CN1843822A - 列车轮对动态检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车轮对动态检测系统及检测方法，主要解决列车的安全行驶问题。整个检测系统包括现场控制装置、远程控制装置、现场检测装置，该现场检测装置在现场控制装置的控制下完成各项检测任务，并将输出的检测结果通过远程传输通道传输到远程控制装置进行处理和参数测量；远程控制装置固化有后台轮对动态检测软件，控制系统的开启、检测进程，图像采集、轮对尺寸自动测量和专家系统故障识别、自动存储、显示、打印；现场控制装置控制现场检测装置执行检测任务，并与远程控制装置保持通信。本发明具有检测功能全面，不与机车车辆接触，自动化程度和测量精度高、可实现无人值守管理、性价比高等优点。

Description

列车轮对动态检测系统及检测方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及列车轮对检测，具体地说是一种列车轮对动态检测系统及检测方法，可用于对列车的日常维护与检修。

背景技术

随着火车几次提速，对列车维护检修自动化要求越来越高，为了列车正常运行，需要提高火车检修水平。轮对的状态是客货列车安全运行的关键所在，铁道技术管理规程对轮对关键尺寸参数和列车底部关键零部件的探伤状态都有明确规定，一旦超限，发现不及时，将会造成轮轴断裂、车轮脱轨等恶性行车事故。

在轮对关键尺寸参数检测方面，目前车辆检修部门的检测手段大多数是在列车停止作业时用专用检查工具人工检测，劳动强度大，检测效率低，易出漏检，不能适应铁路高效运营的发展需要。国内对于轮对尺寸自动检测的研究比较晚，各科研院所大都在理论与实验阶段，最近两年北京、广州、上海、郑州、江岸等单位陆续研制自动检测系统，所应用的方法分别为：光栅检测技术、激光测距装置、接触式高精度测位移装置、无接触位移检测装置等，但采用以上方式应用高精密设备，造价高，使用环境要求苛刻。

在列车轮对探伤检测方面，目前车辆检修部门列车部件探伤大多采用人工检测、超声波检测等手段，容易受人眼分辨能力和易疲劳等主观因素的影响，并且难以操作，精确度不高，易出漏检，国内，近年来，逐渐开始研究轮对在线自动探伤装置，形成了利用涡流传感器阵列和传感器跟踪方式测量车轮表面缺陷的构思，但并没有投入实际运用，另外也有利用振动加速度法动态测量踏面擦伤的装置，但效果并不理想。目前，尚未有一种检测项目全面、广泛适用的在线列车轮对动态检测系统及检测方法。

发明的内容

本发明的目的是针对上述方法存在问题，打破传统测量方法和工具，提供一种对行进中的列车轮对进行动态检测的系统及检测的方法，以提高列车检修的随机性和检修水平。

实现本发明目的的技术方案是：利用光学技术、计算机视觉技术、图像处理技术、测绘技术、激光技术进行自动控制与检测、自动存储并打印相关数据及进行技术管理。整个系统包括现场检测装置、现场控制装置、远程传输通道和远程控制装置，其中：

现场控制装置，用于控制现场检测装置执行检测任务，并与远程控制装置保持通信；

远程控制装置，用于控制系统的开启、检测进程，图像的采集、自动存储、显示、打印、图像分析和专家系统故障识别；

现场检测装置，在现场控制装置的控制下完成各项检测任务，并将输出的检测结果通过远程传输通道传输到远程控制装置。

上述列车轮对动态检测系统，其中所述的现场控制装置主要由可编程控制器PLC组成，该PLC输出的控制信号连接到现场检测装置，控制现场检测装置的传感器触发动作以及与远程控制装置之间的通信。

上述列车轮对动态检测系统，其中所述的远程控制装置主要由高速图像处理器、显示器组成，该高速图像处理器中固化有完成轮对尺寸动态检测、辅助动态检测和列车底部零部件探伤检测模块；该高速图像处理器接收现场控制装置发送的控制信号，并向现场检测装置发送现场检测的信号及状态信号。

