本發(fā)明屬于軌道交通，具體涉及一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、軌道列車牽引和制動(dòng)都跟輪軌黏著高度相關(guān)，當(dāng)輪軌黏著力不足時(shí)易造成空轉(zhuǎn)打滑，牽引工況下車輛無法有效提速，制動(dòng)工況下無法在更短的距離實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，造成能源浪費(fèi)。同時(shí)也會(huì)造成鋼軌擦傷或車輪踏面擦傷、磨損，增加運(yùn)營成本。隨之引發(fā)的輪軌間加劇的振動(dòng)和沖擊，產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲，降低了乘坐舒適度。黏著系數(shù)的準(zhǔn)確獲取意義重大，當(dāng)列車車輛行駛在黏著系數(shù)較低的路段時(shí)，例如雨天、積水路段或曲線區(qū)域等，車輪與軌道之間的摩擦力減小，導(dǎo)致輪軌之間的黏著力降低。這將導(dǎo)致車輪打滑，增加車輪與軌道之間的磨耗，同時(shí)也將增加輪軌之間的摩擦力，進(jìn)一步降低了黏著力，形成惡性循環(huán)。黏著系數(shù)可以通過計(jì)算和試驗(yàn)獲取，計(jì)算方面需要考慮運(yùn)行速度、輪軌表面狀態(tài)和環(huán)境因素等影響，難以還原線路真實(shí)情況；試驗(yàn)方面僅能通過室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)測試，難以獲取運(yùn)行線路實(shí)時(shí)黏著系數(shù)分布情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服上述存在之不足，提出了一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法及系統(tǒng)，該系統(tǒng)可安裝于車下，拍攝輪軌接觸位置圖像，利用圖像識(shí)別技術(shù)，通過特征點(diǎn)的提取和識(shí)別，實(shí)時(shí)獲取車輪轉(zhuǎn)速以及運(yùn)行速度，依據(jù)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的黏滑特性曲線，得到任意輪對(duì)的黏著系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪對(duì)的黏著系數(shù)的無接觸實(shí)時(shí)測量，為列車運(yùn)行改進(jìn)防空轉(zhuǎn)或防滑控制方法及策略提供數(shù)據(jù)支持。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：提供一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法及系統(tǒng)。其步驟包括：?1)獲取輪軌圖像信息：利用相機(jī)對(duì)列車輪軌接觸部位連續(xù)拍攝獲得車輪與軌道圖像；?2)圖像處理：首先對(duì)拍攝得到的得到的車輪與軌道圖像濾除干擾噪聲，?3）特征點(diǎn)識(shí)別：將連續(xù)的兩幀圖像進(jìn)行差分得到差分圖像，然后對(duì)差分圖像進(jìn)行灰度變換、邊緣提取后進(jìn)行車輪、鋼軌上特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別；?4)求解蠕滑率：根據(jù)拍攝連續(xù)兩張圖像的時(shí)間差，車輪、鋼軌上特征點(diǎn)移動(dòng)距離，分別計(jì)算得到車輪轉(zhuǎn)速以及列車運(yùn)行速度；蠕滑率計(jì)算公式：?其中r為車輪實(shí)際半徑；?5)求解黏著系數(shù)：根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫中輪軌黏著蠕滑特性曲線，得到目標(biāo)輪軌實(shí)時(shí)黏著系數(shù)。

3、根據(jù)本發(fā)明所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法，其進(jìn)一步的優(yōu)選技術(shù)方案是：步驟1）中，采用幀頻可調(diào)的工業(yè)相機(jī)進(jìn)行拍攝，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈拍攝幀數(shù)在5幀以上，ccd圖像傳感器將車輪和鋼軌反射的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換模塊獲得數(shù)字信息，再通過無線傳輸將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)。

4、根據(jù)本發(fā)明所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法，其進(jìn)一步的優(yōu)選技術(shù)方案是：步驟3）中，車輪部分特征點(diǎn)的識(shí)別規(guī)則是將車輪輪緣處標(biāo)記36個(gè)識(shí)別點(diǎn)，每10度一個(gè)識(shí)別點(diǎn)，識(shí)別點(diǎn)取前進(jìn)方向最靠近輪軌接觸點(diǎn)的標(biāo)記；車下軌枕特征點(diǎn)的識(shí)別規(guī)則是基于鋼軌扣件為間距為60cm連續(xù)分布，識(shí)別點(diǎn)取前進(jìn)方向最靠近輪軌接觸點(diǎn)扣件內(nèi)側(cè)后方尖角處。

