一种高速动态实时检测铁轨扣件松动的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种高速动态实时检测铁轨扣件松动的方法及装置，所述方法包括以下步骤：TDI线扫描相机将采集的图像通过高速采集卡传输给工控机；确定需检测目标；工控机对图像进行分割裁减，提取扣件图像，并进行图像预处理；获得扣件图像频谱；将实时获得的扣件图像频谱与工控机中存储的完好扣件图像频谱进行比较，进行缺陷识别；若存在缺陷，则工控机向显示器发送扣件松动的警示，并结合GPS定位信息给出故障点的位置；记录检测结果数据；所述的装置包括TDI线扫描相机、工控机、显示器、列车速度检测设备、列车行驶里程计算器、GPS定位仪和光源组件。与现有技术相比，本发明具有检测精度高、图像处理算法简单、检测结果直观等优点。
【专利说明】一种高速动态实时检测铁轨扣件松动的方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于图像处理的检测方法及检测装置，尤其是涉及一种高速动态实时检测铁轨扣件松动的方法及装置。
【背景技术】
[0002]铁路钢轨扣件是轨道上用以联结钢轨和轨枕(或其他类型轨下基础)的零件，其作用是将钢轨固定在轨枕上，保持轨距和阻止钢轨发生相对于轨枕的纵横向移动。铁路扣件是关乎铁路安全的重要部件，如果线路钢轨扣件松动、缺损，钢轨将得不到完全固定，从而导致列车在运行途中产生颠簸，甚至脱轨。
[0003]列车经过时对铁轨不断产生冲击作用，导致铁轨会出现振动，铁轨的振动通过扣件传给轨枕和路基。其中扣件上的螺栓，螺母以及弹条由于长时间承受高频的振动冲击容易产生松动，松动严重的情况下振动时就会出现晃动，甚至断裂、脱落丢失。
[0004]因此需要对轨道扣件进行定期检测，目前，对普通铁路上扣件的检查主要依靠人工巡查的方法，这种方法需要大量人力，而且长距离的铁路线路使得检测速度低、安全性差；近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展，也出现了一些自动检测方法，主要集中在采用计算机视觉方法对扣件的缺失进行检测，这种检测方法相对人工方法速度快、效率高，但检测精度相对较低，尤其对那些没有缺失，但发生了严重松动的扣件，会产生误检、漏检现象。
[0005]总结来看，轨道扣件的自动检测要求主要是三点:高速、高效、高精度。目前的检测方法在检测速度和检测精度上还有待提闻。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种检测精度高、图像处理算法简单、检测结果直观的高速动态实时检测铁轨扣件松动的方法及装置。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0008]一种高速动态实时检测铁轨扣件松动的方法，该方法通过TDI线扫描相机进行图像采集，并对采集的图像处理后判断是否存在铁轨扣件松动，具体包括以下步骤:
[0009]I)根据检测要求设定TDI线扫描相机的运动速度和扫描行频；
[0010]2)TDI线扫描相机同步对铁轨进行扫描成像，并将采集的图像通过高速采集卡传输给工控机；
[0011]3)工控机结合列车运动速度、采集位置、时间信息确定需检测目标；
[0012]4)工控机对图像进行分割裁减，提取扣件图像，并进行图像预处理；
[0013]5)对扣件图像进行傅立叶变换，并进行移位操作，从而获得扣件图像频谱；
[0014]6)将实时获得的扣件图像频谱与工控机中存储的完好扣件图像频谱进行比较，进行缺陷识别；
[0015]7)若存在缺陷，则工控机向显示器发送扣件松动的警示，并结合GPS定位信息给出故障点的位置；
[0016]8)记录检测结果数据，形成统计分析报表并输出。
[0017]所述的步骤2)中TDI线扫描相机同步对铁轨进行扫描成像时，TDI线扫描相机接收列车速度检测设备输出的列车运行速度和加速度信号，实时调整TDI线扫描相机的扫描行频和TDI积分级数。
[0018]所述的步骤4)中的图像预处理包括图像去噪、图像去模糊处理和图像定标。
