一种基于图像识别处理的轨下垫板位移监测系统及方法与流程

本发明属于轨道交通监测设备技术领域，具体为一种基于图像识别处理的轨下垫板位移监测系统及方法。

背景技术：

轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统，最典型的轨道交通就是由传统火车和标准铁路所组成的铁路系统。随着火车和铁路技术的多元化发展，轨道交通呈现出越来越多的类型，不仅遍布于长距离的陆地运输，也广泛运用于中短距离的城市公共交通中。近年来，中国高速铁路正处于快速发展期，国家大力修建高铁线路，目的就是为了加快、促进各城市间的经济发展，与此同时，这给轨道安全带来了众多新的挑战。

众所周知，轨道由于热胀冷缩产生形变和位移，在温度较大的环境下表现尤为明显。然而该位移较大时，带动其轨下的垫板一起移动，该垫板对轨道起到定位、缓冲、绝缘等作用，其如若出现较大滑移，造成轨道松动等，这对行车安全是不利的，特别是在轨道岔道处（侧向挤压力大）或桥上等稳定性欠佳的薄弱地带，对列车的安全通行构成极大威胁，对此，铁路部门花大量的工务人员进行人工监测，其最主要的弊端，一方面人工通过肉眼来进行判断，存在偏差，往往不能实时反应出该垫板的位移状况，如：巡道工早上出发时对某地进行现场观测，未发现垫板有较大位移，晚上回来时又对该处进行观测，由于早上与晚上的温差不多，该垫板的位移状况相同，而未发现中午温度最高时，该垫板则发生的较大的位移，该位移就没有被观测到，存在极大的安全隐患；另一方面随着铁路线的越来越多，行车速度的越来越快，就需要不断的投入更多的人力物力来进行相应的监测与维护，势必会增加运营成本，因此，该问题亟待解决。

通过检索发现，公开号为cn201010272150.x的专利文献公布了一种由通信系统、计算机系统、位移传感器、振动传感器、激光距离探测器、微处理器及通信模块所实现的轨道在线监测方法及轨道在线测试系统，能够对轨道相对间距的变化、平面高度的变化、轨道紧固设施变化、轨道内部产生裂纹及形变进行在线监测，具有监测实时性好，对突发性轨道参数变化可及时发现及报警，测试工作量及成本低的特点。该在线测试系统涉及到运用大量的传感器、微处理器等，不经济，检测较为复杂，推广起来较困难。

技术实现要素：

本发明的目的是针对以上问题，提供一种基于图像识别处理的轨下垫板位移监测系统，该监测系统用于对轨下垫板位移实时监测，还可扩展监测轨道的振动和位移等综合状态数据，完成对关键位置数据进行分析、预警、报告，提高轨道交通运输的可靠性，减少铁路工务人员的工作量。

与此同时，还公开了一种基于图像识别处理的轨下垫板位移监测方法。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于图像识别处理的轨下垫板位移监测系统，它包括监测装置、信息传输系统和终端，所述监测装置设立于轨道侧，其包括电性连接的图像识别单元、处理器单元、存储单元、供电单元和报警装置，所述图像识别单元包括相连的光学镜头和图像传感器，光学镜头将拍摄的图像通过图像传感器进行数据转换后传递给处理器单元处理，处理结果存储于存储单元中，同时通过信息传输系统发送给终端，并且当处理结果超过设定阈值后控制报警装置进行警示；所述供电单元为图像识别单元、处理器单元和报警装置提供电能。

进一步的，所述图像识别单元上设有红外补光灯。

进一步的，所述供电单元采用太阳能光伏系统供电，所述太阳能光伏系统包括依次电性连接的太阳能电池板、充电控制器和充电电池，所述充电电池分别与图像识别单元、处理器单元和报警装置电性连接。

进一步的，所述报警装置为与处理器单元相连的警铃或声光报警器。

进一步的，所述信息传输系统为wifi模块、gprs通讯模块或3g/4g网络模块。

进一步的，所述终端为pc或手机。

进一步的，所述监测装置设置于钢轨分叉、铁路桥、铁路隧道侧。

采用上述基于图像识别处理的轨下垫板位移监测系统的监测方法，包括以下步骤：

步骤a、现场标定：将监测装置设置于钢轨侧，调整好最佳拍摄角度，并在开机后对待监测位置进行拍照标定，获得测试对象初始位置特征值，为标定模板，设定标定点位置变化标准阈值，并存储于存储单元中；

