高鐵軌道CPⅢ基準(zhǔn)點自動檢測方法研究

王建鋒, 吳學(xué)勤

（1.長安大學(xué) 道路交通智能檢測實驗室, 陜西 西安 710064；2.陜西省道路交通智能檢測與裝備工程技術(shù)研究中心, 陜西 西安 710064）

0 引言

隨著高鐵網(wǎng)運營里程的快速增長, 高鐵運輸行車密度的不斷增大和運行速度的不斷提高對高鐵軌道網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高要求, 必須保證基礎(chǔ)設(shè)施處于健康服役狀態(tài)[1］。CPⅢ軌道控制網(wǎng)主要為軌道鋪設(shè)和運營維護提供測量基準(zhǔn), 按照高鐵精測網(wǎng)相關(guān)管理辦法, 需定期進(jìn)行復(fù)測與維護。CPⅢ控制網(wǎng)測量主要包括平面測量和高程測量, 工程應(yīng)用中要求其測量的相對誤差小于1 mm。平面測量主要采用全站儀, 高程測量主要采用水準(zhǔn)儀[2］。這些方法具有可靠性好、精度高、測量簡單的優(yōu)點, 但其測量過程耗時耗力, 工程成本高、測量效率低[3］。

目前CPⅢ軌道控制網(wǎng)復(fù)測方法成本高、效率低, 需要研發(fā)快速復(fù)測技術(shù)。CPⅢ的高效自動化非接觸檢測已經(jīng)成為CPⅢ控制網(wǎng)檢測的發(fā)展方向。由于CPⅢ基準(zhǔn)點為定點, 當(dāng)已知檢測點與CPⅢ基準(zhǔn)點的相對位置和檢測點在軌道里程中的精確位置時, 就可以得到軌道面相對于CPⅢ基準(zhǔn)點的位置, 以此評估軌道的運行狀態(tài), 提高軌道運行狀態(tài)檢測的效率。

1 檢測原理及檢測系統(tǒng)

開展高鐵軌道CPⅢ基準(zhǔn)點非接觸自動化檢測研究, 其檢測原理見圖1。建立測量坐標(biāo)系o-xy, 以2臺相機在垂直方式上投影的中點為坐標(biāo)原點o, 以檢測平臺垂直向上為y軸正方向, 以垂直y軸并指向CPⅢ樁方向為x軸正方向。x和y值由上下2臺相機精確測量；檢測車在軌道上的定位即坐標(biāo)原點在軌道中的定位由安裝在軌道檢測車車輪上的編碼器精確檢測。檢測過程中電動檢測車在軌道上自動運行, 檢測車每行駛一定距離, 即由編碼器觸發(fā)雙相機同時拍攝1幀圖像, 利用CPⅢ標(biāo)識物識別方法判定圖像中是否有標(biāo)識物, 即判定是否檢測到CPⅢ樁, 如果檢測到CPⅢ樁, 提取標(biāo)識物的中心像素坐標(biāo), 通過雙目立體測量系統(tǒng)計算得到x和y值, 即得到檢測平臺與CPⅢ基準(zhǔn)點之間的水平距離和垂直距離。通過編碼器得到此刻檢測平臺在軌道中的精確位置。

圖1 檢測原理

根據(jù)檢測原理, 開發(fā)的檢測系統(tǒng)由軌道檢測車、上相機、下相機、輔助照明系統(tǒng)、電源模塊、編碼器和計算機組成（見圖2）。

圖2 檢測系統(tǒng)組成

按照檢測要求, 選用的相機為BEA4000-62KM, 水平/垂直分辨率4 096×3 072 px, 幀速率為62 f/s, 接口為CameraLink。鏡頭選擇POMEAS的4/3"機器視覺FA工業(yè)鏡頭, 焦距35 mm。輔助光源采用自主開發(fā)的LED陣列頻閃照明系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)編碼器采用ECT58軸套型編碼器, 分辨率為5 000脈沖/轉(zhuǎn)。采集卡采用DALSA公司的X64-CliPro圖像采集卡。里程計數(shù)采用PCI2394板卡。

鐵路網(wǎng)建設(shè)中規(guī)定CPⅢ樁點成對布設(shè), 距離布置一般約60 m, 且不應(yīng)大于80 m, CPⅢ樁應(yīng)布設(shè)在設(shè)計軌道高程面0.3 m以上。因此上下2臺相機安裝時使2臺相機光軸沿水平方向分別向下和向上傾斜8°；上下2臺相機之間的垂直距離為0.5 m, 下相機與軌道面之間的距離為0.2 m。在相機安裝過程中要求檢測平臺的重心盡量與檢測車的重心重合, 從而保證坐標(biāo)原點o與軌道面之間的相對距離為定值。

