專利名稱：列車踏面擦傷智能在線檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種智能檢測系統(tǒng)，特別涉及一種用于列車踏面擦傷的智能在線檢測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著鐵路向高速重載化方向的快速發(fā)展，對機車車輛安全行車進行快速有效的實時監(jiān)測、故障診斷、運行控制、設(shè)備檢修等問題更顯凸現(xiàn)，亟待解決。特別是對鐵路機車車輛輪軌系統(tǒng)的安全檢查，目前的檢測狀況仍處在目測與簡單工具測量相結(jié)合或憑經(jīng)驗聽振動聲音進行判斷的人工檢測階段，由于受人為因素的影響，可靠性非常差；且工作條件惡劣、工作量大、測量速度慢、效率低、很難控制測量精度，存在檢測結(jié)果不直觀、數(shù)據(jù)整理緩慢、不便存檔和需要進一步分析研究等缺點。而現(xiàn)有踏面擦傷的檢查幾乎是依靠乘務(wù)人員的檢聽報告和檢車人員的聽檢；因而，無法有計劃地及時納入旋輪工序。在國外，某國因車輪造成的破壞就使部分鐵路年損失達數(shù)十億美元，其中包括檢測、更換、修理鋼軌和線路結(jié)構(gòu)以及被損壞的車輛結(jié)構(gòu)、軸承和貨物的費用。造成車輪損壞的原因是車輪沖擊負荷超過規(guī)定的限度，車輪踏面擦傷、車輪不圓都會導(dǎo)致?lián)p壞車輪；而較高的車輪負載、繁忙的運輸、較高的運行速度和車輛超載均增加了車輪的損壞率。如果我們能較快地查明造成損壞輪子的原因，無疑會減少損壞程度和降低設(shè)備的維護費用。當(dāng)然，有問題的車輪總會有一些聽得著和看得見的跡象，運用上述人工檢測也可查出存在缺陷車輪的大至情況。但有問題的車輪往往會在被查出和糾正之前造成破壞。更糟的是，當(dāng)聽到車輪異響，又不知道車輪損壞的程度和損壞的位置，當(dāng)一旦列車停下，也無法準(zhǔn)確判斷故障存在的位置。所以，這種“帶病工作”將繼續(xù)下去而且會變?yōu)閻盒匝h(huán)。所以，這些“隱性”變壞的車輪會繼續(xù)連續(xù)不斷地撞擊著鋼軌，造成破壞，以致缺泛有效的辦法來檢測這些壞的車輪，或測量它的損壞程度或排除“隱性危害”。因此早期發(fā)現(xiàn)踏面擦傷并進行適當(dāng)?shù)奶幚恚菣C車車輛維修部門的一個重要的課題。由此，探討實現(xiàn)對列車踏面的全天候、全自動地判型號、測速度、確定擦傷輪位和計算擦傷深度的智能探測與監(jiān)測分析系統(tǒng)就成為必要了。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述情況，本實用新型的目的在于提供一種對列車運行狀態(tài)進行全天候、全自動地判辨型號、測量速度、確定擦傷輪位和計算擦傷深度的用于列車踏面擦傷的智能在線檢測系統(tǒng)。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案是列車踏面擦傷智能在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括設(shè)置在列車行進方向軌道定長區(qū)域的用于振動采集、磁敏位置檢測和圖像采集的探測裝置以及與機務(wù)段計算機處理系統(tǒng)(CPS)連接的計算機處理裝置。
為了提高系統(tǒng)的智能檢測效果和實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，控制對列車車輪踏面外形幾何參數(shù)實現(xiàn)動態(tài)自動檢測，其進一步的措施是所述探測裝置包括設(shè)在軌道定長區(qū)域的多點位置傳感器。
