CN201016002Y - 利用结构光识别铁路车辆配件运用状态检测装置 - Google Patents

Abstract

利用结构光识别铁路车辆车辆配件运用状态检测装置，包括激光线结构光发生装置(1)、图像采集系统(2)，其特征是：它还包括图像及信息管理系统(22)，和计轴、计辆、车号与采集控制系统(3)，所述的激光线结构光发生装置(1)包括激光线光源(5)，所述的图像采集系统(2)包括摄象机(6)、图像采集机(7)和带通滤波片(8)，所述的计轴、计辆、车号与采集控制系统(3)包括车轮传感器(12)、信号控制箱(10)和车号系统(13)。本实用新型通过结构光加图像识别技术实现关门车故障自动诊断，提高了列检作业的效率和准确性，缩短技检时间，保障列车运行安全。

Description

利用结构光识别铁路车辆配件运用状态检测装置

技术领域

本实用新型属于铁路地对车在线车辆检测设备，特别是涉及通过结构光加图像识别系统实现铁路车辆配件运用状态自动检测的装置。

背景技术

铁路车辆传统的检查方式是由列检作业人员目视察看，在列车到达列检所时，列检人员目视检查后，将故障车车号、编组顺位、故障状态统计上报，对需要检修处理的就地检修或做扣车处理。

由于人工作业劳动强度和责任心的问题，有时对故障车会发生漏检漏修的情况，而且难以监督和检查，给列车安全运行带来极大的隐患。同时，由于提速和铁路运输效率的提高，要求技检时间尽量缩短，迫切需要研制一批自动检测设备，实现列检作业自动化。

利用结构光识别铁路车辆配件运用状态的自动检测装置是一套在轨道上安装，当列车通过时，能够自动识别通过列车中的车辆配件的运用状态，判断运行故障，并通过网络将故障情况向列检所和上级管理部门传输的自动安全检测系统。

目前，在铁路货车图像自动检测系统(TFDS)中，也采用摄像机拍摄，也可以拍摄到车辆配件的故障状态，但在照片中由于大面积辅助光源的照明，配件图象和背景重叠在一起难以区分其边界，造成图像识别率大幅降低。

发明内容

本实用新型需要解决的技术问题是：提供一种利用结构光识别铁路车辆配件运用状态装置，可通过图像识别技术实现车辆配件运用故障自动诊断，提高了列检作业的效率和准确性，缩短技检时间，保障列车运行安全。

本实用新型的技术解决方案是：利用结构光识别铁路车辆配件运用状态装置，包括激光线结构光发生装置、图像采集系统，其特征是：它还包括图像及信息管理系统，和计轴、计辆、车号与采集控制系统，所述的激光线结构光发生装置包括激光线光源，所述的图像采集系统包括摄象机、图像采集机和带通滤波片，所述的计轴、计辆、车号与采集控制系统包括车轮传感器、信号控制箱和车号系统。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：实现了人工检测向自动检测的转变；实现了体力劳动向脑力劳动的转变；实现了室外作业向室内作业的转变；满足了列车提速后车辆配件运用状态检测的需要；大幅度缩短检查时间、提高了作业效率；形成的车辆配件运用状态数据有利于故障分析和责任追究；一旦形成全路检测网络可形成车辆配件运用状态数据库，有利于上级管理部门对车辆配件运用状态的统一管理和动态追踪。实现了检测结果的科学化管理。

该实用新型在识别车辆配件运用状态时，通过增加软件模型，针对不同被检配件类型配备不同的结构光和图象采集装置，就可以应用在各种车辆底部及侧面配件的故障检测上，包括判断配件脱落和异位如：关门车，制动梁支柱和下拉杆圆销丢失，安全链脱落，制动梁和下拉杆脱落，识别车号板的有无，闸调器工作状态，制动缸勾贝是否中途伸出，上拉杆有无，风管连接状态，车钩连接状态，枕簧丢失、断裂，闸瓦厚度超标检测等。