上述列车轮对动态检测系统，其中所述现场检测装置包括：轮对内距动态测量单元、轮对动态尺寸检测单元、辅助动态检测单元和底部零部件动态探伤检测单元，该四个单元分别安装在轨道侧部。

上述列车轮对动态检测系统，其中所述的轮对尺寸动态检测模块包括：

图像获取单元，用于获取轮对踏面光截曲线；

光截图像曲线拟合单元，用于对踏面光截曲线进行光截曲线拟合，得到一条反映踏面轮廓的单像素光截曲线；

畸变校正单元，用于完成光截曲线从像素到外形实际尺寸的坐标变换；

尺寸测量单元，用于测量踏面磨耗、轮辋厚度、轮缘高度、轮缘厚度、车轮直径。

上述列车轮对动态检测系统检测系统，其中所述的辅助动态检测模块包括：

车轮计数单元，用于完成对车轮的记录、显示和保存；

机车计数子单元，用于完成对机车数的记录、显示和保存。

上述列车轮对动态检测系统，其中所述的列车底部零部件探伤检测模块包括：

图像获取单元，用于采集列车底部零部件的探伤图像；

图像平滑单元，用于对采集的底部零部件探伤图像进行消噪和平滑处理；

图像增强单元，用于提高底部零部件探伤图像的清晰度；

图像分割单元，用于提取底部零部件探伤图像边缘；

边缘曲线拟合单元，用于对提取的边缘曲线进行拟合；

特征提取单元，用于提取探伤图像部位特征变量；

判断决策单元，用于对探伤图像进行判断分类。

本发明利用上述系统对进行列车轮对动态检测的方法，是通过现场检测装置与远程控制装置中的高速图像处理器软件配合完成，即通过现场检测系统的轮对内距测量单元，实现轮对内距的测量；通过现场检测装置的动态尺寸检测单元拍摄踏面轮廓光截图像，并将该图像传输给高速图像处理器进行图像处理和检测，得到轮对综合尺寸参数；通过现场检测装置的列车底部零部件动态探测检测单元拍摄底部零部件探伤图像，传输给高速图像处理器进行对该图像进行处理和检测，判断列车底部零部件探伤类型；通过现场检测系统的辅助动态检测单元，对机车、轮对进行计数；其中检测列车轮对综合尺寸参数和列车底部零部件动态探伤的方法分别为：

1.利用本发明系统进行列车轮对综合尺寸参数检测的方法，按如下过程进行：

(1)通过现场检测装置的轮对尺寸测量单元，采用光截图像法获取轮对踏面光截曲线；

(2)采用跟踪虫模板法对踏面光截曲线进行光截曲线拟合，得到一条反映踏面轮廓的单像素光截曲线；

(3)采用非线性模型代替线性模型，完成光截曲线从像素到外形实际尺寸的坐标变换；

(4)采用标准的踏面轮廓曲与光截曲线匹配，并按照铁道部标准测量踏面磨耗、轮辋厚度、轮缘高度、轮缘厚度、车轮直径综合尺寸参数。

2.利用本发明系统进行列车底部零部件动态探伤检测的方法，按如下过程进行：

(1)通过现场检测系统的列车底部零部件动态探伤检测单元采集底部零部件的图像；

(2)采用由领域平均和中值滤波组成的复合滤波器对拍摄的列车底部零部件图像进行平滑处理；

(3)采用区域模糊增强法对拍摄的底部零部件探伤图像进行增强，提高图像清晰度；

(4)采用基于巴布小波Bubble的多尺度边缘提取法提取底部零部件探伤图像的边缘；

(5)采用基于边界斜率探伤图像形状分析法对提取底部零部件探伤图像的边缘进行边缘曲线拟合；

(6)采用边界链码计算的傅立叶系数作为底部零部件探伤图像特征变量；

(7)采用模糊识别的方法对底部零部件探伤图像部位特征变量进行判断分类，确定探伤类型并测量探伤尺寸，发现超限，及时报警。

本发明由于采用现场检测装置、现场控制装置、远程控制装置及检测模块相结合的非接触式测量方案，因而具有检测功能全面，不与机车车辆接触，不占用机车运转时间、自动化程度高，测量精度高、可实现无人值守管理、实用性强、性价比高之优点。

