便携式钢轨磨耗自动检测系统

便携式钢轨磨耗自动检测系统 孟 佳:西南交通大学理学院，硕士研究生，四川 成都，610031 高晓蓉:西南交通大学理学院，教授，四川 成都，610031 摘 要:钢轨头部的磨耗值是决定钢轨伤损最主要的参数之一。采用光取断 的强度，同时尽量加大照射到钢轨工 作面上的光强度。另外需要对经图像 面法对钢轨磨耗进行自动检测，阐述系统的检测原理、硬件和软件组成并利用 采集卡处理得到的图像进行校正，才 计算机图像处理技术对钢轨断面图像进行处理和检测，得出钢轨磨耗值，并给 可以恢复真实的钢轨形面图像。系统 出系统的误差来源。 关键词:钢轨外形;光取断面法;图像分割;细化;磨 中，CCD 图像传感器是识别钢轨内侧 耗 面的重要元件，它既具有光电转换功 能，又具有电荷存储转移读出功能， 着机车的高速、重载和高密度一定的角度投射到轨道上(轨面至内在一个取样时间间隔内，激光完成对 随侧轨腰)，在轨道 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面和内侧轨腰上 钢轨工作面的完整扫描并进行曝光， 运行，钢轨的磨耗特别是小半 形成一条光带，此光带为结构光与轨 从而 CCD 得到扫描工作面的光强分 径曲线外股侧磨尤为严重。钢轨的磨道的交线。面阵 CCD 安装在与光束成 布，最终经图像采集卡变换得到工作 损会严重影响钢轨的使用寿命，当磨 一定角度的位置上，对光带进行摄 面的轮廓。获取的钢轨外形原始图像 损程度超过一定限度时，需要及时地 像，影像的信息经处理后形成具有影 见图 。 3更换或打磨。目前钢轨磨耗的测量几 像边界的钢轨轮廓。处理系统将钢轨 乎都采用目测法，此法工作条件恶 轮廓数字化，识别出轨形，再将它与 劣、测量速度慢、人为因素对结果影 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 轨形比较，就可得出磨耗值。 响较大，而且测量结果不直观、数据 检测系统安装在一个“T”结构的 整理缓慢。便携式钢轨外形尺寸检测 手推车支架上，当小车以大约 1 m/s 系统能够准确及时地对钢轨断面尺寸 的速度行驶时，CCD 摄像系统采集钢 和磨损情况进行检测，从而提高测量 轨断面图像信息，通过图像采集卡将 精度和检测效率。 信息转化成图像，由通用图像处理软 件对图像进行处理，并实时显示结 果。系统结构见图,。 1 系统的检测原理和硬件组成 钢轨磨耗自动检测系统基于激光 三角测量原理，采用光取断面技术实 图笔现对钢轨磨耗的非接触测量。如图 1 CCD 的选取线光源、滤光片以及 照被光摄像记明测学像是非常重要的，直接关系到图像质量 所示，利用高强度的窄激光光束，以 采本系物系系 集电统体统统 的好坏。激光光源的发射波长应该与 卡脑 CCD 的光谱响应特性匹配，并且要尽 图2 系统硬件结构图量避开太阳光谱的峰值波长区域，接 近 CCD 峰值响应波长;滤光片的中心 2图像获取波长可根据线光源的波长来 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ，且 系统采用面阵 CCD 来获取钢轨通带宽度要尽可能窄;选择面阵 CCD 外形图像，但实际图像要受到环境 应涉及 CCD 尺寸、成像像素比例、拍 光、漫反射、钢轨氧化、油污斑点等 摄速度、电子快门时间、光谱响应特 因素的影响，因此需要在摄像机镜头 性等关键参数的选取。 前加滤光片，以减轻杂光进入摄像机 3.2 钢轨断面搜索和图像分割数的目的。 3系统的软件实现CCD 拍摄的钢轨断面图像规格 Zhang快速并行细化 这里采取了 是 768 × 576 像素。整个图像由背景 算法，它包含两层子循环，第一个子 经图像采集卡得到的钢轨外形图图像和断面图像组成，背景占图像的 循环中，目标像素删除条件是: 像包括目标、背景和噪声，而真正需 大部分，而有用信息部分为断面图 (1)2 ? B(P)? 6; 要的是单像素的目标图像，因此需对 像;另外背景图像和目标图像之间并 (2)A(P)=1; 图像进行去噪声和分割，以及细化处 不是跳变的，而是存在灰度过渡带。 (3)P0 × P2 × P6=0; 理;然后对得到的图像进行校正并计 为了减少图像处理时间，更好地实现 (4)P0 × P4 × P6=0。 算其磨耗，最终将数据实时显示。系 数据的实时处理，需要将有用断面的 其中 A(P)是有序集{P0，...P7} 统软件实现框图见图 4。 图像部分提取出来。在断面 中的 01 模式数，B(P)是{P0，...P7} 搜索时，需要分析直方图中 中的非 0像素数，而{P0，...P7}是像 灰度级的分布情况以及设定 素 P 的八邻域，如图,所示。 适当的灰度变化函数，这样 图像的对比度才能得到增 P3 P2 P1 强。然后根据选取的阈值来实现图像 图4 系统软件实现框图 P4 P P0 的分割，并最终得到钢轨外形的二值 P5 P6 P7 3.1 消除噪声化曲线，见图 5。这一处理步骤中，恰 图 6 八邻域 钢轨断面图像的特点是:光带部 当的灰度变化函数和阈值是解决问题 分和背景部分的灰度级差别比较大， 的关键，可抑制背景灰度级和目标灰 在第二层子循环中，把上述条件其噪声主要来源于外界自然光的干扰 度级差别不大造成误判的情况发生。 3)、(4)改写成为: 中的(和钢轨表面由于长时间同机车接触被 (3)P0 × P2 × P4=0; 打磨光滑，当受到半导体激光器的照 (4)P2 × P4 × P6=0。 若条件射时，使得表面的灰度级与光带的灰 成立，则目标像素P被标记 度级差别不大。 为可删除像素。最终的细化结果见图7。 根据对钢轨断面图像分析，采用 中值滤波的方法先对图像进行初步处 理，在衰减部分噪声的同时不使图像 边界模糊。中值滤波计算不是加权求 和而是把邻域中的像素按灰度级进行 排序，然后选择该组的中间值作为输 3.3 光带细化出像素值。具体步骤如下。 理想情况下所获得的钢轨断面图 (1) 将 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 在图像中漫游，并将 应是一个单像素的钢轨轮廓轨迹，而 3.4 图像校正模板中心与图像中某个像素的位置重合。 实际测量中预处理后的断面图像是一 检测时，由于 CCD 摄像系统和被 (2)读取模板下各对应像素的灰 条光带。光带宽度远远大于一个像 拍摄的钢轨成斜视角，得到的图像 度值。 素，它无法准确地反映出钢轨的轮廓 会产生几何畸变。另外，受光学系统 (3)将这些灰度值从小到大排成 形状，必须经过细化处理提取出一条 的限制，图像还会产生枕形或桶形 一列，找出排在中间的一个。 能反映外形的曲线，即钢轨断面曲线 失真。因此，所提取出的钢轨外形单 (4)将这些中间值赋予对应模板 中心线。细化算法的原理是根据删除 像素曲线是畸变的曲线，必须对其 中心位置的像素。 条件来重复地剥掉二值图像的边界像 进行校正和坐标变换才能反映真实 这样可以把图像中的孤立点消 素。细化操作之后的钢轨轮廓图像易 的钢轨断面轮廓。为了达到此目的， 去。不过由于它需要对邻域中的所有 出现短枝和断点，如何消除短枝并连 可拍摄具有一定规律的点阵图来得到 元素按灰度级排序，所以运算速度比 接断点是遇到的实际困难。为了解决 畸变后的点阵图像，通过分析畸变后 较慢，可以使用稀疏分布的模板来节 这一问题，可以对细化后的图像进行 的坐标，利用最小二乘法得到校正参 省时间。 扩展，然后再对其进行多次细化操 数，将像方坐标变换成真实的物方坐 作，从而达到尽量消除断点和短枝个 标。对于物方和像方之间具有如下转 换关系:面光滑，在强光的照射下反光效果将 5结论更加明显，因而为设定阈值提取目标 1 ×x+b1 ×y+c1a ;u =曲线制造了一定的难度，并且使得一 a3 ×x+b3 ×y+1 采用计算机视觉技术对钢轨磨耗些背景像素被误判为目标元。针对这 进行自动检测对钢轨的维护具有很 a2 ×x+b2 ×y+c2 。 v =一问题，可考虑在所设计的便携式小 a3 ×x+b3 ×y+1重要的意义，相比传统的测量方法具 车的机械构架侧面部分用一层遮蔽物 有以下优点:一是实现了钢轨磨耗测 其中(x,y)为像方坐标，(u,v)为物方将其遮蔽住，以及在镜头前加装红外 坐标，，，，，，，，a1b1c1a2b2c2a3b3 量的自动化，及时掌握线路钢轨磨 滤光片的方法来尽量降低背景光的干 是待定系数。