基于數字圖像處理的軌面豎向動位移遠程采集方法

常建芳 李麗榮 王曉剛 王新超 王夢宇 馮懷平

1.邯鄲職業技術學院，河北 邯鄲 056001；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；3.石家莊鐵道大學省部共建交通工程結構力學行為與系統安全國家重點實驗室，石家莊 050043；4.中鐵五院集團有限公司建筑設計研究院，北京102600

傳統的鋼軌位移監測方法多利用動位移計，該方法需要提供一個相對固定的基標，在既有線應用時需要通過深挖樁基，設置專門的沉降基板及加速度計［1-3］，將測得的加速度信號經二次積分反求出被測物體的動位移。此方法要將加速度計粘貼在被測結構表面，以獲取測試部位的振動值。因此具有易磨損、長期穩定性差等缺點，同時二次積分會造成精度低、誤差大的不足。近年來非接觸監測方法如磁敏式、光電式傳感器等越來越引起研究者的關注［4］。上述檢測方法需要工作人員手動測量，測量誤差有較大離散性，影響測試精度。

數字圖像處理（Digital Image Processing，DIP）技術已經成功運用到工程結構位移測試的多個領域［5-6］。趙亞軍等［7］針對混凝土梁橋彎曲疲勞問題，通過DIP技術獲取了應力集中附近的變形分布情況，證明DIP技術實用性好，能夠滿足0.5 mm∕20萬次的測試需求。陳運貴［8］利用DIP 技術監測隧道襯砌結構變形，提出了鏡頭畸變修正方法和像元的標定方法，結果表明在測量變形方面精度均小于±0.5 mm。Riberio 等［9］使用高速攝像機對鐵路橋梁動位移進行檢查，表明該方法用于測量列車通過時引起的鐵路橋梁橋面位移，與LVDT 獲得的位移測量結果一致性很高。雖然在橋梁、隧道等方面已經有較多報道，但由于軌道空間狹小，在鐵路鋼軌動位移測試應用還較少，適用性仍有待進一步驗證。

本文針對傳統的監測鋼軌方法存在侵限、布置難、難以定點測量、自動化程度弱等不足，利用DIP 技術的非接觸測量、設備簡單，安全性、智能化程度高等優點，研發一整套非接觸式路基軌道動位移長期演化監測系統，并將該系統應用于包神鐵路南線病害監測中。所建立的鐵路軌道動位移長期監測方法為掌握路基、軌道豎向位移發展過程以及病害演化規律提供參考。

1 監測系統組成

1.1 硬件系統

硬件設備系統包括成像采集系統、標志物等［10］。采集系統一般有智能手機、數碼相機數碼攝像機等。成像質量的優劣以及位移的測量精度均取決于成像設備參數的選擇。標志物的形狀、大小、顏色對圖像特征點坐標的提取產生影響。

1.1.1 成像設備的選擇

各種成像設備主要由圖像傳感器、鏡頭、電子電路等組成，而圖像傳感器是成像設備中最重要的部分。

由于結構位移測量多為室外測量，噪聲影響不可忽略，本裝置選擇信噪比較小的CMOS 傳感器作為成像設備的傳感器。為實現在郊外復雜環境長期監測的需要，供電裝置采用了太陽能電池板。總體采集裝置如圖1所示。

圖1 圖像采集設備

控制系統功能結構如圖2 所示，系統MCU 為STM32 單片機。通過I∕O 口接收紅外攝像機傳送來的圖像信號，將結果保存在STM32 的Flash 中，經過MCU分析處理后，把數據通過RS485 接口的無線發送器發送給云端4G 卡，再被上位機PC 機接收；或者通過SPI接口，將數據通過USB 口傳送至附近的上位PC 機，可再進一步處理。

圖2 控制系統功能結構

錄像傳輸會占用大量的儲存空間和流量，造成傳輸堆棧，為避免過多采集無用信息，采用熱釋電傳感器感應列車通過時刻，當有火車經過時，熱釋電紅外傳感器探測到的信號通過I∕O 途徑采集進MCU，經過控制器判斷后，向攝像機發出拍照信號，記錄下火車經過時的圖像。此外，相機具有定時拍攝功能，只測試給定時段的振動信息，其余時間處于休眠狀態，避免拍攝無關視頻。

1.1.2 標志物的選擇

選擇合適的參考點作為標志物是數字圖像處理位移監測技術的關鍵。通常以結構物表面裂縫、結構拐角、結構表面螺栓等作為標志物；但這種方法精度普遍不高，通過色差和造型分析，設計專門標志物可以有效提高測試精度［4］。目前標志物主要為二維碼、圓形、方形以及它們之間的組合。由于圓形標志物在任意方向發生扭轉、偏移的誤差都能很好地進行修正［2］。結合被測物體的特點和環境，研究使用單圓形作為標志物、圓心作為特征點。圓形標志物設計為黑色，背景設計為白色，增加兩者顏色對比度。通過MATLAB 構建標志物三維分布如圖3 所示，可以看出標志物具有較好的識別度。

圖3 標志物三維分布

1.2 軟件系統

獲取圖像后，需要對采集到的圖像進行圖像處理才能得到待測結構的位移變化。根據圖像處理技術的需要，采用Matlab進行各部分圖像處理。

基于數字圖像處理的非接觸位移監測方法關鍵技術環節見圖4。相對于傳統動位移測試需要固定基準點問題，本方法首先分析并確立測試圖像像素點與預設標靶圓直徑（給定值）之間的數據關系，然后計算出標靶振動。因此這個方法不需要基準點，只要圖像采集清晰，拍攝距離及光線角度對振動位移測試精度的影響很小，這樣設計保證了即使在現場測試中攝像機損毀或者測點破壞，簡單替換一組設備，更換相機固定點即可以使用，進而極大提高了本測試方法的適用性。