檢測過程中, 軌道檢測車沿軌道行駛, 編碼器隨著車輪轉(zhuǎn)動輸出3.3 V的脈沖信號, 該脈沖信號分為2路, 一路發(fā)送到計算機內(nèi)的PCI2394板卡計算檢測車的里程值, 實現(xiàn)檢測車的里程定位；另一路脈沖信號經(jīng)過放大濾波后輸入安裝在計算機中的圖像采集卡, 通過CameraLink接口將調(diào)理后的脈沖信號傳輸?shù)?臺相機中, 觸發(fā)2臺相機實現(xiàn)同步拍攝, 拍攝的圖像通過CameraLink接口傳回計算機, 利用圖像處理方法識別CPⅢ標(biāo)識物并計算基準(zhǔn)點坐標(biāo)。計算機負(fù)責(zé)圖像的采集、處理和存儲。根據(jù)檢測的誤差要求以及實時處理的要求, 檢測車每行駛0.2 m觸發(fā)相機拍攝1幀圖像, 相機的最大處理幀率為30 f/s。

2 CPⅢ標(biāo)識物中心自動提取算法

傳統(tǒng)CPⅢ測量時將棱鏡安裝在CPⅢ固定樁上, 利用全站儀對棱鏡進(jìn)行對中, 測量軌道基準(zhǔn)點到棱鏡中心的距離。為實現(xiàn)自動檢測, 通過1個正方形標(biāo)識板, 其左上角為1個黑色三角, 內(nèi)部有4個中心呈正方形排列的黑色圓點（見圖3）。通過測試證明該標(biāo)識板在圖像自動識別中具有較高的準(zhǔn)確率和識別效率。將該標(biāo)識板安裝在CPⅢ樁上, 很容易實現(xiàn)標(biāo)識板中心與CPⅢ安裝中心重合。CPⅢ自動檢測就是自動檢測標(biāo)識物中心在檢測平臺坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

圖3 開發(fā)的標(biāo)識物

2.1 自適應(yīng)圖像分割

為提高圖像處理速度采用黑白相機?；叶乳撝捣指罹褪谴_定合適的閾值, 使目標(biāo)特征與背景特征能夠有效分離。實際檢測中該閾值是動態(tài)變化的, 因此采用自適應(yīng)動態(tài)閾值圖像分割算法進(jìn)行圖像分割。該方法能夠根據(jù)圖像中噪點的密度自動調(diào)整濾波窗口的大小, 能夠保證信號邊緣不丟失, 并且有較好的分割效率[4-7］, 其算法如下：

（1）判定圖像噪聲像素點：設(shè)[xij]為待處理的圖像,xij為圖像在(i,j)位置像素的灰度值, 圖像大小為M×N。采用3×3的窗口對圖像[xij]進(jìn)行噪聲檢測, 設(shè)在以(i,j)為中心的窗口中, 所有像素點灰度值的集合為W3[xij], 集合中灰度的最大值記為HH, 最小值記為HL。當(dāng)窗口中像素點xij的灰度值等于HH或HL時, 則認(rèn)為該像素點為噪聲, 記為zij=1；當(dāng)窗口中像素點xij的灰度值不等于HH且不等于HL時, 則認(rèn)為該像素點為非噪聲, 記為zij=0。集合W3[xij]中與HH和HL都不相等的像素點集合記為V3[xij]。設(shè)置檢測閾值T, 將W3[xij]中zij=1的像素點與集合V3[xij]中像素點灰度的平均值進(jìn)行比較, 如果二者差的絕對值＞T, 則確定該像素點為噪聲, 否則為非噪聲。

（2）確定自適應(yīng)窗口大小：根據(jù)第2.1中（1）得到的窗口中的噪聲點數(shù)量計算噪聲密度ρ, 其值為W3[xij]中判定為噪聲的個數(shù)除以W3[xij]的總個數(shù)。為了得到好的濾波效果, 窗口大小設(shè)置見式（1）：

通過試驗, 取d1=0.35,d2=0.75。

（3）濾波去噪：按照第2.1中（2）計算的窗口大小n進(jìn)行中值濾波。先將濾波窗口內(nèi)的噪點去除, 再將去除噪點后的像素點灰度進(jìn)行排序, 將其中值作為濾波窗口中心點的灰度值。