该系统将有效填补地对车自动检测的技术空白。它以高效率的自动化作业代替了传统的人工劳动，并可通过图像识别技术实现车辆配件运用状态故障自动诊断，极大地提高了列检作业的效率和准确性。该系统的研制和应用，对于提高我国铁路列检作业技术水平、保证行车安全具有重要和现实的意义。

附图说明

图1为本实用新型利用结构光识别铁路车辆车辆配件运用状态检测装置组成结构框图。

图2为本实用新型激光线结构光发生装置示意图。

图3为本实用新型激光线结构光装置安装示意图。

图4为本实用新型高速数字摄像机安装位置示意图。

图5为本实用新型计轴、计辆、车号与采集控制系统示意图。

图6为本实用新型图像及信息管理系统网络组成结构示意图。

图7为本实用新型检测原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本实用新型的实施例。

1、激光线结构光发生装置1

①激光线结构光发生装置1

激光线结构光发生装置1包括：激光线光源5和结构光箱4。如图2所示。激光线光源5是一种可产生一条红色光线的激光器。将激光线光源5置于结构光箱4中，该装置将一定数量的激光线光源5固定安装在一块板上，能够形成一个垂直于发射板的一排平行光束。

②主要结构特点

激光线结构光发生装置1选择一种角度可调整的机构，采用弧形划槽加紧固螺丝或其它角度调整方式，α角选择范围为0°～45°角。

激光线光源5可布置多行，行与行及每行的激光器之间相距一定距离，各行的激光器依次在水平方向距离为固定的间距。最终让光束成为相距固定间距的平行光。

该装置需设计弹簧或橡胶减震装置。加装保护门，当来车时，先打开门再发出激光束，防止灰尘、雨雪和人为破坏。

③结构光箱4安装

该结构光箱4安装在两轨枕之间，安装后，保证光束不会被轨枕或其它物件遮挡，同时要求最高处低于轨平面，而且尽量低。安装位置以轨中心线为中心作为该装置安装中心。采用卡具直接将结构光箱4卡在轨枕上。如图3所示。

2、图像采集系统2

图像采集系统2包括：高速数字摄像机6，镜头，图像采集机7，带通滤波片8，摄像机箱9。

①高速数字摄像机6及其安装位置

高速数字摄像机6安装位置见图4，安装时其光轴与垂直方向成一定的角度β，β取值范围为0°～45°其焦距距轨平面高度L＞200mm。摄像机以轨中心为安装中心。

②摄像机箱9结构特点

需设计β角调整机构，调好后需可靠锁紧，防止由于震动造成的松动。

在机箱外壳加装保护门。当来车时，先打开门再拍摄，防止灰尘、雨雪和人为破坏。

摄像机安装架与摄像机箱9间设计减震装置。

摄像机箱9安装形式同结构光箱一样，采用卡具将摄像机箱直接卡在两根轨枕之间。

③带通滤波片8

带通滤波片8安装在摄像机镜头前用于滤掉其它杂光干扰，其中心波长与激光源波长一致，使用该滤波片后，摄像机只接收波长为激光源的光，这样有效避免了日光和其它杂光的干扰。

3、计轴、计辆、车号与采集控制系统3

该系统用于列车计轴计辆，判断车型，控制激光线结构光的工作，控制摄像机拍摄位置和拍摄时间，读取通过车辆的车号信息，将检测结果与被测车辆对应起来。

该系统由车轮传感器12，计轴卡、I/O控制卡、信号控制箱10、工控机11和车号系统13组成。系统结构组成及在钢轨上的安装布局位置见图5。

①车轮传感器12与计轴计辆

该系统由车轮传感器12，传感器信号转换电路15，和计轴卡组成，用于判断来车，判断客货车编组，当确认到达列车时，系统启动，开始各项采集工作，判断车辆位置情况，确认车档和钩档位置，计算车辆实时速度，依据车辆位置和运行速度，由工控机11给摄像机发出图像采集命令。