可以根据原始点阵图找 损，对于保证线路质量、提高行车安 扰。同时也需要优化阈值处理算法， 到不少于 4 个的具有特殊规律的物方 全至关重要，可以把养路工人从繁重 使得算法能根据自然光和其它因素对 坐标点，对应的找到畸变后的像方坐 的手工测量中解脱出来，消除人为误 图像的影响程度的不同，自适应地给 标，然后由转换公式建立矩阵关系从 差;二是从测量结果可以直接看出磨 出一个合理的阈值。 而确定校正参数的取值。一般情况下 损钢轨的截面轮廓，为钢轨磨耗和 (2)光带的细化算法存在着一定 应多选几对点，以免求解发散(不收 轮轨接触状态的研究提供良好的条 的缺陷。它使得钢轨轮廓曲线出现短 敛)。 件。 枝和断点，给标准曲线和真实曲线的 不过，此系统还需要进行以下的 3.5 计算钢轨磨耗匹配操作带来了一些麻烦，从而使得 后期研究:结合各种恶劣环境来确定 经过上述一系列处理后的图像是 计算的磨耗值存在误差。为此可以根 出良好自适应的系统摄像机标定以及 真实的钢轨磨耗外形曲线，然后将它 据测定的目标特性，尽量选取抗干扰 图像的校正 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ;使系统具有智能 以选定的基准点与钢轨标准曲线进行 能力强的算法来实现光带中心线的提 型，能测量多种型号的钢轨，转换要 重合比较，得到磨耗值。如果磨耗值 取，使得算法对图像中的各个方向的 方便，利用简单的键盘操作来实现此 超过一定的范围，需立即报警。其中 点遍历，减少光带的非连通性。 目的;优化算法，进一步提高测量的 标准曲线的获取可由摄影法、解析法 (3)在真实曲线与标准曲线的匹 速度和精度，有益于系统软件的二次 和图形法三种方法得到。本系统采用 配操作过程中，不同的基准点也会带 开发。 的是将钢轨横断面轮廓曲线用数学公 来一定的误差，见图9。当选基准1时， 式分段写出，绘制出包括轨头及其内 由于这一点有时候也出现磨损的情 侧的部分钢轨曲线。经过两曲线的匹配， 况，会使系统的误差增大。如果选用 可以测得钢轨的 45?磨耗为 0.57 mm， 基准 2，一般情况下不会出现磨损情 见图 8。 况，但是要以牺牲很高的 CCD 像素成 参考文献 像比率为代价。 1 刘杰. 轨道扫描检测技术[J].中国铁路， 2001(12):56,57 2 柴雪松，杨凤奎，罗林. 轨道视频检查 [J].中国铁路，2001(6):59,60 系统 3 M.Bogdan,S.Fita. Measurement of the Geometry of the Transverse Cross-section of a railway[J].MEASUREMENT SCIENCE 基准, ，2003(3):747,751 REVIEW 4 崔凤奎. 二值图像细化算法的比较与改 基准, [J].洛阳工学院学报，1997(4I):48,51 进 5 何友全,袁磊. 铁道钢轨断面的计算机 [J].计算机工程，2000 图像处理和仿真 图, 基准点的选取 4误差分析(6): 8 ,10 责任编辑 周 洲 任何一个系统都不是完美无缺 使用钢轨磨耗自动检测系统，产收稿日期 2005-02-25 的，需要衡量构成系统的各个关键要 生误差的因素有很多，列举如下。 素，尽量做到系统的误差达到最小。 (1)钢轨表面的背景图像灰度级 如何控制误差并将其减少到最小是今 与光带曲线的灰度级差别不大。这是 后需要解决的主要问题。 因为机车同钢轨面的长期接触使得轨 file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt df机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldf file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56