基于數(shù)字圖像處理的軌面豎向動(dòng)位移遠(yuǎn)程采集方法

常建芳 李麗榮 王曉剛 王新超 王夢(mèng)宇 馮懷平

1.邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邯鄲 056001；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081；3.石家莊鐵道大學(xué)省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050043；4.中鐵五院集團(tuán)有限公司建筑設(shè)計(jì)研究院，北京102600

傳統(tǒng)的鋼軌位移監(jiān)測(cè)方法多利用動(dòng)位移計(jì)，該方法需要提供一個(gè)相對(duì)固定的基標(biāo)，在既有線(xiàn)應(yīng)用時(shí)需要通過(guò)深挖樁基，設(shè)置專(zhuān)門(mén)的沉降基板及加速度計(jì)［1-3］，將測(cè)得的加速度信號(hào)經(jīng)二次積分反求出被測(cè)物體的動(dòng)位移。此方法要將加速度計(jì)粘貼在被測(cè)結(jié)構(gòu)表面，以獲取測(cè)試部位的振動(dòng)值。因此具有易磨損、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，同時(shí)二次積分會(huì)造成精度低、誤差大的不足。近年來(lái)非接觸監(jiān)測(cè)方法如磁敏式、光電式傳感器等越來(lái)越引起研究者的關(guān)注［4］。上述檢測(cè)方法需要工作人員手動(dòng)測(cè)量，測(cè)量誤差有較大離散性，影響測(cè)試精度。

數(shù)字圖像處理（Digital Image Processing，DIP）技術(shù)已經(jīng)成功運(yùn)用到工程結(jié)構(gòu)位移測(cè)試的多個(gè)領(lǐng)域［5-6］。趙亞軍等［7］針對(duì)混凝土梁橋彎曲疲勞問(wèn)題，通過(guò)DIP技術(shù)獲取了應(yīng)力集中附近的變形分布情況，證明DIP技術(shù)實(shí)用性好，能夠滿(mǎn)足0.5 mm∕20萬(wàn)次的測(cè)試需求。陳運(yùn)貴［8］利用DIP 技術(shù)監(jiān)測(cè)隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形，提出了鏡頭畸變修正方法和像元的標(biāo)定方法，結(jié)果表明在測(cè)量變形方面精度均小于±0.5 mm。Riberio 等［9］使用高速攝像機(jī)對(duì)鐵路橋梁動(dòng)位移進(jìn)行檢查，表明該方法用于測(cè)量列車(chē)通過(guò)時(shí)引起的鐵路橋梁橋面位移，與LVDT 獲得的位移測(cè)量結(jié)果一致性很高。雖然在橋梁、隧道等方面已經(jīng)有較多報(bào)道，但由于軌道空間狹小，在鐵路鋼軌動(dòng)位移測(cè)試應(yīng)用還較少，適用性仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

本文針對(duì)傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)鋼軌方法存在侵限、布置難、難以定點(diǎn)測(cè)量、自動(dòng)化程度弱等不足，利用DIP 技術(shù)的非接觸測(cè)量、設(shè)備簡(jiǎn)單，安全性、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)一整套非接觸式路基軌道動(dòng)位移長(zhǎng)期演化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于包神鐵路南線(xiàn)病害監(jiān)測(cè)中。所建立的鐵路軌道動(dòng)位移長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方法為掌握路基、軌道豎向位移發(fā)展過(guò)程以及病害演化規(guī)律提供參考。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

1.1 硬件系統(tǒng)

硬件設(shè)備系統(tǒng)包括成像采集系統(tǒng)、標(biāo)志物等［10］。采集系統(tǒng)一般有智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼攝像機(jī)等。成像質(zhì)量的優(yōu)劣以及位移的測(cè)量精度均取決于成像設(shè)備參數(shù)的選擇。標(biāo)志物的形狀、大小、顏色對(duì)圖像特征點(diǎn)坐標(biāo)的提取產(chǎn)生影響。

