一種火車輪軌相對垂向位移視頻檢測系統(tǒng)

馬增強(qiáng)， 柳曉云， 鐘 莎

(石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

一種火車輪軌相對垂向位移視頻檢測系統(tǒng)

馬增強(qiáng)， 柳曉云， 鐘 莎

(石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

機(jī)車輪軌之間的相對位移是輪軌接觸狀態(tài)最直接的反映，為了監(jiān)測列車運(yùn)行的狀態(tài)及完善運(yùn)行安全性機(jī)理，傳統(tǒng)方法是采用基于傳感器的接觸式測量。針對其存在動態(tài)測量困難、零漂大和抗干擾能力差等缺點(diǎn)，設(shè)計了一種火車輪軌相對垂向位移視頻檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將相機(jī)垂直安裝在轉(zhuǎn)向架上，激光源也安裝在轉(zhuǎn)向架上并使激光照到軌道上，利用相機(jī)、激光源和轉(zhuǎn)向架三者保持相對靜止的特點(diǎn)，通過激光點(diǎn)在軌道圖像中的縱坐標(biāo)變化來測量輪軌的相對垂直位移。最后，在無砟和有砟軌道兩種不同條件下實(shí)現(xiàn)了機(jī)車輪軌相對垂向位移檢測、數(shù)據(jù)顯示和存儲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅能顯示輪軌相對垂向位移，而且對檢測環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性，這對進(jìn)一步探索和評價機(jī)車運(yùn)行安全性機(jī)理有著重要的意義。

輪軌接觸狀態(tài)；輪軌相對垂向位移；機(jī)車運(yùn)行安全性

近年來，我國高速鐵路技術(shù)發(fā)展迅速，其快捷性、舒適性給人們的生活帶來了巨大的方便，也促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但是，由于機(jī)車運(yùn)行速度的不斷增大，以及客運(yùn)量的增加，導(dǎo)致列車輪軌間的互相作用更加劇烈，更容易引發(fā)磨損、疲勞和脫軌等故障。為了滿足發(fā)展的要求和保障列車行駛的安全性，有必要對輪軌運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。為了監(jiān)測及保證機(jī)車運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性[1-5]，Koo和Choi[6]就基于輪軌間水平和垂直沖擊力建立了一種脫軌理論模型，并提出了一套預(yù)測和評價輪軌碰撞誘導(dǎo)脫軌的方法；Sebesan和Baiasu[7]為了研究側(cè)向位移、滾動等列車典型的蛇行運(yùn)動，在考慮軌道踏面不規(guī)則因素的基礎(chǔ)上，建立了一種描述蛇行運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，提出了失穩(wěn)臨界速度的計算方法；孫麗霞[8]分析了車輪抬升量、輪軌接觸角等隨輪對橫移量的變化情況，將輪對橫移量、車輪抬升量和輪軌接觸角進(jìn)行對比分析脫軌安全限值；侯茂銳等[9]在轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性計算方法研究中提出了以軌接觸點(diǎn)橫移量判斷輪對運(yùn)動是否出現(xiàn)等幅周期震蕩的極限環(huán)運(yùn)動；Matsumoto等[10]設(shè)計了一種脫軌系數(shù)連續(xù)檢測裝置，該裝置通過安裝于轉(zhuǎn)向架非旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上的非接觸式位移傳感器來檢測輪軌接觸力，從而獲得脫軌系數(shù)的統(tǒng)計值；Monje等[11]設(shè)計了一套基于光電二極管的儀器裝置，該裝置安裝于機(jī)車轉(zhuǎn)向架上，用于在線檢測車輪在軌道上滾動和滑動的狀態(tài)；肖杰靈等[12]把兩個攝像機(jī)安裝在鋼軌兩側(cè)，然后利用圖形拼接的方法獲得輪軌接觸曲線用以檢測輪軌接觸狀態(tài)，但圖形拼接技術(shù)會增大檢測誤差；楊淑芬[13]建立了以DSP為核心的輪軌接觸點(diǎn)硬件和軟件檢測系統(tǒng)以得到輪軌邊緣的輪廓，最終實(shí)現(xiàn)輪軌接觸點(diǎn)位置的在線連續(xù)測量，但攝像機(jī)安裝位置導(dǎo)致測量不全面。

