专利名称：基于红外热成像的铁路扣件松动高速探测系统与方法
技术领域：
本发明涉及一种铁路基础设施检测领域的设备，具体是一种基于红外热成像的铁路扣件松动高速探测系统。
背景技术：
铁路作为一项关系国计民生的重大项目，其安全维护至关重要。随着铁路里程的增加，列车速度的提高，对铁路基础设施状态监控的需求急速上升。扣件是铁路基础设施中非常关键的设施之一，扣件缺失将对行车安全具有决定性的影响。传统的人工检查和养护已经不能满足要求，所以各种轨道检测设备应运而生。目前铁路扣件的检测方法主要分为以下三种
第一种是人工检测由铁路养护人员定期进行轨道人工巡检，发现扣减的缺失和松动后，进行及时的补偿和安装。其优点是发现扣件缺失后，可立即进行维护。其缺点是养护费用高，强度高，安全性差，需要回避列车运行时间。该方法主要在低速列车轨道检测中较为常用，对于高速铁路无法采用人工方法。第二种是基于线阵激光的连续扫描装置例如德国Sick公司等，利用相关的硬件和软件进行连续的扫描，然后进行图像拼接和分析，通过连续分段的分析获取轨基、轨枕和扣件信息，进行相关的位置判断和结构信息处理，获取扣件的状态信息。其优点是系统组成简单，易于维护。其缺点是检测速度较低，通用性不高。第三种是基于面阵图像传感器的计算机视觉检测装置如美国ENSCO公司的VIS系统、德国Atlas Electronic公司开发的光电式轨道检测系统及北京福斯达公司高速车载式轨道图像识别系统等。这种方法都是采取用高速摄像机采集扣件完整图片，然后进行图像处理，判断扣件是否存在。其优点是准确率高、智能化程度高。其缺点是检测速度普遍较低，报道的最高速度为150km/h，无法满足高速铁路的需求，有时需要过多的人工干预。除第一种人工方法之外，第二和第三方法均只能在扣件丢失之后进行判断并给出警示，不能在扣件丢失之前自动判断扣件是否产生松动并进行预警。申请人:于2011年申请的发明专利申请号201110383222. 2，该发明介绍了一种基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统与方法“所述系统包括激光定位系统、视觉识别系统和控制中心，同处于列车车体下方的探测器内，正对扣件所在区域的正上方。激光定位系统和视觉识别系统沿着列车运行的方向前后错开布置，激光定位系统在前，视觉识别系统在后，二者距离恒定。由激光定位系统对扣件的位置进行探测和定位，并发出同步信号，触发视觉识别系统工作。激光定位系统采用高速半导体光电管形成的一维阵列代替常规激光三角测距传感器中的线阵CCD完成的三角测距测量。本发明有效解决了探测准确性和列车运行高速度的矛盾，实现铁路扣件的高速探测与识别。”但是，上述所有的自动化探测方法(包括申请人于2011年申请的发明专利201110383222. 2)均只能判断扣件是否存在，即只能判断扣件是否已经丢失，而无法判断是否出现松动，并在扣件即将丢失之前进行预警。因而，如何判断扣件是否出现松动并提前预警，是一个世界难题。
发明内容
为了解决现有扣件松动探测技术缺失的问题，本发明提出一种基于红外热成像的铁路扣件松动高速探测系统与方法，利用利用红外高速摄像机对扣件区域进行连续、高速的实时图像采集，通过图像处理和模式识别得出扣件松动与否的结论，实现了铁路扣件松动的高速探测与预警。本发明是通过以下技术方案实现的本发明的探测系统由探测器、电缆和控制器三个部分组成。两个探测器处于列车车体下方，分别正对左右两根钢轨的正上方；控制器安装于车厢内，通过电缆与两个探测器相连接；在列车运行过程中，当探测器到达扣件所在区域上方时，由控制器向两个探测器发出指令，触发探测器工作并获取扣件与钢轨的接触应力产生的红外热成像图，通过电缆传送到控制器，通过图像处理和模式识别，自动判断出扣件是否松动或已经缺失。