[0019]一种高速动态实时检测铁轨扣件松动的装置，固定安装在列车底部，该装置包括TDI线扫描相机、工控机、显示器、列车速度检测设备、列车行驶里程计算器、GPS定位仪和光源组件，所述的TDI线扫描相机、工控机、显示器依次连接，所述的列车速度检测设备分别连接TDI线扫描相机和工控机，所述的列车行驶里程计算器和GPS定位仪均与工控机连接，所述的TDI线扫描相机和光源组件设置在列车底部。
[0020]所述的工控机内设有速图像采集卡。
[0021]所述的TDI线扫描相机设有四套，分布安装在列车底部。
[0022]所述的光源组件包括成像专用光源和光线检测设备。
[0023]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0024]1、利用TDI线扫描相机特有的扫描方式，结合图像处理算法，实现扣件松动的检测；
[0025]2、由于采用高速TDI线描扫相机，可以实现高速、高分辨率扫描成像，检测速度快、检测精度高；
[0026]3、图像处理算法简单，计算量小，易于实现实时处理要求；
[0027]4、由于采用图像检测方法，检测结果直观，对有疑问的检测结果可以进行图像回放，还可以进行后续进一步图像处理方法提高检测精度，从而确认故障。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明方法的流程示意图；
[0029]图2为TDI线扫描相机的工作原理示意图；
[0030]其中，图(a)为TDI线扫描相机扫描方式不意图，图(b)为TDI线扫描相机根据扫描方向所成的像；
[0031]图3为本发明装置的结构示意图；
[0032]图4为本发明TDI线扫描相机的安装示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0034]本实施例高速动态实时检测铁轨扣件松动的方法是一种基于图像处理的检测方法，采用TDI线扫描相机获取轨道扣件图像。如图2所示为TDI线扫描相机的工作原理示意图，利用TDI CCD对同一景物多次曝光然后累加的特性，多次曝光相当于曝光持续时间延长至少TDI积分级数倍，S卩:总曝光持续时间=扫描单行的时间XTDI积分级数，这段持续时间相对于相同行扫描频率的普通线扫描相机而言显然延长很多倍，甚至能够达到，如果在此期间景物由于松动产生抖动，将会导致所成扣件图像明显模糊。此种运动模糊图像由于特殊的形成机理使得该图像的特征相对于没有松动得扣件图像得特征会有明显不同，例如对该图像进行傅立叶变换获得的频谱就会具有典型的特征，相对于没有发生松动的扣件图像的频谱会有明显差异，通过比较可以检出有问题的扣件。
[0035]如图1所示，检测过程具体包括以下步骤:
[0036]I)根据检测要求设定TDI线扫描相机的运动速度(km/h)和扫描行频(khz)；
[0037]2)TDI线扫描相机同步对铁轨进行扫描成像，TDI线扫描相机接收列车速度检测设备输出的列车运行速度和加速度信号，实时调整TDI线扫描相机的扫描行频和TDI积分级数，保证TDI线扫描相机的扫描速度与成像系统和景物的相对速度严格同步，并将采集的图像通过高速采集卡传输绘工控机；
[0038]3)工控机结合列车运动速度、采集位置、时间信息等确定需检测目标；
[0039]4)为了提取有用信息，减少计算量，工控机对图像进行分割裁减，提取扣件图像，并进行图像预处理，包括图像去噪、去除由于摄像机行扫描速度和成像系统运动速度不匹配导致的图像模糊、找出图像大小与实际大小之间的关系进行图像定标等；
[0040]5)对扣件图像进行傅立叶变换，为了频谱图像更加清晰，易于比较，对傅立叶变换后的频谱图像进行移位操作，获得移位后的频谱图像作为图像特征进行缺陷识别；
[0041]6)将实时获得的扣件图像频谱与工控机中存储的完好扣件图像频谱进行比较，进行缺陷识别；
[0042]7)若存在缺陷，则工控机向显示器发送扣件松动的警示，并结合GPS定位信息给出故障点的位置；
[0043]8)记录检测结果数据，形成统计分析报表并输出，对于松动扣件图像可以回放作为人工参与判断的参考。
[0044]如图3-图4所示，实施上述高速动态实时检测铁轨扣件松动方法的装置固定安装在列车底部，该装置包括TDI线扫描相机1、工控机2、显示器3、列车速度检测设备4、列车行驶里程计算器5、GPS定位仪6和光源组件7，所述的TDI线扫描相机1、工控机2、显示器3依次连接，所述的列车速度检测设备4分别连接TDI线扫描相机I和工控机2，所述的列车行驶里程计算器5和GPS定位仪6均与工控机2连接，所述的TDI线扫描相机I和光源组件7设置在列车底部。
