專利名稱：一種高鐵和地鐵扣件裂縫檢測系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測領(lǐng)域的設(shè)備，具體是一種高鐵和地鐵扣件裂縫檢測系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
鐵路是關(guān)系國計民生重大項目，隨著鐵路里程的增加，列車速度的不斷提高，對于鐵路的安全維護(hù)顯得尤為重要，對于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)的監(jiān)控也是需求急劇上升?？奂氰F路基礎(chǔ)設(shè)施中非常關(guān)鍵的設(shè)施之一，隨著時間的流逝，及天氣等其他各種外界因素的影響，扣件會出現(xiàn)裂紋，而扣件質(zhì)量的下降直接會影響鐵路的安全性能。傳統(tǒng)的人工檢查和養(yǎng)護(hù)已經(jīng)不能滿足要求，所以各種軌道檢測設(shè)備應(yīng)運而生。目前鐵路扣件的檢測方法主要有以下三種
第一種是人工檢測由鐵路養(yǎng)護(hù)人員定期進(jìn)行軌道人工巡檢，發(fā)現(xiàn)扣減的缺失和松動后，進(jìn)行及時的補(bǔ)償和安裝。其優(yōu)點是發(fā)現(xiàn)扣件缺失后，可立即進(jìn)行維護(hù)。其缺點是養(yǎng)護(hù)費用高，強(qiáng)度高，安全性差，需要回避列車運行時間。該方法主要在低速列車軌道檢測中較為常用，對于高速鐵路無法采用人工方法。第二種是基于線陣激光的連續(xù)掃描裝置例如德國Sick公司等，利用相關(guān)的硬件和軟件進(jìn)行連續(xù)的掃描，然后進(jìn)行圖像拼接和分析，通過連續(xù)分段的分析獲取軌基、軌枕和扣件信息，進(jìn)行相關(guān)的位置判斷和結(jié)構(gòu)信息處理，獲取扣件的狀態(tài)信息。其優(yōu)點是系統(tǒng)組成簡單，易于維護(hù)。其缺點是檢測速度較低，通用性不高。第三種是基于面陣圖像傳感器的計算機(jī)視覺檢測裝置如美國ENSCO公司的VIS 系統(tǒng)、德國Atlas Electronic公司開發(fā)的光電式軌道檢測系統(tǒng)及北京福斯達(dá)公司高速
車載式軌道圖像識別系統(tǒng)等。這種方法都是采取用高速攝像機(jī)采集扣件完整圖片，然后進(jìn)行圖像處理，判斷扣件是否存在。其優(yōu)點是準(zhǔn)確率高、智能化程度高。其缺點是無法滿足高速鐵路的需求，有時需要過多的人工干預(yù)。目前所有防護(hù)方法基本都不能完成高鐵和地鐵鐵軌扣件裂縫的檢測，即使人工排查的方法也無法大量的檢測扣件是否有裂縫，由于裂紋本身較小，容易使人眼疲勞，所以對于鐵路較長的里程數(shù)來說，人工巡檢根本無法完成任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種高鐵和地鐵扣件裂縫檢測系統(tǒng)和方法，解決現(xiàn)有的扣件技術(shù)只能檢測缺失和松動，而無法檢測扣件是否有裂縫的缺陷，可用于高鐵和地鐵扣件缺失，部分破壞缺失和裂縫的快速在線檢測，具有識別速度快，細(xì)節(jié)信息體現(xiàn)聞，精確拍照等優(yōu)點。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案本系統(tǒng)主要包括以下結(jié)構(gòu)觸發(fā)系統(tǒng)，圖像采集系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)和電路系統(tǒng)。其中觸發(fā)系統(tǒng)包括兩個光電觸發(fā)器； 圖像米集系統(tǒng)包括攝像機(jī)和LED光源；
圖像處理系統(tǒng)包括圖像采集卡和工控機(jī)；
