夏天，卿粼波，滕奇志

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都610065）

0 引言

鐵路貨車擔(dān)任著十分重要的運(yùn)輸責(zé)任，是我國(guó)重要的交通運(yùn)輸方式，因此保障鐵路貨車的安全運(yùn)行意義重大。傳統(tǒng)的鐵路貨車故障檢測(cè)都是通過人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)來(lái)完成的，工作人員的工作量大，并且工作效率低下。在高強(qiáng)度的工作環(huán)境下，難免會(huì)對(duì)工作人員的身心造成一些影響，工作人員或出現(xiàn)一些檢測(cè)遺漏、檢測(cè)失誤的現(xiàn)象，而這些遺漏和失誤往往會(huì)對(duì)列車的安全運(yùn)行造成非常嚴(yán)重的安全隱患。針對(duì)這個(gè)原因，許多公司都推出了能夠自動(dòng)識(shí)別鐵路貨車運(yùn)行故障的檢測(cè)系統(tǒng)，用以改變這種人工檢測(cè)的模式，來(lái)提高列檢質(zhì)量和列檢效率，但是這些系統(tǒng)都還存在一些問題。

正是在這個(gè)背景的前提下，本文參考了由中華人民共和國(guó)鐵道部發(fā)布的TFDS（Trouble of Moving Freight Car Detection System）標(biāo)準(zhǔn)[1]，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)貨車制動(dòng)梁螺栓丟失故障的檢測(cè)系統(tǒng)。貨車在運(yùn)行過程中，制動(dòng)梁上的螺栓很可能會(huì)因?yàn)樨涇嚩秳?dòng)而導(dǎo)致丟失，并導(dǎo)致制動(dòng)梁失去作用，無(wú)法減速高速運(yùn)行中的貨車，存在著很大的安全隱患，因此識(shí)別出制動(dòng)梁上螺栓是否丟失并及時(shí)對(duì)故障位置進(jìn)行報(bào)警是十分重要的。

1 識(shí)別螺栓丟失故障流程

首先在鐵路采集系統(tǒng)端采集到貨車底部原始圖像，然后將貨車底部圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理。通過已經(jīng)獲取到的制動(dòng)梁模板圖片，在貨車底部圖像中進(jìn)行模板匹配，定位出制動(dòng)梁的位置。定位出制動(dòng)梁后便開始找出在制動(dòng)梁上的三顆螺栓的所在位置，分別把制動(dòng)梁上的螺栓提取出來(lái)，對(duì)其進(jìn)行螺栓的丟失診斷，在定位和識(shí)別螺栓的過程中，多次用到Canny 邊緣檢測(cè)和Hough 線提取。螺栓丟失故障識(shí)別的流程圖如圖1，貨車的底部圖像如圖2。

圖2 貨車底部原始圖像

2 基于模板匹配的制動(dòng)梁定位

模板匹配[2]就是在一幅圖片中尋找與另一幅圖片最相似的部分，即以零件庫(kù)中已獲得的制動(dòng)梁圖片為模板，在貨車底部原始圖像中搜尋最符合的目標(biāo)。制動(dòng)梁模板圖如圖3。

圖3 制動(dòng)梁模板圖像

我們將已獲得的制動(dòng)梁模板圖片左上角的點(diǎn)，與貨車底部原圖像中左上角的點(diǎn)重合，然后將制動(dòng)梁模板圖像在貨車底部原圖像中逐像素進(jìn)行移動(dòng)，來(lái)尋找貨車底部原始圖像中與制動(dòng)梁模板圖最相似的匹配。模板圖像T 與待匹配的圖像S 之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 模板匹配原理圖

原始圖像S 的尺寸為W×H，模板圖像T 為M×N，T在S 上平移，搜索窗口所覆蓋的子圖區(qū)域記為Si,j，i,j為子圖的左上角定點(diǎn)在S 中的坐標(biāo)點(diǎn)。通過對(duì)比T 和Si,j的相似度，來(lái)完成模板匹配的過程。歸一化模板匹配的相關(guān)系數(shù)R（i,j）的計(jì)算公式如下：

由于原始圖片較大，在進(jìn)行模板匹配之前，先對(duì)原始圖片采用了領(lǐng)域平均的降采樣[3]，圖像A 尺寸為m×n，對(duì)其進(jìn)行s 倍的下采樣，得到一個(gè)（m/s）×（n/s）尺寸的圖像。

再對(duì)降采樣后的圖片進(jìn)行模板匹配，找到目標(biāo)后，根據(jù)目標(biāo)在降采樣后的圖片中的坐標(biāo)點(diǎn)，在原始圖片中映射出已定位的制動(dòng)梁的位置。這種方式極大地優(yōu)化了定位制動(dòng)梁所需要的時(shí)間，而且降采樣后并未丟失圖像的整體特征，所以并不會(huì)對(duì)匹配結(jié)果造成影響。

3 基于Hough線變換的螺栓定位

由于制動(dòng)梁邊緣清晰且成直線，螺栓固定在制動(dòng)梁所在直線，所以通過定位制動(dòng)梁上的直線，便可以找到螺栓具體位置。本文采用Hough 線變換[4]，進(jìn)行直線檢測(cè)。進(jìn)行直線檢測(cè)之前，首先要對(duì)已經(jīng)獲得的制動(dòng)梁圖片進(jìn)行Canny 邊緣檢測(cè)[5]，獲得制動(dòng)梁圖片的邊緣圖像。

