CN115494113B - 一种用于提升列车走行部红外检测效果的自适应加热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于提升列车走行部红外检测效果的自适应加热方法。现有列车车底部件红外检测方法，采集到的图像缺乏一致性。本发明在垂直于轨道方向设n个高度传感器，获取不同车体部件的高度数据；列车行进方向上，设置加热装置；控制模块通过列车速度获知列车到达加热装置的时间，并依据车体部件的高度数据，调节对应加热阵元的输出功率，确保到达所有车体部件的加热功率相等。本发明结合列车速度信息和高度信息对加热装置各阵元的功率进行动态调节，达到不同距离的部件，红外图像一致的效果；使得原始采集到的数据质量得到提升，降低后端处理的难度，可采用更普通的算法达到原来的效果。
Description
技术领域
本发明属于红外检测技术领域，具体涉及一种用于提升列车走行部红外检测效果的自适应加热方法。
背景技术
铁路不断作为我国国民经济发展的基础支撑性行业之一，不断高速发展，目前我国铁路建设和线路里程均位居全球领先地位，其中中国高速铁路具有世界上发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行时速最高、建设规模最大的特点，引领着世界高铁发展的新潮流。铁路列车通过走行部实现在预先铺设的轨道上行驶，走行部作为铁路列车的关键部件，在整个列车系统中起着承载、走行和牵引等作用，走行部的服役状态对轨道列车的安全运行至关重要。
随着铁路建设和运营技术的不断发展，针对铁路列车运行过程中的地面监测检测技术不断发展。其中，货车领域率先建成了以5T为代表的轨边动态检测设备体系，经过多年发展，现在已发展成更广泛的轨边检测设备，包括基于红外的进行轴温检测的THDS检测系统、基于压力进行车轮运行品质检测的TPDS检测系统，基于图像技术进行车体外观检测的的TFDS系统，基于声学技术进行轴承故障检测的TADS系统，基于光学检测的TWDS系统等。本发明主要针对红外检测系统。
现有铁路列车走行部车底部件的检测方法主要包括两种：一种是通过安装在轨道外侧的点温传感器进行温度测量，通过传感器的测量数值与报警阈值对比，以及绝对基于历史的趋势，对轴承的状态进行综合判断，实现故障检测。
另一种是通过安装在车底的红外相机，采集车底的红外图像，通过对采集的红外图像进行处理，实现故障的诊断。
第二种方法技术上领先于第一种方法，但为了有效提升检测效果，该方法需要进行有效的加热，通过外部热源让车底部件的表面温度发生变化，若存在裂纹等缺陷，由于其散热效果与周围存在差异，在红外图像上就会有不同的表征。然而，由于车底部件复杂，不同的器件的高度差异较大，使用恒定的加热功率，会导致采集到的图像缺乏一致性，需要通过后端的算法来进行校正，不仅增加运算量，效果也较有限。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种用于提升列车走行部红外检测效果的自适应加热方法，根据车体部件高度的不同，控制热源进行功率调节，确保到达不同车体部件的加热功率趋于一致。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于提升列车走行部红外检测效果的自适应加热方法，其特征在于：
在轨道上设置速度传感器，用于获取列车当前位置的速度；
在垂直于轨道方向设置n个高度传感器，所述高度传感器用于获取列车当前位置处，不同车体部件的高度数据；
在列车行进方向上，距离高度传感器一定位置处设置加热装置，所述加热装置包含n列沿轨道宽度方向设置的加热阵元，每列加热阵元包含M个沿列车行进方向设置的加热阵元；
控制模块通过列车速度获知列车到达加热装置的时间，并依据车体部件的高度数据，调节对应加热阵元的输出功率，确保到达所有车体部件的加热功率相等。
具体地，所述每列加热阵元与高度传感器沿轨道宽度方向位置对应。
具体地，所述控制模块内设置有用于调节加热阵元输出功率的映射表，所述映射表内包含有多组一一对应的列车速度、部件高度及加热阵元输出电流数据。
具体地，所述加热阵元输出电流计算方式如下：
Q：需要加热的热量，该热量为一个常量，基于标定得出；
M：加热阵列沿轨道方向的数量，即同一列车部件行进时，会被M个阵元加热，为固定值；
d：相邻加热阵元的中心间距，为固定值；
v：列车速度，可用车轮传感器测得；
k：衰减系数，热量在空气中传播时会产生衰减，为常数；
r：反射系数，当热量从加热阵列传播到列车部件时，有一部分会被反射回空气中，为常数；
I：加热阵元的电流，需要动态控制；
R：加热阵元的电阻值；
H：列车部件的高度，通过传感器测得。
本发明的有益效果：
1)本发明结合列车速度信息和高度信息对加热装置各阵元的功率进行动态调节，实现距离远的用更大的功率，距离近的用较小的功率，使得拍到的红外图像受距离的影响大幅降低，达到不同距离的部件，红外图像一致的效果；
2)本发明使得原始采集到的数据质量得到提升，降低后端处理的难度，可采用更普通的算法达到原来的效果，也可以采用更好的算法达到比以前的方法更好的效果；