電路系統(tǒng)包括連接各部分的電線、蓄電池以及信號處理裝置。利用現(xiàn)有高鐵和地鐵扣件沿鐵軌左右對稱安裝的特點，本系統(tǒng)采用左右分別觸發(fā)和采集圖像，即當(dāng)左邊的光電觸發(fā)器被鐵軌左邊的扣件觸發(fā)時，右邊的圖像采集系統(tǒng)會對右邊的扣件進(jìn)行采集。因此本系統(tǒng)分為前后兩部分，前面部分左邊安裝觸發(fā)系統(tǒng)，右邊安裝采集系統(tǒng)，后面部分左邊安裝采集系統(tǒng)，右邊安裝觸發(fā)系統(tǒng)。下面對本系統(tǒng)中的觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，此系統(tǒng)中的觸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)有兩個光電觸發(fā)器，利用高鐵和地鐵扣件形狀特點，即扣件左右兩邊要比地面高，因此采用對高度靈敏的光電觸發(fā)器，根據(jù)扣件的形狀將兩個觸發(fā)器間距安裝為16cm，只有當(dāng)兩個觸發(fā)器同時被觸發(fā)時，圖像采集系統(tǒng)才開始采集圖像，這樣既保證了扣件不會被遺漏，同時部分擁有高度信息的雜物如石頭等只能觸發(fā)一個光電觸發(fā)器，也不會影響圖像的采集。當(dāng)兩個觸發(fā)器同時被觸發(fā)時，脈沖信號進(jìn)入電路控制系統(tǒng)，電路控制系統(tǒng)控制LED閃光，并用攝像機(jī)拍攝圖像，攝像機(jī)拍攝的圖像通過圖像采集卡進(jìn)入工控機(jī)，進(jìn)行圖像處理。其圖像處理過程如下1.定位
首先，對鐵軌固件進(jìn)行圖像采集，進(jìn)而構(gòu)建圖像匹配的模板，再將實際采集的圖像與模板進(jìn)行定位匹配。圖像特征區(qū)域的選取是在標(biāo)準(zhǔn)模板圖像和實際采集圖像上選取相對應(yīng)的特征區(qū)域以適應(yīng)將來的圖像定位匹配，由此確定扣件在圖像中的位置。2.幾何校正
在區(qū)域內(nèi)建立僅與該區(qū)域邊界相關(guān)的扭曲函數(shù)，使區(qū)域內(nèi)象素的扭曲局部化，同時又保證區(qū)域間扭曲函數(shù)的連續(xù)性，從而克服了基于特征線段、基于網(wǎng)格扭曲等方法的缺點。3.平滑處理
圖像的高斯平滑是平滑線性濾波器的另一種應(yīng)用，與圖像的簡單平滑不同的是，它在對鄰域內(nèi)像素灰度進(jìn)行平均時，給予了不同位置像素不同的權(quán)值。模板上越是靠近鄰域中心的位置，其權(quán)值就越高。如此安排權(quán)值的意義在于用此模板進(jìn)行圖像平滑時，在對圖像細(xì)節(jié)進(jìn)模糊的同時，可以更多地保留圖像總體的灰度分布特征。相比圖像的簡單平滑，高斯平滑對高對比度圖像的平滑效率較低，在離散型雜點的消除方面，高斯平滑的效果并不理想。然而如果需要在平滑過程中保留源圖像的總體特征，高斯平滑就具有很大的優(yōu)勢。4.斑點檢測
圖像分割技術(shù)是把圖像分割成不同屬性的若干部分或若干實體，這是圖像分析的首要步驟。通常將圖片分割至感興趣的部分，直到將他們從背景中隔離開來為止。在圖像被機(jī)器視覺實驗系統(tǒng)獲取之后，為了能把目標(biāo)實體從單一背景(本實驗采用白色)背景中提取出來，采用閾值分割方法，分割采用的閾值通常依據(jù)圖像的直方圖分析結(jié)果來選定，且其一般對于同一實驗條件下的所有圖像均保持恒定。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點
一、可以快速獲得高鐵和地鐵扣件的清晰圖像，并對圖像進(jìn)行計算分析，獲得有缺陷的扣件或者缺失扣件的位置；
二、由于利用紅外的LED作為照明光源，即可以在白天工作也可以在夜間工作；
三、在控制LED照明時采用頻閃的設(shè)計，有效的提高了照明光源的壽命，使得系統(tǒng)在使用時不用頻繁的更換光源；
四、目前所有鐵軌扣件檢測的系統(tǒng)中，沒有系統(tǒng)可以實現(xiàn)扣件裂縫的檢測，而本系統(tǒng)可以實現(xiàn)。