本文以機(jī)車輪軌相對垂向位移變化檢測為研究目的，搭建了一個基于Qt的視頻檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將相機(jī)和激光源同時安裝在轉(zhuǎn)向架上，并保證激光源照到軌道上，當(dāng)輪軌發(fā)生相對垂直位移時，激光點(diǎn)在圖像中的縱坐標(biāo)會發(fā)生變換，可以通過激光點(diǎn)在圖像中縱坐標(biāo)的變化反映輪軌的相對垂直位移。為了驗(yàn)證該方法的可行性，本文在無砟和有砟軌道兩種不同條件下實(shí)現(xiàn)了機(jī)車垂向位移的視頻檢測、數(shù)據(jù)顯示及存儲，為后續(xù)進(jìn)一步開展監(jiān)測列車運(yùn)行的狀態(tài)以及完善列車運(yùn)行的安全性機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

1 機(jī)車輪軌相對位移檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 檢測系統(tǒng)的組成及工作流程

該檢測系統(tǒng)包括了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括攝像機(jī)、直流電源、圖像采集卡、工控機(jī)等。軟件系統(tǒng)是在Linux系統(tǒng)上，搭建一個基于OpenCV的Qt環(huán)境，在該環(huán)境分別實(shí)現(xiàn)無砟和有砟條件下的相對位移檢測，整個輪軌相對垂直位移檢測系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

圖1 檢測系統(tǒng)工作流程

1.2 檢測系統(tǒng)的設(shè)計原理

機(jī)車運(yùn)行時，車輪與軌道互相碰撞產(chǎn)生橫向作用力，導(dǎo)致輪軌接觸點(diǎn)位置發(fā)生改變。忽略轉(zhuǎn)向架與車輪之間的微小運(yùn)動并將其視為一體化，轉(zhuǎn)向架相對于軌道的位移變化可以用來反映輪軌接觸點(diǎn)位置變化。本文把攝像機(jī)安裝在車輪后邊的轉(zhuǎn)向架上且使攝像機(jī)的光軸垂直于軌道平面，并保證攝像機(jī)相對于轉(zhuǎn)向架是固定不動的，同時激光源安裝在轉(zhuǎn)向架上且與攝像機(jī)是保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，其安裝示意圖如圖2所示。

圖2 基于攝像機(jī)垂直拍攝的安裝示意圖

(1) 當(dāng)機(jī)車運(yùn)行中與軌道沒有沖角，轉(zhuǎn)向架與軌道產(chǎn)生相對垂移，激光點(diǎn)在圖片中的縱坐標(biāo)位置發(fā)生變化。如圖 3所示，以第一張圖片中激光點(diǎn)的縱坐標(biāo)位置為標(biāo)準(zhǔn)，l1是圖片中的初始垂直位移，當(dāng)產(chǎn)生垂直位移時，激光點(diǎn)在圖片的縱坐標(biāo)發(fā)生了變化，定義 l1-l2是圖片上輪軌發(fā)生的相對垂直位移，用其來反映實(shí)際垂向位移變化sy。

圖3 無沖角時輪軌相對垂移檢測原理

(2) 當(dāng)機(jī)車運(yùn)行與軌道有沖角時，由于沖角很小可以忽略不計，所以此處的計算原理和無沖角時輪軌垂向位移移檢測原理一樣。

2 軌道圖像中激光點(diǎn)的檢測

為了準(zhǔn)確得到圖像上激光區(qū)域的中心點(diǎn)位置，本文以無砟條件下軌道圖像檢測為例，對圖像先進(jìn)行了直方圖均衡化處理，增大圖像明暗對比度；然后用基于閾值分割的激光點(diǎn)粗略定位方法找到了激光區(qū)域中亮度最大像素點(diǎn)，以該像素點(diǎn)為種子，采用區(qū)域生長方法搜尋整片激光區(qū)域的像素位置；最后通過求平均的方法實(shí)現(xiàn)了激光點(diǎn)精確定位，并得到了良好的檢測結(jié)果。整個激光區(qū)域的中心點(diǎn)坐標(biāo)檢測步驟流程如圖4所示。