附图说明

图1为本发明的结构框图

图2为本发明现场检测装置平面布置图

图3为本发明后台动态轮对检测模块图

图4为本发明检测轮对综合尺寸参数的过程图

图5为本发明检测列车底部零部件动态探伤的过程图

图2中标记：D1、D2：机车接近传感器，D3：机车离去传感器，D4：内距数据发送传感器，GD1-GD2：光电开关，K1-K6：车轮检测器，CCD1-CCD6：面阵摄像机，JG1-JG2：激光传感器，LD1-LD6：激光线光源，ML1、ML2：背景面光源，P1-P2：挡光屏。

具体实施方式

以下参照附图对本发明进行详细描述：

参照图1，本发明主要由现场检测装置、现场控制装置、远程传输通道和远程控制装置四部分组成。其中，现场控制装置主要由可编程控制器PLC组成，主要控制现场检测装置的传感器的触发动作以及与远程控制中心保持通信，即接收控制信号，发送现场检测器件检测信号及状态信号；远程传输通道主要由视频线、电源线、通信线和控制线组成，实现测量信号和控制信号在现场控制中心和远程控制中心之间可靠传输。远程控制装置主要由高速图像处理器、显示器和打印机组成，该高速图像处理器中固化有完成轮对尺寸动态检测、辅助检测和列车底部零部件探伤检测的后台动态轮检测模块，主要负责控制系统的启/停控制，检测与否控制及检测进程控制以及图像的采集、自动存储、显示、打印、图像分析和专家系统故障识别等操作；现场检测装置主要由轮对动态尺寸检测单元、辅助动态检测单元和底部零部件动态探伤检测单元组成，主要负责完成轮对动态踏面光截图像、轮对内距测量和底部零部件图像的获取、车轮检测、机车计数功能。现场检测装置完成的各项检测是在现场控制装置的控制下进行，检测的结果通过远程传输通道传输到远程控制装置。

所述的后台动态轮检测模块包括：轮对动态尺寸检测模块、辅助动态检测模块、列车底部零部件动态探伤检测模块。该轮对动态尺寸检测模块，首先对获得的踏面图像进行图像处理、然后进行尺寸检测，自动测量出轮缘厚度、轮缘高度、踏面磨耗、车轮直径的尺寸，结果自动保存数据库中。该辅助动态检测模块，一方面对机车计数、车轮计数的结果保存到数据库。该列车底部零部件动态探伤检测模块，对获取的底部零部件，包括制动梁及支柱园销、下拉圆销、固定支点圆销、开口园销、轮对、下拉杆、闸瓦、闸瓦插销、枕簧、轴承图像通过图像处理、特征提取、识别等步骤，自动定量测量探伤尺寸、判别缺陷类型，发现尺寸超过铁道部的技术标准，及时报警，测量和判别结果自动保存到缺陷数据库。

参照图2，本发明的现场检测装置结构如下：

(1)轮对动态尺寸检测单元

该轮对动态尺寸检测单元由三组面阵摄像机、三组激光线光源、三组车轮检测器组成，列车轮对尺寸检测单元的三组面阵摄像机分别为：第一组面阵CCD1、CCD2，第二组面阵CCD3、CCD4，第三组面阵CCD5、CCD6，这三组面阵分别位于轨道外侧，与光入射面成一定夹角，并固定在支架上，并对应在激光线光源LD1-LD6照射到相应检测轮对的踏面上。车轮检测器k1-k3安装在铁轨的一侧，车轮检测器k4-k6安装在铁轨的另一侧，该k1-k6与现场可编程控制器PLC相连，PLC控制k1-k6的触发，使远程控制装置中的高速图像处理器触发，由三组面阵摄像机采集的轮对踏面光截图像，被保存在高速图像处理器中，由高速图像处理器中固化的后台轮对动态检测模块对获取的轮对踏面光截图像进行处理并测量，得出测量轮缘厚度、轮缘高度、踏面磨耗、车轮直径的尺寸。

