基于LabVIEW的鋼軌廓形動態采集系統研究

王 健,王 平,李 悅,汪 力

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

基于LabVIEW的鋼軌廓形動態采集系統研究

王 健,王 平,李 悅,汪 力

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

為解決人工鋼軌磨耗檢測方法效率低、精度低、結果不易存儲等一系列缺點,設計開發基于LabVIEW的鋼軌廓形動態采集系統,介紹其硬件組成及軟件設計方法。該系統以軌面激光線為檢測對象,不易受外界因素影響,測量精度高;檢測人員可推動檢測車在軌面上連續進行檢測,效率高。可實現鋼軌垂直磨耗,側面磨耗和總磨耗的測量以及磨耗超限警報功能并完成測量數據的存儲,對改善工務部門磨耗檢測現狀,保障鐵路系統安全運行具有重要的意義。

LabVIEW;鋼軌輪廓;檢測;磨耗

鋼軌作為軌道交通系統中重要的組成部分,在鐵路運輸中起著至關重要的作用。磨耗是鋼軌損傷最為常見的類型之一,關系著列車在行駛過程中的安全性和旅客的舒適度。目前,國內外鋼軌磨耗檢測方法主要分為靜態檢測和動態檢測兩種[1]。靜態檢測主要利用機械卡尺等接觸式設備進行測量,這種檢測方法工作量大,檢測速度緩慢。動態檢測方法主要是利用機器視覺技術與軌檢車或打磨車相結合,這種方法檢測的間距較大且使用不方便。因此,開發一套檢測速度快、檢測密度大的便攜式鋼軌磨耗檢測系統對于鋼軌檢測、維修以及保障鐵路運輸安全具有重要的意義。

LabVIEW是美國NI公司1986年推出的一種圖形化的編程語言和開發環境。作為虛擬儀器開發平臺,由于其圖形化的編程方式具有簡單易學、直觀方便、功能強大等特點,它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受,被公認為是標準的數據采集和儀器控制軟件[2]。

本文以LabVIEW2011為開發平臺,開發了基于機器視覺原理的非接觸式鋼軌廓型檢測系統,重點介紹了設備動態檢測的原理、系統硬件及軟件設計方法。

1 鋼軌廓形動態采集系統及其原理簡介

鋼軌廓形動態采集系統是一套基于機器視覺技術的動態非接觸式鋼軌廓形、磨耗檢測系統。當系統在鋼軌上推行時,它以2 cm為采樣間隔,不斷采集鋼軌廓形圖像,通過一系列的處理實時地將鋼軌廓形和磨耗值顯示在筆記本電腦上。如圖1所示,其工作原理主要是采用CCD照相機將激光照射下鋼軌廓形轉換成圖像信號,然后通過圖像采集卡將圖像信號轉換為數字信號(即A/D轉換)傳入計算機中,經過計算機對圖像的一系列處理最終獲得鋼軌斷面廓形并完成磨耗測量。

圖1 鋼軌廓形采集原理

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件組成

鋼軌廓形動態采集系統主要由檢測小車車身、高速工業相機、激光光源、增量式旋轉編碼器、圖像采集卡及筆記本電腦等主要硬件組成。

2.2 硬件主要功能介紹

(1)激光光源:其主要作用是在軌面上形成連續的激光線。接通電源后,激光發射器會連續地將纖細的紅色激光線打在鋼軌斷面上,每個斷面分布1500個激光采集點,完全可以滿足檢測的精度要求。

(2)高速工業相機:其作用主要是在運行過程中觸發式的采集鋼軌斷面廓形,并將采集到的圖像傳輸至圖像采集卡中。

(3)圖像采集卡:其作用是完成A/D轉換,即將相機采集到的圖像信號轉換為計算機可以識別的數字信號。

(4)增量式旋轉編碼器:其作用主要是計算檢測小車推行的里程,并每前進2 cm觸發一次相機,使其對鋼軌廓形進行采集。

(5)筆記本電腦:其作用主要是對鋼軌廓形圖像進行一系列處理,獲得鋼軌廓形在世界坐標系下的真實尺寸,完成鋼軌磨耗的測量并實現磨耗超限報警和數據存儲功能。

3 系統軟件設計框架及流程圖

鋼軌廓形動態檢測系統基于圖形化編程語言的LabVIEW進行軟件編程設計,可以實現圖像采集、圖像處理、廓形比對、磨耗超限報警以及數據存儲等功能。系統的軟件設計流程如圖2所示。

