CN117420151B - 一种高速铁路直立式声屏障检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高速铁路直立式声屏障检测装置，包括与声屏障平行设置的轨道、位于轨道上的运动平台以及设置于运动平台上的图像采集装置；所述图像采集装置包括两个线阵相机，两个线阵相机的镜头光轴分别位于中轴面的两侧并且向远离中轴面的方向倾斜。本发明还提供一种高速铁路直立式声屏障检测系统，包括检测后台以及如前所述的高速铁路直立式声屏障检测装置。本发明还提供一种高速铁路直立式声屏障检测方法，通过如前所述的高速铁路直立式声屏障检测系统实现。采用上述技术方案，对于声屏障的同一位置能够从两个角度获取图像，使获取的图像更加完整。

Description

一种高速铁路直立式声屏障检测方法
技术领域
本发明涉及一种高速铁路直立式声屏障检测装置、系统及方法，属于轨道交通行业自动化检测技术领域。
背景技术
为保障高速铁路运营安全，高速铁路声屏障需要开展日常检查维护。国外有关铁路声屏障检查维护主要采用人工巡检，并辅以螺栓自动化检测设备，但相关设备资料很少，且国外铁路没有采用过结构复杂的全封闭声屏障，无可借鉴的科学的检测方法及资料。我国高速铁路全封闭声屏障自动化日常检测研究处于空白状态，由于其结构复杂，检修工作给运维部门造成了很大的困扰。而直立式插板式声屏障大都采用通环系列通用参考图，与德国高铁类似，高速铁路插板式声屏障H型钢立柱大都采用螺栓固定，声屏障单元板插在H型钢立柱的插槽内，国内的声屏障维护主要采用人工巡查方式，依靠工具进行人工目视检查。有铁路运营部门采用图像和影像技术研究了一套声屏障外侧螺栓检测装置，该装置集成了摄像头，补光灯等，用可折叠伸缩的杆进行连接。另外还有学者研究了一种基于加速度计的声屏障检测仪，该装置集成了加速度计、控制模块、通信模块、太阳能电池板等将检测仪固定安装在声屏障的钢立柱上，能实时监测声屏障立柱的状态，从而间接判断声屏障是否发生了严重倾斜或松动，但是该设备的硬件成本和安装成本较高。总结来说，目前在国内外还没有单位或学者深入研究新型的声屏障检测技术，自动化的检测技术不成熟，无法满足运维部门的需求。目前在轨道交通领域有通过相机采集轨道图像进行上传用于检测轨道或道床缺陷的技术方案，例如中国专利文献CN115825087A所公开的一种轨道道床缺陷动态视觉检测方法及装置，再如中国专利文献CN209513653U所公开的一种轨道部件表面缺陷视觉检测图像采集系统。因此可以借鉴对轨道或道床缺陷进行检测的方法采用点阵相机获取声屏障的表面图像对其进行检测。但由于采用点阵相机对声屏障进行垂直拍摄，声屏障容易被螺钉、固定板等位于前侧的部件阻挡，导致声屏障表面图像拍摄不完整。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种高速铁路直立式声屏障检测装置，能够通过两个镜头光轴形成夹角的线阵相机获取声屏障的长画幅图像；还提供一种使用该高速铁路直立式声屏障检测装置的系统及方法。
为了实现上述目的，本发明的一种高速铁路直立式声屏障检测装置，包括与声屏障平行设置的轨道、位于轨道上的运动平台以及设置于运动平台上的图像采集装置；所述图像采集装置包括立柱、位于立柱上的安装座以及设置于安装座上的两个线阵相机，两个所述线阵相机位于同一水平面上并且镜头朝向声屏障方向；所述图像采集装置具有垂直于所述轨道的中轴面，两个线阵相机的镜头光轴分别位于中轴面的两侧并且向远离中轴面的方向倾斜。
两个线阵相机的镜头光轴在中轴面的两侧对称分布。
两个线阵相机的镜头光轴的夹角为30°~120°。
所述图像采集装置还包括辅助光源。
所述辅助光源位于安装座上，安装座外侧设有防护罩。
在防护罩内还设置有散热风扇，防护罩上设置有散热孔。
所述安装座包括支撑板，支撑板固定于立柱上；两个所述辅助光源分别位于支撑板前端的左右两侧，两个线阵相机分别位于辅助光源上方，两个散热风扇分别位于辅助光源的后侧，在两个散热风扇的后侧设置有工控机以及通讯模块。
所述安装座还包括固定于支撑板上的门型支架，所述线阵相机安装于门型支架上。
所述立柱下端固定于一座板上，所述座板通过螺栓固定于运动平台上；座板的下端设置有倒锥形的凸起部，在所述运动平台上设置有与所述凸起部相配合的插槽。
在所述立柱上设置有把手。