所述多點位置傳感器包括設(shè)在①點、②點的振動采集傳感器和設(shè)在①點、②點、③點的磁敏位置傳感器。
所述探測裝置包括設(shè)有攝像與激光器的圖像采集裝置。
所述圖像采集裝置，還包括設(shè)有遮光板、機械開閉器的投受光部保護裝置。
所述計算機處理裝置包括a、將被測定“激光”光圖像與外散射光圖像進行圖像比較后作出判斷的圖像處理單元；b、包括列車型號判定與行進速度測定器、擦傷輪位判定器、撞擊速度計算器和擦傷深度計算器等判斷擦傷輪位與擦傷深度處理單元；c、車輪廓形和踏面信息提取單元；d、包括系數(shù)求解器、待定點物方坐標(biāo)求解器和踏面磨損測量器的車輪廓形坐標(biāo)變換及踏面磨損測量單元。
本實用新型采用在列車行進方向軌道定長區(qū)域設(shè)置多點位置傳感器用于振動采集、磁敏位置檢測和圖像采集并結(jié)合計算機處理裝置進行同步操作的方案，從而克服了人工檢測階段的精度低、速度慢和效率差的難題；使本實用新型具有工作可靠、操作便捷、效率高，大大減小了人工檢測階段的誤差，顯著降低了維護成本，并可實現(xiàn)對列車在線的快速修理與狀態(tài)修理，從而確保了列車的安全運行和高效率運行；可廣泛適用于鐵路機車車輛踏面擦傷的全天候、全自動在線智能監(jiān)測和故障診斷。


圖1為本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實用新型的被測機車參數(shù)示意圖。
圖3為本實用新型振動采集、磁敏位置檢測結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本實用新型對車輪踏面形狀的“光切斷法”測定原理圖。
圖5為本實用新型的擦傷車輪踏面對鋼軌撞擊的參數(shù)示意圖。
圖6為加載于計算機裝置的判斷擦傷輪位與擦傷深度處理單元操作流程圖。
圖7為本實用新型的車輪廓形和踏面經(jīng)二值化后的光帶圖像示意圖。
圖8為本實用新型的車輪踏面磨損檢測原理圖。
圖9為結(jié)合于計算機裝置的圖像采集與攝像控制操作流程圖。
圖10為加載于計算機裝置的主程序和圖像處理操作流程圖。
圖中，1、磁敏位置傳感器，2、振動采集傳感器，3、列車行進方向，4、遮光板，5、攝像與激光器，6、同軸電纜，7、壓縮空氣瓶，8、機務(wù)段計算機處理系統(tǒng)，9、探測站計算機，10、踏面光源，11、踏面攝像機，12、側(cè)面攝像機，13、側(cè)面光源，14、輪對，15、基準(zhǔn)槽。
具體實施方式
由附圖1可見，列車踏面擦傷智能在線檢測系統(tǒng)包括在列車行進方向3軌道定長區(qū)域設(shè)置用于振動采集、磁敏位置檢測和圖像采集的探測裝置，在定長區(qū)域至少設(shè)有2對振動采集傳感器2和設(shè)有3對磁敏位置傳感器1(在兩根軌道的相應(yīng)位置對稱設(shè)置)，以采集與檢測通過的車輛。傳感器的設(shè)置位置相對于圖像采集部分為第1測點傳感器位于前面約30m處，第2測點傳感器位于前面約3m處，且第1、2測點傳感器由振動采集部分與磁敏位置檢測部分構(gòu)成，第3測點傳感器只進行磁敏位置檢測，位于后面約3m處。
振動采集部分與磁敏位置檢測部分的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，由振動采集傳感器2、磁敏位置傳感器1、電荷放大器、磁信號放大器、振動采集與磁敏檢測裝置組成。其中1點和2點的兩對磁敏位置傳感器1檢測來自一個方向的車輪的到達與通過，經(jīng)磁敏檢測放大器與振動采集和磁敏檢測裝置相接，與機務(wù)段計算機處理系統(tǒng)8連接的計算機處理裝置配合完成對機車的檢軸、判型、測速、定位。1點和2點的兩對振動采集傳感器2，經(jīng)電荷放大器與振動采集和磁敏檢測裝置的A/D轉(zhuǎn)換電路相接，由磁敏位置傳感器1對通過列車進行判型、測速、定位后啟動，與探測站計算機9裝置配合完成對機車車輪運轉(zhuǎn)一周內(nèi)發(fā)生的振動作雙通道同步高速采集，并結(jié)合探測站計算機9裝置完成擦傷輪位判斷與擦傷深度計算。