5、根據(jù)本發(fā)明所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法，其進(jìn)一步的優(yōu)選技術(shù)方案是：步驟2）中，圖像處理的步驟具體為：對(duì)圖像進(jìn)行設(shè)置，以下為最低設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置算法的像素容差值為?7，結(jié)束判定值為5，像素容差用來消除非零的無效像素點(diǎn)，具體步驟如下：?步驟1：讀取差分圖像矩陣,置flagl?=0,flag2?=0，掃描第一列,對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行容差處理，若檢測到有效像素點(diǎn),執(zhí)行步驟3，若無則執(zhí)行步驟2；?步驟2：掃描下一列，置flagl=0,flag2=0,對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行容差處理，若檢測到有效像素點(diǎn),執(zhí)行步驟3;若無有效像素點(diǎn),重復(fù)此步驟；?步驟3：記錄該有效像素點(diǎn)位置(x,y)，判斷該點(diǎn)下方像素點(diǎn)的值；?步驟4：若為有效像素點(diǎn)，重復(fù)步驟3；?步驟5：若為無效像素點(diǎn)，記錄無效像素點(diǎn)出現(xiàn)的次數(shù),判斷該點(diǎn)下方像素點(diǎn)值；步驟6：若為有效像素點(diǎn)，重復(fù)驟3;若為無效像素點(diǎn)且無效像素點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)小于5重復(fù)步驟5；?步驟7：若無效像素點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)大于?5計(jì)算有效像素點(diǎn)的平均位置(x,y),同時(shí)記錄有效像素列數(shù);若有效像素列數(shù)大于5判斷縱坐標(biāo)y變化趨勢;若有效像素點(diǎn)變化趨勢改變，置flag2?=1;若?flagl=0且flag2=0,將(x,?y)存儲(chǔ)在第一個(gè)數(shù)組中置?flagl?=1,否則將(xy)存儲(chǔ)在第二個(gè)數(shù)組中,重復(fù)步驟2

6、根據(jù)本發(fā)明所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法，其進(jìn)一步的優(yōu)選技術(shù)方案是：步驟5）中，為提高效率及準(zhǔn)確性，根據(jù)列車運(yùn)行速度、軸重、坡度以及輪軌接觸狀態(tài)輔助選擇輪軌黏著蠕滑特性曲線，然后由曲線計(jì)算得到目標(biāo)輪軌實(shí)時(shí)黏著系數(shù)。

7、根據(jù)本發(fā)明所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法，其進(jìn)一步的優(yōu)選技術(shù)方案是：輪軌接觸狀態(tài)包括干燥、濕潤、油污、冰雪。

8、根據(jù)本發(fā)明所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法，其進(jìn)一步的優(yōu)選技術(shù)方案是：步驟1）中，選擇列車任意輪對(duì)獲取輪軌圖像信息。

9、一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定系統(tǒng)，其包括：?輪軌圖像采集單元：根據(jù)操控臺(tái)顯示車速選擇合適的幀頻進(jìn)行拍攝，圖像通過無線方式傳輸至遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)；?特征提取單元：提取車輪與鋼軌同一位置的特征點(diǎn)，通過不同尺度的邊緣檢測，得到相鄰兩幀圖像的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)位移以及鋼軌相對(duì)位移，然后根據(jù)兩幀圖像的時(shí)間差，獲得車輪轉(zhuǎn)速以及運(yùn)行速度；?蠕滑率求解單元：用于對(duì)蠕滑率進(jìn)行求解；?存儲(chǔ)器單元：用于存儲(chǔ)大量黏滑特性曲線；?輸出與顯示單元：根據(jù)蠕滑率在選擇存儲(chǔ)器單元中合適的黏滑特性曲線，得到實(shí)時(shí)黏著系數(shù)。