所述立柱为内部中空的碳纤维立柱。
本发明还提供一种高速铁路直立式声屏障检测系统，包括检测后台以及如前所述的高速铁路直立式声屏障检测装置；所述检测后台通过通讯模块与工控机连接；工控机以及线阵相机分别与图像采集模块相连；所述工控机用于通过图像采集模块控制线阵相机采集图像。
所述工控机还与运动平台的控制器相连，用于接收运动平台输出的编码计信号从而触发线阵相机，以及用于控制运动平台运动。
本发明还提供一种高速铁路直立式声屏障检测方法，通过如前所述的高速铁路直立式声屏障检测系统实现，包括：
获取两个线阵相机拍摄的照片，在照片的长方向上对照片进行压缩，并根据声屏障立柱的实际宽度与压缩后照片上对应的声屏障立柱的图像宽度标定图像的PPM值；
获取两个线阵相机的镜头光轴交点到声屏障的垂直距离D，并根据镜头光轴与中轴面的夹角以及该垂直距离D计算两个线阵相机拍摄图像的错位距离M，根据该错位距离M以及PPM值将两个照片上下并排设置并初步对齐；
在照片中以声屏障立柱为中心，选取ROI区域作为匹配窗口，对两个照片进行图像相匹配，提取两个照片中相对应的特征点；
提取照片中声屏障立柱的中心线，以其中一个照片为基准照片，另一照片为调整照片，将调整照片按照声屏障立柱的中心线进行分段，依次将分段后的图像与基准照片参照声屏障立柱的中心线进行对齐，并根据提取出的对应的特征点位置信息对分段后的图像进行纠正。
所述高速铁路直立式声屏障检测方法还包括：
建立以里程为基准的相对坐标系，沿线路里程方向为X轴，将两个图片的坐标映射到实际里程上。
所述高速铁路直立式声屏障检测方法还包括：
在每个照片上定位声屏障单元板上设置的标记或标志物的位置，以标记或标志物的位置选取ROI区域，再采用特征提算法，提取标记或标志物特征，计算特征的主方向，实现单元板窜动病害的自动提取。
在对单元板窜动病害的自动提取后，对两个照片的提取成果进行相互校核。
采用上述技术方案，本发明的高速铁路直立式声屏障检测装置，与现有技术相比，通过两个倾斜的线阵相机沿轨道前行并对声屏障进行拍摄，对于声屏障的同一位置能够从两个角度获取图像，从而避免了垂直拍摄局部容易被阻挡的情况，使获取的图像更加完整，对声屏障的检测更加准确；由于两个线阵相机在相同时间点拍摄的位置不同，导致最终拍摄的照片形成错位，通过本发明的高速铁路直立式声屏障检测方法，可以对两个线阵相机拍摄的图片进行对齐；此外，由于通过两个线阵相机拍摄了两个照片，在对单元板窜动病害进行提取后，能够对两个照片的提取成果进行相互校核，提高提取成果的准确性。
附图说明
图1为本发明中的图像采集装置的立体结构示意图。
图2为本发明中的图像采集装置的主视图。
图3为本发明中的图像采集装置的分解示意图。
图4为第一线阵相机拍摄时的示意图。
图5为第二线阵相机拍摄时的示意图。
图6为本发明的高速铁路直立式声屏障检测系统的框图。
图7为本发明的高速铁路直立式声屏障检测方法的流程图。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1-5所示，本发明的一种高速铁路直立式声屏障检测装置，包括与声屏障100平行设置的轨道200、位于轨道200上的运动平台300以及设置于运动平台300上的图像采集装置1。声屏障100包括H型钢的声屏障立柱101，声屏障单元板102插在声屏障立柱101的插槽内。
所述图像采集装置1包括立柱11、位于立柱11上的安装座12以及设置于安装座12上的两个线阵相机13，两个所述线阵相机13位于同一水平面上并且镜头朝向声屏障方向。所述图像采集装置1具有垂直于所述轨道的中轴面1a，两个线阵相机13的镜头光轴分别位于中轴面1a的两侧并且向远离中轴面1a的方向倾斜。两个线阵相机13的镜头光轴在中轴面1a的两侧对称分布并且两个线阵相机13的镜头光轴的夹角为30°~120°。
所述图像采集装置1还包括两个辅助光源14以及两个散热风扇15，所述安装座12包括支撑板121，支撑板121固定于立柱11上；两个所述辅助光源14分别位于支撑板121前端的左右两侧，两个线阵相机13分别位于辅助光源14上方，两个散热风扇15分别位于辅助光源14的后侧，在两个散热风扇15的后侧设置有工控机16以及通讯模块。所述安装座12还包括防护罩122以及门型支架123，防护罩122罩在线阵相机13、辅助光源14、散热风扇15、工控机16以及通讯模块的外侧，防护罩122上设置有散热孔。门型支架123固定于支撑板121上，所述线阵相机13安装于门型支架123上。