前述的振動檢測方法，能準(zhǔn)確的測量出車輪的擦傷位置和擦傷深度，但對車輪的常規(guī)磨損、光滑磨損、輪廓變形等損傷卻無能為力。圖1中的圖像采集與控制裝置包括遮光板4、攝像與激光器5、同軸電纜6、壓縮空氣瓶7，它們用于提取車輪廓形和踏面信息，進行車輪廓形的坐標(biāo)變換及踏面磨損的測量等分析處理工作。如圖4所示是應(yīng)用“光切斷法”測定原理對車輪踏面形狀進行檢測，它包括輪對14、基準(zhǔn)槽15以及進行檢測所需的踏面光源10、側(cè)面光源13、踏面攝像機11、側(cè)面攝像機12，采用2組攝像裝置，一組用于車輪踏面部的踏面攝像機11，一組用于車輪側(cè)面部的側(cè)面攝像機12。向車輪的踏面部與內(nèi)側(cè)側(cè)面部各自照射一細帶狀的“激光”光，激光源照射在輪對14基準(zhǔn)槽15外圍的區(qū)域，它們是踏面光源10、側(cè)面光源11，利用2個CCD攝像機，攝取來自被照射部分車輪表面的“散射”光圖像?！凹す狻惫馐窃谝粋€車輪通過的時候照射，用磁敏位置傳感器1捕捉通過的車輪信號，采用高速隨機光柵攝影。對所攝的圖像，經(jīng)濾波處理、細化處理，抽出“激光”光圖像的中心線，算出車輪各部位的尺寸，由兩者的測定結(jié)果算出輪對內(nèi)側(cè)距離。實際上車輪通過時左右要發(fā)生誤差；所以對其進行各種修正后，才能獲得所需尺寸精度。圖像采集裝置，還包括設(shè)有遮光板4、機械開閉器的投受光部保護裝置。
由第1測點磁敏位置傳感器1檢測列車的進入，圖像采集裝置進入測定待機狀態(tài)；并由第2測點磁敏位置傳感器1識別前頭車輪，打開光學(xué)部保護光柵，使用壓縮空氣瓶7的高壓氣，氣洗該保護光柵玻璃面上的灰塵，并開始攝像；最后，以第3測點磁敏位置傳感器1識別最后車輪的通過，停止攝像，閉鎖保護光柵。這樣，以第2測點磁敏位置傳感器1與第3測點磁敏位置傳感器1的組合來控制圖像采集裝置，只是在列車通過圖像采集裝置時打開光柵，從而使灰塵、降雨、降雪等對投受光部引起的不良影響降至最低限度。前述圖像采集裝置經(jīng)電氣絕緣后被固定在2根鋼軌之間。由于該裝置多是精密的光學(xué)儀器、電子器件，對圖像采集裝置，特別是對投受光部采取一定的環(huán)境保護措施，以延長其使用壽命。
(1)遮光板4的設(shè)置直射陽光或周圍的“散射”光被照射到車輪上時，會映現(xiàn)在CCD攝像機的車輪踏面圖像上，同激光圖像重疊。直射陽光為1萬1x，與“激光”光源比較，為2倍以上亮度，因此，即使是單一波長“激光”光與狹通帶光學(xué)濾波器的組合，要想控制在同等以下也是困難的。因此，在軌道線路兩側(cè)面設(shè)置長6m范圍的遮光板4，以防止來自側(cè)面的直射陽光。
(2)對圖像處理中外散射光的處理措施對遮光板4不能消除的、來自斜前方的外散射光，在計算機圖像處理裝置中，相應(yīng)強化了被測定“激光”光圖像與外散射光圖像的識別功能。
(3)投受光部保護裝置設(shè)有機械開閉器、壓縮空氣瓶7。對投受光部的保護是為了使該系統(tǒng)能適應(yīng)室外使用，所以對“激光”光源與CCD攝像機的投受光面加強了降雨降雪或附著灰塵的保護措施，設(shè)有能將投受光面覆蓋起來的機械開閉器，只在列車通過時打開，以使開放時間處于最短限度，并在開放時，用來自壓縮空氣瓶7的高壓氣，氣洗投受光面，以防水滴等的附著。