(2)轮对内距测量单元

该轮对内距测量单元由一组激光位移传感器、一组光电开关、一个数据发送器组成。一组激光位移传感器JG1-JG2分别位于轨道内侧，一组光电开关GD1、GD2分别位于轨道外侧，数据发送器D4位于铁轨内侧，现场可编程控制器PLC控制光电开关与激光位移传感器，当光电开关GD1、GD2检测到列车通过时，激光位移传感器JG1-JG2开始工作，测量轮对内距，该内距数据通过数据发送器D4传送到远程控制装置中的高速图像处理器进行保存。

(3)辅助检测单元

该辅助检测单元由机车接近传感器D1、D2，机车离去传感器D3、车轮检测器K1-K6组成。该D1、D2、D3分别安装在检测区域的前部和后部，实现机车计数；通过车轮检测器k1-k6触发脉冲个数，实现轮对计数。

(4)列车底部关键零部件动态探伤检测单元

该列车底部关键零部件动态探伤检测单元的组成与轮对动态尺寸检测单元相同。三组面阵摄像机采集的底部关键零部件的制动梁及支柱园销、下拉圆销、固定支点圆销、开口园销、轮对、下拉杆、闸瓦、闸瓦插销、枕簧、轴承等动态探伤图像，并将这些图像保存在高速图像处理器中，由高速图像处理器对这些图像进行处理并测量，自动判别缺陷类型。

现场检测装置设置的挡光屏P1-P2和背景光源ML1-ML2，主要是为了消除环境光的干扰，减少图像背景光照不均匀程度。

参考图3，本发明固化在高速图像处理器中的后台轮对动态检测模块按照检测功能划分为轮对尺寸动态检测模块、辅助动态检测模块和列车底部零部件探伤检测模块。其中：

尺寸动态检测模块由图像获取单元、光截图像曲线拟合单元、畸变校正单元、尺寸测量单元组成。该图像获取单元，用于获取轮对踏面光截曲线；该光截图像曲线拟合单元，用于对踏面光截曲线进行曲线拟合，得到一条反映踏面轮廓的单像素光截曲线；该畸变校正单元，用于完成光截曲线从像素到外形实际尺寸的坐标变换；该尺寸测量单元，用于测量踏面磨耗、轮辋厚度、轮缘高度、轮缘厚度和车轮直径。

辅助动态检测模块由车轮计数单元和机车计数单元组成。该车轮计数单元和机车计数单元主要完成车轮和机车数目的记录、显示和保存。

列车底部零部件探伤检测模块由图像获取单元、图像平滑单元、图像增强单元、图像分割单元、边缘曲线拟合单元、特征提取单元、判断决策单元组成。该图像获取单元，用于采集列车底部零部件的探伤图像；该图像平滑单元，用于对采集的底部零部件探伤图像进行消噪和平滑处理；该图像增强单元，用于提高底部零部件探伤图像的清晰度；该图像分割单元，用于提取底部零部件探伤图像边缘；该边缘曲线拟合单元，用于对提取的边缘曲线进行拟合；该特征提取单元，用于提取探伤图像部位特征变量；该判断决策单元，用于对探伤图像进行判断分类。

本发明的检测内容主要是：对轮对内距动态测量、轮对综合尺寸动态测量、列车底部零部件动态探伤检测、辅助动态检测。其中轮对内距动态测量是通过现场检测装置的轮对内距测量单元，实现轮对内距的测量。轮对综合尺寸参数检测的过程如图4所示，列车底部零部件动态探伤检测的过程如图5所示。