所述立柱11下端固定于一座板111上，所述座板111通过螺栓固定于运动平台300上；座板111的下端设置有倒锥形的凸起部112，在所述运动平台300上设置有与所述凸起部112相配合的插槽。
在所述立柱11上设置有把手113，立柱11为内部中空的碳纤维立柱。
当图像采集装置1随运动平台300移动进行拍摄时，两个线阵相机13同时对声屏障的两个位置以不同的角度进行拍摄。如图4所示，位于前侧的第一线阵相机能够从声屏障立柱101的一侧进行拍摄，如图5所示，当运动平台300向前移动一端距离后，位于后侧的第二线阵相机能够从该声屏障立柱101的另一侧进行拍摄。
所述线阵相机13可以采用M42接圈和定焦镜头，通过调节接圈来调节焦距，从而适应不同的拍摄距离。为了方便调节焦距，在接圈上蚀刻一圈360°的均匀刻度，并精确标定“焦距值-物距值”曲线对照表，再进一步将“焦距值”转换为“接圈的调节圈数和角度”，为调焦提供了极大的便利。
所述辅助光源14可以采用条形LED光源，采用凸透镜141进行聚光，使LED光源聚集成均匀的光带，为线阵相机13均匀补光。
如图6所示，本发明还提供一种高速铁路直立式声屏障检测系统，包括检测后台以及如前所述的高速铁路直立式声屏障检测装置。所述检测后台通过通讯模块与工控机16连接；工控机16、线阵相机13、辅助光源14分别与图像采集模块相连，所述工控机16用于通过图像采集模块控制线阵相机13采集图像。所述工控机16还与运动平台的控制器相连，当运动平台运动时，车轮上的编码计输出均匀的脉冲信号，工控机16用于接收编码计信号从而触发线阵相机13采集均匀的图像，工控机16还可以用于控制运动平台运动。
所述工控机16通过万兆网连接两台线阵相机13。外部输入的编码计信号先接入STM32工控板进行信号分路，再接入工控机16，用于触发线阵相机13。工控机16通过千兆网连接路由器。检测后台可以为平板电脑，平板电脑通过无线WiFi连接路由器，再远程登录工控机16，在平板电脑上远程操控工控机16的采集控制软件。
如图7所示，本发明还提供一种高速铁路直立式声屏障检测方法，通过如前所述的高速铁路直立式声屏障检测系统实现，包括：
S1、由于照片采用线阵相机13拍摄，因此照片在长方向上存在图像拉伸，因此在获取两个线阵相机13拍摄的照片后，首先对原始图像沿长方向进行压缩。压缩完毕后根据声屏障立柱的实际宽度与压缩后的照片上对应的声屏障立柱的图像宽度标定图像的PPM（Pixel per Metre）值，即每个像素点所表示的声屏障的实际尺寸。
S2、获取两个线阵相机13的镜头光轴交点到声屏障的垂直距离D，并根据镜头光轴与中轴面1a的夹角以及该垂直距离D计算两个线阵相机13拍摄图像的错位距离M。以两个线阵相机13的镜头光轴夹角为90°为例，则经计算可得出两个线阵相机13拍摄图像的错位距离M为2D。将该错位距离M通过PPM值的计算可得出两个照片相互错位的距离，从而能够将两个照片上下并排设置并移动至初步对齐位置。
S3、在照片中以声屏障立柱为中心，选取ROI（Region of Interest）区域作为匹配窗口，对两个照片进行图像相匹配，提取两个照片中相对应的特征点。ROI区域可以不包含声屏障安装底座部分的图像，减少声屏障单元板的重复特征的误匹配率，以及声屏障安装底座部分因不同拍摄角度导致的误匹配率。
S4、由于铁路存在超高、曲线等情况，线阵相机13也可能存在丢帧等情况。采集一段较长的声屏障图像数据，随着不断累积，两个线阵相机13的图像可能无法完全对齐。因此，提取照片中声屏障立柱的中心线，以其中一个照片为基准照片，另一照片为调整照片，将调整照片按照声屏障立柱的中心线进行分段，依次将分段后的图像与基准照片参照声屏障立柱的中心线进行对齐，并根据提取出的对应的特征点位置信息对分段后的图像进行纠正。
S5、由于铁路以里程为基准，实际作业时，需要记录开始和结束的铁路台账里程数据，对整体的照片进行拉伸或缩放，同时建立以里程为基准的相对坐标系，沿线路里程方向为X轴，将两个图片的坐标映射到实际里程上，为后续的图像分析（提取病害成果）提供了位置基准。