传感器信号转换电路15用于将车轮传感器12发出的电信号经过滤波、放大、截取过零点等信号处理，形成一个下沿有效的标准TTL电平信号。每组传感器对应一组电路，电路输出信号直接传送到工控机11内的计轴卡，计轴卡的任务是接收车轮传感器信号、计算车轮速度、去除干扰信号、判断车辆转向架类型并实时将信息上传工控机。

工控机11作为综合控制机在获得计轴卡信号后，计算判断列车与摄像机相对位置，通过I/O卡和串口发出系统开关机、电源开关、摄像机箱开关门、车号读取、摄像机拍摄外触发等各种命令信号。

②车号系统13

该系统由安装在钢轨中心的RF天线17，同轴电缆18和车号箱16组成，用于读取车辆标签中的车号等信号。车号系统13与工控机11通过串口形成数据交换接口。

③信号控制箱10

信号控制箱10分为传感器信号转换电路15和控制电路14两部分。控制电路14包括电器控制电路19、温度控制电路20、像机外触发信号电路21。电器控制电路19用于控制机箱开关门电机，激光线光源开关等。温度控制电路20采用温控仪控制摄像机箱9和结构光箱4内温度。像机外触发信号电路21是将I/O卡开关信号转换为TTL信号控制像机采集。

④I/O卡

I/O卡用于控制信号的输出。

4、图像及信息管理系统22

该系统采用IP网络作为信息交换平台，用交换机、网卡、网线组成一个局域网，达到信息传输的目的。网络组成结构见图6。

工控机11通过网络将列车编组车号和其它车辆信息传输到图像处理及数据管理终端，图像采集机7将采集到的用于判断车辆配件运用状态的相关车辆底部图片，按辆发送到图像处理及数据管理终端。经过图像识别软件判别后，确定发生故障的车辆。最终形成故障数据报表。

远端复示终端可通过光纤、电话线或无线交换方式得到最新的故障数据报告，在终端安装数据库管理软件，将每列车的数据报告分类保存，并形成向上一级列检所、车辆段、路局、铁道部的故障数据报告。通过上级网络将有关报告向上传送。该终端还可配置一台打印机，可打印相关报表。

5.其他辅助设备

包括直流电源、防雷设备、不间断电源、机柜等

检测原理：

本实用新型采用结构光与高速摄像和图像识别系统相结合，所述的结构光是一组距离相等的平行光线，该光线由激光线光源或其他白光线光源组成，所述的高速摄像和图像识别系统包括高速数字摄像机、图像采集卡和图像采集机和图像识别软件，所述的结构光光轴与高速摄像机光轴固定成一定的角度。

以检测关门车为例，检测原理如图7所示，激光线结构光发生装置1和高速数字摄像机6如图中所示方式安装，由于高速数字摄像机6前安装了带通滤波片，这样在摄像机拍摄的图片上只出现光条纹，按照对应的几何关系计算，如果拍摄位于同一平面上的物体时，每个光条纹之间的距离为发出光束间的距离。由于截断塞门23与车底部24之间都有一定的安装距离L(150mm-600mm)，这样光条纹之间的距离就会产生较大的差值，光条纹出现变形就代表被摄物表面的高低变化，按照设计，两物体只要垂直距离大于150mm，那么低处物体产生的光纹与高处物体就会彻底分离开来。

当关闭截断塞门形成关门车时，截断塞门23把手明显不同于车底部24其它任何配件，当拍出条纹照片后，其判别特征异常明显。

本实用新型采用了激光线结构光加滤波片的方式后，经过简单的二值化处理，在光线投射到部位即可清晰地显示出被摄物，再加上线光源与摄象机独特设计的角度位置，将车辆底部位于较低位置的拉杆，制动支管，截断塞门，车号板，制动缸，闸调器等物体全部清晰地与背景区分开来。

