本發明專利技術公開一種基于紅外熱成像的鐵路扣件松動高速探測系統與方法，由探測器、控制器和電纜組成，兩個探測器處于列車車體下方，分別正對左右兩根鋼軌的正上方。控制器安裝于車廂內，通過電纜與兩個探測器相連接。探測器內部有數字式紅外攝像機，通過直接獲取扣件與鋼軌的接觸應力產生的紅外熱成像圖，通過圖像處理和模式識別，自動判斷出扣件是否松動或缺失。攝像機的視場以扣件所在位置為中心，選擇較小的視場范圍進行圖像采樣和處理。在列車運行中，如扣件位置不合適，則調整采樣時間間隔。工業計算機根據紅外圖像中最高應力點的大小是否低于臨界閾值來判斷扣件是否松動，如果出現松動則發出報警信號，實現扣件丟失之前的預警。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種鐵路基礎設施檢測領域的設備，具體是一種基于紅外熱成像的鐵路扣件松動高速探測系統。
技術介紹
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，對于高速鐵路無法采用人工方法。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。其缺點是檢測速度普遍較低，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。除第一種人工方法之外，第二和第三方法均只能在扣件丟失之后進行判斷并給出警示，不能在扣件丟失之前自動判斷扣件是否產生松動并進行預警。申請人:于2011年申請的專利技術專利申請號201110383222. 2，該專利技術介紹了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“所述系統包括激光定位系統、視覺識別系統和控制中心，同處于列車車體下方的探測器內，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。由激光定位系統對扣件的位置進行探測和定位，并發出同步信號，觸發視覺識別系統工作。激光定位系統采用高速半導體光電管形成的一維陣列代替常規激光三角測距傳感器中的線陣CCD完成的三角測距測量。本專利技術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。”但是，上述所有的自動化探測方法(包括申請人于2011年申請的專利技術專利201110383222. 2)均只能判斷扣件是否存在，即只能判斷扣件是否已經丟失，而無法判斷是否出現松動，并在扣件即將丟失之前進行預警。因而，如何判斷扣件是否出現松動并提前預警，是一個世界難題。
技術實現思路
為了解決現有扣件松動探測技術缺失的問題，本專利技術提出一種，利用利用紅外高速攝像機對扣件區域進行連續、高速的實時圖像采集，通過圖像處理和模式識別得出扣件松動與否的結論，實現了鐵路扣件松動的高速探測與預警。本專利技術是通過以下技術方案實現的本專利技術的探測系統由探測器、電纜和控制器三個部分組成。兩個探測器處于列車車體下方，分別正對左右兩根鋼軌的正上方；控制器安裝于車廂內，通過電纜與兩個探測器相連接；在列車運行過程中，當探測器到達扣件所在區域上方時，由控制器向兩個探測器發出指令，觸發探測器工作并獲取扣件與鋼軌的接觸應力產生的紅外熱成像圖，通過電纜傳送到控制器，通過圖像處理和模式識別，自動判斷出扣件是否松動或已經缺失。 本專利技術的探測器由紅外攝像機、鏡頭和保護外殼組成。紅外攝像機采用中分辨率、高靈敏度的數字式紅外攝像機，可以獲取扣件所在區域的熱成像圖像，供控制器進行分析和處理。紅外攝像機的高靈敏度應該保證能夠可靠識別扣件與鋼軌接觸應力所產生的紅外熱信號的變化。紅外攝像機的中分辨率可以保證數據傳輸與處理的高速度，保證高速鐵路探測的實時性。紅外攝像機的數字接口應保證控制器能夠方便、快速接受紅外熱成像信號，保證圖像傳輸的實時性，并優先采用千兆網接口。所述探測器攝像機以扣件所在位置為中心，針對鐵路扣件所在位置選擇小視場進行圖像采樣和處理，從而在保證高精度的前提下，摒棄沒有價值的兩組扣件之間的大量無用信息。本專利技術的控制器由計算機、穩壓電源和機柜三個部分組成。計算機采用通行的工業控制計算機構成，以保證工作的穩定性和可靠性，并包括與車下探測器和車上其他設備聯絡的通訊接口。穩壓電源為計算機、紅外攝像機提供穩定、可靠的能源與動力。計算機與穩壓電源均安裝在機柜之中。本專利技術涉及上述系統的鐵路扣件松動高速探測與識別方法，包括以下步驟(I)控制器的穩壓電源打開之后，控制器中的工業計算機與探測器中的紅外攝像機開始上電工作。