本发明的探测器由红外摄像机、镜头和保护外壳组成。红外摄像机采用中分辨率、高灵敏度的数字式红外摄像机，可以获取扣件所在区域的热成像图像，供控制器进行分析和处理。红外摄像机的高灵敏度应该保证能够可靠识别扣件与钢轨接触应力所产生的红外热信号的变化。红外摄像机的中分辨率可以保证数据传输与处理的高速度，保证高速铁路探测的实时性。红外摄像机的数字接口应保证控制器能够方便、快速接受红外热成像信号，保证图像传输的实时性，并优先采用千兆网接口。所述探测器摄像机以扣件所在位置为中心，针对铁路扣件所在位置选择小视场进行图像采样和处理，从而在保证高精度的前提下，摒弃没有价值的两组扣件之间的大量无
用信息。本发明的控制器由计算机、稳压电源和机柜三个部分组成。计算机采用通行的工业控制计算机构成，以保证工作的稳定性和可靠性，并包括与车下探测器和车上其他设备联络的通讯接口。稳压电源为计算机、红外摄像机提供稳定、可靠的能源与动力。计算机与稳压电源均安装在机柜之中。本发明涉及上述系统的铁路扣件松动高速探测与识别方法，包括以下步骤(I)控制器的稳压电源打开之后，控制器中的工业计算机与探测器中的红外摄像机开始上电工作。(2)控制器中的计算机以一固定的采样时间间隔向探测器中的摄像机发出采样指令信号，探测器中的红外摄像机在得到来自控制器的采样指令信号之后，快速捕获扣件所在区域的红外热成像图像，并通过电缆实时传输到控制器中的工业计算机之中。(3)工业计算机对红外摄像机传来的图像进行处理、识别和判断。如果判断结果为列车静止不动，则加大上述采样时间间隔至最大值(该采样时间间隔最大值主要满足判断列车从静止开始启动的需求)，并返回步骤(2);如果判断结果为列车移动，进入下一步；(4)工业计算机根据红外图像中应力点的分布来判断视场内扣件的位置。如果扣件位置不合适(包括视场内无扣件、扣件位置超前、扣件位置滞后等情况)，则对上述的采样时间间隔进行调整，以适应列车运行速度并自适应跟踪扣件位置，然后返回步骤(2);如果扣件位置合适，则进入下一步；
(5)工业计算机根据红外图像中最高应力点的大小是否低于临界阈值来判断扣件是否松动。该临界值为预先保存在工业计算机中的一个设定值，该设定值介于扣件应力最小值(与扣件未接触钢轨时相对应)和扣件应力最大值(与扣件接触钢轨并达到最大应力时相对应)。如果红外图像中最高应力点的应力值低于此临界值，则判断为扣件已经松动，并立刻进行报警，存储该图像至工业计算机中，然后返回步骤(2)。如果红外图像中最高应力点的应力值低于扣件应力最小值，则判断为扣件已丢失，并立刻进行报警，存储该图像至工业计算机中，然后返回步骤(2)。本发明通过获取扣件所在区域的红外热成像图，通过处理和判断，探测扣件与钢轨的接触应力大小，由此识别扣件是否松动，并在扣件丢失之前发出报警信号，由此可以实现扣件松动的自动探测和扣件丢失前的预警，彻底解决了以往各种自动探测系统的缺陷和不足，完全避免了扣件可能产生的安全隐患，极大提高了铁路运行安全。
图I是本发明的探测系统组成原理示意图。图2是探测器的组成原理示意图。图3是控制器的组成原理示意图。图4是实时采集到的扣件区域红外图像。图5是几种可能的扣件位置形式。图6是扣件在不同接触状态下应力分布示意图。图中，I为探测器，2为电缆，3为控制器，4为车厢，5为钢轨，6为扣件，7为保护外冗I，8为红外摄像机，9为镜头，10为计算机，11为稳压电源，12为机柜。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，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。图I是本发明的探测系统组成原理示意图。本发明的探测系统由探测器I、电缆2和控制器3三个部分组成。探测器I 一共有两个，分别为k和Ik，均安装在列车车厢4的下方，分别正对两根钢轨5的正上方。控制器3安装于车厢4内部，通过电缆2与两个探测器k和Ik相连接。在列车运行过程中，当探测器I到达扣件6所在区域上方时，由控制器3向两个探测器k和Ik发出指令，触发探测器I工作并获取扣件6所在区域的热成像图像，通过电缆2传送到控制器3，通过图像处理和模式识别，自动判断出扣件是否松动或缺失。图2是探测器I的组成原理示意图。本发明的探测器由红外摄像机8、镜头9和保护外壳7组成。红外摄像机8采用中分辨率、高灵敏度的数字式红外摄像机，可以获取扣件6所在区域的热成像图像，供控制器3进行分析和处理。红外摄像机8的高灵敏度应该保证能够可靠识别扣件6与钢轨5接触应力所产生的红外热信号的变化，一班不低于O. 1°C。红外摄像机8的中分辨率可以保证数据传输与处理的高速度，保证高速铁路探测的实时性，一班不超过6400X480pixel。红外摄像机8的数字接口应保证控制器3能够方便、快速接受红外热成像信号，保证图像传输的实时性，并优先采用千兆网接口。
