陳志杰

摘 要 早起的貨車故障診斷主要依靠列檢人員的眼看、耳聽、手摸、敲打等方式，該方法不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測效率低，且易受氣候、職工疲勞程度與素質(zhì)等因素影響，已不能滿足當(dāng)前鐵路交通高速發(fā)展的需要?；诖朔N情況產(chǎn)生了貨車運(yùn)行故障動(dòng)態(tài)圖像檢測系統(tǒng)（英文全稱Trouble of moving Freight car Detection System，簡稱TFDS），該系統(tǒng)采用軌邊高速攝像技術(shù)，拍攝經(jīng)過列車的制動(dòng)梁梁體、固定杠桿、移動(dòng)杠桿、交叉桿、制動(dòng)梁支柱、中拉桿等關(guān)鍵部位的圖像，然后將拍攝圖像傳輸?shù)搅袡z所，由計(jì)算機(jī)圖像自動(dòng)識別方法進(jìn)行貨車關(guān)鍵部位是否有故障的檢測，同時(shí)將結(jié)果傳遞給室外檢測員，以此保障列車的運(yùn)輸安全。本文就列車制動(dòng)梁中梁體夾扣螺栓丟失故障診斷的方法進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】貨車制動(dòng)梁梁體夾 螺栓故障 檢測

對貨車制動(dòng)梁梁體夾扣螺栓丟失的檢測主要包含三個(gè)步驟，首先進(jìn)行制動(dòng)梁梁體的提取，其次對梁體夾扣以及夾扣螺栓進(jìn)行定位，最后進(jìn)行夾扣螺栓故障進(jìn)行檢測。

1 制動(dòng)梁梁體提取算法

CCD相機(jī)一組6張的圖片分別拍攝貨車兩邊底部圖像，由于所拍攝的是列車底部固定位置的圖片，故所拍攝圖片中的列車底部部件位置變化不大。分析待檢測圖片可以發(fā)現(xiàn)制動(dòng)梁梁體大致在圖片中間位置，由于梁體邊緣的直線特征明顯，據(jù)此從圖片的上端向下端依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值依次提取出一塊小的矩形區(qū)域并對該矩形區(qū)域進(jìn)行Canny邊緣檢測，根據(jù)檢測到的邊緣進(jìn)行Hough變換提取直線，則得到梁體的左右邊緣，如圖1所示。圖1（a）標(biāo)識列車底部的原始圖像，圖像中間橫軸即為制動(dòng)梁，包括制動(dòng)梁頂端、普通制動(dòng)梁梁體和帶夾扣的制動(dòng)梁梁體，圖1（b）是提取邊緣的制動(dòng)梁邊緣。

2 夾扣螺栓故障描述

制動(dòng)梁夾扣螺栓如圖2所示，其中黑色矩形所示為貨車兩側(cè)制動(dòng)梁夾扣所在區(qū)域，螺栓則在制動(dòng)梁夾扣上，起固定夾扣和梁體作用，圖2（c）為制動(dòng)梁夾扣螺栓丟失故障示意圖，觀察圖片可知螺栓形態(tài)呈現(xiàn)為非常明顯的圓形，而分析丟失故障圖片可知當(dāng)螺栓丟失時(shí)螺栓位置與背景灰度之間有著非常明顯的反差，這是判斷螺栓丟失故障的一項(xiàng)重要依據(jù)

3 梁體夾扣螺栓丟失故障檢測算法

3.1 制動(dòng)梁夾扣定位

由前提出的制動(dòng)梁梁體提取算法可得制動(dòng)梁梁體完整邊緣圖像，根據(jù)圖片特征可得制動(dòng)梁夾扣大致會(huì)出現(xiàn)在梁體中間位置，且夾扣位置對制動(dòng)梁梁體的相對位置固定，故依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，從制動(dòng)梁梁體右邊緣向左截取一個(gè)小矩形區(qū)域，使矩形區(qū)域能夠完整包含制動(dòng)梁夾扣，使用標(biāo)準(zhǔn)夾扣模板在矩形區(qū)域內(nèi)匹配，若匹配成功即可定位出夾扣位置，算法結(jié)束，若匹配失敗則繼續(xù)向下截取矩形區(qū)域并匹配，若最終仍沒有沒有匹配成功，則可判別為制動(dòng)梁夾扣丟失。

3.2 夾扣螺栓定位及故障檢測

通過所獲得的列車制動(dòng)梁梁體夾扣圖像，將該圖像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換和Canny邊緣檢測得到邊緣圖像，使用Hough變換提取圓形輪廓，可得螺栓具體位置，如圖3（a）所示為正常的夾扣螺栓經(jīng)過Hough變換所提取的螺栓區(qū)域結(jié)果圖，圖3（b）所示為螺栓丟失圖片提取的螺栓區(qū)域結(jié)果圖。

圖4為螺栓定位算法流程圖。

根據(jù)螺栓丟失圖像與正常圖像對比可知，螺栓丟失圖像其螺栓位置存在明顯的類似圓形黑洞區(qū)域，前景圖像的像素與黑洞像素直接有很大差別，故由此特征可得若對待檢測圖像黑洞區(qū)域進(jìn)行區(qū)域描述，根據(jù)黑洞面積大小與經(jīng)驗(yàn)閾值比較結(jié)果作為螺栓丟失故障的一項(xiàng)檢測依據(jù)。提取出螺栓圖像后對圖像進(jìn)行濾波操作，由于濾波過程會(huì)導(dǎo)致邊緣會(huì)一定程度平滑，故采用中值濾波以盡可能減少邊緣平滑對螺栓邊緣造成的細(xì)節(jié)丟失。圖片可能因?yàn)榕臄z光源問題而偏暗和對比度較低，故需使用直方圖均衡化對待測圖片進(jìn)行圖像增強(qiáng)，以減少后續(xù)匹配操作的困難度。制動(dòng)梁夾扣螺栓丟失之后該區(qū)域?yàn)楹谏珔^(qū)域，而正常未丟失螺栓的圖片該區(qū)域不是黑色區(qū)域，像素為中高亮度，據(jù)此可統(tǒng)計(jì)待檢測區(qū)域中的黑色區(qū)域面積，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的黑色區(qū)域面積與經(jīng)驗(yàn)閾值比較來判定是否發(fā)生螺栓丟失故障。

綜合以上兩個(gè)判斷依據(jù)可得：

（1）當(dāng)黑色區(qū)域面積小于經(jīng)驗(yàn)閾值且模板匹配結(jié)果為螺栓丟失時(shí)，檢測結(jié)果為螺栓丟失；

（2）當(dāng)黑色區(qū)域面積小于經(jīng)驗(yàn)閾值而模板匹配結(jié)果為正常時(shí)，檢測結(jié)果為疑似螺栓丟失；

（3）當(dāng)黑色區(qū)域面積大于經(jīng)驗(yàn)閾值而模板匹配結(jié)果為螺栓丟失時(shí)，檢測結(jié)果為疑似螺栓丟失；

（4）當(dāng)黑色區(qū)域面積大于經(jīng)驗(yàn)閾值且模板匹配結(jié)果為正常時(shí)，檢測結(jié)果為螺栓正常。

本文在TFDS上提出了貨車制動(dòng)梁梁體夾扣螺栓故障診斷方法，通過實(shí)驗(yàn)比較以及實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到了86.2%的檢測效果，能夠?yàn)榱熊嚈z修提供一定的依據(jù)，減少列車運(yùn)行故障。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

通號通信信息集團(tuán)有限公司 北京市 100070endprint