CN114543661A - 地铁车辆360°图像检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁车辆360°图像检测系统及其检测方法，该系统包括轨旁设备、现场控制中心和远程控制中心，现场控制中心与轨旁设备和远程控制中心通信连接；轨旁设备包括基本检测单元和龙门架，基本检测单元设在龙门架上或龙门架下的轨道处，采集受电弓、车顶、车侧和车底图像，基本检测单元的检测模块采用全析日盲成像技术，检测模块包括2D检测模块和3D检测模块，3D检测模块采用CCD复眼技术。本发明集新型全日盲技术、新型激光三角法CCD复眼三维成像技术等于一体，在强环境光照射下可对车顶、受电弓、车侧、车底等进行全自动360°动态检测并完成智能分析，在保障安全情况下提高地铁检测效率，实现日检全检。

Description

地铁车辆360°图像检测系统及其检测方法

技术领域

本发明具体涉及一种地铁车辆360°图像检测系统及其检测方法，属于轨道交通安全监测技术领域。

背景技术

近年来，我国城市轨道交通行业快速发展，地铁客流量不断高升，地铁为乘客带来舒适安全的乘坐环境的同时也承受着外界风吹日晒雨淋等各种自然或者非自然的缓慢侵蚀，长时间的运营服务给车厢外体带来的压力越来越大，车身尤其是车顶、车底会出现各种各样的损伤，长此以往可能会给运营造成安全事故影响到正常运营，现有检测主要靠人工定期检修，虽然可以准确的判定车厢状况但依然存在以下的不足：(1)人工检测需要停车检测，耗时长劳动强度大。(2)人工检测过程中存在一定的人身安全隐患，同时也存在着对车顶部件造成接触破坏的风险。

国内第一套视觉车辆检测系统于2006年问世，其技术发展包括采用1394接口摄像结合氙气灯成像、网口面阵相机结合频闪灯成像、线阵相机结合线激光、线面结合三维成像，技术的创新改变了传统作业模式，从室外检车到室内检车，从室内检车到人机结合检车，其运用范围覆盖了货车、客车、机车、动车、地铁等车型，使用至今为保障列车运行安全发挥了重大作用，也减轻了检车作业员检车强度，但系统依然存在以下问题：(1)户外强光照射下，传统激光三角法三维成像受阳光干扰影响大；(2)传统三维成像采用线面结合方式，由于2个相机位置不同，其所成像无法实现任意点完全重叠，导致细小部件定位不准识别准确率不高。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种地铁车辆360°图像检测系统。

本发明的目的还在于提供一种地铁车辆360°图像检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

地铁车辆360°图像检测系统，包括轨旁设备、现场控制中心和远程控制中心，现场控制中心与轨旁设备和远程控制中心通信连接；所述轨旁设备包括基本检测单元和龙门架，基本检测单元设置在龙门架上或穿过龙门架下方的轨道处，可采集受电弓、车顶、车侧和车底的图像，基本检测单元采用模块化设计且设为多个检测模块，各检测模块采用全析日盲成像技术，检测模块包括2D检测模块和3D检测模块，其中3D检测模块采用CCD复眼技术。

进一步地，所述基本检测单元分为车顶图像检测模块、车侧可视部件图像检测模块、车底可视部件图像检测模块；其中，所述车顶图像检测模块包括羊角检测模块、受电弓及弓网压力检测模块、车顶检测模块，羊角检测模块位于龙门架两侧框架上端侧面，受电弓及弓网压力检测模块位于龙门架顶部平台的中间，所述车顶检测模块位于龙门架顶部平台上；所述车侧可视部件图像检测模块包括车侧中上部检测模块、车侧中下部检测模块，二者位于龙门架两侧框架上；所述车底可视部件图像检测模块包括转向架检测模块和车底检测模块，转向架检测模块位于轨道外侧且位于龙门架的旁边，车底检测模块设在轨道上。