圖4 激光點(diǎn)圖像檢測的步驟流程圖

2.1 直方圖均衡化

直方圖均衡化是基于概率而產(chǎn)生[14]，主要功能是改變一幅圖整體的對比度，適用于灰度值且跨度不大的圖像。其中，每一個灰度值的概率大小為

其中，P( m)為圖中第m個灰度值概率大?。籑×N為總像素數(shù)；nm為第m個灰度級的像素點(diǎn)總數(shù)；L為圖中的總灰度值數(shù)。直方圖均衡化通過輸入直方圖信息而達(dá)到圖像均衡的變換函數(shù)，主要是對圖像中像素個數(shù)多的灰度級進(jìn)行擴(kuò)寬，壓縮那些像素個數(shù)少的灰度級，有利于提高原圖像的對比度。軌道圖像經(jīng)過直方圖均衡化后，圖像對比度明顯增強(qiáng)了，有利于后續(xù)的激光點(diǎn)提取(圖5)。

2.2 基于閾值分割的激光點(diǎn)粗略定位

基于閾值分割[15]的激光點(diǎn)粗略定位是先粗略的標(biāo)出激光區(qū)域在圖像中的位置，即找到位于激光區(qū)域中一個點(diǎn)。粗略定位的處理過程依次經(jīng)過了閉操作、圖像亮度最大點(diǎn)選取及鄰域判別和亮度最大激光點(diǎn)確定 3個步驟，整個激光點(diǎn)粗略定位的算法流程如圖6所示。

圖5 軌道圖像亮度均衡化結(jié)果

圖6 粗略定位的算法

閉操作就是以膨脹和腐蝕這兩種操作為基礎(chǔ)的，數(shù)學(xué)上，A被B的形態(tài)學(xué)閉操作記做A·B，其是先膨脹后腐蝕的結(jié)果

圖 7顯示了輪軌圖像經(jīng)閉操作后的結(jié)果，其提高了整個激光區(qū)域像素值的亮度值，去除了區(qū)域中低亮度像素點(diǎn)，更有利于后續(xù)找到這個激光區(qū)域所在的位置。

圖7 經(jīng)閉操作后軌道圖像

圖像亮度最大點(diǎn)選取及鄰域判別首先是在圖片中找到滿足激光點(diǎn) RGB模型(R〉200，B〉200，G〉200)的點(diǎn) A，計算亮度 T0( T=R × 0.299+G× 0.587 + B× 0.114)，再搜尋下一個滿足激光點(diǎn)模型的圖像點(diǎn)B，計算亮度T1，比較T0和T1亮度值大小取其最大值，判斷該點(diǎn) 5×5鄰域中滿足激光點(diǎn)模型的個數(shù)是否大于16，如果不滿足條件則搜尋下個激光點(diǎn)，否則更新當(dāng)前激光點(diǎn)位置，繼續(xù)搜尋下一個激光點(diǎn)位置，如此反復(fù)直到滿足條件則結(jié)束搜尋。通過這種方式，滿足條件的亮度最大點(diǎn)位置將被找到，激光點(diǎn)粗略定位結(jié)果如圖8所示。其中，檢測出的點(diǎn)的坐標(biāo)是 x= 286,y = 109，位于原來白色激光區(qū)域的右側(cè)，但檢測結(jié)果不是很準(zhǔn)確。

圖8 激光點(diǎn)粗略定位結(jié)果圖

2.3 基于閾值生長的激光點(diǎn)精確定位

激光紅點(diǎn)區(qū)域的粗略定位搜尋到整片激光區(qū)域中亮度最大的像素點(diǎn)。但為了準(zhǔn)確計算車輪橫向偏移的距離，需要知道整個激光區(qū)域中位于中心點(diǎn)的坐標(biāo)。由于激光紅點(diǎn)具有很好的方向性和高亮度，能量高度集中，所以可以通過區(qū)域生長算法尋找激光點(diǎn)區(qū)域位置，再用平均化方法求出激光點(diǎn)區(qū)域位置的中心點(diǎn)坐標(biāo)。

區(qū)域生長實(shí)現(xiàn)的步驟如下：

步驟1. 將上一節(jié)激光粗略定位結(jié)果的最大亮度點(diǎn)設(shè)為種子像素點(diǎn) (x0,y0)；

步驟2. 以 (x0,y0)為中心，考慮 (x0,y0)的8鄰域像素(x, y)，如果(x, y)滿足激光點(diǎn)模型，將(x, y)與(x0,y0)合并在同一區(qū)域，并且將(x, y)壓入堆棧；