参照图4，本发明轮对综合尺寸参数的检测过程分为图像获取、光截图像曲线拟合、畸变校正、尺寸测量四个步骤，其中：

图像获取，是通过现场检测装置的轮对尺寸测量单元，采用光截图像法获取轮对踏面光截曲线。该光截图像法的原理为：激光线光源沿轮对踏面法线方向照射在车轮表面，形成从轮缘到踏面的光截曲线-反映车轮外形尺寸的截面，轨道外侧与光入射面成一定夹角的高速面阵摄像机拍摄在车轮上形成的光截曲线。

光截图像曲线拟合，是采用跟踪虫模板法对踏面光截曲线进行拟合，得到一条反映踏面轮廓的单像素光截曲线。该跟踪虫模板方法为：定义一个矩形平均窗口，通常整个窗口具有相同的权值，最近2个或几个边界点定义了当前的边界方向，跟踪虫背部以当前边界为中心，以当前边界方向为轴，随后跟踪虫向任何一边转1个角度，在跟踪虫位于最高平均梯度位置时，可以从其前部选择1个点作为下一个边界点，经过跟踪虫模板处理后，光截曲线图像可转换为单像素二值图像。

畸变校正，是采用非线性模型代替线性模型，完成光截曲线从像素到外形实际尺寸的坐标变换。

尺寸测量，是采用标准踏面轮廓曲线和光截图像匹配，按照铁道部的《中华人民共和国铁道部铁路列车轮对和滚动轴承组装及检修规则》测量踏面磨耗、轮辋厚度、轮缘高度、轮缘厚度、车轮直径。

参考图5，本发明底部零部件动态探伤检测的过程分为：图像获取、图像平滑、图像增强、图像分割、边缘曲线拟合、特征提取、判断决策七个步骤，其中：

图像获取，通过现场检测系统的列车底部零部件动态探伤检测单元采集底部零部件的图像，包括制动梁及、支柱园销、下拉园销、固定支点园销、开口销、下拉杆、闸瓦、闸瓦插销、枕簧、轴承、轴端螺栓、标志板以及滚动轴承端盖、交叉杆、车钩钩尾扁销及螺栓轴母、车钩钩尾框托板及其螺栓螺母、踏面的图像；

图像平滑，采用由领域平均和中值滤波组成的复合滤波器对采集的零部件图像进行消噪和平滑处理，即先做邻域平均处理，滤除粗大噪音，如散粒类噪声，然后用中值滤波做平滑处理，有效的保护图像边缘的细节。

图像增强，采用区域模糊增强法，提高图像的清晰度。该区域模糊增强法原理为根据列车轮对图像的模糊特征，将图像中像素的灰度等级作为模糊特征，采用模糊增强法实现图像的模糊增强，并且采用灰度线性变化对灰度阈值进行合理选择，可以提高图像的清晰度。

图像分割，采用基于巴布小波Bubble的多尺度法提取探伤图像边缘，该方法是利用巴布小波Bubble函数构造的小波基，提取探伤图像边缘，提取边缘效果较好。

边缘曲线拟合，采用基于边界斜率探伤图像形状分析法，对提取的边缘曲线进行拟合。该基于边界斜率探伤图像形状分析法的原理是利用探伤图像边界曲线法向矢量的变化规律，通过特征映射，将形状曲线的拟合转化为边界曲线特征斜率的直线拟合；

特征提取，采用边界链码计算傅立叶系数，由傅立叶系数提取形状特征变量，为判断决策提供有效的特征。

判断决策，采用模糊识别的方法确定探伤类型。该方法的原理是首先利用模糊理论建立形状特征变量的隶属度函数，然后利用提取的形状特征变量匹配分类，确定探伤类型。

Claims (9)