（4）閾值分割：采用最大類間方差自適應(yīng)分割算法進(jìn)行圖像分割。將濾波后的圖像記為[yij], 大小為M×N, 分割閾值為T, 圖中灰度值＜T的像素個數(shù), 記為N0, 灰度值＞T的個數(shù)記為N1, 則有N0+N1=M×N；目標(biāo)占整幅圖像的比例為ω0=N0/(M×N), 其平均灰度為μ0, 背景占整幅圖像的比例為ω1=N1/(M×N), 其平均灰度為μ1, 則有ω0+ω1=1。

圖像的總平均灰度為μ=ω0μ0+ω1μ1, 類間方差為g=ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2。遍歷T, 得到最大的g值對應(yīng)的T值即為最佳閾值, 按照該閾值進(jìn)行圖像分割。

2.2 標(biāo)識物自動檢測

利用模板匹配方法進(jìn)行標(biāo)識物提取, 模板匹配是利用模板圖遍歷大圖的每個位置, 比較每個位置與模板圖的相似程度, 當(dāng)相似度達(dá)到設(shè)計值時, 則認(rèn)為與模板匹配, 從而定位出模板在圖中的位置[8-10］。大圖與模板圖的相似度用相關(guān)系數(shù)表示, 相關(guān)系數(shù)見式（2）：

式中：f(x,y)為大小是M×N的圖像；t(i,j)為大小是J×K(J≤M,K≤N)的模板圖像。

為了提高模板匹配的效率, 采用如下模板匹配優(yōu)化算法[11-13］。

（1）粗精匹配相互結(jié)合方法：由于模板匹配時, 在匹配點附近R(x,y)達(dá)到最大值, 離開匹配點時R(x,y)會發(fā)生較大變化, 因此采用粗精匹配相結(jié)合的方法來實現(xiàn)模板的快速匹配。具體流程為：先在整幅圖像中進(jìn)行一次跳躍粗匹配, 大致確定匹配點的位置, 然后再在該位置附近進(jìn)行逐點精確匹配。該方法既提高了匹配效率又提升了匹配效果。

（2）亂序匹配方法：在進(jìn)行模板匹配時, 由于目標(biāo)位置不能事先確定, 因此采用亂序匹配方法可以更容易地找到匹配區(qū)域, 提高匹配效率。

2.3 標(biāo)識物中心坐標(biāo)提取

通過目標(biāo)匹配計算得到標(biāo)識物的位置, 對目標(biāo)圖像進(jìn)行自適應(yīng)閾值分割提取邊緣輪廓。由于圖像拍攝角度不同等問題, 模板中的圓形不是正圓, 因此對目標(biāo)中4個圓形的邊緣輪廓進(jìn)行橢圓擬合, 求解出4個橢圓的中心坐標(biāo), 并用“+”標(biāo)示, 分別用A、B、C、D表示, 設(shè)4個橢圓的中心坐標(biāo)分別為(xa,ya)(xb,yb)(xc,yc)和(xd,yd)。這4個點的幾何中心M(xo,yo)就是標(biāo)識物的中心坐標(biāo), 見式（3）：

通過以上方法可以精確得到標(biāo)識物中心點的像素坐標(biāo), 通過相機標(biāo)定就可以得到距離坐標(biāo), 即實現(xiàn)標(biāo)識物的精確定位。CPⅢ標(biāo)識物中心自動提取算法的處理結(jié)果見圖4。

圖4 標(biāo)識物中心自動提取算法處理結(jié)果

3 標(biāo)識物基準(zhǔn)點計算

3.1 基準(zhǔn)點計算方法

通過CPⅢ標(biāo)識物識別方法獲得了基準(zhǔn)點在2臺相機中的圖像坐標(biāo), 為了獲得基準(zhǔn)點與電動檢測車坐標(biāo)原點之間的相對距離, 需要進(jìn)行雙相機系統(tǒng)的標(biāo)定, 從而獲得相機圖像空間與距離空間之間的映射關(guān)系。由于檢測過程中相機的視場和檢測范圍變化較大, 所拍攝的圖像必然有畸變, 為了實現(xiàn)在大視場、大動態(tài)范圍內(nèi)雙相機標(biāo)定的精度, 根據(jù)檢測要求和所開發(fā)檢測系統(tǒng)的特點, 采用雙相機標(biāo)定方法（見圖5）。

