基于相機(jī)垂直拍攝的機(jī)車輪軌相對(duì)橫移檢測(cè)系統(tǒng)

鐘　莎，　王永勝，　宋子彬，　馬增強(qiáng)

(1.廣州鐵路(集團(tuán))公司 懷化機(jī)務(wù)段，湖南 懷化　418000;2. 石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊　050043)

?

基于相機(jī)垂直拍攝的機(jī)車輪軌相對(duì)橫移檢測(cè)系統(tǒng)

鐘莎1,2，王永勝2，宋子彬2，馬增強(qiáng)2

(1.廣州鐵路(集團(tuán))公司 懷化機(jī)務(wù)段，湖南 懷化418000;2. 石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊050043)

為了檢測(cè)機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)及監(jiān)測(cè)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)前通常采用了基于傳感器的接觸式測(cè)量方法，因而存在動(dòng)態(tài)測(cè)量困難、零漂大和抗干擾能力差等缺點(diǎn)。輪軌接觸點(diǎn)位置變化能直觀的反映出機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，所以設(shè)計(jì)了一套基于相機(jī)垂直拍攝的機(jī)車輪軌相對(duì)橫移檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將相機(jī)垂直安裝在轉(zhuǎn)向架上，利用相機(jī)相對(duì)于轉(zhuǎn)向架保持相對(duì)靜止的特點(diǎn)，通過(guò)軌道在圖像中的坐標(biāo)變化來(lái)測(cè)量輪軌的相對(duì)橫向位移，并分別在無(wú)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(duì)橫移檢測(cè)、數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅能顯示輪軌相對(duì)橫向位移，而且對(duì)檢測(cè)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性，這對(duì)進(jìn)一步探索和評(píng)價(jià)機(jī)車運(yùn)行安全性機(jī)理有重要意義。

機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)；輪軌接觸點(diǎn)；輪軌相對(duì)橫移

0　引言

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路技術(shù)發(fā)展迅速，它有著快捷、舒適的特性，給人們的生活帶來(lái)了巨大的方便，也促進(jìn)了國(guó)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(duì)輪軌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而輪軌接觸點(diǎn)的位置[1-2]能直接反映輪軌接觸狀態(tài)[3-4]，所以監(jiān)測(cè)、分析輪軌接觸點(diǎn)的位置對(duì)探索脫軌的機(jī)理和監(jiān)測(cè)車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性[5-6]有著重要作用。為了分析輪軌接觸點(diǎn)位置變化對(duì)機(jī)車安全性、穩(wěn)定性的影響，關(guān)慶華[7]提出了用輪軌橫移量的變化分析機(jī)車的脫軌危險(xiǎn)，但沒有實(shí)現(xiàn)具體的橫移測(cè)量方法；肖杰靈等[8]把兩個(gè)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(cè)輪軌接觸狀態(tài)，但圖形拼接技術(shù)會(huì)增大檢測(cè)誤差；楊淑芬等[9]建立了以 DSP 為核心的輪軌接觸點(diǎn)硬件和軟件檢測(cè)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(cè)量，但攝像機(jī)安裝位置導(dǎo)致測(cè)量不全面；侯茂銳等[10]在轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性計(jì)算方法研究中提出了以軌接觸點(diǎn)橫移量判斷輪對(duì)運(yùn)動(dòng)是否出現(xiàn)等幅周期震蕩的極限環(huán)運(yùn)動(dòng)；孫麗霞[11]分析了車輪抬升量、輪軌接觸角等隨輪對(duì)橫移量的變化情況，將輪對(duì)橫移量、車輪抬升量和輪軌接觸角進(jìn)行對(duì)比分析脫軌安全限值；王彩蕓，王文健等[12]分析了橫移量和搖頭角對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸行為的影響，為研究輪軌滾動(dòng)接觸疲勞提供了參考價(jià)值，但都沒有討論橫移具體測(cè)量方案。

以機(jī)車輪軌相對(duì)橫向位移變化檢測(cè)為研究目的，搭建一個(gè)基于Qt的數(shù)字圖像檢測(cè)系統(tǒng)，將相機(jī)垂直安裝在轉(zhuǎn)向架上，利用相機(jī)相對(duì)于轉(zhuǎn)向架保持相對(duì)靜止的特點(diǎn)，通過(guò)軌道在圖像中的坐標(biāo)變化來(lái)測(cè)量輪軌的相對(duì)橫向位移，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)，這對(duì)進(jìn)一步開展監(jiān)測(cè)列車運(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。