[0045]首先是成像设备，即高速TDI线扫描相机，随列车运行对轨道进行高速动态扫描成像，相机参数根据列车运行速度，图像空间分辨率的要求进行选择，所设计系统可以进行功能扩展，除了检测扣件的松动外，还可以根据采集的图像进行扣件的缺损、垫板缺失/错位以及其他道床组件的病害问题等。
[0046]列车的运行速度为V，TDI线扫描相机的行扫描频率为f，TDI级数为N，TDI线扫描相机每采集一行图像的总的曝光持续时间为T曝，对应空间分辨率为Rs，则根据TDI线扫描相机的成像原理(如图2所示)，计算参数为:
[0047]T 曝=(l/f)XN
[0048]Rs = vX (1/f)
[0049]系统中的列车运行速度和加速度要进行实时检测，从而根据检测结果确定TDI线扫描相机的行扫描频率为f，保证列车运行速度与行扫描速度同步，同时列车运行速度和加速度的实时检测结果还会被送到工控机中，如果存在不同步，可通过图像处理方法进行图像复原处理，尽量减少由于不匹配导致的图像降质问题；
[0050]光源组件7包括成像专用光源71和光线检测设备72，光线检测设备72检测环境光线，如果自然光充足，则可取消成像专用光源，如果夜间或阴雨天进行检测，则需要启动成像专用光源，同时根据成像时的光线情况，调整相机的TDI级数N，保证合理的曝光。
[0051]成像设备由四套相同的成像设备组成，如图4所示，分别为左轨左成像设备、左轨右成像设备、右轨左成像设备、右轨右成像设备，成像设备镜头朝下，垂直于地面安装，四套成像设备需要各配置一套光源设备，但可以共用一台工控机和显示器。
【权利要求】
1.一种高速动态实时检测铁轨扣件松动的方法，其特征在于，该方法通过TDI线扫描相机进行图像采集，并对采集的图像处理后判断是否存在铁轨扣件松动，具体包括以下步骤: 1)根据检测要求设定TDI线扫描相机的运动速度和扫描行频； 2)TDI线扫描相机同步对铁轨进行扫描成像，并将采集的图像通过高速采集卡传输给工控机； 3)工控机结合列车运动速度、采集位置、时间信息确定需检测目标； 4)工控机对图像进行分割裁减，提取扣件图像，并进行图像预处理； 5)对扣件图像进行傅立叶变换，并进行移位操作，从而获得扣件图像频谱； 6)将实时获得的扣件图像频谱与工控机中存储的完好扣件图像频谱进行比较，进行缺陷识别； 7)若存在缺陷，则工控机向显示器发送扣件松动的警示，并结合列车行驶里程和GPS定位信息给出故障点的位置； 8)记录检测结果数据，形成统计分析报表并输出。
2.根据权利要求1所述的一种高速动态实时检测铁轨扣件松动的方法，其特征在于，所述的步骤2)中TDI线扫描相机同步对铁轨进行扫描成像时，TDI线扫描相机接收列车速度检测设备输出的列车运行速度和加速度信号，实时调整TDI线扫描相机的扫描行频和TDI积分级数。
3.根据权利要求1所述的一种高速动态实时检测铁轨扣件松动的方法，其特征在于，所述的步骤4)中的图像预处理包括图像去噪、图像去模糊处理和图像定标。
4.一种如权利要求1所述的高速动态实时检测铁轨扣件松动的装置，固定安装在列车底部，其特征在于，该装置包括TDI线扫描相机、工控机、显示器、列车速度检测设备、列车行驶里程计算器、GPS定位仪和光源组件，所述的TDI线扫描相机、工控机、显示器依次连接，所述的列车速度检测设备分别连接TDI线扫描相机和工控机，所述的列车行驶里程计算器和GPS定位仪均与工控机连接，所述的TDI线扫描相机和光源组件设置在列车底部。
5.根据权利要求4所述的一种车载高速动态轨道表面缺陷视频检测装置，其特征在于，所述的工控机内设有速图像采集卡。
6.根据权利要求4所述的一种车载高速动态轨道表面缺陷视频检测装置，其特征在于，所述的TDI线扫描相机设有四套，分布安装在列车底部。
7.根据权利要求4所述的一种车载高速动态轨道表面缺陷视频检测装置，其特征在于，所述的光源组件包括成像专用光源和光线检测设备。
【文档编号】B61K9/08GK104129404SQ201310159000
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年5月2日 优先权日:2013年5月2日
【发明者】陈晓丽 申请人:上海工程技术大学