圖1為高鐵和地鐵扣件裂縫檢測系統(tǒng)；
圖2為高鐵和地鐵扣件觸發(fā)裝置結(jié)構(gòu) 圖3為高鐵和地鐵扣件裂縫檢測系統(tǒng)拍攝扣件原 圖4為定位模板圖像；
圖5為定位處理后的圖像；
圖6為幾何校正區(qū)域示意 圖7為幾何校正區(qū)域校正后圖像；
圖8為平滑處理后的圖像；
圖9為斑點檢測最終結(jié)果。I一光電探測器I 2—光電探測器11 3一攝像機(jī)4一LED光源5—畜電池6—工控機(jī)7 —電路控制板8一扣件9一鐵軌
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明包括觸發(fā)系統(tǒng)，圖像采集系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)和電路系統(tǒng)。其中觸發(fā)系統(tǒng)包括兩個光電觸發(fā)器1，2 ；
圖像米集系統(tǒng)包括攝像機(jī)3和LED光源4 ；
圖像處理系統(tǒng)包括圖像采集卡和工控機(jī)6 ；
電路系統(tǒng)包括連接各部分的電線、蓄電池5以及信號處理裝置7。如圖1所示，小車沿著鐵軌方向分為前后兩段，前面部分和后面部分的圖像采集系統(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng)以鐵軌為軸對稱，因此只說明小車前半段即可說明此處結(jié)構(gòu)。光電觸發(fā)器I和光電觸發(fā)器II安裝在高鐵和地鐵右側(cè)正上方，即光電觸發(fā)器I和光電觸發(fā)器II到鐵軌9的距離應(yīng)該等于扣件8到鐵軌9的距離。攝像機(jī)3和照明LED燈4安裝在鐵軌9左側(cè)，攝像機(jī)3安裝在鐵軌9左側(cè)扣件正上方，即攝像機(jī)3到鐵軌9的距離和扣件到鐵軌的距離相
坐寸ο當(dāng)小車沿著鐵軌運動時，如圖2所示，當(dāng)光電觸發(fā)器I和光電觸發(fā)器II同時被扣件8較高部分觸發(fā)時，兩個觸發(fā)器會給電路控制系統(tǒng)一個高頻信號，然后電路控制系統(tǒng)控制LED燈發(fā)光，同時控制攝像機(jī)3拍照，獲得的圖像通過圖像采集卡存儲到工控機(jī)上。通過工控機(jī)處理過程和結(jié)果如下1.定位 首先，對鐵軌固件進(jìn)行圖像采集，進(jìn)而構(gòu)建圖像匹配的模板，再將實際采集的圖像與模板進(jìn)行定位匹配。圖像特征區(qū)域的選取是在標(biāo)準(zhǔn)模板圖像和實際采集圖像上選取相對應(yīng)的特征區(qū)域以適應(yīng)將來的圖像定位匹配，標(biāo)準(zhǔn)模版圖像如圖4所示，實際采集圖像如圖5所示，將圖中方框所示的內(nèi)容進(jìn)行匹配，由此確定扣件在圖像中的位置。2.幾何校正
在區(qū)域內(nèi)建立僅與該區(qū)域邊界相關(guān)的扭曲函數(shù)，使區(qū)域內(nèi)象素的扭曲局部化，同時又保證區(qū)域間扭曲函數(shù)的連續(xù)性，從而克服了基于特征線段、基于網(wǎng)格扭曲等方法的缺點，將定位后的圖像取出其中部分進(jìn)行校正，如圖6所示為幾何校正區(qū)域示意圖，幾何校正以后得到如圖7所示結(jié)果。3.平滑處理
圖像的高斯平滑是平滑線性濾波器的另一種應(yīng)用，與圖像的簡單平滑不同的是，它在對鄰域內(nèi)像素灰度進(jìn)行平均時，給予了不同位置像素不同的權(quán)值。模板上越是靠近鄰域中心的位置，其權(quán)值就越高。如此安排權(quán)值的意義在于用此模板進(jìn)行圖像平滑時，在對圖像細(xì)節(jié)進(jìn)模糊的同時，可以更多地保留圖像總體的灰度分布特征。相比圖像的簡單平滑，高斯平滑對高對比度圖像的平滑效率較低，在離散型雜點的消除方面，高斯平滑的效果并不理想。然而如果需要在平滑過程中保留源圖像的總體特征，高斯平滑就具有很大的優(yōu)勢。將上一步得到的圖像即圖7用高斯平滑處理，得到的結(jié)果如圖8所示。4.斑點檢測