圖5 雙相機標(biāo)定原理

標(biāo)定中以測量坐標(biāo)系o-xy為物理坐標(biāo)系。由于雙相機系統(tǒng)固定安裝在檢測車上, 檢測車在軌道上運行, 因此可以得到軌道中心相對于CPⅢ固定樁標(biāo)識物基準(zhǔn)點的水平和垂直距離。檢測車的定位即系統(tǒng)坐標(biāo)系在軌道網(wǎng)中的定位由安裝在檢測車上的編碼器精確檢測。因此, 雙相機定位的作用就是獲得CPⅢ標(biāo)識物基準(zhǔn)點在測量坐標(biāo)系中的x值和y值。

由圖5可知, 上下2臺相機的圖像中心可表示為：

式中：OU(xUo,yUo)和OD(xDo,yDo)分別為2臺相機的光心坐標(biāo)；QU(xoU,yoU)和QD(xoD,yoD)分別為2臺相機成像中心的坐標(biāo)；fU、fD分別為上下相機的焦距；αU和αD分別為光軸與2臺相機安基線之間的夾角。

CPⅢ標(biāo)識物Q(x,y)在上下2臺相機上的理想成像坐標(biāo)分別為QU(xqu,yqu)和QD(xqd,yqd), 由于相機畸變導(dǎo)致 成 像 偏 移, 實 際 成 像 坐 標(biāo) 分 別 為Q′U(x′qu,y′qu)和Q′D(x′qd,y′qd)。物點Q(x,y)與上下2臺相機光心的連線lU和lD在上下2個成像面上的交點QU、QD即為物點Q在上下成像面上的理想成像位置, 方法見式（5）：

式中：ΔU、ΔD分別為上下2臺相機的理想成像中心與實際成像中心的差。

聯(lián)立式（4）與式（5）, 得到直線lU與直線lD的斜率：

式中：kU和kD分別為直線lU和直線lD的斜率。

已知直線lU與直線lD的斜率和2條直線經(jīng)過的點, 2條直線的方程見式（7）：

在2條直線方程已知的條件下,Q(x,y)點的坐標(biāo)為：

存在畸變時, 圖像實際像素坐標(biāo)(u′,v′)與圖像理想位置像素坐標(biāo)(u,v)之間的關(guān)系可以表示為：

式中：δu、δv為徑向畸變引起的畸變量；ξu、ξv為切向畸變引起的畸變量。

將上下2臺相機的成像偏差用像素坐標(biāo)表示, 可得：

式中：δuu和δvu分別為上相機徑向畸變引起的畸變量；δud和δvd分別為下相機徑向畸變引起的畸變量；ξuu和ξvu分別為上相機切向畸變引起的畸變量；ξud和ξvd分別為下相機切向畸變引起的畸變量。

通過式（10）進(jìn)行實際圖像坐標(biāo)校準(zhǔn)后得到理想圖像坐標(biāo)。當(dāng)檢測系統(tǒng)安裝后, 上下2臺相機的焦距、相機光軸與相機安裝基線之間的夾角、相機的圖像中心位置在測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)、相機畸變參數(shù)等都是常數(shù)。整個系統(tǒng)中的變量只有理想圖像中心與實際圖像中心之間的差ΔU、ΔD, 即物點Q(x,y)的坐標(biāo)可以表示為：

式中：fx和fy分別為ΔU、ΔD與物點Q(x,y)之間的映射關(guān)系。

對式（6）—式（10）進(jìn)行簡化, 得到物點Q(x,y)與ΔU、ΔD之間的映射關(guān)系為：

式中：ti為標(biāo)定參數(shù)。

只要通過標(biāo)定試驗得到標(biāo)定系數(shù)ti, 就能夠按照CPⅢ標(biāo)識物中心的圖像坐標(biāo)計算得到CPⅢ基準(zhǔn)點在測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

3.2 標(biāo)定試驗

標(biāo)定平臺對檢測系統(tǒng)的標(biāo)定見圖6。

圖6 雙相機標(biāo)定平臺

具體方法為在標(biāo)定臺的導(dǎo)軌上安裝標(biāo)定板, 該標(biāo)定臺能夠在2個方向上移動, 分別對應(yīng)檢測平臺的x方向和y方向。按照檢測要求, 標(biāo)定中x范圍為2.9～4.0 m,y范圍為-0.3～0.3 m。導(dǎo)軌帶動標(biāo)定板在相機視場范圍內(nèi)從最近端到最遠(yuǎn)端移動, 每移動一個位置, 采集一次圖像, 利用圖像處理方法提取標(biāo)定板中心坐標(biāo), 此時的x距離和y距離由精密滑軌精確給出。利用圖像像素坐標(biāo)和真實距離按照雙相機標(biāo)定方法實現(xiàn)檢測系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定。