1.一种列车轮对动态检测系统，包括：

现场控制装置，用于控制现场检测装置执行检测任务，并与远程控制装置保持通信；

远程控制装置，用于控制系统的开启、检测进程，图像采集、自动存储、显示、打印、图像分析和专家系统故障识别；

现场检测装置，在现场控制装置的控制下完成各项检测任务，并将输出的检测结果通过远程传输通道传输到远程控制装置。

2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于现场控制装置主要由可编程控制器PLC组成，该PLC输出的控制信号连接到现场检测装置，控制现场检测装置的传感器触发动作以及与远程控制装置之间的通信。

3.据权利要求1所述的检测系统，其特征在于现场检测装置包括：轮对内距动态测量单元、轮对动态尺寸检测单元、辅助动态检测单元和底部零部件动态探伤检测单元，该四个单元分别安装在列车轨道的侧面。

4.据权利要求1所述的检测系统，其特征在于远程控制装置主要由高速图像处理器、显示器组成，该高速图像处理器中固化有完成轮对尺寸动态测量、辅助检测和列车底部零部件探伤检测模块；该高速图像处理器接收现场控制装置发送的控制信号，并向现场检测装置发送现场检测的信号及状态信号。

5.根据权利要求4所述的检测系统，其特征在于尺寸动态检测模块包括：

图像获取单元，用于获取轮对踏面光截曲线；

光截图像曲线拟合单元，用于对踏面光截曲线进行光截曲线拟合，得到一条反映踏面轮廓的单像素光截曲线；

畸变校正单元，用于完成光截曲线从像素到外形实际尺寸的坐标变换；

尺寸测量单元，用于测量踏面磨耗、轮辋厚度、轮缘高度、轮缘厚度、车轮直径。

6.根据权利要求4所述的检测系统，其特征在于辅助动态检测模块包括：

车轮计数单元，用于完成对车轮的记录、显示和保存；

机车计数单元，用于完成对机车数的记录、显示和保存。

7.根据权利要求4所述的检测系统，其特征在于列车底部零部件动态探伤检测模块包括：

图像获取单元，用于采集列车底部零部件的探伤图像；

图像平滑单元，用于对采集的底部零部件探伤图像进行消噪和平滑处理；

图像增强单元，用于提高底部零部件探伤图像的清晰度；

图像分割单元，用于提取底部零部件探伤图像边缘；

边缘曲线拟合单元，用于对提取的边缘曲线进行拟合；

特征提取单元，用于提取探伤图像部位特征变量；

判断决策单元，用于对探伤图像进行判断分类。

8.一种利用权利要求1的系统进行列车轮对综合尺寸参数检测的方法，按如下过程进行：

(1)通过现场检测装置的轮对尺寸测量单元，采用光截图像法获取轮对踏面光截曲线；

(2)采用跟踪虫模板法对踏面光截曲线进行光截曲线拟合，得到一条反映踏面轮廓的单像素光截曲线；

(3)采用非线性模型代替线性模型，完成光截曲线从像素到外形实际尺寸的坐标变换；

(4)采用标准的踏面轮廓曲线与光截曲线匹配，并按照铁道部标准测量踏面磨耗、轮辋厚度、轮缘高度、轮缘厚度、车轮直径综合尺寸参数。

9.一种利用权利要求1的系统进行列车底部零部件动态探伤检测的方法，按如下过程进行：

(1)通过现场检测系统的列车底部零部件动态探伤检测单元采集底部零部件的图像；

(2)采用由领域平均和中值滤波组成的复合滤波器对拍摄的列车底部零部件探伤图像进行平滑处理；

(3)采用区域模糊增强法对拍摄的底部零部件探伤图像进行增强，提高图像清晰度；

(4)采用基于巴布小波Bubble的多尺度边缘提取法提取底部零部件探伤图像的边缘；

(5)采用基于边界斜率探伤图像形状分析法对提取底部零部件探伤图像探伤部位进行边缘曲线拟合；

(6)采用边界链码计算傅立叶系数，由傅立叶系数提取形状特征变量，作为底部零部件探伤图像特征变量；

(7)采用模糊识别的方法对底部零部件探伤图像部位特征变量进行判断分类，确定探伤类型并测量探伤尺寸，发现超限，及时报警。

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