(2)控制器中的計算機以一固定的采樣時間間隔向探測器中的攝像機發出采樣指令信號，探測器中的紅外攝像機在得到來自控制器的采樣指令信號之后，快速捕獲扣件所在區域的紅外熱成像圖像，并通過電纜實時傳輸到控制器中的工業計算機之中。(3)工業計算機對紅外攝像機傳來的圖像進行處理、識別和判斷。如果判斷結果為列車靜止不動，則加大上述采樣時間間隔至最大值(該采樣時間間隔最大值主要滿足判斷列車從靜止開始啟動的需求)，并返回步驟(2);如果判斷結果為列車移動，進入下一步；(4)工業計算機根據紅外圖像中應力點的分布來判斷視場內扣件的位置。如果扣件位置不合適(包括視場內無扣件、扣件位置超前、扣件位置滯后等情況)，則對上述的采樣時間間隔進行調整，以適應列車運行速度并自適應跟蹤扣件位置，然后返回步驟(2);如果扣件位置合適，則進入下一步；(5)工業計算機根據紅外圖像中最高應力點的大小是否低于臨界閾值來判斷扣件是否松動。該臨界值為預先保存在工業計算機中的一個設定值，該設定值介于扣件應力最小值(與扣件未接觸鋼軌時相對應)和扣件應力最大值(與扣件接觸鋼軌并達到最大應力時相對應)。如果紅外圖像中最高應力點的應力值低于此臨界值，則判斷為扣件已經松動，并立刻進行報警，存儲該圖像至工業計算機中，然后返回步驟(2)。如果紅外圖像中最高應力點的應力值低于扣件應力最小值，則判斷為扣件已丟失，并立刻進行報警，存儲該圖像至工業計算機中，然后返回步驟(2)。本專利技術通過獲取扣件所在區域的紅外熱成像圖，通過處理和判斷，探測扣件與鋼軌的接觸應力大小，由此識別扣件是否松動，并在扣件丟失之前發出報警信號，由此可以實現扣件松動的自動探測和扣件丟失前的預警，徹底解決了以往各種自動探測系統的缺陷和不足，完全避免了扣件可能產生的安全隱患，極大提高了鐵路運行安全。附圖說明 圖I是本專利技術的探測系統組成原理示意圖。圖2是探測器的組成原理示意圖。圖3是控制器的組成原理示意圖。圖4是實時采集到的扣件區域紅外圖像。圖5是幾種可能的扣件位置形式。圖6是扣件在不同接觸狀態下應力分布示意圖。圖中，I為探測器，2為電纜，3為控制器，4為車廂，5為鋼軌，6為扣件，7為保護外冗I，8為紅外攝像機，9為鏡頭，10為計算機，11為穩壓電源，12為機柜。具體實施例方式下面結合附圖對本專利技術的實施例作詳細說明本實施例在以本專利技術技術方案為前提下進行實施，給出了詳細本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種基于紅外熱成像的鐵路扣件松動高速探測系統，其特征在于由探測器、電纜和控制器三個部分組成，兩個探測器處于列車車體下方，分別正對左右兩根鋼軌的正上方；控制器安裝于車廂內，通過電纜與兩個探測器相連接；在列車運行過程中，當探測器到達扣件所在區域上方時，由控制器向兩個探測器發出指令，觸發探測器工作并獲取扣件與鋼軌的接觸應力產生的紅外熱成像圖，通過電纜傳送到控制器，通過圖像處理和模式識別，自動判斷出扣件是否松動或已經缺失。2.根據權利要求I所述的基于紅外熱成像的鐵路扣件松動高速探測系統，其特征是所述探測器由紅外攝像機、鏡頭和保護外殼組成，紅外攝像機采用中分辨率、高靈敏度的數字式紅外攝像機，實現識別扣件與鋼軌接觸應力所產生的紅外熱信號的變化的可靠性，數據傳輸與處理的高速度和探測的實時性，以及圖像傳輸的實時性。3.根據權利要求2所述的基于紅外熱成像的鐵路扣件松動高速探測系統，其特征是:所述紅外攝像機針以扣件所在位置為中心，對鐵路扣件所在位置選擇小視場進行圖像采樣和處理。4.根據權利要求3所述的基于紅外熱成像的鐵路扣件松動高速探測系統，其特征是 所述紅外攝像機的視場大小應保證在橫向即垂直于鋼軌方向上能夠包含鋼軌兩側扣件的完整性，且在縱向即平行于鋼軌方向上不超過兩個軌枕間距的一半。5.根據權利要求1-4任一項所述的基于紅外熱成像的鐵路扣件松動高速探測系統，其特征是所述控制器由計算機、穩壓電源和機柜三個部分組成；計算機采用通行的工業控制計算機構成，并包括與車下探測器和車上其他設備聯絡的通訊接口，工業計算機根據紅外圖像中最高應力點的大小是否低于臨界閾值來判斷扣件是否松動；穩壓電源...
【專利技術屬性】
技術研發人員：趙輝，陶衛，楊金峰，吳芳，王夢雪，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：
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