圖2 系統軟件設計流程

3.1 圖像采集程序

圖像采集程序主要是通過調用RANGER D50高速相機預先安裝在LabVIEW中的相機工具包,實現上位機與相機的連接,從而控制相機對鋼軌斷面進行拍攝。RANGER D50相機在拍攝時可以自動將所拍攝的圖片轉化為灰度圖,當適當的縮短相機的曝光時間時,在一個拍攝周期內進入相機鏡頭中的光就會減少,可以有效地降低環境中其他光線對拍攝效果的影響,得到清晰連續的鋼軌斷面輪廓。采集到的圖像如圖3所示。

圖3 采集到的鋼軌廓形圖像

3.2 圖像處理程序

圖像處理程序主要是完成對圖像二值化、圖像形態學以及圖像細化。圖像二值化是指將圖像中感興趣區域的像素值置為1,其余部分的像素值置為0。其目的是為了將感興趣區域提取出來方便后期處理。現實中的數字圖像在數字化和傳輸過程中常受到成像設備與外部環境噪聲干擾等影響,稱為含噪圖像或噪聲圖像。圖像形態學是指去除圖像背景中噪聲而得到真實清晰圖像的過程。輪廓細化一般是針對二值化圖像的骨架提取,可以理解為對鋼軌輪廓的中軸提取,其目的是為了將具有一定像素寬度的鋼軌輪廓細化為只有一個像素寬度。圖4所示為處理之后的圖像。

圖4 處理后的鋼軌廓形

3.3 圖像還原程序

圖像還原程序主要包括圖像的標定和世界坐標系下鋼軌廓形坐標的提取。要想實現鋼軌磨耗的檢測,必須要將處理后的鋼軌輪廓轉化到世界坐標系下即完成圖像標定,如圖5所示。標定時要保證標定板與鋼軌垂直且保持與激光處于同一平面內,標定完成后利用NI-Vision中的Calibration Training控件將標定圖像形成標定模板,然后利用模板完成對采集圖像的標定。最后,通過LabVIEW中的IMAQ Convert Pixel to Real World控件實現對鋼軌輪廓世界坐標的提取并繪制在xy圖中。如圖6所示。

圖5 圖像標定

圖6 xy圖中的鋼軌廓形

3.4 輪廓比對與報警程序

輪廓比對是指將還原后的鋼軌輪廓與標準鋼軌輪廓進行比較,分別在距鋼軌工作邊1/3處以及軌面下16 mm處測出鋼軌的垂磨和側磨,然后根據總磨耗計算公式得到鋼軌的總磨耗,并通過設置磨耗超限閥值來實現磨耗超限報警。如圖7所示。

圖7 輪廓比對和報警

3.5 用戶界面

鋼軌廓形動態采集系統主要可以實現測量信息的錄入、鋼軌廓形的坐標顯示、鋼軌磨耗的測量、報警以及測量數據的保存。基于此,在系統前面板設計時采用選項卡控件分為參數設置和主界面兩個選項卡,通過用戶界面可以直觀地看到鋼軌的輪廓圖以及磨耗情況。如圖8、圖9所示。

圖8 用戶界面設計

圖9 用戶界面設計

4 系統設計模式

本系統在進行鋼軌廓形采集和磨耗測量時,每推行2 cm由旋轉編碼器產生的脈沖觸發相機進行一次廓形采集,并將測量結果實時地顯示在計算機中。傳統的順序設計模式將采集程序和處理程序串行處理,每進行一次采集就要進行一次處理,只有當處理程序完成后才能進行下一次采集。本系統采集密度非常大,實驗表明,順序設計模式無法實現要求的系統采集功能。因此,在系統程序設計時,采用了LabVIEW推出的生產者/消費者模式。

4.1 生產者/消費者模式介紹

生產者/消費者模式是從主/從設計模式上發展而來的,是在圖形化程序設計中應用最廣泛的模式[2]。生產者即為數據采集模塊,消費者即為數據處理模塊。生產者/消費者模式將數據采集和數據處理分別放入兩個并行循環之中,并依靠通信技術時刻保持兩個循環之間的通信,充分發揮了LabVIEW作為并行化程序設計語言的優勢,解決了數據采集循環和數據處理循環執行速率不同的問題。其原理如圖10所示。