S6、声屏障典型病害和检测项包括：单元板窜动、底部螺栓松脱、底部砂浆破损等。声屏障单元板一般有固定的标记或标志物，如果单元板发生明显的相对窜动，标记或者标志物也会发生明显错位或倾斜。因此，在每个照片上定位声屏障单元板上设置的标记或标志物的位置，以标记或标志物的位置选取ROI区域，再采用特征提算法，提取标记或标志物特征，计算特征的主方向，实现单元板窜动病害的自动提取。同时，由于本发明中采用了两个线阵相机13进行拍摄获得了两个照片，因此，在对单元板窜动病害的自动提取后，对两个照片的提取成果进行相互校核，例如：当两个照片中对应的同一位置均提取出窜动成果，则表示提取结果无误，如仅其中一个照片中对应的同一位置均提取出窜动成果，则可以标记该位置进行人工复核。
另外，由于将图像数据映射到实际的里程位置，因此，还可以进行多期数据对比分析。
S7、通过上述方法导出的成果，包括病害详细列表、病害图片以及声屏障的分段TIFF图。TIFF图可导入其它GIS软件，利用其它GIS软件的功能，进行图像分析处理。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种高速铁路直立式声屏障检测方法，其特征在于，通过高速铁路直立式声屏障检测系统实现；
所述高速铁路直立式声屏障检测系统，包括检测后台以及高速铁路直立式声屏障检测装置；
所述高速铁路直立式声屏障检测装置，包括与声屏障平行设置的轨道、位于轨道上的运动平台以及设置于运动平台上的图像采集装置；所述图像采集装置包括立柱、位于立柱上的安装座以及设置于安装座上的两个线阵相机，两个所述线阵相机位于同一水平面上并且镜头朝向声屏障方向；所述图像采集装置具有垂直于所述轨道的中轴面，两个线阵相机的镜头光轴分别位于中轴面的两侧并且向远离中轴面的方向倾斜；
所述检测后台通过通讯模块与工控机连接；工控机以及线阵相机分别与图像采集模块相连；所述工控机用于通过图像采集模块控制线阵相机采集图像；
所述高速铁路直立式声屏障检测方法，包括：
获取两个线阵相机拍摄的照片，在照片的长方向上对照片进行压缩，并根据声屏障立柱的实际宽度与压缩后照片上对应的声屏障立柱的图像宽度标定图像的PPM值；
获取两个线阵相机的镜头光轴交点到声屏障的垂直距离D，并根据镜头光轴与中轴面的夹角以及该垂直距离D计算两个线阵相机拍摄图像的错位距离M，根据该错位距离M以及PPM值将两个照片上下并排设置并初步对齐；
在照片中以声屏障立柱为中心，选取ROI区域作为匹配窗口，对两个照片进行图像相匹配，提取两个照片中相对应的特征点；
提取照片中声屏障立柱的中心线，以其中一个照片为基准照片，另一照片为调整照片，将调整照片按照声屏障立柱的中心线进行分段，依次将分段后的图像与基准照片参照声屏障立柱的中心线进行对齐，并根据提取出的对应的特征点位置信息对分段后的图像进行纠正。
2.如权利要求1所述的高速铁路直立式声屏障检测方法，其特征在于，还包括：建立以里程为基准的相对坐标系，沿线路里程方向为X轴，将两个图片的坐标映射到实际里程上。
3.如权利要求1或2所述的高速铁路直立式声屏障检测方法，其特征在于，还包括：在每个照片上定位声屏障单元板上设置的标记或标志物的位置，以标记或标志物的位置选取ROI区域，再采用特征提算法，提取标记或标志物特征，计算特征的主方向，实现单元板窜动病害的自动提取。
4.如权利要求3所述的高速铁路直立式声屏障检测方法，其特征在于，还包括：在对单元板窜动病害的自动提取后，对两个照片的提取成果进行相互校核。
5.如权利要求1所述的高速铁路直立式声屏障检测方法，其特征在于：两个线阵相机的镜头光轴在中轴面的两侧对称分布。
6.如权利要求1或5所述的高速铁路直立式声屏障检测方法，其特征在于：所述图像采集装置还包括辅助光源；所述辅助光源位于安装座上，安装座外侧设有防护罩；在防护罩内还设置有散热风扇，防护罩上设置有散热孔。
7.如权利要求6所述的高速铁路直立式声屏障检测方法，其特征在于：所述安装座包括支撑板，支撑板固定于立柱上；两个所述辅助光源分别位于支撑板前端的左右两侧，两个线阵相机分别位于辅助光源上方，两个散热风扇分别位于辅助光源的后侧，在两个散热风扇的后侧设置有工控机以及通讯模块。
8.如权利要求1所述的高速铁路直立式声屏障检测方法，其特征在于：所述工控机还与运动平台的控制器相连，用于接收运动平台输出的编码计信号从而触发线阵相机，以及用于控制运动平台运动。
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