鐘　莎，　王永勝，　宋子彬，　馬增強

(1.廣州鐵路(集團)公司 懷化機務(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)

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基于相機垂直拍攝的機車輪軌相對橫移檢測系統(tǒng)

鐘莎1,2，王永勝2，宋子彬2，馬增強2

(1.廣州鐵路(集團)公司 懷化機務(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)

為了檢測機車動力學(xué)性能參數(shù)及監(jiān)測機車運行狀態(tài)，當(dāng)前通常采用了基于傳感器的接觸式測量方法，因而存在動態(tài)測量困難、零漂大和抗干擾能力差等缺點。輪軌接觸點位置變化能直觀的反映出機車運行狀態(tài)，所以設(shè)計了一套基于相機垂直拍攝的機車輪軌相對橫移檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將相機垂直安裝在轉(zhuǎn)向架上，利用相機相對于轉(zhuǎn)向架保持相對靜止的特點，通過軌道在圖像中的坐標變化來測量輪軌的相對橫向位移，并分別在無砟和有砟軌道兩種不同條件下實現(xiàn)了機車輪軌相對橫移檢測、數(shù)據(jù)顯示和存儲。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅能顯示輪軌相對橫向位移，而且對檢測環(huán)境有較強的適應(yīng)性，這對進一步探索和評價機車運行安全性機理有重要意義。

機車運行狀態(tài)；輪軌接觸點；輪軌相對橫移

0　引言

近年來，我國高速鐵路技術(shù)發(fā)展迅速，它有著快捷、舒適的特性，給人們的生活帶來了巨大的方便，也促進了國民經(jīng)濟的發(fā)展。但是，由于機車運行速度的不斷增大，以及客運量的增加，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，有必要對輪軌運動狀態(tài)進行監(jiān)測，而輪軌接觸點的位置[1-2]能直接反映輪軌接觸狀態(tài)[3-4]，所以監(jiān)測、分析輪軌接觸點的位置對探索脫軌的機理和監(jiān)測車輛運行的穩(wěn)定性、安全性[5-6]有著重要作用。為了分析輪軌接觸點位置變化對機車安全性、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車的脫軌危險，但沒有實現(xiàn)具體的橫移測量方法；肖杰靈等[8]把兩個攝像機安裝在鋼軌兩側(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；楊淑芬等[9]建立了以 DSP 為核心的輪軌接觸點硬件和軟件檢測系統(tǒng)以得到輪軌邊緣的輪廓，最終實現(xiàn)輪軌接觸點位置的在線連續(xù)測量，但攝像機安裝位置導(dǎo)致測量不全面；侯茂銳等[10]在轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性計算方法研究中提出了以軌接觸點橫移量判斷輪對運動是否出現(xiàn)等幅周期震蕩的極限環(huán)運動；孫麗霞[11]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行對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輪軌滾動接觸行為的影響，為研究輪軌滾動接觸疲勞提供了參考價值，但都沒有討論橫移具體測量方案。

以機車輪軌相對橫向位移變化檢測為研究目的，搭建一個基于Qt的數(shù)字圖像檢測系統(tǒng)，將相機垂直安裝在轉(zhuǎn)向架上，利用相機相對于轉(zhuǎn)向架保持相對靜止的特點，通過軌道在圖像中的坐標變化來測量輪軌的相對橫向位移，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲，這對進一步開展監(jiān)測列車運行的狀態(tài)及運行安全性機理的探索和研究提供了重要信息。

1　機車輪軌相對橫移檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1檢測系統(tǒng)的組成及工作流程

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

圖1輪軌橫向位移檢測系統(tǒng)的主顯示界面

圖2　檢測系統(tǒng)工作流程

1.2檢測系統(tǒng)設(shè)計原理

機車運行時，車輪與軌道互相碰撞產(chǎn)生橫向作用力，導(dǎo)致輪軌接觸點位置發(fā)生改變。忽略轉(zhuǎn)向架與車輪之間的微小運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位置變化。把攝像機安裝在車輪后邊的轉(zhuǎn)向架上且使攝像機的光軸垂直于軌道平面，并保證攝像機相對于轉(zhuǎn)向架是固定不動的，其安裝示意圖如圖3所示。機車運行的初始時刻，記錄圖像中軌道的初始位置，當(dāng)機車運行中轉(zhuǎn)向架與軌道產(chǎn)生相對橫移時，軌道在圖像中的位置會發(fā)生變化，這就是基于相機垂直拍攝的輪軌相對橫移檢測方法所依據(jù)的原理。

圖3　基于攝像機垂直拍攝的安裝示意圖

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

圖4　無沖角時輪軌相對橫向位移檢測原理

(2)機車運行中與軌道有沖角時，位移檢測原理如圖5所示。但是由于沖角很小可以忽略不計，所以有沖角計算原理和無沖角時輪軌位移檢測原理一樣。

圖5　有沖角時輪軌相對位移檢測原理

2　軌道圖像檢測

為了準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，以無砟條件下軌道圖像檢測為例，采用MeanShift算法利用概率密度的梯度爬升來尋找局部最優(yōu)以達到軌道清晰的分割。該算法是一個迭代過程，即先算出當(dāng)前點的偏移均值，移動該點到其偏移均值，然后以此為新點繼續(xù)移動直到滿足條件結(jié)束。給定d維空間Rd的n個樣本點xi,i=1,…,n,在x點的Meanshift向量的基本形式定義為