1.1.1 成像設(shè)備的選擇

各種成像設(shè)備主要由圖像傳感器、鏡頭、電子電路等組成，而圖像傳感器是成像設(shè)備中最重要的部分。

由于結(jié)構(gòu)位移測(cè)量多為室外測(cè)量，噪聲影響不可忽略，本裝置選擇信噪比較小的CMOS 傳感器作為成像設(shè)備的傳感器。為實(shí)現(xiàn)在郊外復(fù)雜環(huán)境長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需要，供電裝置采用了太陽(yáng)能電池板?？傮w采集裝置如圖1所示。

圖1 圖像采集設(shè)備

控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示，系統(tǒng)MCU 為STM32 單片機(jī)。通過(guò)I∕O 口接收紅外攝像機(jī)傳送來(lái)的圖像信號(hào)，將結(jié)果保存在STM32 的Flash 中，經(jīng)過(guò)MCU分析處理后，把數(shù)據(jù)通過(guò)RS485 接口的無(wú)線(xiàn)發(fā)送器發(fā)送給云端4G 卡，再被上位機(jī)PC 機(jī)接收；或者通過(guò)SPI接口，將數(shù)據(jù)通過(guò)USB 口傳送至附近的上位PC 機(jī)，可再進(jìn)一步處理。

圖2 控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

錄像傳輸會(huì)占用大量的儲(chǔ)存空間和流量，造成傳輸堆棧，為避免過(guò)多采集無(wú)用信息，采用熱釋電傳感器感應(yīng)列車(chē)通過(guò)時(shí)刻，當(dāng)有火車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，熱釋電紅外傳感器探測(cè)到的信號(hào)通過(guò)I∕O 途徑采集進(jìn)MCU，經(jīng)過(guò)控制器判斷后，向攝像機(jī)發(fā)出拍照信號(hào)，記錄下火車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的圖像。此外，相機(jī)具有定時(shí)拍攝功能，只測(cè)試給定時(shí)段的振動(dòng)信息，其余時(shí)間處于休眠狀態(tài)，避免拍攝無(wú)關(guān)視頻。

1.1.2 標(biāo)志物的選擇

選擇合適的參考點(diǎn)作為標(biāo)志物是數(shù)字圖像處理位移監(jiān)測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵。通常以結(jié)構(gòu)物表面裂縫、結(jié)構(gòu)拐角、結(jié)構(gòu)表面螺栓等作為標(biāo)志物；但這種方法精度普遍不高，通過(guò)色差和造型分析，設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)標(biāo)志物可以有效提高測(cè)試精度［4］。目前標(biāo)志物主要為二維碼、圓形、方形以及它們之間的組合。由于圓形標(biāo)志物在任意方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)、偏移的誤差都能很好地進(jìn)行修正［2］。結(jié)合被測(cè)物體的特點(diǎn)和環(huán)境，研究使用單圓形作為標(biāo)志物、圓心作為特征點(diǎn)。圓形標(biāo)志物設(shè)計(jì)為黑色，背景設(shè)計(jì)為白色，增加兩者顏色對(duì)比度。通過(guò)MATLAB 構(gòu)建標(biāo)志物三維分布如圖3 所示，可以看出標(biāo)志物具有較好的識(shí)別度。

圖3 標(biāo)志物三維分布

1.2 軟件系統(tǒng)

獲取圖像后，需要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行圖像處理才能得到待測(cè)結(jié)構(gòu)的位移變化。根據(jù)圖像處理技術(shù)的需要，采用Matlab進(jìn)行各部分圖像處理。

基于數(shù)字圖像處理的非接觸位移監(jiān)測(cè)方法關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)見(jiàn)圖4。相對(duì)于傳統(tǒng)動(dòng)位移測(cè)試需要固定基準(zhǔn)點(diǎn)問(wèn)題，本方法首先分析并確立測(cè)試圖像像素點(diǎn)與預(yù)設(shè)標(biāo)靶圓直徑（給定值）之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，然后計(jì)算出標(biāo)靶振動(dòng)。因此這個(gè)方法不需要基準(zhǔn)點(diǎn)，只要圖像采集清晰，拍攝距離及光線(xiàn)角度對(duì)振動(dòng)位移測(cè)試精度的影響很小，這樣設(shè)計(jì)保證了即使在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中攝像機(jī)損毀或者測(cè)點(diǎn)破壞，簡(jiǎn)單替換一組設(shè)備，更換相機(jī)固定點(diǎn)即可以使用，進(jìn)而極大提高了本測(cè)試方法的適用性。