圖像分割技術(shù)是把圖像分割成不同屬性的若干部分或若干實體，這是圖像分析的首要步驟。通常將圖片分割至感興趣的部分，直到將他們從背景中隔離開來為止。在圖像被機(jī)器視覺實驗系統(tǒng)獲取之后，為了能把目標(biāo)實體從單一背景(本實驗采用白色)背景中提取出來，采用閾值分割方法，分割采用的閾值通常依據(jù)圖像的直方圖分析結(jié)果來選定，且其一般對于同一實驗條件下的所有圖像均保持恒定。將圖8進(jìn)行斑點檢測，得到如圖9所示結(jié)果，說明扣件存在裂紋，檢測過程完成。
權(quán)利要求
1.一種高鐵和地鐵扣件裂縫檢測系統(tǒng)和方法，本系統(tǒng)主要包括以下結(jié)構(gòu)觸發(fā)系統(tǒng)，圖像采集系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)和電路系統(tǒng)，其中觸發(fā)系統(tǒng)包括兩個光電觸發(fā)器；圖像采集系統(tǒng)包括攝像機(jī)和LED光源；圖像處理系統(tǒng)包括圖像采集卡和工控機(jī)；電路系統(tǒng)包括連接各部分的電線、蓄電池以及信號處理裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高鐵和地鐵扣件裂縫檢測系統(tǒng)和方法，其特征在于所用光電觸發(fā)器可以是紅外光電觸發(fā)器，也可以是激光光電觸發(fā)器，探測距離要求在13cm以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高鐵和地鐵扣件裂縫檢測系統(tǒng)和方法，其特征在于所用照明LED燈為紅外波段，也可以為可見光波段。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高鐵和地鐵扣件裂縫檢測系統(tǒng)和方法，其特征在于根據(jù)扣件的形狀兩個觸發(fā)器水平安裝間距為16cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高鐵和地鐵扣件裂縫檢測系統(tǒng)和方法，其特征在于所述兩個觸發(fā)器同時被觸發(fā)時，脈沖信號進(jìn)入電路控制系統(tǒng)，電路控制系統(tǒng)控制LED閃光，并用攝像機(jī)拍攝圖像，攝像機(jī)拍攝的圖像通過圖像采集卡進(jìn)入工控機(jī)，進(jìn)行圖像處理，得到扣件缺陷的識別結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高鐵和地鐵扣件裂縫檢測系統(tǒng)和方法，其特征在于獲得圖像通過定位，幾何校正，平滑處理和斑點檢測四步，可得到檢測要求結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測領(lǐng)域的設(shè)備,具體是一種高鐵和地鐵扣件裂縫檢測系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的目的是提供一種高鐵和地鐵扣件裂縫檢測系統(tǒng)和方法，解決現(xiàn)有的扣件技術(shù)只能檢測缺失和松動，而無法檢測扣件是否有裂縫的缺陷，可用于高鐵和地鐵扣件缺失，部分破壞缺失和裂縫的快速在線檢測，具有識別速度快，細(xì)節(jié)信息體現(xiàn)高，精確拍照等優(yōu)點。利用現(xiàn)有高鐵和地鐵扣件沿鐵軌左右對稱安裝的特點，本系統(tǒng)采用左右分別觸發(fā)和采集圖像，即當(dāng)左邊的光電觸發(fā)器被鐵軌左邊的扣件觸發(fā)時，右邊的圖像采集系統(tǒng)會對右邊的扣件進(jìn)行采集。
文檔編號B61K9/10GK103010258SQ20131001912
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月20日
發(fā)明者黃崗, 張金強(qiáng), 崔博, 楊順才, 蔣鑫巍 申請人:昆明聚林科技有限公司