧图像中的结构光条纹中心。其具体方法与前述步骤1A相同。

步骤2B，对提取到的光条纹中心，通过匹配算法，对图像的特征位置分析，提取特征点。

接触轨320表面具有显著的转折点P1和P2，通过匹配算法，识别出图像中特征点p1、p2以及线条C。其中，匹配算法与步骤1B所述的方法相似，以预先设计的标准特征点对比模板，以所述对比模版与特定光条中心邻域之间的结构信息熵Φ为依据，进行两者结构之间的相似度分析，选取相似度最大的光条中心作为光条曲线上特征点的定位。

步骤2C，计算特征点p1和p2之间凸起的高度，再将图像坐标中的高度差换算成世界坐标系中的实际高度差，与初始高度差进行对比即可获取接触轨320的磨损程度信息。

识别出图像中特征点p1、p2以及线条C后，并获取特征点p1、p2的坐标以及线条C上点集的坐标。将上述坐标分别带入坐标转换方程，将二维坐标转换为三维坐标，将线条C上的点拟合为空间直线方程，通过空间几何知识，计算特征点p1到空间直线的距离以及特征点p2到空间直线的距离，作为接触轨320侧面凸起的高度值。通过特征点p1到空间直线的距离以及特征点p2到空间直线的距离，不仅可以获取接触轨320的整体磨损程度信息，还可以进一步获知接触轨320是否发生了偏磨，如特征点p1到空间直线的距离超过合理范围，而特征点p2到空间直线的距离未超过合理范围，则说明接触轨320上端表面磨损程度比下端表面严重，根据偏磨信息可以对接触轨320进行调整。

此外，轨道梁310在使用过程中由于应力、老化和其他因素的影响，会产生裂纹等缺陷，因此需要通过裂纹检测，判断裂纹的病害等级、发展趋势等信息。

如图3所示，悬挂侧厢200与轨道相对一侧的连接支架上还固定安装有第一轨道梁信息采集装置230和第二轨道梁信息采集装置240。由于接触轨320安装于轨道梁310侧面，因此，第一轨道梁信息采集装置230用于采集接触轨320上部的轨道梁310侧面图像，第二轨道梁信息采集装置240用于采集接触轨320下部的轨道梁310侧面图像。

此外，如图8所示，巡检工程车的车身100底盘上还固定安装有第三轨道梁信息采集装置250，用于采集轨道梁310走行面的图像。

在外界环境光线不佳的情形下，轨道梁信息采集装置(230，240，250)需要补光以获取质量更好的图像，因此，在轨道梁信息采集装置(230，240，250)附近还设置有线光源260，用于为轨道梁信息采集装置(230，240，250)补光。所述线光源260的安装位置不做具体限定，只要能实现补光功能都是可以接受的。

本实施例中，如图9A、9B所示，第一轨道梁信息采集装置230、第二轨道梁信息采集装置240和第三轨道梁信息采集装置250的结构是一致的，均具有第二外壳231，所述第二外壳231内部固定设置线阵相机232，所述第二外壳231壳体上设有第二视窗，所述线阵相机232通过所述第二视窗采集轨道梁310图像信息。

如图9A所示，所述第二视窗外侧连接有遮光檐233，所述遮光檐233具有向外突出的扁平开孔，所述线阵相机232通过所述扁平开孔采集轨道梁310表面图像信息。

在本发明的一个实施例中，通过轨道梁信息采集装置采集到的图像信息，获取轨道梁310裂纹信息的方法，包括以下步骤：

步骤3A，跨座式单轨轨道梁信息采集装置分别获取轨道梁走行面311、轨道梁310侧面接触轨320以上部分和轨道梁310侧面接触轨320以下部分的图像信息，并将所述图像信息传输至主机。

步骤3B，所述主机获取所述图像信息后，通过裂纹识别算法从图像中识别是否存在裂纹，若图像中存在裂纹，分析获取裂纹信息。

所述裂纹识别方法具体包括：建立CNN卷积神经网络模型，所述模型包括输入层、隐含层、输出层；对CNN卷积神经网络模型进行训练，将大量经过人工标注了裂纹信息的样本图像输入所述CNN卷积神经网络模型，将标注结果作为期望输出；将所述主机获取的图像信息输入训练好的CNN卷积神经网络模型，输出图像裂纹识别结果以及裂纹信息。