(1)

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

(2)

圖6　Meanshift算法示意圖

在公式(1)中，k表示在這n個樣本點xi中,有k個點落入Sk區(qū)域中，(xi-x)是樣本點xi相對于x的偏移向量，而Meanshift向量Mh(x)就是對落入?yún)^(qū)域Sk中的k個樣本點相對于點x的偏移向量求和然后再平均。假如樣本點xi是從一個概率密度函數(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，以達到軌道邊緣提取的目的。

Meanshift算法處理結(jié)果經(jīng)過灰度處理后，采用了Sobel邊緣檢測算法進行邊緣提取。該算法是一種比較成熟的微分邊緣檢測算法，不僅計算簡單，對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邊緣檢測算法是先利用公式(3)中水平算子和公式(4)垂直算子對圖像進行卷積求取鄰域中心點的一階導(dǎo)數(shù)值Gx和Gy

(3)

(4)

而鄰域中心點處的梯度值計算

(5)

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

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

圖7　Meanshift算法處理結(jié)果

(a)圖像鄰域(b)Sobel算子

圖8Sobel邊緣檢測器

圖9　基于sobel邊緣檢測結(jié)果

3　實驗數(shù)據(jù)處理與誤差分析

為了測試基于相機垂直拍攝的機車輪軌相對橫移檢測系統(tǒng)的性能，本實驗將該系統(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車輪軌相對橫移檢測。輪軌相對橫移誤差定義為檢測數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之差，由于檢測數(shù)據(jù)是圖像上的像素值，轉(zhuǎn)為實際距離得先計算圖像采集時圖像距離與實際距離的比例關(guān)系。

3.1無砟軌道條件下的輪軌相對橫移檢測

在無砟軌道條件下進行機車輪軌相對橫移檢測，經(jīng)過現(xiàn)場測量1像素對應(yīng)實際距離約是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11所示。經(jīng)過軟件測試分析，軌道橫移圖像檢測誤差如表1所示，該實驗是以平行軌道上一條線為基準位置進行左右誤差分析的。

從誤差結(jié)果分析來看，右側(cè)軌道橫移圖像檢測平均誤差是0.002 cm，左側(cè)軌道橫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橫向位移，這為探討機車運行安全性機理奠定了基礎(chǔ)。

圖10　軌道圖像檢測結(jié)果

圖11　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橫移圖像檢測誤差　cm

3.2有砟軌道條件下的輪軌相對橫移檢測

在有砟軌道條件下進行機車輪軌相對橫移檢測，經(jīng)過現(xiàn)場測量1像素對應(yīng)實際距離約是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，軌道橫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橫移圖像檢測誤差　cm

從誤差結(jié)果分析來看，右側(cè)軌道橫移圖像檢測平均誤差是0.002 cm，左側(cè)軌道橫移圖像檢測平均誤差是0.001 cm。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)不但能較為精確地檢測出輪軌的相對橫向位移，而且對軌道各種環(huán)境檢測的適應(yīng)性也很強。

4　結(jié)論

以機車輪軌相對橫向位移變化檢測為研究目的，搭建一個基于圖像處理的檢測系統(tǒng)，將相機垂直安裝在轉(zhuǎn)向架上，利用相機相對于轉(zhuǎn)向架保持相對靜止的特點，通過軌道在圖像中的坐標變化來測量輪軌的相對橫向位移，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)分別在無砟和有砟軌道兩種不同情況下進行機車輪軌相對橫移檢測，都取得較好的檢測結(jié)果，這對進一步開展監(jiān)測機車運行的狀態(tài)及運行安全性機理的探索和研究提供了重要信息。

[1]程力.基于輪軌表達式的輪軌接觸坐標計算方法[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算法[J]. 機械工程學(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. 列車蛇形運動狀態(tài)下輪軌接觸特性分析[J]. 鐵道標準設(shè)計,2015,59(3):37-40.

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

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

[7] 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]. 鐵道機車車輛, 2011,4(31):49-52.

[8]孫麗霞.高速列車橫向運動穩(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]王彩蕓，王文健，郭俊，等.橫移量、搖頭角對輪軌滾動接觸行為的影響研究[J]. 機械設(shè)計與制造，2012,12(12):31-33.

[10]關(guān)慶華. 列車脫軌機理及運行安全性研究[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)檢測裝置[J].中國鐵道科學(xué)，2008, 29(4): 141-144

[12]楊淑芬，陳建政. 輪軌接觸點位置圖像檢測方法研究[J].電力機車與城軌車輛, 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，主要從事計算機測控技術(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.基于相機垂直拍攝的機車輪軌相對橫移檢測系統(tǒng)[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2016,29(3):81-86.