步驟3. 從堆棧中取出一個像素，以其為種子點(diǎn) (x0,y0)返回到步驟2；

步驟4. 當(dāng)堆棧為空時，返回到步驟1；

步驟5. 重復(fù)步驟1～4直到圖像中的每個點(diǎn)都有歸屬時，生長結(jié)束。

軌道圖像通過了區(qū)域生長算法找到了激光點(diǎn)在圖像中映射的所有像素點(diǎn)，將所有像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)求平均，可得到激光區(qū)域位置的中心點(diǎn)坐標(biāo)。軌道圖像在經(jīng)過精確定位后的結(jié)果如圖 9所示，該檢測出的點(diǎn)位于原來白色激光區(qū)域的中間，檢測出的結(jié)果是 x=289，y=109，檢測結(jié)果較為精確。

圖9 激光點(diǎn)精確定位結(jié)果圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及誤差分析

為了測試該火車輪軌相對垂向位移視頻檢測系統(tǒng)的性能，本實(shí)驗(yàn)將該系統(tǒng)分別應(yīng)用于無砟軌道和有砟軌道兩種不同情況下的機(jī)車輪軌相對垂向位移檢測。輪軌相對垂移誤差定義為檢測數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之差，由于檢測數(shù)據(jù)是圖像上的像素值，轉(zhuǎn)為實(shí)際距離時需要先計算圖像采集時圖像距離與實(shí)際距離的比例關(guān)系。

3.1 無砟軌道條件下的輪軌相對垂移檢測

在無砟軌道條件下進(jìn)行機(jī)車輪軌相對垂移檢測，經(jīng)過現(xiàn)場測量 1像素對應(yīng)實(shí)際距離約是0.04 cm。在軟件系統(tǒng)分析中，檢測系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)處理界面如圖10所示。經(jīng)過軟件測試分析，輪軌相對垂移圖像檢測誤差如表 1所示，該實(shí)驗(yàn)是以平行軌道上一條線為基準(zhǔn)位置進(jìn)行左右誤差分析的，如圖11所示。

圖10 無砟軌道條件下檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理界面

表1 無砟軌道條件下軌道垂移圖像檢測誤差(cm)

圖11 檢測系統(tǒng)的相對垂移坐標(biāo)示意圖

從誤差結(jié)果分析來看，上側(cè)垂移圖像檢測平均誤差是-0.004 cm，下側(cè)垂移圖像檢測平均誤差是-0.002 cm。所以，該系統(tǒng)能較為精確地檢測出輪軌的相對垂向位移，這為探討機(jī)車運(yùn)行安全性機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

3.2 有砟軌道條件下的輪軌相對垂移檢測

在有砟軌道條件下進(jìn)行機(jī)車輪軌相對垂移檢測，經(jīng)過現(xiàn)場測量 1像素對應(yīng)實(shí)際距離約是0.03 cm。在軟件系統(tǒng)分析中，檢測系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)處理界面如圖12所示。經(jīng)過軟件測試分析，輪軌垂移圖像檢測誤差如表2所示。

圖12 有砟軌道條件下檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理界面

表2 有砟軌道條件下軌道垂移圖像檢測誤差(cm)

從誤差結(jié)果分析來看，上側(cè)垂移圖像檢測平均誤差是-0.005 cm，下側(cè)垂移圖像檢測平均誤差是0.005 cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)不但能較為精確地檢測出輪軌的相對垂向位移，而且對軌道各種環(huán)境檢測的適應(yīng)性也很強(qiáng)。

4 結(jié) 論

本文搭建了一個機(jī)車輪軌相對垂向位移的視頻檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將相機(jī)和激光源安裝在轉(zhuǎn)向架上，可以利用激光點(diǎn)在圖像中的縱坐標(biāo)位置變化來反映輪軌的相對垂向位移變化，以無砟軌道條件下的圖像為例進(jìn)行圖像處理，且取得了良好的檢測結(jié)果。最終，該系統(tǒng)在無砟和有砟軌道兩種不同情況下實(shí)現(xiàn)了輪軌相對垂向位移的視頻檢測、數(shù)據(jù)顯示和存儲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)有較高的精確度，且對軌道各種檢測環(huán)境的適應(yīng)性也很強(qiáng)，這對進(jìn)一步開展監(jiān)測機(jī)車運(yùn)行的狀態(tài)及運(yùn)行安全性機(jī)理的探索和研究提供了重要信息。

本文設(shè)計系統(tǒng)在實(shí)際中得到了應(yīng)用，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠有效地提取輪軌相對垂向位移，但是由于算法不夠優(yōu)秀導(dǎo)致處理圖像時間較長，不能保證檢測系統(tǒng)有良好的實(shí)時性，值得深入研究。

[1] 程 力. 基于輪軌表達(dá)式的輪軌接觸坐標(biāo)計算方法[J]. 蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報, 2015, 22(2): 19-22.