1　機(jī)車輪軌相對(duì)橫移檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1檢測(cè)系統(tǒng)的組成及工作流程

檢測(cè)系統(tǒng)包括了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括了攝像機(jī)、直流電源、圖像采集盒、工控機(jī)等。軟件系統(tǒng)是在Linux系統(tǒng)上，搭建一個(gè)基于Opencv的Qt環(huán)境，該環(huán)境主顯示界面如圖1所示。然后在該環(huán)境下進(jìn)行鋼軌的圖像檢測(cè)、橫移計(jì)算及動(dòng)態(tài)顯示，整個(gè)輪軌橫向位移檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖1輪軌橫向位移檢測(cè)系統(tǒng)的主顯示界面

圖2　檢測(cè)系統(tǒng)工作流程

1.2檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

機(jī)車運(yùn)行時(shí)，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(dòng)并將其視為一體化，轉(zhuǎn)向架相對(duì)于軌道的位移變化可以用來(lái)反映輪軌接觸點(diǎn)位置變化。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(duì)于轉(zhuǎn)向架是固定不動(dòng)的，其安裝示意圖如圖3所示。機(jī)車運(yùn)行的初始時(shí)刻，記錄圖像中軌道的初始位置，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行中轉(zhuǎn)向架與軌道產(chǎn)生相對(duì)橫移時(shí)，軌道在圖像中的位置會(huì)發(fā)生變化，這就是基于相機(jī)垂直拍攝的輪軌相對(duì)橫移檢測(cè)方法所依據(jù)的原理。

圖3　基于攝像機(jī)垂直拍攝的安裝示意圖

(1)機(jī)車運(yùn)行中與軌道沒有沖角時(shí)，位移檢測(cè)原理如圖4所示。當(dāng)轉(zhuǎn)向架與軌道產(chǎn)生相對(duì)橫移時(shí)，軌道在圖像中的位置會(huì)發(fā)生變化；而產(chǎn)生垂直位移時(shí)，一側(cè)軌道在圖像中的寬度會(huì)發(fā)生變化。在圖4中，以圖像的中心位置為標(biāo)準(zhǔn)，初始定義圖像橫向位移SX是OK，當(dāng)機(jī)車前行發(fā)生偏移時(shí)，此時(shí)的圖像橫向位移變成了O1K1，定義OK-O1K1是圖像上輪軌發(fā)生的相對(duì)橫向位移。

圖4　無(wú)沖角時(shí)輪軌相對(duì)橫向位移檢測(cè)原理

(2)機(jī)車運(yùn)行中與軌道有沖角時(shí)，位移檢測(cè)原理如圖5所示。但是由于沖角很小可以忽略不計(jì)，所以有沖角計(jì)算原理和無(wú)沖角時(shí)輪軌位移檢測(cè)原理一樣。

圖5　有沖角時(shí)輪軌相對(duì)位移檢測(cè)原理

2　軌道圖像檢測(cè)

為了準(zhǔn)確地提取出圖像上的軌道邊緣線和消除圖像上一些噪聲點(diǎn)，以無(wú)砟條件下軌道圖像檢測(cè)為例，采用MeanShift算法利用概率密度的梯度爬升來(lái)尋找局部最優(yōu)以達(dá)到軌道清晰的分割。該算法是一個(gè)迭代過(guò)程，即先算出當(dāng)前點(diǎn)的偏移均值，移動(dòng)該點(diǎn)到其偏移均值，然后以此為新點(diǎn)繼續(xù)移動(dòng)直到滿足條件結(jié)束。給定d維空間Rd的n個(gè)樣本點(diǎn)xi,i=1,…,n,在x點(diǎn)的Meanshift向量的基本形式定義為

(1)

式中，Sk是一個(gè)半徑為h高維球區(qū)域,滿足以下關(guān)系的y點(diǎn)的集合,

(2)

圖6　Meanshift算法示意圖

在公式(1)中，k表示在這n個(gè)樣本點(diǎn)xi中,有k個(gè)點(diǎn)落入Sk區(qū)域中，(xi-x)是樣本點(diǎn)xi相對(duì)于x的偏移向量，而Meanshift向量Mh(x)就是對(duì)落入?yún)^(qū)域Sk中的k個(gè)樣本點(diǎn)相對(duì)于點(diǎn)x的偏移向量求和然后再平均。假如樣本點(diǎn)xi是從一個(gè)概率密度函數(shù)f(x)中采樣得到，由于非零的概率密度梯度指向概率密度增加最大方向，因此，Sk區(qū)域內(nèi)的樣本點(diǎn)更多地落在沿著概率密度梯度方向，而Meanshift向量也指向概率密度梯度方向即樣本分布最多區(qū)域，其示意圖如圖6所示。