进一步地，所述车顶检测模块包括分立设置的车顶2D检测模块和车顶3D检测模块；所述车侧可视部件图像检测模块设为2D检测模块；所述车底可视部件图像检测模块设为集成一体化的2D检测模块和3D检测模块。

进一步地，所述车底检测模块采用底沉箱的安装防护方式且安装在轨道两个轨枕中间。

进一步地，所述轨旁设备还包括吹风除尘排水装置，吹风除尘排水装置位于所述车底检测模块上。

进一步地，所述轨旁设备还包括车轮传感器、车号模块，通过采集车轮传感器的信号，实现自动计轴计辆、测速；车号模块包括光电对管，通过光电对管获得列车进线和离线信息。

进一步地，所述现场控制中心实现所述基本检测单元的供电、控制、数据和图像的采集、分析处理、存储，同时与所述远程控制中心进行通讯；所述现场控制中心包括有图像处理计算机、设备控制箱、车轮传感器处理装置、车号工控机、交换机、数据服务器、不间断电源、防雷箱。

进一步地，所述基本检测单元的各检测模块的镜头均外镀纳米材料防水膜。

地铁车辆360°图像检测方法，包括：

(1)当列车车辆接近所述检测系统，通过车轮传感器对车辆自动计轴、计辆、测速，通过车号模块自动识别车号，实现车辆图像与车号的匹配；

(2)通过车号检索本系统的数据库，提取列车的标准图像以及标准模型；通过获取的车速控制基本检测单元的相机进行图像采集；

(3)通过对采集的图像数据处理，形成列车可视部件的3D数据模型，可对3D数据模型进行多角度查看；

(4)将处理后的3D数据模型与所述标准模型进行自动比对，对车辆进行自动360°动态检测，并完成智能分析。

进一步地，所述比对：当没有发现异常，则将采集到的图像数据来修正标准库，进行历史图像数据库的更新与历史模型数据的在线学习；

当发现异常，则按异常情况部位及类型报警，通知人工确认并检修；具体的，如处理后图像分别按转向架、车体裙板、车体连接处和底板四个部位进一步分析识别，对异常情况按部位及类型报警。

本发明的地铁车辆360°图像检测系统是一套集新型全日盲技术、新型激光三角法CCD复眼三维成像技术、新型AB帧全析成像技术以及传统的高速FPGA三维图像实时处理技术、深度学习建模技术、整幅识别技术、智能化、网络化技术以及自动控制技术于一体的高端智能系统，其设计目的是系统可在强环境光照射下，对车辆的顶部、受电弓滑板、车侧车窗，裙板、车辆走行部、车钩缓部、车底部关键部件进行全自动360°动态检测，并完成智能分析，本发明是一个综合控制系统、图像采集系统、图像分析识别的综合系统。

本发明的地铁车辆360°图像检测系统在保障安全情况下提高地铁检测效率，实现日检全检。

本发明的地铁车辆360°图像检测系统在保证计划任务完成的情况下，降低企业用工成本和劳动强度。

本发明的地铁车辆360°图像检测系统为智慧车辆段，提供新的技术手段。

本发明的地铁车辆360°图像检测系统的系统功能如下：

(1)系统具备三维成像功能

系统采用新型激光三角法CCD复眼三维成像技术，实时获取车辆走行部、车底部、车侧部、受电弓滑板、车顶部三维成像，同时具备走行部区域三维图像展示功能。

(2)系统具备抗阳光干扰功能

系统采用新型抗阳光干扰技术(位于基本检测单元的各个相机模块上，位于相机镜头和激光光源镜头处)，通过光源特征滤除环境光影响，从而获取到完美图像。

(3)系统具备图像智能识别及报警功能

系统可实现关键部件可视部位图像自动监测，通过深度学习算法，建立标准模型，将当前列车与历史车辆数据模型进行对比，实现故障的自动识别与预警。(4)系统采用纳米技术实现镜头防雨水功能