与常规的计算机视觉检测系统不同的是，本发明的红外摄像机8并不是将整个运行场景进行全部的分析，而是针对铁路扣件6所在位置选择小视场进行图像采样和处理，从而在保证高精度的前提下，摒弃没有价值的两组扣件之间的大量无用信息。本发明的红外摄像机8的视场大小应保证在横向(垂直于钢轨方向)上能够包含钢轨两侧扣件的完整性，例如为360mm;且在纵向(平行于钢轨方向)上不超过两个轨枕间距的一半，例如为270mmo探测器I的保护外壳7采用金属制作，例如铝合金等，对红外摄像机8和镜头9进行保护，避免受到砂石等的冲击和损伤。图3是控制器3的组成原理示意图。本发明的控制器3由计算机10、稳压电源11和机柜12三个部分组成。计算机采用通行的工业控制计算机构成，以保证工作的稳定性和可靠性，并包括与车下探测器I和车上其他设备联络的通讯接口。稳压电源11为计算机
10、红外摄像机8提供稳定、可靠的能源与动力。计算机10与稳压电源11均安装在机柜12之中。本发明的电缆2采用带有金属屏蔽的超六类千兆网线，保证数据传输的完整性、可靠性和实时性。本发明涉及上述系统的铁路扣件松动高速探测与识别方法，包括以下步骤(I)控制器3的稳压电源11打开之后，控制器3中的工业计算机10与探测器I中的红外摄像机8开始上电工作。(2)控制器3中的计算机10以一固定的采样时间间隔向探测器I中的红外摄像机8发出采样指令信号，探测器I中的红外摄像机8在得到来自控制器3的采样指令信号之后，快速捕获扣件6所在区域的红外热成像图像，并通过电缆2实时传输到控制器3中的工业计算机10之中。红外摄像机8捕获的红外热成像图像如图4所示。(3)工业计算机10对红外摄像机8传来的图像进行处理、识别和判断。如果判断结果为列车静止不动，则加大上述采样时间间隔至最大值(该采样时间间隔最大值主要满足判断列车从静止开始启动的需求，例如可取为I秒等)，并返回步骤(2);如果判断结果为列车移动，进入下一步；图5是几种可能的扣件位置形式。(4)工业计算机10根据红外图像中应力点的分布来判断视场内扣件6的位置。如果扣件6位置不合适(包括视场内无扣件、扣件位置超前、扣件位置滞后等情况)，则对上述的采样时间间隔进行调整，以适应列车运行速度并自适应跟踪扣件6的位置，然后返回步骤(2);如果扣件位置合适，则进入下一步；(5)工业计算机10根据红外图像中最高应力点的大小是否低于临界阈值来判断扣件6是否松动。该临界值为预先保存在工业计算机10中的一个设定值，该设定值介于扣件应力最小值(与扣件6未接触钢轨5时相对应)和扣件应力最大值(与扣件6接触钢轨5并达到最大应力时相对应)，如图6所示。如果红外图像中最高应力点的应力值低于此临界值，则判断为扣件6已经松动，并立刻进行报警，存储该图像至工业计算机10中，然后返回步骤(2)。如果红外图像中最高应力点的应力值低于扣件应力最小值，则判断为扣件6已丢失，并立刻进行报警，存储该图像至工业计算机中，然后返回步骤(2)。本发明的铁路扣件高速探测系统同样可以适用于其他高速运动目标的快速识别与探测。、
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种基于红外热成像的铁路扣件松动高速探测系统，其特征在于由探测器、电缆和控制器三个部分组成，两个探测器处于列车车体下方，分别正对左右两根钢轨的正上方；控制器安装于车厢内，通过电缆与两个探测器相连接；在列车运行过程中，当探测器到达扣件所在区域上方时，由控制器向两个探测器发出指令，触发探测器工作并获取扣件与钢轨的接触应力产生的红外热成像图，通过电缆传送到控制器，通过图像处理和模式识别，自动判断出扣件是否松动或已经缺失。