為了實現(xiàn)列車車輪踏面的動態(tài)自動檢測，要求列車以入庫低速行進通過探測裝置。由圖3所示的振動采集與磁敏檢測裝置對通過列車進行振動采集和位置檢測，以機車為例，由圖2所示的機車參數(shù)示意圖可知，根據(jù)各種不同型號機車車輛所涉及的輪重Gi、輪徑lj、軸距l(xiāng)x、架距jx、架長jy等參數(shù)不同，作出是何種車型、那一輪位擦傷、擦傷深度Δh是多少及等效破壞性撞擊的能量是多大的判斷。然后，由圖像采集裝置按圖4所示的“光切斷法”測定原理對車輪踏面形狀進行檢測，系統(tǒng)根據(jù)成像幾何學(xué)原理，由探測站計算機9處理裝置對列車車輪踏面外形幾何參數(shù)進行動態(tài)的測定，從而獲取列車的動態(tài)工作狀況。
計算機處理裝置除完成常規(guī)的速度測量、振動采集、圖像采集、與探測站上位機即機務(wù)段計算機處理系統(tǒng)8進行數(shù)據(jù)傳輸外，該計算機處理裝置還包括a、判斷擦傷輪位與擦傷深度處理單元包括列車型號判定與行進速度測定器、擦傷輪位判定器、撞擊速度計算器、擦傷深度計算器；b、圖像采集與攝像控制單元是根據(jù)列車在第1、2、3測點的狀態(tài)信息對攝像機、保護裝置和圖像采集過程進行控制；c、圖像處理單元是將被測定“激光”光圖像經(jīng)圖像預(yù)處理和二值化處理、邊緣線性內(nèi)插細化處理后求取車輪廓形的像坐標(biāo)，通過物方坐標(biāo)變換求得車輪廓形的實際尺寸并計算出踏面磨損量。
圖6為加載于計算機裝置的判斷擦傷輪位與擦傷深度處理單元操作流程圖。判斷擦傷輪位與擦傷深度處理單元置于圖1中的振動采集與磁敏檢測裝置內(nèi)，包括列車型號判定與行進速度測定器、擦傷輪位判定器、撞擊速度計算器、擦傷深度計算器。該處理單元在上電開始，首先進行初始化處理，然后與上位機即機務(wù)段計算機處理系統(tǒng)8通信，從探測站計算機9下載列車參數(shù)庫，接下來對裝置所連接的振動采集傳感器2進行振動白噪聲測試及磁敏位置傳感器1自檢，以保證每次測量的準(zhǔn)確性和可靠性。自檢通過后，依靠磁敏位置傳感器1對列車進入情況進行判斷，當(dāng)無列車進入時，裝置處于待機狀態(tài)并繼續(xù)判斷；當(dāng)無列車進入時，該處理單元開始如下工作①根據(jù)列車的位置信息，向圖像采集與控制裝置發(fā)送相應(yīng)的控制命令；②通過1、2測點的兩對磁敏位置傳感器1的測量數(shù)據(jù)，利用列車型號判定與行進速度測定器，準(zhǔn)確地判出列車型號，測出當(dāng)前的行進速度；③通過1、2測點的兩對振動采集傳感器2對進入測試區(qū)的車輪進行旋轉(zhuǎn)一周的振動采集，運用擦傷輪位判定器、撞擊速度計算器、擦傷深度計算器等計算出車輪擦傷的有關(guān)數(shù)據(jù)。該處理單元以單節(jié)車廂為單位進行檢測，在完成上述工作后，判斷車廂最后一輪對14是否已過2測點；如果未通過，則進行下一輪對14的測量；如果已通過，裝置將測試結(jié)果發(fā)送到探測站計算機9，再次自檢并進入待機狀態(tài)；如此循環(huán)進行其他車廂的檢測。
由圖2、圖3、圖5、圖6可見，列車型號判定與行進速度測定器，是根據(jù)不同型號列車具有不同的架距和軸距而且呈不同的比值，令jx/lx＝K為列車特征比的。磁敏位置傳感器1可檢出每個輪軸到達的準(zhǔn)確時間，在速度變化中使計時比值不超過最小特征比差值ΔKmin時，在第二轉(zhuǎn)向架的第一輪軸到達(jx通過)即可確定車型Kx=tjx/tlx·]]>而某一定車型的lx和jx又是一定的，故第二轉(zhuǎn)向架的第二軸到達即可算出兩個以上最新速度Vi=jx/tjx,]]>Vj=lx/tlx,]]>由此可得出列車進行速度。實測中，速度測定精確到0.15％～0.25％，車型判定準(zhǔn)確無誤。