全析日盲模组镜头镀纳米材料防水膜，实现系统接车时，雨水滴落镜头时，无法粘在镜头上，有效避免雨水对成像的影响。

(5)系统具备关键部件精准定位功能

异常信息精确到故障类型、部件位置、名称、类别，可具体到车厢、部件，部件都有唯一标识，便于快速精准定位。

(6)系统具备关键部件测量功能

系统采用三维相机标定技术及三维信息的处理实现闸片、撒沙管、排石器、车端前罩等部件的尺寸测量。

(7)系统具备WEB页图像实时浏览功能

系统采用B/S架构，检修基地检修部门、各级相关管理部门均可通过网页形式，实时查阅系统过车的图像及故障信息。

(8)系统预留5G传输通道

系统数据存储服务器采用板卡集成方式，通过嵌入式集成5G模块，实现重要数据共享化传输，加强系统分级管理能力。

附图说明

图1是本发明系统现场布置图；

图2是本发明系统部分组成框图1；

图3是本发明系统部分组成框图2；

图4是本发明系统组成；

图5是基本检测单元示意图：(a)俯视图；(b)采集装置布置图；(c)主视图；(d)左视图；

图6是工作流程：(a)总体流程；(b)细节流程；

图7是车辆信息获取：(a)车速自动测量(b)车型判断、计轴计辆；(c)车号识别；

图8是使用全析日盲三维成像技术展示阳光直射条件下的采集效果图；

图9是使用CCD复眼技术展示采集效果图；

其中，A-车顶图像检测模块，A1-羊角检测模块，A2-受电弓及弓网压力检测模块，A3-车顶检测模块，A31-车顶2D检测模块，A32-车顶3D检测模块；

B-车侧可视部件图像检测模块，B1-车侧中上部检测模块，B2-车侧中下部检测模块；

C-车底可视部件图像检测模块，C1-车底转向架检测模块，C2-车底检测模块；

D-磁钢；

E-光电对管；E1-进线光电对管，E2-离线光电对管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

参见图1至图7所示，本实施例的地铁车辆360°图像检测系统包括轨旁设备、现场控制中心和远程控制中心，现场控制中心与轨旁设备、以及远程控制中心通信连接。

关于轨旁设备，位于检测现场，实现系统的检测功能。轨旁设备包括基本检测单元、车轮传感器、车号模块等。

车轮传感器即为磁钢D，通过夹持装置安装在轨道钢轨一侧且紧邻龙门架，位于列车进线方向一侧，通过采集车轮传感器信号，实现自动计轴计辆、测速。

车号模块即为光电对管E，包括进线光电对管E1和离线光电对管E2，二者分别位于龙门架的前后两侧且位于轨道的两侧，通过光电对管E获得列车进线和离线信息，控制系统在列车进线时开启，在列车离线后进入待机状态，进线光电对管E1和离线光电对管E2分别判断有车进和有车出，从而形成完整的车辆信息。

基本检测单元分布在龙门架以及穿过该龙门架下的轨道处，基本检测单元均采用模块化设计，基本检测单元分为车顶图像检测模块A、车侧可视部件图像检测模块B、车底可视部件图像检测模块C，均使用了全析日盲三维成像技术，具体的：

车顶图像检测模块A包括羊角检测模块A1、受电弓及弓网压力检测模块A2、车顶检测模块A3，羊角检测模块A1位于龙门架两侧框架上端侧面，受电弓及弓网压力检测模块A2龙门架顶部平台中间，车顶检测模块A3包括2D检测模组和3D检测模组，两个检测模组分开，非集成化设计，即车顶2D检测模块A31和车顶3D检测模块A32，位于龙门架顶部平台上。