10、根據(jù)本發(fā)明所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定系統(tǒng)，其進(jìn)一步的優(yōu)選技術(shù)方案是：輪軌圖像采集單元包括工業(yè)相機(jī)、輔助照明裝置、固定裝置以及數(shù)據(jù)無線傳輸裝置；固定裝置用于固定工業(yè)相機(jī)、輔助照明裝置以及數(shù)據(jù)無線傳輸裝置在輪軌附近，工業(yè)相機(jī)用于拍攝，輔助照明裝置用于拍攝補(bǔ)光，再通過無線傳輸裝置將拍攝獲得的圖像數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)。

11、根據(jù)本發(fā)明所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定系統(tǒng)，其進(jìn)一步的優(yōu)選技術(shù)方案是：所述工業(yè)相機(jī)幀頻可調(diào)，范圍覆蓋0-240f/s，30萬-2000萬像素，增益、曝光時(shí)間及白平衡可編程控制。

12、相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)/有益效果：

13、1、該系統(tǒng)可安裝于車下，拍攝輪軌接觸位置圖像，利用圖像識(shí)別技術(shù)，通過特征點(diǎn)的提取和識(shí)別，實(shí)時(shí)獲取車輪轉(zhuǎn)速以及運(yùn)行速度，依據(jù)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的黏滑特性曲線，得到任意輪對(duì)的黏著系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪對(duì)的黏著系數(shù)的無接觸實(shí)時(shí)測量，為列車運(yùn)行改進(jìn)防空轉(zhuǎn)或防滑控制方法及策略提供數(shù)據(jù)支持。

14、2、該測定方法不局限于室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)，可應(yīng)用于任意運(yùn)行車輛，依托圖像識(shí)別技術(shù)和黏滑曲線數(shù)據(jù)庫，準(zhǔn)確獲取任意輪對(duì)實(shí)時(shí)黏著系數(shù)，準(zhǔn)確率高，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)場景的應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法，其特征在于，其步驟包括：?1)獲取輪軌圖像信息：利用相機(jī)對(duì)列車輪軌接觸部位連續(xù)拍攝獲得車輪與軌道圖像；?2)圖像處理：首先對(duì)拍攝得到的得到的車輪與軌道圖像濾除干擾噪聲，?3）特征點(diǎn)識(shí)別：將連續(xù)的兩幀圖像進(jìn)行差分得到差分圖像，然后對(duì)差分圖像進(jìn)行灰度變換、邊緣提取后進(jìn)行車輪、鋼軌上特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別；?4)求解蠕滑率：根據(jù)拍攝連續(xù)兩張圖像的時(shí)間差，車輪、鋼軌上特征點(diǎn)移動(dòng)距離，分別計(jì)算得到車輪轉(zhuǎn)速以及列車運(yùn)行速度；蠕滑率計(jì)算公式：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法，其特征在于，步驟1）中，采用幀頻可調(diào)的工業(yè)相機(jī)進(jìn)行拍攝，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈拍攝幀數(shù)在5幀以上，ccd圖像傳感器將車輪和鋼軌反射的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換模塊獲得數(shù)字信息，再通過無線傳輸將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法，其特征在于，步驟3）中，車輪部分特征點(diǎn)的識(shí)別規(guī)則是將車輪輪緣處標(biāo)記36個(gè)識(shí)別點(diǎn)，每10度一個(gè)識(shí)別點(diǎn)，識(shí)別點(diǎn)取前進(jìn)方向最靠近輪軌接觸點(diǎn)的標(biāo)記；車下軌枕特征點(diǎn)的識(shí)別規(guī)則是基于鋼軌扣件為間距為60cm連續(xù)分布，識(shí)別點(diǎn)取前進(jìn)方向最靠近輪軌接觸點(diǎn)扣件內(nèi)側(cè)后方尖角處。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法，其特征在于，步驟2）中，圖像處理的步驟具體為：對(duì)圖像進(jìn)行設(shè)置，以下為最低設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置算法的像素容差值為?7，結(jié)束判定值為5，像素容差用來消除非零的無效像素點(diǎn)，具體步驟如下：?步驟1：讀取差分圖像矩陣,置flagl?=0,flag2?=0，掃描第一列,對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行容差處理，若檢測到有效像素點(diǎn),執(zhí)行步驟3，若無則執(zhí)行步驟2；?步驟2：掃描下一列，置flagl=0,flag2=0,對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行容差處理，若檢測到有效像素點(diǎn),執(zhí)行步驟3;若無有效像素點(diǎn),重復(fù)此步驟；?步驟3：記錄該有效像素點(diǎn)位置(x,y)，判斷該點(diǎn)下方像素點(diǎn)的值；?步驟4：若為有效像素點(diǎn)，重復(fù)步驟3；?步驟5：若為無效像素點(diǎn)，記錄無效像素點(diǎn)出現(xiàn)的次數(shù),判斷該點(diǎn)下方像素點(diǎn)值；步驟6：若為有效像素點(diǎn)，重復(fù)驟3;若為無效像素點(diǎn)且無效像素點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)小于5重復(fù)步驟5；?步驟7：若無效像素點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)大于?5計(jì)算有效像素點(diǎn)的平均位置(x,y),同時(shí)記錄有效像素列數(shù);若有效像素列數(shù)大于5判斷縱坐標(biāo)y變化趨勢;若有效像素點(diǎn)變化趨勢改變，置flag2?=1;若?flagl=0且flag2=0,將(x,?y)存儲(chǔ)在第一個(gè)數(shù)組中置?flagl?=1,否則將(xy)存儲(chǔ)在第二個(gè)數(shù)組中,重復(fù)步驟2。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法，其特征在于，步驟5）中，為提高效率及準(zhǔn)確性，根據(jù)列車運(yùn)行速度、軸重、坡度以及輪軌接觸狀態(tài)輔助選擇輪軌黏著蠕滑特性曲線，然后由曲線計(jì)算得到目標(biāo)輪軌實(shí)時(shí)黏著系數(shù)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法，其特征在于，輪軌接觸狀態(tài)包括干燥、濕潤、油污、冰雪。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法，其特征在于，步驟1）中，選擇列車任意輪對(duì)獲取輪軌圖像信息。