圖4 流程圖

數(shù)字圖像特征點(diǎn)提取算法的選擇對(duì)后續(xù)測(cè)量精度的影響至關(guān)重要。因此采用特征點(diǎn)提取精度較高的最小二乘擬合算法（最優(yōu)圓擬合法）作為特征點(diǎn)提取算法；以圓形標(biāo)志物圓心作為特征點(diǎn)，對(duì)圓形標(biāo)志物的圓心和半徑進(jìn)行擬合，進(jìn)而提取得到標(biāo)靶圓在像素坐標(biāo)系下的圓心坐標(biāo)和半徑。由于標(biāo)靶圓的實(shí)際直徑是精確給定的，因此通過(guò)這種關(guān)系可以建立起像素與空間尺寸的比例關(guān)系，即計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)SF；基于此通過(guò)對(duì)比標(biāo)靶圓心與第一幀標(biāo)靶圓圓心像素上的偏差量，就可以計(jì)算出實(shí)際物體空間位移。

2 室內(nèi)試驗(yàn)標(biāo)定

為驗(yàn)證采用基于DIP技術(shù)的位移監(jiān)測(cè)方法在工程結(jié)構(gòu)物豎向動(dòng)態(tài)位移時(shí)程變化規(guī)律測(cè)試中的可行性，利用室內(nèi)動(dòng)三軸儀進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)。先將標(biāo)志物粘貼在動(dòng)三軸儀底座上，然后通過(guò)GDS 動(dòng)三軸儀分別設(shè)置了三角波、正弦波以及依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)軌道位移曲線(xiàn)的自定義波形作為驗(yàn)證波形，旁邊布置相機(jī)進(jìn)行攝像采集，并采用最優(yōu)圓擬合法進(jìn)行擬合。三種波形的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，室內(nèi)標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)圖5。

表1 波形參數(shù)

圖5 室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果

由圖5 可知：DIP 所測(cè)位移值曲線(xiàn)與GDS 動(dòng)三軸儀所測(cè)位移曲線(xiàn)吻合度良好，驗(yàn)證該技術(shù)有較高的精度。

為對(duì)比不同波形及振幅的監(jiān)測(cè)精度，基于DIP 技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法測(cè)得的位移與動(dòng)三軸儀提供的位移值，得到DIP 測(cè)試值的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差。百分誤差PE、均方根誤差RMSE和最大絕對(duì)誤差MAE作為分析誤差的指標(biāo)；皮爾遜相關(guān)系數(shù)ρ作為相關(guān)性的分析指標(biāo)。

式中：Vi為基于DIP方法測(cè)得的位移，其中三角波和正弦波為試驗(yàn)位移最大值、最小值，而自定義波形為試驗(yàn) 15個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移為測(cè)試位移平均值；Mi為動(dòng)三軸儀施加位移為施加位移平均值。

三種加載波形下DIP 法測(cè)試精度見(jiàn)表2?？芍?，三種工況下最優(yōu)圓擬合算法在識(shí)別定位標(biāo)靶圓、計(jì)算被測(cè)結(jié)構(gòu)位移都具有較小的誤差。

表2 DIP法測(cè)試精度

3 工程應(yīng)用

在包神鐵路南線(xiàn)瓷窯灣站K158+146.89—K158+156.89 區(qū)段內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)軌道基礎(chǔ)存在較大的翻漿冒泥、不均勻沉降等病害問(wèn)題。為探索該部分病害演化過(guò)程，在該地帶設(shè)置了整套軌道DIP 豎向動(dòng)位移監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。本區(qū)段采用60 kg∕m 鋼軌，運(yùn)行車(chē)型主要為C80、C70、C64。