3)本发明实施方式简单，具有广阔的市场应用前景，若通过深度学习算法来实现，则需要大量的样本，在铁路领域该思路实施的难度非常高。
附图说明
图1为本发明系统布局俯视图；
图2为本发明系统布局侧视图；
图3为铁路轨边红外检测现场使用示意图；
图4为红外检测热成像图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
在工业检测领域中，热成像检测是一种普遍运用的技术，通过红外相机对物体表面的信息进行采集，再进行图像的处理，可以实现物体故障的检测。其中一种应用场景为铁路轨边红外检测系统，如图3所示；该系统通过安装在轨边的红外相机对通过的列车的车底部件进行拍摄，实现车底部件故障的检测，如图4所示。
为了有效提升检测效果，该方法需要进行有效的加热，通过外部热源让车底部件的表面温度发生变化，若存在裂纹等缺陷，由于其散热效果与周围存在差异，在红外图像上就会有不同的表征。然而，由于车底部件复杂，不同的器件的高度差异较大，使用恒定的加热功率，无法达到预想的效果。
本发明采用自适应的加热方法，通过对车底部件距离的预测量，动态控制热源的功率；若距离远，加热功率大，距离近，加热功率小，使得拍到的红外图像受距离的影响大幅降低，达到不同距离的部件，红外图像一致的效果，具体方法如下：
如图1所示，在轨道上设置速度传感器，用于获取列车当前位置的速度；
在垂直于轨道方向设置5个高度传感器，用于获取列车当前位置处，不同车体部件的高度数据；在列车行进方向上，距离高度传感器一定位置处设置加热装置，加热装置包含5列沿轨道宽度方向设置的加热阵元；每列加热阵元与高度传感器沿轨道宽度方向位置对应；每列加热阵元包含4个沿列车行进方向设置的加热阵元；
整个系统可视为对一个高度变化、速度变化的物体，如何进行加热阵列的控制，实现该物体的红外图像的一致性。控制模块内设置有用于调节加热阵元输出功率的映射表，映射表内包含有多组一一对应的列车速度、部件高度及加热阵元输出电流数据；列车速度及部件高度已知，加热阵元输出电流计算方式如下：
Q：需要加热的热量，该热量为一个常量，基于标定得出(对缺陷加热不同的热量，对比哪个热量下热成像效果为好，则为Q)
M：加热阵列沿轨道方向的数量，即同一列车部件行进时，会被M个阵元加热，为固定值
d：相邻加热阵元的中心间距，为固定值
v：列车速度，可用车轮传感器测得
k：衰减系数，热量在空气中传播时会产生衰减，为常数
r：反射系数，当热量从加热阵列传播到列车部件时，有一部分会被反射回空气中，为常数；
I：加热阵元的电流，需要动态控制
R：加热阵元的电阻值，为已知
H：列车部件的高度，通过传感器测得。
整个方程中只有I为未知数，v和H通过传感器测得，其他量均为已知，故可根据v和H计算出I。
该方程往往无法求出解析解，拟采用如下方式求数值解。
1)根据实际工况，将上述积分方程转化为差分格式；
2)按一定的间隔预设速度、高度、电流值，代入差分格式，使用计算机计算出热量的变化；
3)形成一张映射表，能反映输入输出关系。
控制模块采集传感器测到的速度、高度信息，再进行查表，得到电流值，根据速度信息，可预估列车部件到达各阵元的时间，在相应时间控制加热阵元的电流I，调节对应加热阵元的输出功率，达到不同距离的部件，红外图像一致的效果。完成加热后，红外传感器对相应部件的信息进行采集，即使列车部件的高度不同，只要其表面特征一致，得到的红外图像将有更好的一致性。
本发明的内容不限于实施所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (2)
1.一种用于提升列车走行部红外检测效果的自适应加热方法，其特征在于：
在轨道上设置速度传感器，用于获取列车当前位置的速度；
在垂直于轨道方向设置n个高度传感器，所述高度传感器用于获取列车当前位置处，不同车体部件的高度数据；
在列车行进方向上，距离高度传感器一定位置处设置加热装置，所述加热装置包含n列沿轨道宽度方向设置的加热阵元，每列加热阵元包含M个沿列车行进方向设置的加热阵元；
控制模块通过列车速度获知列车到达加热装置的时间，并依据车体部件的高度数据，调节对应加热阵元的输出功率，确保到达所有车体部件的加热功率相等；
所述控制模块内设置有用于调节加热阵元输出功率的映射表，所述映射表内包含有多组一一对应的列车速度、部件高度及加热阵元输出电流数据；
所述加热阵元输出电流计算方式如下：
Q：需要加热的热量，该热量为一个常量，基于标定得出；
M：加热阵列沿轨道方向的数量，即同一列车部件行进时，会被M个阵元加热，为固定值；
d：相邻加热阵元的中心间距，为固定值；
v：列车速度，可用车轮传感器测得；
k：衰减系数，热量在空气中传播时会产生衰减，为常数；
r：反射系数，当热量从加热阵列传播到列车部件时，有一部分会被反射回空气中，为常数；
I：加热阵元的电流，需要动态控制；
R：加热阵元的电阻值；
H：列车部件的高度，通过传感器测得。
2.根据权利要求1所述的一种用于提升列车走行部红外检测效果的自适应加热方法，其特征在于：所述每列加热阵元与高度传感器沿轨道宽度方向位置对应。
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