车顶监控采用多角度摄像、高清相机、以及大屏幕回放展示，重点关注车顶关键部件以及车顶异物。

车侧可视部件图像检测模块B包括车侧中上部检测模块B1、车侧中下部检测模块B2，二者位于龙门架两侧框架上。车侧可视部件图像检测模块B为2D检测模组。

车底可视部件图像检测模块C包括车底转向架检测模块C1和车底检测模块C2，车底转向架检测模块C1位于轨道外侧且位于龙门架的旁边，车底检测模块C2横跨轨道，具体的，车底检测模块C2采用底沉箱的安装和防护方式，安装在轨道两个轨枕中间。

车底可视部件图像检测模块C为3D检测模组，但是该3D检测模组内含一组3D模组和一组2D模组，采用集成设计模块化。车底可视部件图像检测模块C不仅可以实现平面图像采集，也可以是进行3D图像的采集(原理：一条单线细激光投射物体表面，由于物体表面高度变化，使得激光线发生弯曲，根据这个线的弯曲，可以计算出物体表面的三维轮廓)。优选的，轨旁设备还包括吹风除尘排水装置，吹风除尘排水装置位于车底可视部件图像检测模块C上。

上述轨旁设备的功能：

(1)车辆信息采集功能：通过采集车轮传感器信号，实现自动计轴计辆、测速；通过图像车号识别装置获得车号信息，形成完整的车辆信息；

(2)车底、车侧、车顶图像采集功能：采用新型抗阳光干扰技术获取到完美图像，能够对车辆轨外侧底部、侧部及顶部可视部件进行图像采集，采集范围主要包括：底部可视部件(车体底部及转向架制动装置、传动装置、牵引装置、轮轴、车钩装置等)，侧部可视部件(转向架及轴箱、车端连接部等)，车顶可视部件(空调外观、避雷器外观、受流器、无线电天线等车顶关键部件和车顶异物)。

(3)3D成像功能：能够对车辆轨外侧、底部及侧部转向架可视部件进行3D数据采集，形成列车可视部件的3D数据模型，并可对3D数据模型进行多角度查看；

(4)图像自动识别报警功能：能够检测受电弓磨耗、中心线偏移；能够分别按转向架、车体连接处、底板等可视部位图像自动监测，通过深度学习算法，建立标准模型，将当前列车与历史车辆数据模型进行对比，实现故障的自动识别与预警。异常信息精确到故障类型、部件位置、名称、类别，可具体到车厢、部件，部件都有唯一标识，便于快速精准定位。

(5)关键部件测量功能：系统采用三维相机标定技术及三维信息的处理实现闸片、撒沙管、排石器、车端前罩等部件的尺寸测量。

关于现场控制中心，即为机房设备，实现基本检测单元的供电、控制、数据和图像的采集、分析处理、存储，同时与远程控制中心进行通讯。现场控制中心包括有图像处理计算机、设备控制箱、车轮传感器处理装置、车号工控机、交换机、数据服务器、不间断电源、防雷箱等。图像处理计算机：用于采集列车高清图像，对图像信息处理和传输。数据服务器：用于存储过车信息，历史图像数据，故障图像信息，并实现数据通信。UPS：不间断电源，用于为系统提供停电及电压突变保护。系统配电箱：提供系统设备稳定、可靠的电源。系统主控箱：用于采集磁钢传感器的信号，计轴计辆、测速，控制补偿光源和保护门的开启和关闭。用于控制保护门开闭及激光光源的开关，即图2的设备控制箱。

关于远程控制中心，远程控制中心位于远程控制室，是系统的控制中心、数据管理中心和监控中心，由控制台、控制机及其外围设备构成。在远程控制中心，可以设置系统参数，监控设备的运行状态和检测过程，查看、统计、分析、打印检测数据。