為驗證標(biāo)定精度, 在標(biāo)定出映射關(guān)系后, 不采用原來的標(biāo)定數(shù)據(jù), 重新進(jìn)行10次試驗得到10組新數(shù)據(jù), 將10組數(shù)據(jù)的圖像坐標(biāo)帶入標(biāo)定得到的映射關(guān)系計算出物理值并與真值進(jìn)行對比, 其測量值與真實值的標(biāo)定精度對比可見圖7。

從圖7可以看出, 標(biāo)定系統(tǒng)在比較大的范圍內(nèi), 在x方向和y方向上精度都較高, 在x方向的最大絕對誤差為0.57 mm, 平均絕對誤差為0.42 mm, 在y方向的最大絕對誤差為0.23 mm, 平均絕對誤差為0.19 mm。

圖7 標(biāo)定精度對比

4 CPⅢ基準(zhǔn)點檢測試驗及分析

為了驗證所開發(fā)的CPⅢ基準(zhǔn)點檢測系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性, 在高鐵線路上進(jìn)行測試, 安裝檢測平臺的電動檢測車在軌道上以22 km/h的速度行駛, 利用雙相機拍攝CPⅢ樁, 并按照上述方法進(jìn)行CPⅢ基準(zhǔn)點計算。電動檢測車采用自動巡航控制, 檢測過程中勻速行駛。

在檢測路段上選取12個連續(xù)的CPⅢ樁進(jìn)行對比測試, 共測量5次。通過人工采用全站儀測量12個CPⅢ樁基準(zhǔn)點, 將檢測系統(tǒng)5次的結(jié)果與人工測量結(jié)果進(jìn)行對比, 驗證系統(tǒng)的檢測精度和重復(fù)性。

具體方法為：在與CPⅢ樁正對的軌道上安裝全站儀, 將軌道面上方0.5 m作為測量原點, 測量原點到CPⅢ基準(zhǔn)點的水平距離和垂直距離, 該值作為真值, 并記錄檢測點在軌道中的里程位置。將5次電動檢測車在相應(yīng)軌道里程處測量的結(jié)果與真值進(jìn)行對比。12個樁號, 5次測量值與全站儀測量值檢測結(jié)果見表1。

從表1可知, 系統(tǒng)的CPⅢ基準(zhǔn)點檢測數(shù)據(jù)與人工檢測數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性, 水平方向上的最大絕對誤差為0.95 mm；垂直方向上的最大絕對誤差為0.25 mm。

表1 測量值與全站儀檢測結(jié)果 mm

為了評價檢測結(jié)果的重復(fù)性, 用變異系數(shù)評價12個CPⅢ樁檢測結(jié)果的重復(fù)性。變異系數(shù)定義為數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差除以數(shù)據(jù)的均值, 工程應(yīng)用中通常認(rèn)為變異系數(shù)小于5%即認(rèn)為數(shù)據(jù)重復(fù)性滿足工程應(yīng)用要求。而5次重復(fù)試驗中12個CPⅢ樁x方向和y方向的最大變異系數(shù)分別為0.013%和0.211%, 可見該檢測系統(tǒng)具有很好的重復(fù)性。

5 結(jié)論

（1）通過研究高鐵軌道CPⅢ基準(zhǔn)點自動檢測方法, 開發(fā)了檢測系統(tǒng), 實現(xiàn)了CPⅢ基準(zhǔn)點的快速自動化檢測。

（2）檢測系統(tǒng)在水平方向和垂直方向上的最大絕對誤差分別為0.95 mm和0.25 mm, 檢測精確度高。

（3）檢測系統(tǒng)在水平方向和垂直方向上的最大變異系數(shù)分別為0.013%和0.211%, 具有很好的重復(fù)性。

（4）檢測系統(tǒng)以22 km/h的速率在軌道上運行一次即可實現(xiàn)CPⅢ基準(zhǔn)點的檢測, 檢測速度快, 檢測效率高。

（5）此項研究為提升高鐵軌道安全監(jiān)測技術(shù)和軌道維修與養(yǎng)護技術(shù), 增強智能鐵路安全保障能力提供了基礎(chǔ)。