[發明專利]一種基于深度學習和視覺定位的非接觸式鋼軌軌枕相對位移實時測量方法

有效

• 申請號: 202110226886.1
• 申請日: 2021-03-01
• 公開（公告）號: CN112949482B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 王森榮;程嘉昊;厲小潤;季文獻;林超;王晶;朱彬;王建軍;楊艷麗;鄢祖建
• 申請（專利權）人: 浙江大學;中鐵第四勘察設計院集團有限公司
• 主分類號: G06V20/52
• 分類號: G06V20/52;G06V10/25;G06V10/774;G06K9/62;G06F17/16;G06N20/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明公開了一種基于深度學習和視覺定位的非接觸式鋼軌軌枕相對位移實時測量方法，屬于高鐵軌道結構監測領域。將包含至少兩個圓并且圓與背景顏色差異明顯的標志牌粘貼在軌枕上，拍攝含有標志牌的視頻并截取圖像；標定圖像以作為用于標志牌檢測的深度學習模型的訓練樣本，訓練深度學習模型；對每個檢測點獲得的實時圖像，通過深度學習模型檢測圖像中的標志牌區域，使用視覺算法定位經透視變換后的標志牌的圓心，利用定位得到的圓心坐標完成鋼軌軌枕相對位移量粗計算；再對粗計算結果進行平滑濾波，得到實時相對位移量的精確值。本發明可以自動計算透視變換參數和鋼軌軌枕相對位移量，實現了軌道結構的軌枕間距相對位移的實時獲取。

技術領域

本發明屬于高鐵軌道結構監測領域，更具體地，涉及一種基于深度學習和視覺定位的非接觸式鋼軌軌枕相對位移實時測量方法。

背景技術

為滿足各種復雜地域環境的需要，高速鐵路不可避免會出現長大連續梁橋。相關線路上鋼軌伸縮調節器及梁縫處的抬軌裝置在使用過程中，出現了軌枕傾斜拉裂、抬軌裝置剪刀叉變形較大甚至卡死等病害，造成了較大的養護維修工作量和經濟損失。由于鋼軌伸縮調節器養護維修工作量大，是高鐵軌道結構的三大薄弱環節之一，因此高速鐵路工務部門對鋼軌伸縮調節器區軌道結構的監測需求十分迫切。

軌道位移變化監測是鋼軌伸縮調節器區軌道結構監測的關鍵環節，從精度、實施性出發，目前軌道位移變化監測主要采用振弦式傳感器和光纖光柵傳感方式。目前，現有的監測方法主要不足包括：

(1)一般只能作為工點性的監測，空間上和時間上的監測范圍有限，無法實現大規模實時測量；

(2)皆為接觸式的傳感方式，設置在軌道結構上的傳感器對于高速動車的運營是較大的安全隱患。

隨著鐵路網絡帶寬呈幾何數量級增加，高速鐵路逐漸在沿線安裝攝像機。以高鐵沿線攝像機為前端，開展以圖像識別等非接觸式傳感為手段的高鐵軌道結構監測研究具有十分重要的現實意義和應用前景。

但是，由于高鐵現場環境復雜，光照、風雨和火車震動等多種因素都會影響成像結果，加上攝像機本身的透視畸變，基于簡單的圖像識別方法測量的鋼軌軌枕相對位移，無法滿足軌道結構監測精度要求。

發明內容

針對上述技術問題，本發明提出了一種基于深度學習和視覺定位的非接觸式鋼軌軌枕相對位移實時測量方法，設計了包含至少兩個圓并且圓與背景顏色差異明顯的標志牌粘貼在軌枕上，拍攝含有標志牌的視頻并截取圖像；標定圖像以作為用于標志牌檢測的深度學習模型的訓練樣本，訓練深度學習模型；對每個檢測點獲得的實時圖像，通過深度學習模型檢測圖像中的標志牌區域，使用視覺算法定位經透視變換后的標志牌的圓心，利用定位得到的圓心坐標完成鋼軌軌枕相對位移量粗計算；再對粗計算結果進行平滑濾波，得到實時相對位移量的精確值。本發明可以自動計算透視變換參數和鋼軌軌枕相對位移量，實現了軌道結構的軌枕間距相對位移的實時獲取，測量精度高，安全性高。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種基于深度學習和視覺定位的非接觸式鋼軌軌枕相對位移實時測量方法，包括如下步驟：

步驟1，針對任一個檢測點，在需要檢測的鋼軌軌枕任一側的固定位置設置攝像頭，將攝像頭的監控范圍對準目標檢測位置，在目標檢測范圍的軌枕上粘貼至少包括兩個圓的標志牌，所述標志牌上所有圓心在同一條直線上，且圓心連線與軌枕沿軌道寬度方向的邊界線平行；

所述每一個檢測點的檢測范圍內至少包括一對相對位置固定的軌枕；

步驟2，采集目標檢測范圍內的不同高度、不同角度、不同環境和不同成像方式下的樣本圖像，標記樣本圖像中的每一個標記牌的四個角點的原像素坐標，將角點的原像素坐標轉換為檢測框頂點的原像素坐標；利用四個角點的原像素坐標和實際坐標計算透視變換矩陣，獲得樣本圖片中圓心對應的原像素坐標；