基于圖像識(shí)別的大跨度鐵路橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器監(jiān)測系統(tǒng)與方法研究

高梓航 王偉華 王鐵霖

中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300308

跨越大江大河的橋梁溫度跨度較大，為放散長大跨度橋上無縫線路縱向力，并降低橋墩受力，需設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及梁端伸縮裝置（以下簡稱調(diào)節(jié)器）。大跨度橋梁空間姿態(tài)多變，調(diào)節(jié)器零部件較多，在線路長期運(yùn)營過程中，調(diào)節(jié)器成為線路的薄弱環(huán)節(jié)?？缭酱蠼蠛訕蛄貉鼐€通常環(huán)境惡劣、人煙稀少、交通不便，人工巡檢與養(yǎng)護(hù)維修難度較大，需采用信息化手段實(shí)時(shí)掌握軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)，助力鐵路基礎(chǔ)設(shè)施智能化運(yùn)維。

在設(shè)置調(diào)節(jié)器線路的實(shí)際運(yùn)營中，調(diào)節(jié)器區(qū)域出現(xiàn)了多種病害［1-3］，如剪刀叉卡阻、歪斜，左右兩股尖軌、基本軌縱向位移量不一致，鋼縱梁縱向伸縮量與梁縫變化量不一致，鋼枕歪斜、方正度難以保持等。還有一些常見病害，包括有砟軌道出現(xiàn)梁端軌枕縱向平行四邊形變形、軌枕拉裂、擋砟墻擠裂等，無砟軌道軌下墊板竄出等。

關(guān)于軌道結(jié)構(gòu)監(jiān)測，既有研究主要集中于監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)［4-6］、監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)施方式［7-10］、數(shù)據(jù)時(shí)頻分析［11-12］、監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)下的線路養(yǎng)護(hù)維修［13-14］等方面。在監(jiān)測技術(shù)方面，以光纖光柵技術(shù)與視頻感知技術(shù)為主；在位移監(jiān)測方面，以視頻感知為主，但監(jiān)測方法中對于圖像視角校正法考慮較少，且精度難以評(píng)估；在溫度監(jiān)測方面，以光纖光柵技術(shù)或電阻測溫技術(shù)為主，關(guān)于非接觸式的紅外視頻感知技術(shù)研究和應(yīng)用較少。因此，為提高監(jiān)測數(shù)據(jù)采集精度，需提出更可靠和高精度的非接觸式監(jiān)測方法。

本文結(jié)合既有現(xiàn)場運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，對調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)開展非接觸式監(jiān)測，并建立健全實(shí)時(shí)預(yù)警與報(bào)警機(jī)制和功能，及時(shí)掌握調(diào)節(jié)器服役狀態(tài)。采用信息化手段為大跨度鐵路橋梁梁端軌道結(jié)構(gòu)的安全服役提供技術(shù)支持，為高速鐵路的養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)化建議。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

大跨度鐵路橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器服役狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由狀態(tài)感知子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、用戶終端子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)間分工協(xié)作，保障清晰的數(shù)據(jù)傳遞路徑與高效的數(shù)據(jù)處理方式。系統(tǒng)的核心任務(wù)是獲取梁端伸縮裝置與鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的力學(xué)響應(yīng)信息，通過處理海量數(shù)據(jù)來分析控制指標(biāo)，并根據(jù)各級(jí)預(yù)警限值及時(shí)預(yù)警與報(bào)警。監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

狀態(tài)感知子系統(tǒng)由各類傳感器組成，位于監(jiān)測系統(tǒng)最前端，用于感知結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力學(xué)服役狀態(tài)，對保障系統(tǒng)的可靠度和耐久性起決定性作用。

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由各類傳感器的采集單元組成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ?，將采集到的信?hào)向系統(tǒng)的下一層級(jí)傳輸。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務(wù)器及各類數(shù)據(jù)處理算法組成，將監(jiān)測數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為相關(guān)物理量，實(shí)現(xiàn)特征值的規(guī)律分析、預(yù)警報(bào)警，并將原始數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、歸檔、管理、調(diào)用，形成數(shù)據(jù)庫。