擦傷輪位判定器可從機車參數(shù)示意圖圖2和振動檢測部分結(jié)構(gòu)圖圖3得知，振動采集開始后，兩端的振動采集傳感器2收到某一時刻t的振動將分別在t1與t2(均≥t)。用模擬振動法作如下測定在兩振動采集傳感器2中點敲擊振動時，t1＝t2，既說明兩方向機械波在鋼軌中傳播了相同的距離，還說明振動采集傳感器2輸出的振動信號經(jīng)線路、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機的延時對稱相等；在任一端點敲擊振動時，ΔtL＝|t2-t1|就是機械波在鋼軌L中的傳播時間，從而測定了振動波在鋼軌中的傳播速度為vs=L/ΔtL]]>根據(jù)vs和任意Δt＝t2-t1，可確定任意撞擊振動的即時位置x(t)為x(t)＝(L-vs.Δt)/2其中，t當(dāng)忽略電路和系統(tǒng)的延時而只考慮軌道延時為t＝min(t1，t2)-ΔtL/2+Δt/2而機車車輪i的任意瞬時位置Si(t)可由機車車輪的行進方程與時刻t求得Si(t)＝Vi.t+li+ds式中，li為第i個輪子相對于最后一個輪子的距離；ds為動態(tài)總初始位移，是最后一個輪子通過并計算速度和加速度后到開始采集的位移量；Vi要作加速度修正。理論上，必有一個Si(t)等于x(t)；實際上，總有一個與x(t)最接近的Si(t)，它就指明擦傷輪位i。因此，只要能測出振動就能判定擦傷輪位。
圖5為撞擊示意圖，其撞擊速度計算器是根據(jù)沒有擦傷的機車在行進中沒有額外的沖擊振動而設(shè)有的。但實際上存在背景噪聲，不過其振動值很小。擦傷車輪的踏面呈弦缺狀，行進中將因此而產(chǎn)生對鋼軌的撞擊，其等效平均垂直撞擊速度VA直接與行進速度Vi有關(guān)，自然也與弦缺程度Δh有關(guān)，其示意圖見圖5所示。由圖5所示可得VA/Vi=x/(RJ-Δh)≈ljΔh/RJ]]>(Δh＜＜RJ)其平均撞擊時間為ti=2x/Vi=2ljΔh/Vi]]>因此，平均撞擊速率為VA=ViljΔh/RJ,]]>或VA2=4Vi2Δh/lj]]>(lj＝2RJ)
上式的物理意義很明顯，撞擊速度與行進速度成正比，與擦傷深度的平方根成正比，與車輪直徑的平方根成反比。
擦傷深度計算器是對擦傷后的弦缺狀車輪在行進中對鋼軌撞擊能量交換過程的計算。接受電能的持續(xù)時間等于碰撞機械的交換時間，即等于撞擊時間ti。而傳感器采集電能為EE=Vo2/RE·ti=Vo2/RE·2ljΔh/Vi]]>振動撞擊的動能EM=12GiVo2=2GiVi2Δh/lj]]>能量守恒與等價變換是擦傷深度等效計算的依據(jù)，因此有2GiVi2Δh/lj=KE·Vo2/RE·2ljΔh/Vi]]>其中，KE無量綱，計入了各個環(huán)節(jié)的近似線性變換系數(shù)，上式可進一步表示為Δh/Δh=ljljVo2/KRGiVi3]]>其中，KR具有Ω量綱，稱為等效變換電阻。最后求解出，等效擦傷深度計算式為Δh=lj3Vo4/(KRGi)2Vi6]]>等效破壞性撞擊能量的計算式為Vo2=(KRGi)·Vi3Δh12/lj3/2]]>各式中，Δh-擦傷深度(輸出以mm表示)；lj-車輪直徑(m)；Vo-采集電壓(V)；Gi--車輪均重(kg)；Vi-機車瞬速(m/s)；KR-變換系數(shù)(Ω)。
前述式中Δh的最終求解公式中，KR為變換系數(shù)，具有Ω量綱，它計入了各個環(huán)節(jié)的近似線性變換。它可以根據(jù)不同地點路基，不同季節(jié)溫濕，不同列車型號(如各輪位的Gi不均重，KR可與輪位i有關(guān))，都賦給列車參數(shù)記錄在計算機裝置中自動實現(xiàn)，在實際中校準(zhǔn)并自動取值。Δh的求解計算誤差受各個參數(shù)的誤差影響，設(shè)lj誤差1％，Vi誤差0.3％，Vo誤差12bit為0.05％，Gi入庫車誤差1％，它們造成Δh的最大總誤差為3×1％+4×0.05％+2×1％+6×0.3％＝7％，平均誤差為3.5％左右，因此能夠準(zhǔn)確地定量測定0.5(甚至0.2)mm以上各種不同程度的擦傷。
