鋼軌表面缺陷非接觸檢測系統(tǒng)

陳銘逸++李立明++黃建坊

摘要：伴隨著我國鐵路和軌道交通產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，列車運行的安全性、平穩(wěn)性是當(dāng)下熱議的話題。為了滿足日益增長的行車密度需求、確保列車運行安全，運營單位必須采用先進(jìn)的技術(shù)手段來實現(xiàn)線路鋼軌表面缺陷的高效檢測。本文所設(shè)計的鋼軌表面缺陷非接觸檢測系統(tǒng)集行進(jìn)、避障、檢測于一體，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的智能化處理。

關(guān)鍵詞：鋼軌表面缺陷 檢測 算法研究

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0090-01

1 引言

伴隨著我國鐵路和軌道交通產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，列車運行的安全性、平穩(wěn)性是當(dāng)今運營部門務(wù)必確保的因素。鋼軌表面缺陷是導(dǎo)致諸多事故發(fā)生的主要因素之一。為了滿足日益增長的行車密度需求、確保列車運行安全，運營單位必須采用先進(jìn)的技術(shù)手段來實現(xiàn)線路鋼軌表面缺陷的高效檢測，達(dá)到軌道交通與高速鐵路的安全運營對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施可靠性的嚴(yán)格要求。鋼軌表面上的缺陷主要有：裂紋、擦傷、剝離、斷裂。

2 檢測車設(shè)計

整個鋼軌表面缺陷非接觸檢測系統(tǒng)可分為硬件驅(qū)動裝置和信息處理分析模塊。硬件驅(qū)動裝置由驅(qū)動模塊、信息采集模塊、障礙物檢測模塊組成。如圖1所示。

驅(qū)動模塊：驅(qū)動模塊為整輛信息采集檢測車提供動力。檢測車使用內(nèi)置蓄電池作為電源，采用兩輪驅(qū)動、四輪導(dǎo)向的方式固定于一側(cè)軌道上，由嵌入式系統(tǒng)控制行駛。四個導(dǎo)向輪以滾珠軸承的方式與車體連接，以便更好的夾緊鋼軌，保障運行的穩(wěn)定性。

信息采集模塊：信息采集模塊是檢測車的“視覺中樞”，采集功能通過三個無線攝像頭實現(xiàn)。三個攝像頭分別位于采集車的正前方以及車體的兩側(cè)。位于正前方的攝像頭用以觀察前方路況，起到運行監(jiān)控的作用。位于車體兩側(cè)的兩個攝像頭主要負(fù)責(zé)采集鋼軌表面圖像，檢查鋼軌病害。采集到的圖像通過無線技術(shù)傳回計算機，達(dá)到檢測目的。

障礙物檢測模塊：障礙物檢測模塊是檢測車的自我保護(hù)模塊，用以實現(xiàn)檢測車遇到前方鋼軌上有異物無法通過時的制動功能。該功能不需要人工操控。傳感器發(fā)出一個紅外信號，如果有障礙物，則接收頭就會收到反饋信號，進(jìn)而采取制動，避免發(fā)生碰撞。

3 鋼軌表面缺陷算法研究

本系統(tǒng)使用halcon軟件作為工具完成檢測功能，由于攝像頭采集圖像的不確定性，必須對圖像進(jìn)行濾波、圖像增強等處理。本算法分為圖像預(yù)處理及圖像特征提取兩部分。

3.1 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理部分包括圖像輸入、圖像增強、圖像降噪、鋼軌表面定位及分割鋼軌背景五個流程。

通過無線信號將采集到的圖像傳輸回計算機并轉(zhuǎn)換為灰度，就完成了圖像輸入的流程。然而由于檢測環(huán)境的光照、濕度等外部環(huán)境因素的影響，攝像頭所采集到的往往會受到干擾，因此，我們需要對所獲得的圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在這個過程中，我們只要有目的地強調(diào)鋼軌表明或其他局部特性。擴大圖像中不同物體特征之間的差別，抑制不感興趣的特征，是圖像增強的關(guān)鍵所在。

圖像降噪采用中值濾波法。運用halcon軟件中的median_image算子實現(xiàn)中值濾波。中值濾波的基本原理是將每一像素點的灰度值設(shè)置為該點某鄰域窗口內(nèi)的所有像素點灰度值的中值，讓周圍的像素值接近的真實值，從而消除孤立的噪聲點。中值濾波法在圖像處理的過程中，常用于保護(hù)邊緣信息。

鋼軌表面定位及分割鋼軌背景用以確定圖像中鋼軌的邊界，使用圖像全局閾值分割的方式減少在整個處理過程中的工作量，提高工作效率。

3.2 圖像特征提取

圖像特征提取部分包括缺陷邊緣檢測、缺陷分析、記錄缺陷三個流程。

缺陷的定位主要是通過邊緣檢測實現(xiàn)。本系統(tǒng)通過sobel_amp算子實現(xiàn)邊緣的缺陷邊緣的監(jiān)測。由于鋼軌缺陷處與正常表面有明顯的光澤差異，因此邊緣檢測通過捕捉亮度急劇變化的區(qū)域，實現(xiàn)定位功能。經(jīng)過上述處理，鋼軌表面的缺陷已經(jīng)提取出來，從而計算缺陷面積參數(shù)。

對圖像進(jìn)行從上到下，從左到右，逐列掃描計算，計算每一列的像素點數(shù)，橫軸取值范圍是：從缺陷橫向掃描的最左端開始，設(shè)起始點，掃描到圖像缺陷右側(cè)的邊緣最大值為止，縱向掃描也采用這種方式，從缺陷上方的最初起始點開始，設(shè)，掃描到圖像缺陷最下方的邊緣最大值為止。通過積分計算就可以獲得似于矩形的缺陷面積。

記錄缺陷的流程是將在監(jiān)測過程中所采集到的問題生成一份詳細(xì)的報告，供維保人員使用。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的鋼軌表面缺陷非接觸檢測車成功實現(xiàn)了動態(tài)檢測功能，能夠自動完成行進(jìn)、避障、檢測，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的智能化處理。通過安裝于檢測車上的無線攝像頭，將采集到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，以無線傳輸?shù)姆绞絺骰赜嬎銠C進(jìn)行后續(xù)處理。鋼軌表面缺陷檢測軟件基于halcon軟件，通過各類算子實現(xiàn)圖像處理功能，提取出實際所需要的部分，完成鋼軌表面缺陷的檢測達(dá)到設(shè)計目的。

參考文獻(xiàn)

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