圖4 流程圖

數字圖像特征點提取算法的選擇對后續測量精度的影響至關重要。因此采用特征點提取精度較高的最小二乘擬合算法（最優圓擬合法）作為特征點提取算法；以圓形標志物圓心作為特征點，對圓形標志物的圓心和半徑進行擬合，進而提取得到標靶圓在像素坐標系下的圓心坐標和半徑。由于標靶圓的實際直徑是精確給定的，因此通過這種關系可以建立起像素與空間尺寸的比例關系，即計算轉換系數SF；基于此通過對比標靶圓心與第一幀標靶圓圓心像素上的偏差量，就可以計算出實際物體空間位移。

2 室內試驗標定

為驗證采用基于DIP技術的位移監測方法在工程結構物豎向動態位移時程變化規律測試中的可行性，利用室內動三軸儀進行了標定試驗。先將標志物粘貼在動三軸儀底座上，然后通過GDS 動三軸儀分別設置了三角波、正弦波以及依據現場軌道位移曲線的自定義波形作為驗證波形，旁邊布置相機進行攝像采集，并采用最優圓擬合法進行擬合。三種波形的設計參數見表1，室內標定結果見圖5。

表1 波形參數

圖5 室內標定試驗結果

由圖5 可知：DIP 所測位移值曲線與GDS 動三軸儀所測位移曲線吻合度良好，驗證該技術有較高的精度。

為對比不同波形及振幅的監測精度，基于DIP 技術的監測方法測得的位移與動三軸儀提供的位移值，得到DIP 測試值的相對誤差和絕對誤差。百分誤差PE、均方根誤差RMSE和最大絕對誤差MAE作為分析誤差的指標；皮爾遜相關系數ρ作為相關性的分析指標。

式中：Vi為基于DIP方法測得的位移，其中三角波和正弦波為試驗位移最大值、最小值，而自定義波形為試驗 15個拐點對應的位移為測試位移平均值；Mi為動三軸儀施加位移為施加位移平均值。

三種加載波形下DIP 法測試精度見表2。可知，三種工況下最優圓擬合算法在識別定位標靶圓、計算被測結構位移都具有較小的誤差。

表2 DIP法測試精度

3 工程應用

在包神鐵路南線瓷窯灣站K158+146.89—K158+156.89 區段內的現場調研發現軌道基礎存在較大的翻漿冒泥、不均勻沉降等病害問題。為探索該部分病害演化過程，在該地帶設置了整套軌道DIP 豎向動位移監測裝置進行長期監測。本區段采用60 kg∕m 鋼軌，運行車型主要為C80、C70、C64。

現場動位移計法測試需要一個相對穩定的基準點，為此馬偉斌等［11］研發了鐵路路基動位移檢測裝置，在路基中開挖圓洞直至基床表層（約90 cm），然后布置套筒與鋼管作為位移計基點，文獻［1］中也制作了類似沉降板作為基準點。DIP 技術現場動位移測試也要求有一個相對穩定的位置固定相機。綜合考慮現場條件本次試驗相機固定在調車矮型信號機樁上。該信號機樁埋深110 cm，距離外軌約220 cm，使用免釘膠固定在鐵路信號機基座上，對比文獻［12］路基動應力衰減規律，該位置振動影響已經很小。紅外感應相機通過內置的長焦鏡頭采集標志物的圖像信息，并通過內置的無線傳輸模塊遠程傳輸標志物的圖像信息。其中，長焦鏡頭的焦距為26 mm，可清晰準確地拍攝標志物紅外信息；無線通信模塊則通過手機SIM 卡連接4G 網絡，實現遠程控制與圖像傳輸。紅外感應相機布設見圖6（a）。標志物整體由易于加工的亞克力板加工制作而成，并在其中心位置制作有直徑2 cm的黑色標靶。為避免對鐵軌的損傷，從而造成安全隱患，使用固定膠將其固定，見圖6（b）。

圖6 現場測試

不同車速軌道豎向位移監測結果見圖7。可知，本裝置均可以清晰測出機車輪對通過時對鋼軌豎向位移的影響。利用遠程傳輸手段，實現了對該斷面動位移幅值的長期觀測，本次測試為了節約傳輸成本，每次僅測試5 s，從中選擇動位移最大值作為本次測試幅值。

圖7 不同車速時鋼軌豎向位移

C64、C70 車型三個月內動位移幅值分布見圖8。可知，載重對軌道動位移影響較大，C64、C70幅值均值分別為 2.39、2.82 mm，C64 和 C70 最大位移分別為3.25、4.45 mm，測試結果基本與現場測試數據吻合［13］。兩種車型動位移幅值基本服從正態分布，一個明顯的特點是分布上均有一定的雙峰現象，主要是因為錄像測試時間較短，因此測試數據可能是分別測試了機車和貨車通過時的動位移。

圖8 不同車型動位移幅值分布

4 結論與建議

1）室內試驗表明本裝置有較強的適應性，可以適應不同波形、不同幅值的振動測試，精度較高。

2）該測量技術可以實現無人值守軌道動位移長期監測，通過遠程傳輸技術，實現現場動位移幅值的實時傳輸，適用性較好。

3）經三個月的針對C64和C70車型的測試表明，統計學上列車軸重對于軌道動位移有影響，動位移幅值均值分別為2.39、2.82 mm。

4）由于現場測試條件限制，未能進行同位置位移計的標定試驗，下一步將繼續這方面工作，同時將改進算法優化相機固定點振動對測試誤差的影響。