用戶終端子系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、用戶工作站、用戶終端等組成，是整套系統(tǒng)的窗口，并接受用戶對系統(tǒng)的控制與輸入。該系統(tǒng)是交互性、人性化、高效性、數(shù)字化、便捷性、智能化的重要體現(xiàn)。

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)布點(diǎn)設(shè)計(jì)

為降低監(jiān)測設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修工作量，節(jié)省設(shè)備安裝空間，監(jiān)測現(xiàn)場采用更少的傳感器進(jìn)行更全面的數(shù)據(jù)采集。對于大跨度鐵路橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)營養(yǎng)護(hù)要求及相關(guān)文件要求，對尖軌位移量、基本軌位移量、鋼縱梁位移量、梁縫位移量、鋼枕方正度、軌溫等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。采用集成化、智能化、人性化的高清攝像機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并設(shè)置于線路外側(cè)，每側(cè)線路設(shè)置1 組。監(jiān)測現(xiàn)場測點(diǎn)、設(shè)備、布線如圖2所示。

圖2 監(jiān)測現(xiàn)場布點(diǎn)情況

2 基于圖像的位移識(shí)別技術(shù)

基于圖像的位移識(shí)別技術(shù)是大跨度鐵路橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器監(jiān)測系統(tǒng)的重要技術(shù)組成之一。將原始圖像生成灰度圖像，以便識(shí)別圖像數(shù)據(jù)中的邊緣；對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)重構(gòu)，以校正高清攝像機(jī)的視角偏差；根據(jù)標(biāo)靶標(biāo)準(zhǔn)尺寸與圖像像素點(diǎn)進(jìn)行位移量自動(dòng)判讀，最終輸出監(jiān)測對象的位移。尖軌位移的識(shí)別過程如圖3所示。

圖3 位移識(shí)別過程

2.1 圖像邊緣檢測方法

通過軌道監(jiān)測現(xiàn)場的高清攝像機(jī)獲取被測對象前端圖像，將其轉(zhuǎn)化為灰度圖以便識(shí)別圖像。被測對象本身在灰度圖中會(huì)顯示出清晰的輪廓，通過圖像邊緣檢測方法識(shí)別出被測對象的邊緣。具體步驟如下。

1）過濾掉圖像可能存在的噪聲。根據(jù)高斯公式生成濾波算子，然后將待處理的像素點(diǎn)及鄰域像素點(diǎn)的灰度值與濾波算子進(jìn)行卷積運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)加權(quán)平均運(yùn)算。二維高斯公式為

式中：G(x，y)為該像素點(diǎn)的高斯系數(shù)；x為該像素點(diǎn)水平坐標(biāo)；y為該像素點(diǎn)豎直坐標(biāo)；σ為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

計(jì)算梯度圖像與角度圖像，圖像某一像素點(diǎn)的梯度?G(x，y)和角度θ(x，y)計(jì)算式分別為

式中：?2Gx(x，y) 為該像素點(diǎn)水平方向二階導(dǎo)數(shù)；?2Gy(x，y)為該像素點(diǎn)豎直方向二階導(dǎo)數(shù)。

2）對梯度圖像進(jìn)行非極大值抑制處理。通過使用非極大值抑制法來尋找到梯度圖像中局部最大值的點(diǎn)作為邊緣點(diǎn)，并將非極大值所對應(yīng)點(diǎn)的灰度值設(shè)為0。具體方法為，將每個(gè)像素點(diǎn)與梯度相同的兩個(gè)鄰域像素點(diǎn)作對比，如果該像素點(diǎn)的梯度值不是這三個(gè)像素點(diǎn)中的極大值時(shí)，就對這個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行抑制，令此像素點(diǎn)為0。

3）采用雙閾值算法檢測并連接圖像邊緣。選取兩個(gè)閾值，小于低閾值的像素點(diǎn)判定為假邊緣；大于高閾值的像素點(diǎn)判定為強(qiáng)邊緣；介于兩個(gè)閾值中間的像素點(diǎn)需根據(jù)特定的規(guī)則進(jìn)一步判定。