軌道圖像經(jīng)過(guò)Meanshift算法處理后結(jié)果如7(b)圖所示，能夠有效地分割出軌道圖像，從而確定軌道區(qū)域，以達(dá)到軌道邊緣提取的目的。

Meanshift算法處理結(jié)果經(jīng)過(guò)灰度處理后，采用了Sobel邊緣檢測(cè)算法進(jìn)行邊緣提取。該算法是一種比較成熟的微分邊緣檢測(cè)算法，不僅計(jì)算簡(jiǎn)單，對(duì)噪聲具有一定的平滑作用，還能提供較為精確的邊緣方向信息。Sobel邊緣檢測(cè)算法是先利用公式(3)中水平算子和公式(4)垂直算子對(duì)圖像進(jìn)行卷積求取鄰域中心點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)值Gx和Gy

(3)

(4)

而鄰域中心點(diǎn)處的梯度值計(jì)算

(5)

如果中心點(diǎn)梯度值g≥T，則該位置的一個(gè)像素是一個(gè)邊緣像素，其中T是門限閾值。 圖9是Sobel算子檢測(cè)的結(jié)果。

圖像經(jīng)二值化后，采用了基于hough變換的直線檢測(cè)，利用了點(diǎn)與線的對(duì)偶性，將原始圖像空間的給定的曲線通過(guò)曲線表達(dá)形式變?yōu)閰?shù)空間的一個(gè)點(diǎn)，把原始圖像中給定的曲線的檢測(cè)問題轉(zhuǎn)化為尋找參數(shù)空間中的峰值問題，同時(shí)檢測(cè)整體特性轉(zhuǎn)化為檢測(cè)局部特性。圖10是基于hough直線檢測(cè)的結(jié)果。

圖7　Meanshift算法處理結(jié)果

(a)圖像鄰域(b)Sobel算子

圖8Sobel邊緣檢測(cè)器

圖9　基于sobel邊緣檢測(cè)結(jié)果

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與誤差分析

為了測(cè)試基于相機(jī)垂直拍攝的機(jī)車輪軌相對(duì)橫移檢測(cè)系統(tǒng)的性能，本實(shí)驗(yàn)將該系統(tǒng)分別應(yīng)用于無(wú)砟軌道和有砟軌道兩種不同情況下的機(jī)車輪軌相對(duì)橫移檢測(cè)。輪軌相對(duì)橫移誤差定義為檢測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之差，由于檢測(cè)數(shù)據(jù)是圖像上的像素值，轉(zhuǎn)為實(shí)際距離得先計(jì)算圖像采集時(shí)圖像距離與實(shí)際距離的比例關(guān)系。

3.1無(wú)砟軌道條件下的輪軌相對(duì)橫移檢測(cè)

在無(wú)砟軌道條件下進(jìn)行機(jī)車輪軌相對(duì)橫移檢測(cè)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量1像素對(duì)應(yīng)實(shí)際距離約是0.04 cm。在軟件系統(tǒng)分析中，檢測(cè)系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)處理界面如圖11所示。經(jīng)過(guò)軟件測(cè)試分析，軌道橫移圖像檢測(cè)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。

從誤差結(jié)果分析來(lái)看，右側(cè)軌道橫移圖像檢測(cè)平均誤差是0.002 cm，左側(cè)軌道橫移圖像檢測(cè)平均誤差是-0.002 cm。所以，該系統(tǒng)能較為精確地檢測(cè)出輪軌的相對(duì)橫向位移，這為探討機(jī)車運(yùn)行安全性機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

圖10　軌道圖像檢測(cè)結(jié)果

圖11　無(wú)砟軌道條件下檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理界面

表1　無(wú)砟軌道條件下軌道橫移圖像檢測(cè)誤差　cm

3.2有砟軌道條件下的輪軌相對(duì)橫移檢測(cè)

在有砟軌道條件下進(jìn)行機(jī)車輪軌相對(duì)橫移檢測(cè)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量1像素對(duì)應(yīng)實(shí)際距離約是0.03 cm。在軟件系統(tǒng)分析中，檢測(cè)系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)處理界面如圖12所示。經(jīng)過(guò)軟件測(cè)試分析，軌道橫移圖像檢測(cè)誤差如表2所示。