[2] 干 鋒, 戴煥云. 基于空間矢量映射的新型輪軌接觸點(diǎn)算法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2015, 51(10): 119-128.

[3] 鐘 浩. 基于改善輪軌接觸狀態(tài)的重載車輪型面優(yōu)化[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2014.

[4] 魏云鵬, 吳亞平, 段志東, 等. 列車蛇形運(yùn)動狀態(tài)下輪軌接觸特性分析[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2015, 59(3): 37-40.

[5] 李呈祥. 高速列車運(yùn)行橫移及側(cè)滾姿態(tài)主動控制研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2014.

[6] Koo J S, Choi S Y. Theoretical development of a simplified wheelset model to evaluate collision-induced [J]. Journal of Sound and Vibration, 2012, 331(13): 3172-3198.

[7] Sebesan I, Baiasu D. Mathematical model for the study of the lateral oscillations of the railway vehicle [J]. UPB Scientific Bulletin, Series D: Mechanical Engineering, 2012, 74(2): 51-56.

[8] 孫麗霞. 高速列車橫向運(yùn)動穩(wěn)定性和動態(tài)脫軌理論分析及評價方法研究[D]. 北京: 中國鐵道科學(xué)研究院, 2014.

[9] 侯茂銳, 胡曉依, 王成國. 轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)的非線性計算方法研究[J]. 鐵道機(jī)車車輛, 2011, 31(4): 49-52.

[10] Matsumoto A, Sato Y, Ohno H，et al. A new measuring method of wheel-rail contact forces and related considerations [J]. Wear, 2008, 265(4): 1518-1525.

[11] Monje P, Aranguren G, Martínez B, et al. Using bogie-mounted sensors to measure wheel rolling and sliding on railway tracks [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2012, 226(4): 371-380.

[12] 肖杰靈, 劉學(xué)毅, 張 渝. 輪軌接觸幾何狀態(tài)檢測裝置[J]. 中國鐵道科學(xué), 2008, 29(4): 141-144.

[13] 楊淑芬. 輪軌接觸點(diǎn)位置圖像檢測方法研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2009.

[14] 陳金位, 吳 冰. 二維直方圖重建和降維的Otsu閾值分割算法[J]. 圖學(xué)學(xué)報, 2015, 36(4): 570-575.

[15] Xiong B S, Jia B, Yu L, et al. A noise removal algorithm for DR Images based on adaptive estimation of threshold [J]. Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing, 2012, 22(4): 1-6.

The Video Detection System for Wheel/Rail Vertical Relative Displacement

Ma Zengqiang, Liu Xiaoyun, Zhong Sha
(Electrical and Electronics Engineering, Shijiazhuang Railway University, Shijiazhuang Hebei 050043, China)

Wheel/rail contact state is the basic content in analyzing safety of the train, and the relative displacement between wheel/rail is the most direct reflection of wheel/rail contact state. The current contact measurement based on sensor is widely used in dynamic performance parameters detection for monitoring locomotive status. However, it has several defects, such as being difficult to realize dynamic measurement and has poor anti-jamming capability. In order to overcome the defects above, the video monitoring system for wheel/rail relative vertical displacement is designed in this paper. In the system, camera and laser are installed on the bogie vertically. Since the camera, laser and bogie remain static each other, then the wheel/rail relative vertical displacement can be measured by the laser ordinate change in image. Finally, the experiments had been carried out under the two different conditions of ballastless track and ballast track. The results show that the system can acquire wheel/rail vertical relative displacement and has strong adaptability to the detection environment, and it has great important significance to further exploring and evaluating locomotive safety mechanics.

wheel/rail contact status; wheel/rail vertical relative displacement; locomotive safety

TP 391.4

10.11996/JG.j.2095-302X.2016060799

A

2095-302X(2016)06-0799-06

2016-04-28；定稿日期：2016-06-04

國家自然科學(xué)基金項目(11372199)；河北省自然科學(xué)基金項目(A2014210142)

馬增強(qiáng)(1975-)，男，河北石家莊人，教授，博士。主要研究方向?yàn)閳D像處理與模式識別、數(shù)字信號處理。E-mail：mzqlunwen@126.com