1.中国铁道科学研究院 北京市 100081
摘要：随着铁路基础设施检测技术迅速发展，研制基于非接触测量理念车载轨道状态巡检系统可有效降低巡检工作强度。本文将研制一套新的图像采集系统，提升图像采集速度、图像分辨率、光源亮度，改进图像拍摄角度和范围。根据设计目标，结合新的检测需求，提出了图像采集总体组成方案，分析各组成的工作原理和技术现状。基于需求分析设计光学组件的空间布局、选定产品组件型号。设计车下挂载结构。制作样机并在车辆上安装，通过线路试验，对所获取的图像质量、系统工作速度、检测数据分析效果进行了评估，获得了满意的效果，为进一步提高铁路巡检系统的效率和精度打下良好基础。
关键词：轨道巡检；图像采集；线阵相机；LED光源
研究背景
近年来，随着铁路基础设施建设速度加快，尤其是高速铁路线路的大量开工，铁路运营部门对基础设施检测的要求也逐步提高。传统的轨道状态检测方式主要以人工巡视为主，该方式检测速度低，对检测人员素质有一定要求，且具有一定安全风险，逐渐已经不能适应现有条件下的基础设施检测需求。因此研制一套车载式的自动化轨道状态巡检系统，可在现有基础上对检测速度及检测效率进行极大地提升。
轨道状态巡检系统基于非接触测量理念，应用视觉测量、图像处理、模式识别等技术，对轨道图像信息进行采集、分析和综合处理，其高效、智能的特点能满足高速铁路巡检的需求[1]。而车载轨道图像采集系统是轨道巡检系统的基础。
近年来，多家国外公司针对线路巡检设备开展了研究工作并形成了相关产品。我国关于车载轨道巡检系统开发起步较晚，虽在早期进行了一定的理论探索，但相关应用还是从引进国外产品开始的，逐步自主研发适合国内线路情况的轨道巡检系统，并在此平台上改进、发掘新的巡检功能。
2006年，西日本铁路公司研制了141系综合检测车，可对钢轨接缝状态、扣件螺栓紧固状态及道床状态进行检测[2-3]。美国在20世纪90年代末研究开发了轨道视觉检查系统（VIS），检查轨道有无异常[4-6]。德国开发了轨道扫描系统（RAILSCAN系统）、轨道巡检系统（RAILCHECK系统）用于轨道巡检，早期的RAILSCAN系统采用对线路进行视频录像，然后回放录像进行故障判断的方式进行检测；近年开发的RAILCHECK系统则采用高清数字成像和图像处理技术，实现了轨道结构可见异常的自动检测[7-8]。另外，法国、意大利等国家也研制开发了巡检设备，实现了钢轨表面缺陷、扣件状态、轨枕破损的自动检查[9-11]。
在我国，青藏铁路公司从2006年开始先后从意大利MERMEC公司、法国Cybernetix公司和德国引进了线路表面图像检测系统、钢轨表面擦伤检测系统和线路图像检测系统并进行了测试及改进，目前已经可以满足中方的运用条件。中国铁道科学研究院基础设施检测研究所近10年内在轨道状态巡检系统研发方面做了相关工作，2011年改进定型的轨道巡检系统具有对钢轨表面擦伤、扣件缺失、焊筋焊缝识别（辅助钢轨探伤）等自动识别的功能，其图像采集子系统增加到6相机，光源由LVD与LED共同组成。
相机布局及选型
轨道中间上方安装1台相机，重责拍摄两轨间轨道板或轨枕；两钢轨正上方分别安装1台相机，拍摄钢轨表面及扣件；两轨外侧分别安装1台相机，拍摄钢轨外侧轨道板或轨枕，以及钢轨外侧扣件，共5台相机。相机布局方案如图错误！未找到引用源。。
图中所标注的两个尺寸很关键，如只考虑光源的效果这两处尺寸数值都是越小越好，但在实际结构中受到限制。