2.根据权利要求I所述的基于红外热成像的铁路扣件松动高速探测系统，其特征是所述探测器由红外摄像机、镜头和保护外壳组成，红外摄像机采用中分辨率、高灵敏度的数字式红外摄像机，实现识别扣件与钢轨接触应力所产生的红外热信号的变化的可靠性，数据传输与处理的高速度和探测的实时性，以及图像传输的实时性。
3.根据权利要求2所述的基于红外热成像的铁路扣件松动高速探测系统，其特征是:所述红外摄像机针以扣件所在位置为中心，对铁路扣件所在位置选择小视场进行图像采样和处理。
4.根据权利要求3所述的基于红外热成像的铁路扣件松动高速探测系统，其特征是 所述红外摄像机的视场大小应保证在横向即垂直于钢轨方向上能够包含钢轨两侧扣件的完整性，且在纵向即平行于钢轨方向上不超过两个轨枕间距的一半。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于红外热成像的铁路扣件松动高速探测系统，其特征是所述控制器由计算机、稳压电源和机柜三个部分组成；计算机采用通行的工业控制计算机构成，并包括与车下探测器和车上其他设备联络的通讯接口，工业计算机根据红外图像中最高应力点的大小是否低于临界阈值来判断扣件是否松动；稳压电源为计算机、红外摄像机提供稳定、可靠的能源与动力；计算机与稳压电源均安装在机柜之中。
6.一种采用权利要求1-5上述系统的基于红外热成像的铁路扣件松动高速探测方法，其特征在于包括以下步骤 (1)控制器的稳压电源打开之后，控制器中的工业计算机与探测器中的红外摄像机开始上电工作； (2)控制器中的计算机以一固定的采样时间间隔向探测器中的摄像机发出采样指令信号，探测器中的红外摄像机在得到来自控制器的采样指令信号之后，快速捕获扣件所在区域的红外热成像图像，并通过电缆实时传输到控制器中的工业计算机之中； (3)工业计算机对红外摄像机传来的图像进行处理、识别和判断，如果判断结果为列车静止不动，则加大上述采样时间间隔至最大值即该采样时间间隔最大值主要满足判断列车从静止开始启动的需求，并返回步骤(2);如果判断结果为列车移动，进入下一步； (4)工业计算机根据红外图像中应力点的分布来判断视场内扣件的位置，如果扣件位置不合适，则对上述的采样时间间隔进行调整，以适应列车运行速度并自适应跟踪扣件位置，然后返回步骤(2);如果扣件位置合适，则进入下一步； (5)工业计算机根据红外图像中最高应力点的大小是否低于临界阈值来判断扣件是否松动，该临界值为预先保存在工业计算机中的一个设定值，该设定值介于扣件应力最小值和扣件应力最大值；如果红外图像中最高应力点的应力值低于此临界值，则判断为扣件已经松动，并立刻进行报警，存储该图像至工业计算机中，然后返回步骤(2);如果红外图像中最高应力点的应力值低于扣件应力最小值，则判断为扣件已丢失，并立刻进行报警，存储该图像至工业计算机中，然后返回步骤(2)。
全文摘要
本发明公开一种基于红外热成像的铁路扣件松动高速探测系统与方法，由探测器、控制器和电缆组成，两个探测器处于列车车体下方，分别正对左右两根钢轨的正上方。控制器安装于车厢内，通过电缆与两个探测器相连接。探测器内部有数字式红外摄像机，通过直接获取扣件与钢轨的接触应力产生的红外热成像图，通过图像处理和模式识别，自动判断出扣件是否松动或缺失。摄像机的视场以扣件所在位置为中心，选择较小的视场范围进行图像采样和处理。在列车运行中，如扣件位置不合适，则调整采样时间间隔。工业计算机根据红外图像中最高应力点的大小是否低于临界阈值来判断扣件是否松动，如果出现松动则发出报警信号，实现扣件丢失之前的预警。
文档编号G01N21/88GK102721700SQ20121019264
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者吴芳, 杨金峰, 王梦雪, 赵辉, 陶卫 申请人:上海交通大学