步骤b、数据采集比对、分析处理：

a、在标定模板t(m,n)图片中寻找标定点a(x1,y1)；

b、标定模板t(m,n)叠放在被搜索图s(w,h)上平移，搜索子图，搜索范围是：1≤i≤w-n，1≤j≤h-m，根据下式衡量t和的相似性：

将上式归一化，得模板匹配的相关系数：

当标定模板和被搜索图一样时，相关系数r(i,j)=1，在被搜索图s中完成全部搜索后，找出r的最大值，其对应的子图即为匹配目标，在子图中寻找位置发生改变的标定点a'(x2,y2)；通过多次多目标检测求平均值，计算出模板t(m，n)与子图中对应的标定点a、a'两点的平均偏移量offset（x2-x1,y2-y1）；

式中：——模板覆盖被搜索子图的区域，i,j为子图左下角在被搜索图s上的坐标；

c、根据图像识别单元的像素δ比例计算实际目标位移，实际对应x方向位移差值为(x2-x1)*δ，y方向位移差值为(y2-y1)*δ；

d、若实际对应x、y方向位移值超过初始时设定的阈值，则对该图片信息进行标记、预警，控制报警装置进行警示；

步骤c、监测结果分发：处理器单元将步骤b中的分析结果通过信息传输系统发送到各个终端；

步骤d、实时监测：重复上述步骤b、c，设置好采样频率，间隔对现场进行图像采集、分析，并实时分发给终端。

进一步的，所述步骤c中信息传输系统通过wifi模块、gprs通讯模块、3g/4g网络模块中的一种或几种分发给终端。

本发明的有益效果：该监测装置用于实时监测轨下垫板的位移数据，还可扩展监测轨道的振动和位移等综合状态数据，完成对关键位置数据进行分析、预警、报告，提高轨道交通运输的可靠性，减少铁路工务人员的工作量。

1、本发明中轨下垫板监测位置远程辅助装置具有结构简单、体积小重量轻、便于时刻观测轨下垫板位置、使用方便、应用范围广、安全性好、可靠度高、适应环境性强、寿命长等特点。

2、本发明的监测装置可运用于监测铁路轨道任何出现相对位移的结构上，如监测大坡道上道岔结构尖轨与基本轨的相对位移变化、高速铁路扣件位置变化等，保障铁道运输的安全。

3、本发明的监测系统处理数据时仅需标定待监测的点，快速进行特征定位，返回带有调用信息的特征定位结果，系统具有自动识别位置变化后的点，具有快捷、简单、准确、方便、自动、可远程计算等特点，此方法相对于其他方法，搜索到的子图评价值较高，使特征定位结果的准确率足够好，且方法的复杂度较低，能够快速的搜索到子图，让用户及时的得到特征定位结果；计算范围广泛，可同时计算多个标定点，且可避免其他构件位移的影响。

附图说明

图1为本发明监测装置与轨道安装关系示意图。

图2为本发明图1中a处局部放大结构示意图。

图3为本发明监测系统模块连接关系图。

图4为本发明监测系统工作流程图。

图5为本发明监测系统现场监测抓拍图。

图中所述文字标注表示为：1、图像识别单元；2、处理器单元；3、存储单元；4、供电单元；5、报警装置；6、轨道板；7、轨枕；8、钢轨；9、垫板。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图1-5所示，本发明的具体结构为：一种基于图像识别处理的轨下垫板位移监测系统，它包括监测装置、信息传输系统和终端，所述监测装置设立于轨道侧，其包括电性连接的图像识别单元1、处理器单元2、存储单元3、供电单元4和报警装置5（可采用声光警示器），所述图像识别单元1包括相连的光学镜头和图像传感器（优选采用ccd图像传感器），光学镜头将拍摄的图像通过图像传感器进行数据转换后传递给处理器单元2处理，处理结果存储于存储单元3中，同时通过信息传输系统发送给终端，并且当处理结果超过设定阈值后控制报警装置5进行警示；所述供电单元4为图像识别单元1、处理器单元2和报警装置5提供电能。

优选的，所述图像识别单元1上设有红外补光灯。配置了高亮led补光灯，色温6000k，led补光灯亮度可通过视频编码单元调节。

优选的，所述供电单元4采用太阳能光伏系统供电，所述太阳能光伏系统包括依次电性连接的太阳能电池板、充电控制器和充电电池，所述充电电池分别与图像识别单元1、处理器单元2和报警装置5电性连接。