如图8所示，巡检工程车的车身100底盘上还固定安装有测速轮110和光电编码器，测速轮110随工程车行进同步转动，光电编码器安装在测速轮110轮轴上。当测速轮110轮轴转动时，带动光电编码器的内轴同步转动，光电编码器等间距地输出脉冲信号给线阵相机或者检测系统主机，控制线阵相机实现等间距图像采集。同时，光电编码器将脉冲信号输出给检测系统主机，可以作为计算巡检工程车运行里程的依据，从而获取巡检工程车的位置或者定位轨道梁310缺陷的位置。

如图8所示，巡检工程车的车身100底盘上还固定安装有电感式接近开关120，用于探测金属指型板。当电感式接近开关120探测到金属指型板后，向检测系统主机发送信号，使主机得以识别出金属指型板所在的位置，并在轨道梁图像中剔除指型板图像或控制轨道梁信息采集装置在金属指型板所在位置不进行图像采集，从而避免错误地将轨道梁310连接处识别为裂缝。

巡检工程车除了具有接触轨检测和轨道梁检测功能外，还具有限界检测功能。巡检工程车的车身100前端还安装有两台激光雷达，激光雷达向工程车两侧扫描，雷达的扫描范围可达360°，探测距离可以覆盖限界范围。当限界内出现障碍物时，激光雷达即可探测到障碍物，检测系统主机会记录数据并发出侵限警告，以实现限界扫描的功能。

本发明提供的巡检工程车上的检测系统集成了接触轨检测、轨道梁检测、限界检测三种功能，取代传统的人工巡检方式，节省了人力和时间，提高了检测效率，此外，检测标准更加统一，避免了因巡检人员个人经验不同而导致的巡检结果偏差，使得检测结果更加可靠。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统，其特征在于，包括：

设置于工程车车身内部的检测系统主机；

设置于工程车悬挂侧厢与轨道相对一侧的接触轨信息采集装置，所述悬挂侧厢与所述车身相连接，所述接触轨信息采集装置用于采集轨道梁和接触轨图像信息，所述检测系统主机根据所述轨道梁和接触轨图像信息检测所述接触轨的安装位置及磨损程度；

用于采集轨道梁表面图像信息的轨道梁信息采集装置，所述检测系统主机根据所述轨道梁表面图像信息检测轨道梁表面是否存在缺陷。

2.如权利要求1所述的用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统，其特征在于，所述接触轨信息采集装置具有第一外壳，所述第一外壳内部固定设置面阵相机和一字线型激光器，所述第一外壳壳体上设有第一视窗，所述一字线型激光器通过所述第一视窗将激光投射至轨道表面，所述面阵相机通过所述第一视窗采集投射至轨道表面的激光图像信息。

3.如权利要求1所述的用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统，其特征在于，所述轨道梁信息采集装置包括设置于车身底盘的走行面信息采集装置和/或设置于所述悬挂侧厢与轨道相对一侧的轨道梁侧面信息采集装置。

4.如权利要求3所述的用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统，其特征在于，所述轨道梁信息采集装置包括至少两个所述轨道梁侧面信息采集装置，接触轨所处水平面的上方和下方分别至少设置一个所述轨道梁侧面信息采集装置。

5.如权利要求1所述的用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统，其特征在于，所述轨道梁信息采集装置具有第二外壳，所述第二外壳内部固定设置线阵相机，所述第二外壳壳体上设有第二视窗，所述线阵相机通过所述第二视窗采集轨道梁表面图像信息。

6.如权利要求5所述的用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统，其特征在于，所述第二视窗外侧连接有遮光檐，所述遮光檐具有向外突出的扁平开孔，所述线阵相机通过所述扁平开孔采集轨道梁图像信息。

7.如权利要求5所述的用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统，其特征在于，还包括测速轮和光电编码器，所述测速轮设置于所述车身的底盘上，所述光电编码器根据所述测速轮轮轴转动等间距地向所述线阵相机输出脉冲信号，控制所述线阵相机等间距进行图像采集。

8.如权利要求1所述的用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统，其特征在于，还包括电感式接近开关，所述电感式接近开关设置于所述车身的底盘上，用于探测金属指型板。

9.如权利要求1所述的用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统，其特征在于，还包括线光源，用于为所述轨道梁信息采集装置补光。

10.如权利要求1～9任一项中所述的用于跨座式单轨巡检工程车的检测系统，其特征在于，还包括限界检测装置，用于检测车辆限界内是否存在障碍物。

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