上述采用振動檢測方法，對被測列車進行了判型、測速、擦傷位置、擦傷深度的測量。為實現(xiàn)車輪廓形和踏面擦傷信息的提取，本實用新型還進行測量和處理。
圖9為結(jié)合于計算機裝置的圖像采集與攝像控制操作流程圖，該處理單元設(shè)置在圖1中的圖像采集與控制裝置內(nèi)。在上電開始并初始化完畢，一處于待機狀態(tài)并等待接收振動采集與磁敏檢測裝置的有效命令，當(dāng)接收到有效命令后，根據(jù)命令進行以下的測量與控制①列車進入第1測點，使圖像采集裝置進入準(zhǔn)備狀態(tài)，等待下一命令；②輪對14首次到達第2測點，打開保護光柵并氣洗光柵玻璃，開啟激光源并采集并保存圖像數(shù)據(jù)，采集完畢關(guān)閉激光源，等待下一命令；③輪對14非首次到達第2測點，開啟激光源并采集并保存圖像數(shù)據(jù)，采集完畢關(guān)閉激光源，等待下一命令；④列車最后一輪對14通過第3測點，閉鎖保護光柵，將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送探測站計算機9，轉(zhuǎn)入待機狀態(tài)并等待接收有效命令。
圖10為加載于計算機裝置的主程序和圖像處理操作流程圖，該處理單元設(shè)置在圖1中的探測站計算機9內(nèi)，圖像處理采用中斷工作方式；圖10的上半部分主程序菜單，下半部分為中斷處理流程。主程序開始、初始化并開中斷后，進入程序主菜單，主菜單設(shè)有文件、列車參數(shù)管理、測量數(shù)據(jù)管理、查看、通信設(shè)置、測量設(shè)置、檢測項目、檢測結(jié)果分析、幫助等選擇項。中斷處理部分負責(zé)與振動采集與磁敏檢測裝置、圖像采集與控制裝置通信，根據(jù)中斷入口地址及命令散轉(zhuǎn)，完成如下基本處理①向振動采集與磁敏檢測裝置下載列車參數(shù)，中斷返回；②讀取振動采集與磁敏檢測裝置的檢測結(jié)果，以文件形式保存該數(shù)據(jù)，中斷返回；③讀取圖像采集裝置的圖像數(shù)據(jù)，進行圖像預(yù)處理和二值化處理、邊緣線性內(nèi)插細化、求取車輪廓形的像坐標(biāo)、物方坐標(biāo)變換、踏面磨損量計算等處理，以文件形式保存該處理結(jié)果，中斷返回。
由圖4、圖7、圖8、圖9、圖10可見，首先，為消除背景光的影響，提取有用光帶信息，除了圖4所示對車輪踏面形狀的“光切斷法”測定原理及相應(yīng)的措施外；對由攝像機攝入的含有車輪廓形和踏面特征的光帶圖像信息作圖像預(yù)處理和二值化處理。其次，對光帶進行細化，找出光帶的中心線，即為車輪廓形信息。最后，對此中心線進行坐標(biāo)變換，即進行物方坐標(biāo)解算，從而求得車輪的實際廓形和踏面尺寸。由于攝像機在偏傾角狀態(tài)下采集圖像數(shù)據(jù)，因此應(yīng)用線性內(nèi)插數(shù)學(xué)方法對光帶細化。在灰度加權(quán)線性內(nèi)插細化算法的基礎(chǔ)上，提出了一種提取光帶中心線的新算法邊緣線性內(nèi)插細化算法。它比灰度加權(quán)算法的計算速度至少快2～3倍，由于邊緣線性內(nèi)插細化算法與灰度加權(quán)算法均用滅點來求中心線，同樣具有很高的精度。
邊緣線性內(nèi)插細化算法是在提取光帶中心線時，先用試驗方法，根據(jù)中心投影原理求得側(cè)面和踏面圖像的成像滅點；再由滅點按一定的斜率間距發(fā)出一系列傾斜線，如圖7所示。圖7為車輪廓形和踏面經(jīng)二值化后的光帶圖像示意圖，用它來說明邊緣線性內(nèi)插算法的實現(xiàn)原理。圖中，V(x0，y0)為滅點，A(x1，y1)為提取光帶中心線的起始點；B(x2，y2)為其終止點，C(x3，y3)為由A和B決定的計算轉(zhuǎn)折點。K1為起始斜率，K2為終止斜率，K3為由V和C所確定的轉(zhuǎn)折點的斜率。