如图6所示，本实施例的地铁车辆360°图像检测系统的检测方法如下：

(1)当列车车辆接近所述检测系统，通过车轮传感器对车辆自动计轴、计辆、测速，通过车号模块自动识别车号，实现车辆图像与车号的匹配(如图8所示)；

(2)通过车号检索本系统的数据库，提取列车的标准图像以及标准模型；通过获取的车速控制基本检测单元的相机进行图像采集；

(3)通过对采集的图像数据处理，形成列车可视部件的3D数据模型，可对3D数据模型进行多角度查看；

(4)将处理后的3D数据模型与所述标准模型进行自动比对：

当没有发现异常，则将采集到的图像数据来修正标准库，进行历史图像数据库的更新与历史模型数据的在线学习；

当发现异常，则按异常情况部位及类型报警，通知人工确认并检修；具体的，如处理后图像分别按转向架、车体裙板、车体连接处和底板四个部位进一步分析识别，对异常情况按部位及类型报警。

本实施例的地铁车辆360°图像检测系统的安装条件如下：

(1)环境条件：海拔高度≤3700m；使用温度：最低-40℃，最高75℃；相对湿度：不大于95％；

(2)安装地点：车辆运营线及入库咽喉线；

(3)通过要求：通过速度≤80km/h；检测速度5～80(km/h)之间的某一速度匀速通过；两列车通过间隔时间：＞3min；

(4)线路条件：线路轨距：1435mm；钢轨类型：50/60轨；线路坡度：直线平坡，直线段不小于50m。

本实施例的地铁车辆360°图像检测系统的技术指标如下：

适应车速：5～80km/h；

图像传输时长：<3min；

目标检测尺寸(部件丢失、位移、形变)：>5mm；

车侧油污、脏污检测尺寸：>50mm×50mm；

测速误差：<5×10-2km/h；

车号及端位识别准确率：>99％；

监测技术指标及精度：≤1mm/pixel；

车顶异物检测精度:±4mm；

车顶异物检测景深范围：3000～4000mm。

本实施例的地铁车辆360°图像检测系统同时采用线阵相机扫描成像和激光三角法成像技术采集通过列车的受电弓、车顶、车侧、车底的二维图像和三维图像，采集图像覆盖通过列车全车外表面。采用图像传感器、光电传感器、电感式传感器等采集车辆车号信息、进离线信息、过车速度信息、车轮轴数信息等车辆信息。结合采集的车辆信息，采用图像处理和深度学习技术对采集的二维和三维图像数据进行分析和处理，实现对通过列车的全车车体外表面的部件的识别、定位、分析及异常检出、报警。采集的三维图像数据用于车体外表面的识别、定位、分析，判定外表面的异常和各个部件的松动、缺失、变形、移位、破损等存在尺寸变化、位置变化、形状变化的异常情况；采集的二维图像用于车体外表面尤其是车侧区域的外观及部件的检测识别，尤其是车侧身脏污、车窗玻璃脏污、车窗玻璃破损等异常情况的检测，同时二维图像用于可视化观测，展示所检测到的异常情况，供人工对检测结果的检验复核。

本实施例的地铁车辆360°图像检测系统运用到的关键技术：

(1)全析日盲三维成像技术，本实施例检测系统的基本检测单元的各个3D模块均使用了全析日盲三维成像技术，全析日盲三维模组集新型抗阳光干扰技术、嵌入式3D解算功能为一体，可在阳光直射相机镜头环境下对移动物体实时输出高精度3D数据，如图8所示。

(2)CCD复眼技术，本实施例检测系统的基本检测单元中的相关3D模块使用了CCD复眼技术，系统单相机同时输出一维灰度数据及二维点云数据，解决了线面对齐难的问题，大大提高了图像识别准确率，同时解决了线扫相机因震动导致线相机与线光源对不齐问题。