2.2 圖像坐標(biāo)修正方法

在監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施過程中，因現(xiàn)場攝像機(jī)安裝空間有限，以及被測結(jié)構(gòu)本身位移變化等因素，高清攝像機(jī)鏡頭無法時(shí)刻位于被測對象的法線上，因此需要對邊緣檢測后的圖像進(jìn)行二維坐標(biāo)修正，以提高圖像識(shí)別精度。

對初始圖像進(jìn)行網(wǎng)格坐標(biāo)修正，包括x方向（水平方向）修正和y方向（豎直方向）修正。轉(zhuǎn)量矩陣獲取及圖像坐標(biāo)修正方法為

式中：x、y分別為坐標(biāo)修正前的圖像坐標(biāo)；x′、y′分別為坐標(biāo)修正后的圖像坐標(biāo)；a11、a12、a21、a22、a31、a32均為旋轉(zhuǎn)量；a13、a23、a33均為平移量。

2.3 位移自動(dòng)判讀方法

將處理后的圖像通過像素點(diǎn)與尺寸之間的關(guān)系進(jìn)行換算，從而自動(dòng)判讀位移，直接輸出位移數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在服務(wù)器中以供調(diào)用。

首先計(jì)算給定度量單位像素比例，即

式中：ζ為單位尺寸像素比例；N為標(biāo)靶像素?cái)?shù)；n為標(biāo)靶實(shí)際尺寸。

N可在處理后的圖像中直接讀取。n為定值，與標(biāo)準(zhǔn)尺寸標(biāo)靶有關(guān)。

然后計(jì)算位移量，即

式中：n′為目標(biāo)位移量；N′為目標(biāo)像素，可在處理后的圖像中直接讀取。

3 基于圖像的溫度識(shí)別技術(shù)

基于圖像的溫度識(shí)別技術(shù)是大跨度鐵路橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器監(jiān)測系統(tǒng)的重要技術(shù)組成之一。由原始圖像經(jīng)過輻射定標(biāo)與非均勻性校正，消除圖像噪聲與外界輻射影響，生成能量灰度圖像，通過合作定標(biāo)測溫?cái)M合出能量灰度值與溫度相對精確的映射關(guān)系，輸出最終監(jiān)測對象的溫度。靶點(diǎn)設(shè)置于鋼軌軌腰處的溫度識(shí)別過程見圖4。

圖4 溫度識(shí)別過程及實(shí)施效果

3.1 輻射定標(biāo)方法

基于圖像的溫度識(shí)別技術(shù)通過前端獲取待測軌道結(jié)構(gòu)的灰度圖像，此類灰度圖像本質(zhì)為待測對象的能量信息，因此采用輻射定標(biāo)方法將灰度圖像轉(zhuǎn)化為溫度信息。

輻射定標(biāo)主要目的為建立輸入輻射亮度與灰度圖像之間的映射關(guān)系。通過已知溫度的定標(biāo)黑體獲取高清攝像機(jī)紅外模塊入瞳處的光譜輻射亮度L(λ)，即

式中：c1、c2分別為第一、第二輻射常數(shù)；λ為輻射波長；nq為空氣折射率；T為定標(biāo)黑體的溫度。

對于焦平面陣列，波長為λ1～λ2時(shí)高清攝像機(jī)紅外模塊的一個(gè)像元產(chǎn)生的電子數(shù)Se(λ)可表示為

式中：RT為Δλ窄帶響應(yīng)度；Tint為紅外模塊的積分時(shí)間。

需要注意的是，輻射定標(biāo)時(shí)紅外模塊的積分時(shí)間必須與實(shí)際使用時(shí)紅外模塊的積分時(shí)間一致，否則輻射定標(biāo)將失去意義。

生成待測軌道結(jié)構(gòu)部件、活動(dòng)黑體快門和合作黑體的能量灰度圖像，即

式中：V為高清攝像機(jī)紅外模塊輸出灰度值；ΔS為實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)黑體有效面積，定標(biāo)黑體表面法線與r的夾角為0；r為實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)黑體有效面積與高清攝像機(jī)紅外模塊的距離。