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)位移計(jì)法測(cè)試需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，為此馬偉斌等［11］研發(fā)了鐵路路基動(dòng)位移檢測(cè)裝置，在路基中開(kāi)挖圓洞直至基床表層（約90 cm），然后布置套筒與鋼管作為位移計(jì)基點(diǎn)，文獻(xiàn)［1］中也制作了類(lèi)似沉降板作為基準(zhǔn)點(diǎn)。DIP 技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)位移測(cè)試也要求有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的位置固定相機(jī)。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)條件本次試驗(yàn)相機(jī)固定在調(diào)車(chē)矮型信號(hào)機(jī)樁上。該信號(hào)機(jī)樁埋深110 cm，距離外軌約220 cm，使用免釘膠固定在鐵路信號(hào)機(jī)基座上，對(duì)比文獻(xiàn)［12］路基動(dòng)應(yīng)力衰減規(guī)律，該位置振動(dòng)影響已經(jīng)很小。紅外感應(yīng)相機(jī)通過(guò)內(nèi)置的長(zhǎng)焦鏡頭采集標(biāo)志物的圖像信息，并通過(guò)內(nèi)置的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊遠(yuǎn)程傳輸標(biāo)志物的圖像信息。其中，長(zhǎng)焦鏡頭的焦距為26 mm，可清晰準(zhǔn)確地拍攝標(biāo)志物紅外信息；無(wú)線(xiàn)通信模塊則通過(guò)手機(jī)SIM 卡連接4G 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與圖像傳輸。紅外感應(yīng)相機(jī)布設(shè)見(jiàn)圖6（a）。標(biāo)志物整體由易于加工的亞克力板加工制作而成，并在其中心位置制作有直徑2 cm的黑色標(biāo)靶。為避免對(duì)鐵軌的損傷，從而造成安全隱患，使用固定膠將其固定，見(jiàn)圖6（b）。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

不同車(chē)速軌道豎向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7?？芍?，本裝置均可以清晰測(cè)出機(jī)車(chē)輪對(duì)通過(guò)時(shí)對(duì)鋼軌豎向位移的影響。利用遠(yuǎn)程傳輸手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該斷面動(dòng)位移幅值的長(zhǎng)期觀測(cè)，本次測(cè)試為了節(jié)約傳輸成本，每次僅測(cè)試5 s，從中選擇動(dòng)位移最大值作為本次測(cè)試幅值。

圖7 不同車(chē)速時(shí)鋼軌豎向位移

C64、C70 車(chē)型三個(gè)月內(nèi)動(dòng)位移幅值分布見(jiàn)圖8?？芍?，載重對(duì)軌道動(dòng)位移影響較大，C64、C70幅值均值分別為 2.39、2.82 mm，C64 和 C70 最大位移分別為3.25、4.45 mm，測(cè)試結(jié)果基本與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)吻合［13］。兩種車(chē)型動(dòng)位移幅值基本服從正態(tài)分布，一個(gè)明顯的特點(diǎn)是分布上均有一定的雙峰現(xiàn)象，主要是因?yàn)殇浵駵y(cè)試時(shí)間較短，因此測(cè)試數(shù)據(jù)可能是分別測(cè)試了機(jī)車(chē)和貨車(chē)通過(guò)時(shí)的動(dòng)位移。

圖8 不同車(chē)型動(dòng)位移幅值分布

4 結(jié)論與建議

1）室內(nèi)試驗(yàn)表明本裝置有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可以適應(yīng)不同波形、不同幅值的振動(dòng)測(cè)試，精度較高。

2）該測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守軌道動(dòng)位移長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)位移幅值的實(shí)時(shí)傳輸，適用性較好。

3）經(jīng)三個(gè)月的針對(duì)C64和C70車(chē)型的測(cè)試表明，統(tǒng)計(jì)學(xué)上列車(chē)軸重對(duì)于軌道動(dòng)位移有影響，動(dòng)位移幅值均值分別為2.39、2.82 mm。

4）由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件限制，未能進(jìn)行同位置位移計(jì)的標(biāo)定試驗(yàn)，下一步將繼續(xù)這方面工作，同時(shí)將改進(jìn)算法優(yōu)化相機(jī)固定點(diǎn)振動(dòng)對(duì)測(cè)試誤差的影響。