由圖7的光帶圖像示意圖可知，K2＞K3＞K1，為準(zhǔn)確確定光帶中心線的坐標(biāo)，可把光帶分成K1～K3段和K3～K2段兩部分來求光帶中心線，具體做法如下(1)K1～K3段，當(dāng)K3＞Ki＞K1時y＝Ki(x-x0)+y0即x=y-y0Ki+x0]]>沿該直線變化y，求x，可找到該直線與光帶相交的兩個邊緣點D1(xi1，yi1)和F1(xi2，yi2)，其中點E1的坐標(biāo)為xe1=xi1+xi22ye1=yi1+yi22]]>E1(xe1，ye1)是斜率為Ki時，光帶中心點像坐標(biāo)。
(2)K3～K2段，當(dāng)K2＞Kj＞K3時y＝Kj(x-x0)+y0沿該直線變化x，求y，可找到該直線與光帶相交的兩個邊緣點D2(xj1，yj1)和F2(xj2，yj2)，其中點E2的坐標(biāo)為xe2=xj1+xj22ye2=yj1+yj22]]>E2(xe2，ye2)是斜率為Kj時，光帶中心點像坐標(biāo)。由E1和E2所組成的坐標(biāo)集(x，y)為光帶中心線，即為車輪廓形的像坐標(biāo)。
車輪廓形的坐標(biāo)變換及踏面磨損測量單元。由圖8所示車輪踏面磨損檢測原理圖可見，該單元在用兩臺CCD攝像機攝取同一車輪的側(cè)面和踏面光帶圖像時，由于攝像機主光軸與測量面不正交，即在它們之間存在偏傾角，經(jīng)細化后求得的光帶中心線不能代表真正的車輪廓形；因此需對其進行坐標(biāo)交換，即對其進行解析糾正。因為我們無法確切知道CCD攝像機的內(nèi)、外方位元素，所以采用近景攝影測量中的二維直接線性交換算法進行解析糾正，其關(guān)系式為
x+l1X+l2Y+l3l7X+l8Y+1=0y+l4X+l5Y+l6l7X+l8Y+1=0]]>式中，x、y為攝像機攝取的光帶中心線未糾正像點的像方坐標(biāo)，X、Y為x、y所對應(yīng)像點的物方坐標(biāo)；l1、l2、……、l8為8個投影坐標(biāo)變換系數(shù)。車輪廓形的坐標(biāo)變換及踏面磨損測量單元還包括如下的系數(shù)求解器、待定點物方坐標(biāo)求解器和踏面磨損測量器。
系數(shù)求解器是將標(biāo)準(zhǔn)控制網(wǎng)格板平放在1818立體坐標(biāo)量測儀上，精確測出網(wǎng)格交點，即為物方坐標(biāo)X和Y。用此網(wǎng)格板替代車輪正直放在圖像采集光學(xué)系統(tǒng)的光帶中心線下，攝取標(biāo)準(zhǔn)控制格網(wǎng)圖像。在求解8個l系數(shù)時，至少需要4個控制點。為提高求解l的精度，通常可從標(biāo)準(zhǔn)控制網(wǎng)格上選取合適的8～10個網(wǎng)格交點作控制點；再從標(biāo)準(zhǔn)控制網(wǎng)格圖像上提取這些控制點的像方坐標(biāo)x和y。此時可用上式求得8個l系數(shù)的最小二乘解。
待定點物方坐標(biāo)求解器。在求得l系數(shù)后，只要已知光帶中心線的坐標(biāo)值，就可求得相應(yīng)點的物方坐標(biāo)值，達到解析糾正的目的。取A＝l7X+l8Y+1，上式可寫為x+1A(l1X+l2Y+l3)=0y+1A(l4X+l5Y+l6)=0]]>取A的初始值A(chǔ)°＝1，迭代解算上述方程組，可求得待定點的物方坐標(biāo)值X、Y，即為經(jīng)解析糾正后的車輪廓形的實際尺寸(單位為mm)。把踏面和側(cè)面廓形圖拼接，再乘上顯示比例因子，即得實際車輪廓形的屏幕顯示圖。