生產者/消費者模式采用隊列的采用隊列的數據存儲方式。首先,隊列在系統中開辟一個緩存區,然后數據按照先進先出(FIFO:First Input First Output)的原則進入隊列[3]。最先進入隊列的元素最先出隊列,保證了數據傳輸的實時性;并且在數據進入隊列時既不允許“插隊”也不允許“掉隊”,防止了數據在傳輸過程中丟失現象。具體程序框圖如圖11所示。

圖10 生產者/消費者模式原理圖

圖11 生產者/消費者模式程序框圖

4.2 生產者/消費者模式在鋼軌廓形采集系統中的實現

將圖像采集程序放入消費者循環中,當相機受到旋轉編碼器觸發后,Star.vi將會命令相機打開,然后GetImage.vi控制相機獲取圖像,采集到的圖像隨后進入隊列中。這樣,相機便完成了鋼軌廓形的一次采集,即完成一次循環。當檢測小車推行距離增加2 cm后,旋轉編碼器產生的脈沖將會再次觸發相機完成一次鋼軌廓形采集。以此類推,在旋轉編碼器的觸發下,相機采集到的圖像不斷地進入隊列中,從而保證了鋼軌廓形采集的連續性。

將圖像處理模塊放入消費者循環中,當采集到的圖像進入隊列后,隊列中的消息機制便會通知消費者循環,使圖像處理模塊從隊列中可以實時地讀取最先進入的圖像,經過二值化、圖像形態學、圖像細化、圖像標定等一系列的處理最終將測得的鋼軌輪廓顯示在屏幕上,并與標準的鋼軌廓形進行比較,得出鋼軌的磨耗值。

這樣,采用生產者/消費者模式后,圖像采集循環的執行將不會再受到圖像處理模塊執行速率的影響,采集到的圖像按照先進先出的原則進入隊列,圖像處理模塊每執行完一次循環則會在隊列中取出最先進入隊列的圖像繼續進行處理。程序整體框圖如圖12所示。

圖12 基于生產者/消費者模式的整體程序設計框圖

5 結語

鋼軌廓形動態采集系統作為一種非接觸式的檢測工具不僅具有檢測精度高、受人為因素影響較小、高效快速、數據易存儲等一系列優點,而且在無縫線路和普通線路中均可使用。隨著鐵路現代化和自動化的快速發展,這種非接觸式的設備肯定會在鋼軌檢測維修、保障鐵路運輸生產安全中發揮積極作用。該系統目前只是一個原型,但隨著在試驗中不斷地改進,其肯定會日臻完善,進而滿足當今鐵路快速發展的需求。

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Research on LabVIEW-based Dynamic Acquisition System of Rail Contour Shape

WANG Jian,WANG Ping,LI Yue,WANG Li
(MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

In manual detection method of rail abrasion,there are a series of problems:low efficiency, low precision,being not easy to store detection data,and so on.To solve those problems,a LabVIEW-based dynamic acquisition system of rail contour shape was designed and developed in this research,and the hardware structure and software design method of this system were illustrated in this paper.The main characteristics and advantages of this system are as follows:(a)this system,which takes the laser line on rail surface as detection object,is not easily affected by external factors and has high measuring accuracy;(b)with this system,the detection efficiency is so high that the detection personnel can continuously carry out the detection work by pushing the detection car on the rail surface; (c)this system,which can achieve the measurement of rail lateral and vertical abrasions as well as total abrasion,has the alarm function of abrasion over-limit and the storage function of measured data.It is concluded in this research that this system will be of great significance for improving present situation of abrasion detection by track maintenance department,and ensuring operation safety of railway system.

LabVIEW;rail contour shape;detection;abrasion

U213.4+2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.007

1004-2954(2014)08-0030-04

2013-11-20;

2013-12-02

四川省科技計劃項目(2011GZ0241);國家自然科學基金委高鐵聯合基金重點項目(U1234201)

王 健(1990—),男,碩士研究生,E-mail:534447262@ qq.com。