在圖像x-y 極坐標(biāo)空間里，一條直線用參數(shù)方程可以表示為如公式（3）所示：

其中ρ 代表這條直線到坐標(biāo)原點(diǎn)的垂直距離，θ代表x 軸到這條垂線的角度，取值范圍為±90o，在極坐標(biāo)的表示下，圖像坐標(biāo)空間中共線的點(diǎn)映射到參數(shù)空間中后，會(huì)成為不同的曲線，而這些曲線在參數(shù)空間中都相交于一點(diǎn)p，所以可以通過在參數(shù)空間中相交的點(diǎn)來(lái)找出坐標(biāo)空間中對(duì)應(yīng)的直線，如圖5 所示。

圖5 坐標(biāo)空間與參數(shù)空間

通過原圖可以發(fā)現(xiàn)，固定制動(dòng)梁的三顆螺栓的位置始終是固定的，并且按一定的比例和位置固定在制動(dòng)梁上，所以我們可以根據(jù)比例，來(lái)確定三顆螺栓在直線上的所在位置。對(duì)已提取的邊緣圖進(jìn)行Hough 變換直線檢測(cè)，提取出其中所有滿足要求的直線，而這些直線簇組成了一個(gè)三角形的框架，三顆螺栓處于制動(dòng)梁上的直線上，所以提取出制動(dòng)梁上的豎直線是關(guān)鍵所在。動(dòng)車制動(dòng)梁整體框架是一個(gè)等腰直角三角形，根據(jù)直線的斜率不同，可以得到一條+45°的直線，并獲得最右邊一條斜率趨于無(wú)窮的豎直線，可以求出兩條直線的一個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)（a1,b1）。同理，也可以一條斜率為-135°的直線，與豎直線的交點(diǎn)坐標(biāo)為（a2,b2）。因此，分別以（a1,b1），（a2,b2）為端點(diǎn)坐標(biāo)擬合出固定螺栓所處的豎直線，獲得到這條直線以后，根據(jù)制動(dòng)梁上三個(gè)螺栓的固定位置嚴(yán)格的成一定的比例，我們便可以通過螺栓在直線上的比例分別對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)畫矩形提取出三顆螺栓的樣本圖。

圖6 螺栓定位

4 基于Hough圓變換的螺栓丟失診斷

由于螺栓丟失的零件部位，會(huì)有一個(gè)均勻的黑圓孔，如圖7（b）所示。

圖7 正常螺栓與故障螺栓

因此對(duì)此進(jìn)一步的分析，為了使圓的邊緣更加突出，首先對(duì)正常螺栓圖像和故障螺栓圖像進(jìn)行了閾值分割，將圖像通過閾值分割為一幅二值圖像，再對(duì)這幅二值圖像進(jìn)行邊緣提取，為檢測(cè)兩幅邊緣圖像中的圓，采用了Hough 圓變換。同直線檢測(cè)一樣，曲線檢測(cè)也是通過把圖像空間轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間[6]。例如本文將要用圓形檢測(cè)，圓的一般方程為：

（a，b）為圓心，r 是圓的半徑，（x,y）為圓上的一點(diǎn)。坐標(biāo)空間x-y 中的坐標(biāo)點(diǎn)映射到參數(shù)空間a-b-r 上，其中a-b-r 是一個(gè)三維的錐面，圖像空間中的各個(gè)點(diǎn)到參數(shù)空間上的圓錐將會(huì)有一個(gè)共同的交點(diǎn)（a0,b0,r0）。如圖8 所示：

圖8 曲線參數(shù)空間圖

若能成功找到半徑為r 的曲線圓，則代表此處螺栓已經(jīng)出現(xiàn)丟失，向系統(tǒng)做出報(bào)警。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由于三個(gè)部位的螺栓掉落后形成的黑圓孔大同小異，這里僅用對(duì)底部螺栓的處理結(jié)果作詳細(xì)介紹，其他兩個(gè)部位的處理相同。分別選取了正常螺栓和故障螺栓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，從圖中可以看出正常螺栓的邊緣圖中由于光照、相機(jī)景深等因素，無(wú)法找到半徑為r 的圓，因此此時(shí)螺栓屬于正常狀態(tài)，而在故障螺栓的邊緣圖中我們可以看出有一個(gè)規(guī)則的小圓圈，此時(shí)用Hough 圓檢測(cè)可以成功找出該圓圈，因此系統(tǒng)會(huì)判定該位置螺栓發(fā)生故障。

圖9 識(shí)別檢測(cè)故障螺栓

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)了對(duì)列車固定制動(dòng)梁的螺栓進(jìn)行了丟失檢測(cè)，通過模板匹配定位出制動(dòng)梁的具體位置，然后基于Canny 邊緣檢測(cè)和Hough 變換曲線檢測(cè)，來(lái)準(zhǔn)確定位出螺栓的所在位置，并在最后成功判斷了螺栓是否掉落，本方法成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)器自動(dòng)檢測(cè)的效果。

這種方法在制動(dòng)梁極端損壞的情況下可能會(huì)導(dǎo)致識(shí)別錯(cuò)誤，因?yàn)橐獧z測(cè)到螺栓的具體位置，必須保證制動(dòng)梁并沒有出現(xiàn)其他故障，例如制動(dòng)梁產(chǎn)生比較嚴(yán)重的形變將會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)影響，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確地定位出螺栓在制動(dòng)梁中的具體位置，所以，進(jìn)一步要研究如何在不確定故障的情況下定位出螺栓位置并識(shí)別檢測(cè)，適應(yīng)更多的可能環(huán)境。