踏面磨損測量器。在求得車輪廓形的實際尺寸后，可得輪緣高度hy；如圖8所示，根據(jù)車輪標(biāo)準(zhǔn)直徑dB和前面測得的實際車輪直徑dj，用計算機裝置自動算出踏面磨損量ΔR為ΔR=hy-(2hy+dj)-dB2]]>本實用新型是以機車車輛入庫低速5～10KM/h為基本應(yīng)用環(huán)境，由振動檢測與圖像采集完成對機車車輪擦傷參數(shù)的探測，然后結(jié)合加載于計算機同步流程中各模塊器件，實現(xiàn)對機車車輪動態(tài)的自動檢測。
以上所述僅僅是本實用新型的一個較佳實施例。據(jù)此，本領(lǐng)域的熟練人員還可對其作出各種修改和變換。例如修改和變換有關(guān)檢測參數(shù)，然而，類似的修改和變換均屬于本實用新型的范圍。
權(quán)利要求1.列車踏面擦傷智能在線檢測系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括設(shè)置在列車行進方向軌道定長區(qū)域的用于振動采集、磁敏位置檢測和圖像采集的探測裝置以及與機務(wù)段計算機處理系統(tǒng)連接的計算機處理裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列車踏面擦傷智能在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述探測裝置包括設(shè)在軌道定長區(qū)域的多點位置傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的列車踏面擦傷智能在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述多點位置傳感器包括設(shè)在①點、②點的振動采集傳感器和設(shè)在①點、②點、③點的磁敏位置傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列車踏面擦傷智能在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述探測裝置包括設(shè)有攝像與激光器的圖像采集裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的列車踏面擦傷智能在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述圖像采集裝置，還包括設(shè)有遮光板、機械開閉器的投受光部保護裝置。
專利摘要本實用新型公開了一種列車踏面擦傷智能在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括設(shè)置在列車行進方向軌道定長區(qū)域的用于振動采集、磁敏位置檢測和圖像采集的探測裝置以及與機務(wù)段計算機處理系統(tǒng)連接的計算機處理裝置。采用在列車行進方向軌道定長區(qū)域設(shè)置多點位置傳感器用于振動采集、磁敏檢測和圖像采集并結(jié)合計算機處理裝置進行同步操作的方案，從而克服了人工檢測階段的精度低、速度慢和效率差的難題；使本實用新型具有工作可靠、操作便捷、效率高，大大減小了人工檢測階段的誤差，顯著降低了維護成本，并可實現(xiàn)對列車在線的快速修理與狀態(tài)修理，從而確保了列車的安全運行和高效率運行；適用于鐵路機車車輛踏面擦傷的全天候、全自動在線智能監(jiān)測和故障診斷。
文檔編號B61K9/08GK2820643SQ200420069240
公開日2006年9月27日 申請日期2004年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月23日
發(fā)明者黃采倫, 張劍 申請人:湖南科技大學(xué)