(3)二维及三维配合匹配技术

采用三维及二维信息综合匹配技术，实现标准及当前数据的精确识别，实现高精度识别报警(螺栓松动3mm、接地线脱落、防松铁丝丢失)。

以上所述仅为本发明的优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.地铁车辆360°图像检测系统，其特征在于，所述检测系统包括轨旁设备、现场控制中心和远程控制中心，现场控制中心与轨旁设备和远程控制中心通信连接；所述轨旁设备包括基本检测单元和龙门架，基本检测单元设置在龙门架上或穿过龙门架下方的轨道处，可采集受电弓、车顶、车侧和车底的图像，基本检测单元采用模块化设计且设为多个检测模块，各检测模块采用全析日盲成像技术，检测模块包括2D检测模块和3D检测模块，其中3D检测模块采用CCD复眼技术。

2.如权利要求1所述的地铁车辆360°图像检测系统，其特征在于，所述基本检测单元分为车顶图像检测模块、车侧可视部件图像检测模块、车底可视部件图像检测模块；

其中，所述车顶图像检测模块包括羊角检测模块、受电弓及弓网压力检测模块、车顶检测模块，羊角检测模块位于龙门架两侧框架上端侧面，受电弓及弓网压力检测模块位于龙门架顶部平台的中间，所述车顶检测模块位于龙门架顶部平台上；

所述车侧可视部件图像检测模块包括车侧中上部检测模块、车侧中下部检测模块，二者位于龙门架两侧框架上；

所述车底可视部件图像检测模块包括转向架检测模块和车底检测模块，转向架检测模块位于轨道外侧且位于龙门架的旁边，车底检测模块设在轨道上。

3.如权利要求2所述的地铁车辆360°图像检测系统，其特征在于，所述车顶检测模块包括分立设置的车顶2D检测模块和车顶3D检测模块；所述车侧可视部件图像检测模块设为2D检测模块；所述车底可视部件图像检测模块设为集成一体化的2D检测模块和3D检测模块。

4.如权利要求2或3所述的地铁车辆360°图像检测系统，其特征在于，所述车底检测模块采用底沉箱的安装防护方式且安装在轨道两个轨枕中间。

5.如权利要求4所述的地铁车辆360°图像检测系统，其特征在于，所述轨旁设备还包括吹风除尘排水装置，吹风除尘排水装置位于所述车底检测模块上。

6.如权利要求1或2所述的地铁车辆360°图像检测系统，其特征在于，所述轨旁设备还包括车轮传感器、车号模块，通过采集车轮传感器的信号，实现自动计轴计辆、测速；车号模块包括光电对管，通过光电对管获得列车进线和离线信息。

7.如权利要求1或2所述的地铁车辆360°图像检测系统，其特征在于，所述现场控制中心实现所述基本检测单元的供电、控制、数据和图像的采集、分析处理、存储，同时与所述远程控制中心进行通讯；所述现场控制中心包括有图像处理计算机、设备控制箱、车轮传感器处理装置、车号工控机、交换机、数据服务器、不间断电源、防雷箱。

8.如权利要求1或2所述的地铁车辆360°图像检测系统，其特征在于，所述基本检测单元的各检测模块的镜头均外镀纳米材料防水膜。

9.地铁车辆360°图像检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：

(1)当列车车辆接近所述检测系统，通过车轮传感器对车辆自动计轴、计辆、测速，通过车号模块自动识别车号，实现车辆图像与车号的匹配；

(2)通过车号检索本系统的数据库，提取列车的标准图像以及标准模型；通过获取的车速控制基本检测单元的相机进行图像采集；

(3)通过对采集的图像数据处理，形成列车可视部件的3D数据模型，可对3D数据模型进行多角度查看；

(4)将处理后的3D数据模型与所述标准模型进行自动比对，对车辆进行自动360°动态检测，并完成智能分析。

10.如权利要求9所述的地铁车辆360°图像检测方法，其特征在于，所述比对：当没有发现异常，则将采集到的图像数据来修正标准库，进行历史图像数据库的更新与历史模型数据的在线学习；

当发现异常，则按异常情况部位及类型报警，通知人工确认并检修；具体的，如处理后图像分别按转向架、车体裙板、车体连接处和底板四个部位进一步分析识别，对异常情况按部位及类型报警。

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