3.2 非均勻性校正方法

在外界均勻輻射輸入時(shí)，高清攝像機(jī)紅外模塊不同像元間輸出值不完全相同，存在一定的系統(tǒng)誤差，稱為非均勻性。紅外模塊的非均勻性會(huì)影響紅外圖像的獲取質(zhì)量，從而影響測溫精度，因此需進(jìn)行非均勻性校正。

傳統(tǒng)的紅外模塊非均勻性校正方法對非均勻性的校正能力有限，且固定的校正系數(shù)無法適應(yīng)變化的監(jiān)測對象溫度與外界輻射，因此采用動(dòng)態(tài)校正方法以對紅外模塊實(shí)時(shí)校正。

在成像設(shè)備內(nèi)置一幅基準(zhǔn)參考圖像，將高清攝像機(jī)快門設(shè)置為活動(dòng)黑體，作為動(dòng)態(tài)感知外界溫度變化的參考目標(biāo)，利用基準(zhǔn)參考圖像和快門能量灰度圖像計(jì)算增益參數(shù)和偏置參數(shù)，則有

式中：G i，j(t)為在t時(shí)刻的增益參數(shù)；O i，j(t)為在t時(shí)刻的偏置參數(shù)；x i，j(ΦH)為基準(zhǔn)參考圖像采集紅外焦平面的輸出值，其整幅圖像的響應(yīng)平均值VH(t)=1/(m×n)為快門實(shí)時(shí)圖像采集紅外焦平面的輸出值，其整幅圖像的響應(yīng)平均值Vs(t)=1/(m×n)為圖像像素個(gè)數(shù)。

基于增益參數(shù)和偏置參數(shù)對輸出圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的非均勻性校正，即

式中：τi，j(t+n)為紅外模塊的能量灰度輸出值；ξi，j(t+n)為紅外模塊的能量灰度輸入值。

3.3 合作定標(biāo)測溫方法

在軌道監(jiān)測現(xiàn)場，環(huán)境輻射、高清攝像機(jī)殼體材料輻射會(huì)影響測溫精度，因此需采用合作定標(biāo)測溫技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，以提高測溫的準(zhǔn)確性。

1）對定標(biāo)黑體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，按固定的溫度梯度改變定標(biāo)黑體的溫度，溫度穩(wěn)定后采集能量灰度圖像，記錄定標(biāo)黑體溫度與定標(biāo)黑體的平均灰度值。

2）將定標(biāo)黑體的平均灰度值與定標(biāo)黑體溫度進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到能量灰度與溫度的擬合曲線為

式中：τ(T)為灰度值；A0～A5為多項(xiàng)式系數(shù)。

3）將高清攝像機(jī)紅外模塊內(nèi)嵌的合作黑體溫度傳感器測到的溫度（T）代入上式，得到能量灰度（τ）。全幅圖像的灰度修正常數(shù)（τ0）為實(shí)際灰度（τh）與能量灰度（τ）的差值，即

4）將全幅圖像中每個(gè)像素的灰度減去灰度修正常數(shù)，即可得到修正后的圖像灰度（τc），此時(shí)的圖像灰度精度會(huì)有大幅度提升。

5）對定標(biāo)黑體溫度與定標(biāo)黑體修正后的圖像灰度值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到溫度與修正后的圖像灰度值的擬合曲線為

式中：C(T)為溫度；B0～B5為多項(xiàng)式系數(shù)。

4 結(jié)論

本文提出鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，采用信息化手段為大跨度鐵路橋梁梁端軌道結(jié)構(gòu)的安全服役提供技術(shù)支持，得到結(jié)論如下。

1）校正視角偏差的結(jié)構(gòu)位移識(shí)別方法可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器及梁端伸縮裝置的非接觸式位移監(jiān)測，降低因視角偏差與圖像噪聲引起的系統(tǒng)誤差，提高位移監(jiān)測精度。

2）降低外界環(huán)境影響的結(jié)構(gòu)溫度識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)器及梁端伸縮裝置的非接觸式溫度監(jiān)測，可降低因外界輻射與像元差異引起的系統(tǒng)誤差，提高了溫度監(jiān)測精度。

3）本文方法提高了監(jiān)測系統(tǒng)的魯棒性、準(zhǔn)確性與智能化程度，可減小傳感器布點(diǎn)對線路的影響。