我们需要考虑多项因素，由于车型不同，截断塞门23可以处于轨平面以上300～1000的任何位置，也可以处于轨内侧范围的所有位置，当关门时有时把手与车辆运动方向一致，有时与运动方向垂直。由于以上原因，需要摄象机视场要覆盖所有位置。

在软件识别关门车时，由于图片经处理后全部为黑白二值化灰度图，结合关门车塞门把手与制动支管特有的几何图像，能够作到准确快速的判别。可以结合现场拍摄图片，针对不同车型和塞门类型，增加多种识别模式，逐步提高准确率。

对于其他各种车辆底部及侧面配件的故障检测上，需要有针对性的对结构光和图象采集设备进行不同的布局设计，同时在编制软件时需要积累大量的现场数据和经验才能作出完整的判断。

目前可以检测的内容包括判断底部和侧面配件脱落和异位如：关门车，制动梁支柱和下拉杆圆销丢失，安全链脱落，制动梁和下拉杆脱落，识别车号板的有无，闸调器工作状态，制动缸勾贝是否中途伸出，上拉杆有无，风管连接状态，车钩连接状态，枕簧丢失、断裂，闸瓦厚度超标检测等。

Claims (7)

1.利用结构光识别铁路车辆配件运用状态检测装置，包括激光线结构光发生装置(1)、图像采集系统(2)，其特征是：它还包括图像及信息管理系统(22)，和计轴、计辆、车号与采集控制系统(3)，所述的激光线结构光发生装置(1)包括激光线光源(5)，所述的图像采集系统(2)包括摄象机(6)、图像采集机(7)和带通滤波片(8)，所述的计轴、计辆、车号与采集控制系统(3)包括车轮传感器(12)、信号控制箱(10)和车号系统(13)。

2.根据权利要求1所述的利用结构光识别铁路车辆配件运用状态检测装置，其特征是：所述的激光线结构光发生装置(1)发出的结构光是一组距离相等的平行光线，该光线由激光线光源(5)或其他白光线光源组成，该结构光其光轴与摄像机(6)光轴固定成一定的角度。

3.根据权利要求2所述的利用结构光识别铁路车辆配件运用状态检测装置，其特征是：所述的信号控制箱(10)包括控制电路(14)和传感器信号转换电路(15)。

4.根据权利要求3所述的利用结构光识别铁路车辆车辆配件运用状态检测装置，其特征是：所述的控制电路(14)包括电器控制电路(19)、温度控制电路(20)和像机外触发信号电路(21)。

5.根据权利要求1所述的利用结构光识别铁路车辆车辆配件运用状态检测装置，其特征是：所述的激光线结构光发生装置(1)还包括结构光箱(4)，所述的图像采集系统(2)还包括摄像机箱(9)，所述的激光线光源(5)置于结构光箱(4)中，所述的结构光箱(4)安装在两轨枕之间，该结构光箱(4)有弹簧或橡胶减震装置；所述的摄像机(6)置于安装架上，该安装架置于摄像机箱(9)中，该摄像机箱(9)安装在两轨枕之间，摄像机安装架与摄像机箱(9)间设计减震装置。

6.根据权利要求1所述的利用结构光识别铁路车辆车辆配件运用状态检测装置，其特征是：将激光线光源(5)固定安装在板上，该板与地面形成形α角，α角调整方式采用弧形划槽加紧固螺丝，α角选择范围为0°～45°角。

7.根据权利要求1所述的利用结构光识别铁路车辆车辆配件运用状态检测装置，其特征是：所述的摄像机(6)为高速数字摄像机，安装时其光轴与垂直方向成一定的角度β，β角可以调整，其取值范围为0°～45°，其焦距距轨平面高度L＞200mm，所述的高速数字摄像机(6)带通滤波片(8)安装在摄像机镜头前。

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