优选的，所述报警装置5为与处理器单元2相连的警铃或声光报警器。

优选的，所述信息传输系统为wifi模块、gprs通讯模块或3g/4g网络模块。gprs无线传输系统主要针对工业级应用，提供rs232标准接口，直接与用户设备连接，实现中英文短信功能，彩信功能，gprs数据传输功能，软件接口简单易用。

优选的，所述终端为pc或手机。方便操作者现场或远程接收，灵活监控。

优选的，所述监测装置设置于钢轨分叉、铁路桥、铁路隧道侧。以上几处为最易发生位移处，因此需要进行特别监控。

采用上述基于图像识别处理的轨下垫板位移监测系统的监测方法，包括以下步骤：

步骤a、现场标定：将监测装置设置于钢轨侧，对准轨下垫板处（垫板9包括橡胶垫板、铁垫板、弹性垫板，垫板9设置于轨枕7与钢轨8之间，并通过弹条扣紧），调整好最佳拍摄角度，使待监测区域位于图像识别单元的最大拍摄范围内，并在开机后对待监测位置进行拍照标定，获得测试对象初始位置特征值，为标定模板，设定标定点位置变化标准阈值，并存储于存储单元中；

步骤b、数据采集比对、分析处理：

a、在标定模板t(m,n)图片中寻找标定点a(x1,y1)；

b、标定模板t(m,n)叠放在被搜索图s(w,h)上平移，搜索子图，搜索范围是：1≤i≤w-n，1≤j≤h-m，根据下式衡量t和的相似性：

将上式归一化，得模板匹配的相关系数：

当标定模板和被搜索图一样时，相关系数r(i,j)=1，在被搜索图s中完成全部搜索后，找出r的最大值，其对应的子图即为匹配目标，在子图中寻找位置发生改变的标定点a'(x2,y2)；通过多次多目标检测求平均值，计算出模板t(m，n)与子图中对应的标定点a、a'两点的平均偏移量offset（x2-x1,y2-y1）；

式中：——模板覆盖被搜索子图的区域，i,j为子图左下角在被搜索图s上的坐标；

c、根据图像识别单元的像素δ比例计算实际目标位移，实际对应x方向位移差值为(x2-x1)*δ，y方向位移差值为(y2-y1)*δ；

d、若实际对应x、y方向位移值超过初始时设定的阈值，则对该图片信息进行标记、预警，控制报警装置工作进行警示；

步骤c、监测结果分发：处理器单元将步骤b中的分析结果通过信息传输系统发送到各个终端；

步骤d、实时监测：重复上述步骤b、c，设置好采样频率，间隔对现场进行图像采集、分析，并实时分发给终端。

优选的，所述步骤c中信息传输系统通过wifi模块、gprs通讯模块、3g/4g网络模块中的一种或几种分发给终端，实现对轨下垫板进行实时监测，完成对关键位置数据进行分析、报告、预警。

本发明工作原理为：将标定目标物体保存为一张模板图像，使用该模板图像，在后期相机捕捉的大图中搜寻目标，假设在第一次搜寻到的目标点位置坐标为a(x1,y2),随着时间推移，第二次相机捕捉图像中搜寻到目标点坐标为a'（x2,y2），通过计算,可以得出两次目标的偏移差值为offset（x2-x1,y2-y1）；此时，该差值只是像素点的差值，用该差值乘以像素比例δ（像素/mm）,就可得到实际对应x方向位移差值为(x2-x1)*δ，y方向位移差值为(y2-y1)*δ。

具体工作流程为（如图4所示）：

系统初始化，设置图片像素比例参数值为1.0002像素/毫米，抓拍模板图（图5中a所示），选定所要监测的区域进行标定（图5中a所示区域a），监测系统开始进行监测，一定时长后（时间太短垫板不会移动或移动距离较小）将再次抓拍图（图5中b所示）与模板图中标定的区域进行比较分析，计算出标定点a发生的位移，其横坐标位移为-2.000mm，纵坐标的位移为3.001mm，而参数设置中，像素比例设置为1.0002像素/毫米，因此轨下垫板移动为：横坐标位移为2.0004mm，纵坐标的位移为3.0016002mm，当垫板位移（利用勾股定理计算）超过设定阈值时，监测装置自动报警。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。