圖12　有砟軌道條件下檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理界面

表2　有砟軌道條件下軌道橫移圖像檢測(cè)誤差　cm

從誤差結(jié)果分析來(lái)看，右側(cè)軌道橫移圖像檢測(cè)平均誤差是0.002 cm，左側(cè)軌道橫移圖像檢測(cè)平均誤差是0.001 cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)不但能較為精確地檢測(cè)出輪軌的相對(duì)橫向位移，而且對(duì)軌道各種環(huán)境檢測(cè)的適應(yīng)性也很強(qiáng)。

4　結(jié)論

以機(jī)車輪軌相對(duì)橫向位移變化檢測(cè)為研究目的，搭建一個(gè)基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)，將相機(jī)垂直安裝在轉(zhuǎn)向架上，利用相機(jī)相對(duì)于轉(zhuǎn)向架保持相對(duì)靜止的特點(diǎn)，通過(guò)軌道在圖像中的坐標(biāo)變化來(lái)測(cè)量輪軌的相對(duì)橫向位移，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)分別在無(wú)砟和有砟軌道兩種不同情況下進(jìn)行機(jī)車輪軌相對(duì)橫移檢測(cè)，都取得較好的檢測(cè)結(jié)果，這對(duì)進(jìn)一步開展監(jiān)測(cè)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。

[1]程力.基于輪軌表達(dá)式的輪軌接觸坐標(biāo)計(jì)算方法[J]. 蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 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(bào),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(dòng)狀態(tài)下輪軌接觸特性分析[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2015,59(3):37-40.

[5]肖新標(biāo). 復(fù)雜環(huán)境狀態(tài)下高速列車脫軌機(jī)理研究[D]. 成都:西南交通大學(xué), 2013.

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

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

[8]孫麗霞.高速列車橫向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)脫軌理論分析及評(píng)價(jià)方法研究[D]. 北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2014.

[9]王彩蕓，王文健，郭俊，等.橫移量、搖頭角對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸行為的影響研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012,12(12):31-33.

[10]關(guān)慶華. 列車脫軌機(jī)理及運(yùn)行安全性研究[D]. 成都:西南交通大學(xué), 2006.

[11]肖杰靈，劉學(xué)毅，張渝. 輪軌接觸幾何狀態(tài)檢測(cè)裝置[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2008, 29(4): 141-144

[12]楊淑芬，陳建政. 輪軌接觸點(diǎn)位置圖像檢測(cè)方法研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛, 2009,32(1): 34-37, 49.

The Detection System of Wheel-rail Relative Lateral Displacement Based on Camera Vertically Installed on Bogie

Zhong Sha1,2,Wang Yongsheng2,Song Zibin2,Ma Zengqiang2

(1.Guangzhou Railway (Group) Corporation Huaihua Locomotive Depot, Huaihua 418000,China;(2.School of Electrical and Electronics Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043,China)

The current contact measurement based on sensor is widely used in dynamic performance parameters detection for monitoring locomotive status. But it has several defects, such as being difficult to dynamic measurement, large zero drift and poor antijamming capability. The change of wheel-rail contact point is the most direct reaction for locomotive status. In order to overcome these defects of the current contact measurement, the detection system of wheel-rail relative lateral displacement based on camera installed on bogie vertically is designed in this paper. In the system, camera is installed on the bogie vertically and remains static to bogie, and the wheel-rail relative lateral displacement is measured by rail coordinate change in the image. Consequently, the system has functions of detecting wheel-rail relative lateral displacement, displaying data and storing data. The experiment results show that the system can acquire wheel-rail relative lateral displacement and has strong adaptability to the detection environment, and it has great important significance to further exploring and evaluating locomotive safety mechanics.

locomotive status；wheel-rail contact point；wheel-rail contact point

2015-10-27責(zé)任編輯:車軒玉DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.03.15

國(guó)家自然科學(xué)基金 (11372199,11572206)，河北省自然科學(xué)基金(A2014210142)

鐘莎(1991-)，女，碩士研究生，主要從事計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)的研究。E-mail: banxiawei105@163.com

TP391.4

A

2095-0373(2016)03-0081-07

鐘莎，王永勝，宋子彬,等.基于相機(jī)垂直拍攝的機(jī)車輪軌相對(duì)橫移檢測(cè)系統(tǒng)[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(3):81-86.