8.一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定系統(tǒng)，其特征在于，其包括：?輪軌圖像采集單元：根據(jù)操控臺(tái)顯示車速選擇合適的幀頻進(jìn)行拍攝，圖像通過無線方式傳輸至遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)；?特征提取單元：提取車輪與鋼軌同一位置的特征點(diǎn)，通過不同尺度的邊緣檢測，得到相鄰兩幀圖像的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)位移以及鋼軌相對(duì)位移，然后根據(jù)兩幀圖像的時(shí)間差，獲得車輪轉(zhuǎn)速以及運(yùn)行速度；?蠕滑率求解單元：用于對(duì)蠕滑率進(jìn)行求解；?存儲(chǔ)器單元：用于存儲(chǔ)大量黏滑特性曲線；?輸出與顯示單元：根據(jù)蠕滑率在選擇存儲(chǔ)器單元中合適的黏滑特性曲線，得到實(shí)時(shí)黏著系數(shù)。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定系統(tǒng)，其特征在于，輪軌圖像采集單元包括工業(yè)相機(jī)、輔助照明裝置、固定裝置以及數(shù)據(jù)無線傳輸裝置；固定裝置用于固定工業(yè)相機(jī)、輔助照明裝置以及數(shù)據(jù)無線傳輸裝置在輪軌附近，工業(yè)相機(jī)用于拍攝，輔助照明裝置用于拍攝補(bǔ)光，再通過無線傳輸裝置將拍攝獲得的圖像數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定系統(tǒng)，其特征在于，所述工業(yè)相機(jī)幀頻可調(diào)，范圍覆蓋0-240f/s，30萬-2000萬像素，增益、曝光時(shí)間及白平衡可編程控制。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于圖像識(shí)別的輪軌黏著系數(shù)測定方法及系統(tǒng)，其采用CCD工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)輪軌運(yùn)行速度非接觸式測量，利用圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)處理輪軌圖像信息獲得車輪、鋼軌運(yùn)行速度，從而得到輪軌蠕滑率，再根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫中輪軌黏著蠕滑特性曲線，得到列車當(dāng)前車速下運(yùn)行時(shí)全部車輪與鋼軌接觸區(qū)域的黏著系數(shù)，得到任意輪對(duì)的黏著系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪對(duì)的黏著系數(shù)的無接觸實(shí)時(shí)測量，為列車運(yùn)行改進(jìn)防空轉(zhuǎn)或防滑控制方法及策略提供數(shù)據(jù)支持。

技術(shù)研發(fā)人員：張濤,凌亮,王開云
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西南交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6