一是光源低点距轨面大于150mm，这还是整个系统设备的下限。根据GB146.1-83《标准轨距铁路机车车辆限界》中机车辆下部限界规定，车体部分距轨面不小于90mm；车辆的轮径会逐渐磨耗，不同型号的车辆允许车辆磨耗的限值略有不同，如果只考虑车车磨耗使车体降低，可能有30mm-40mm降幅；根据车辆生产厂家的经验，车辆上设备距车辆限界的距离还需留有20mm-30mm余量。综合上述因素，巡检系统距轨面距离不应小于150mm。
二是光源边沿距相机线扫描平面的距离大于15mm。这主要是考虑机械精度的原因，实际中相机线扫描平面沿车体横向与光源的距离会不一致，以所选的轨道中央正上方的Piranha4 2K相机为例，相机安装螺栓与相机支架安装孔之间会存在0.5mm间隙，经计算，线扫描面与光源距离差值可达12mm，对线扫描面的任何遮挡都会影响图像的完整。
车下挂载结构设计
图像采集设备安装在车体上，车体可被视为良好的刚体，将相机、光源分别固定在车体底部，理论上可以保证相对位置准确，但实际上车辆的制造公差相对于检测装置精度过于粗糙，并不能作为一个良好的参照物。如果将5个相机分别安装在车体底部提供的安装座上，并不能保证所有相机共面，车辆体积大，在没有特殊量具的情况下甚至不能测量安装座的位置。同时对现场安装、标定和维护带来困难。
要避免车体制造精度对巡检设备的影响，就减少设备与车体的安装接口，安装接口只负责吊装和固定设备，设备自身结构保证相对位置，有利于稳定图像质量，并减少现场安装、标定的工作量。
本次研究采用梁体结构，完成5相机一体式设计，设计方案如图：
试验及结果分析
试验条件
本次研究试验以轨道车为搭载平台，安装图像采集设备样机，在80km/h速度下开机试验，图像采集设备样机如图所示。开车前对轨枕上表面的灯源的照度进行测量，照度值为72K～75K Lux。中央相机像素单元个数为2048，实际拍摄图像宽度约1800mm，横向实际分辨率约为0.88mm；钢轨正上方相机、钢轨外侧相机像素单元个数为512，实际拍摄图像宽度约450mm，横向实际分辨率约为0.88mm；空间采样间隔为0.99mm。
结论
本次研究设计了完整轨道图像采集系统方案，并对方案进行验证。本研究主要工作内容如下：
1、 分析巡检轨道图像采集系统现状，提出新的系统总体方案。首先进行相机与光源布局设计；根据相机分辨率、扫描频率等参数确定选用Dalsa公司的高速工业线阵相机；设计采用LED阵列的组合光源，完成光源布局设计。
2、 完成巡检梁整体设计，提出了可用于实际车辆的设计图纸。
3、 针对系统架构设计采集软件，软件首先实现对相机参数、采集流程进行控制；选用Intel公司提供的IJL1.5进行图像压缩，图像采用JPEG压缩格式；通过RS-422通讯协议接收同步中枢发送的标准里程信息；数据采集和存储采用多线程模型；设计软件UI。
生产系统样件装安装在轨道车上试验，实测光源照度值超过70K lux，采集到轨道的垂拍图像，图像的分辨率达到1mm×1mm，覆盖车下轨道全部区域。将图像数据输入自动缺陷分析软件，可查找到扣件、异物、轨道板裂纹等病害。本文所研制的图像采集系统达到设计目标，可用于实际检测。
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论文作者:周谦1,谭松1,韩强1
论文发表刊物:《基层建设》2017年第18期
论文发表时间:2017/10/13
标签：轨道论文; 图像论文; 相机论文; 钢轨论文; 系统论文; 光源论文; 车体论文; 《基层建设》2017年第18期论文;