[發明專利]基于激光和視覺的鐵路扣件缺失高速探測系統與方法

有效

• 申請號: 201110383222.2
• 申請日: 2011-11-25
• 公開（公告）號: CN102556116A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 趙輝;陶衛;王衛東;任盛偉;劉滿華;雷華明;劉偉文;楊金峰;張海波;張永杰;王夢雪;吳芳
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;中國鐵道科學研究院
• 主分類號: B61K9/08
• 分類號: B61K9/08;G01S5/16
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及一種鐵路基礎設施檢測領域的設備，具體是一種基于激光和視覺的鐵路扣件缺失高速探測系統與方法。

背景技術

鐵路作為一項關系國計民生的重大項目，其安全維護至關重要。隨著鐵路里程的增加，列車速度的提高，對鐵路基礎設施狀態監控的需求急速上升。扣件是鐵路基礎設施中非常關鍵的設施之一，扣件缺失將對行車安全具有決定性的影響。傳統的人工檢查和養護已經不能滿足要求，所以各種軌道檢測設備應運而生。目前鐵路扣件的檢測方法主要分為以下三種：

第一種是人工檢測：由鐵路養護人員定期進行軌道人工巡檢，發現扣減的缺失和松動后，進行及時的補償和安裝。其優點是發現扣件缺失后，可立即進行維護。其缺點是養護費用高，強度高，安全性差，需要回避列車運行時間。該方法主要在低速列車軌道檢測中較為常用。

第二種是基于線陣激光的連續掃描裝置：例如德國Sick公司等，利用相關的硬件和軟件進行連續的掃描，然后進行圖像拼接和分析，通過連續分段的分析獲取軌基、軌枕和扣件信息，進行相關的位置判斷和結構信息處理，獲取扣件的狀態信息。其優點是系統組成簡單，易于維護。其缺點是檢測速度較低，通用性不高。

第三種是基于面陣圖像傳感器的計算機視覺檢測裝置：如美國ENSCO公司的VIS系統、德國Atlas?Electronic公司開發的光電式軌道檢測系統及北京福斯達公司高速車載式軌道圖像識別系統等。這種方法都是采取用高速攝像機采集扣件完整圖片，然后進行圖像處理，判斷扣件是否存在。其優點是準確率高、智能化程度高。其缺點是檢測速度較低，報道的最高速度為150km/h，無法滿足高速鐵路的需求，有時需要過多的人工干預。

發明內容

本發明為了解決現有扣件缺失探測技術的問題，提出一種基于激光和視覺的鐵路扣件缺失高速探測系統與方法，有效解決了探測準確性和列車運行高速度的矛盾，實現鐵路扣件的高速探測與識別。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明提供一種基于激光和視覺的鐵路扣件缺失高速探測系統，該探測系統由控制中心、激光定位系統和視覺識別系統三個部分組成，三個組成部分同處于安裝在列車車廂下方的探測器內，正對扣件所在區域的正上方。激光定位系統和視覺識別系統沿著列車運行的方向前后錯開布置，激光定位系統在前，視覺識別系統在后，二者距離恒定。在列車運行過程中，當探測器到達扣件所在區域上方時，由激光定位系統對扣件的位置進行自動探測和定位，并發出同步信號，觸發視覺識別系統工作，從而保證扣件探測的高速度和高準確率。當視覺識別系統接收到來自激光定位系統的同步信號之后，實時采集扣件區域的圖像，并實時將圖像數據送入圖像處理電路，進行圖像處理和識別，并對于缺失扣件的圖像進行存儲。

第一部分為控制中心：

控制中心負責對激光定位系統和視覺識別系統進行統一的控制，并將探測結果傳輸到列車上，并記錄扣件缺失的圖片與里程信息。

控制中心由通行的工業控制計算機組成，包括與車上聯絡的通訊接口。

第二部分為激光定位系統：

扣件作為固定鋼軌的裝置，本身應該固定在相應的基座上。扣件固定基座在常規的有砟軌道中為軌枕，在高速鐵路上則多為固定在水泥基座上的金屬基板。由于扣件的高度相對于路基要有相當程度的凸起，因此利用扣件及其基板的凸起產生的垂直于軌面的位移，可以進行扣件安裝位置的準確判斷和定位。

本發明的激光定位系統與常規的激光三角測距傳感器類似，由半導體激光器、發射鏡組、接受鏡組、光電陣列和光電處理電路組成。與常規的激光三角測距所不同的是，本發明的激光定位系統采用若干個高速半導體光電管形成的一維光電陣列代替常規激光三角測距傳感器中的線陣CCD或PSD完成三角測距測量。

本發明的激光定位系統的工作過程如下：由激光器發出的光束經過發射鏡組后形成準直激光束，垂直向下投射到扣件所在區域上并形成一個光斑。該光斑經過接收鏡組后成像在半導體光電管陣列上，將使得半導體光電管陣列中的某個或某幾個光電管導通并產生相應的電信號輸出。光電管陣列輸出的電信號送入光電處理電路，通過邏輯分析處理后，形成最終的同步信號輸出。