基于LabVIEW的鋼軌廓形動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)研究

王 健,王 平,李 悅,汪 力

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

基于LabVIEW的鋼軌廓形動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)研究

王 健,王 平,李 悅,汪 力

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

為解決人工鋼軌磨耗檢測(cè)方法效率低、精度低、結(jié)果不易存儲(chǔ)等一系列缺點(diǎn),設(shè)計(jì)開發(fā)基于LabVIEW的鋼軌廓形動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng),介紹其硬件組成及軟件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)以軌面激光線為檢測(cè)對(duì)象,不易受外界因素影響,測(cè)量精度高;檢測(cè)人員可推動(dòng)檢測(cè)車在軌面上連續(xù)進(jìn)行檢測(cè),效率高。可實(shí)現(xiàn)鋼軌垂直磨耗,側(cè)面磨耗和總磨耗的測(cè)量以及磨耗超限警報(bào)功能并完成測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),對(duì)改善工務(wù)部門磨耗檢測(cè)現(xiàn)狀,保障鐵路系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要的意義。

LabVIEW;鋼軌輪廓;檢測(cè);磨耗

鋼軌作為軌道交通系統(tǒng)中重要的組成部分,在鐵路運(yùn)輸中起著至關(guān)重要的作用。磨耗是鋼軌損傷最為常見的類型之一,關(guān)系著列車在行駛過程中的安全性和旅客的舒適度。目前,國內(nèi)外鋼軌磨耗檢測(cè)方法主要分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)兩種[1]。靜態(tài)檢測(cè)主要利用機(jī)械卡尺等接觸式設(shè)備進(jìn)行測(cè)量,這種檢測(cè)方法工作量大,檢測(cè)速度緩慢。動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法主要是利用機(jī)器視覺技術(shù)與軌檢車或打磨車相結(jié)合,這種方法檢測(cè)的間距較大且使用不方便。因此,開發(fā)一套檢測(cè)速度快、檢測(cè)密度大的便攜式鋼軌磨耗檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于鋼軌檢測(cè)、維修以及保障鐵路運(yùn)輸安全具有重要的意義。

LabVIEW是美國NI公司1986年推出的一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境。作為虛擬儀器開發(fā)平臺(tái),由于其圖形化的編程方式具有簡單易學(xué)、直觀方便、功能強(qiáng)大等特點(diǎn),它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受,被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[2]。

本文以LabVIEW2011為開發(fā)平臺(tái),開發(fā)了基于機(jī)器視覺原理的非接觸式鋼軌廓型檢測(cè)系統(tǒng),重點(diǎn)介紹了設(shè)備動(dòng)態(tài)檢測(cè)的原理、系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)方法。

1 鋼軌廓形動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)及其原理簡介

鋼軌廓形動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)是一套基于機(jī)器視覺技術(shù)的動(dòng)態(tài)非接觸式鋼軌廓形、磨耗檢測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)在鋼軌上推行時(shí),它以2 cm為采樣間隔,不斷采集鋼軌廓形圖像,通過一系列的處理實(shí)時(shí)地將鋼軌廓形和磨耗值顯示在筆記本電腦上。如圖1所示,其工作原理主要是采用CCD照相機(jī)將激光照射下鋼軌廓形轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào),然后通過圖像采集卡將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(即A/D轉(zhuǎn)換)傳入計(jì)算機(jī)中,經(jīng)過計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的一系列處理最終獲得鋼軌斷面廓形并完成磨耗測(cè)量。

圖1 鋼軌廓形采集原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

鋼軌廓形動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)主要由檢測(cè)小車車身、高速工業(yè)相機(jī)、激光光源、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器、圖像采集卡及筆記本電腦等主要硬件組成。

2.2 硬件主要功能介紹

(1)激光光源:其主要作用是在軌面上形成連續(xù)的激光線。接通電源后,激光發(fā)射器會(huì)連續(xù)地將纖細(xì)的紅色激光線打在鋼軌斷面上,每個(gè)斷面分布1500個(gè)激光采集點(diǎn),完全可以滿足檢測(cè)的精度要求。

(2)高速工業(yè)相機(jī):其作用主要是在運(yùn)行過程中觸發(fā)式的采集鋼軌斷面廓形,并將采集到的圖像傳輸至圖像采集卡中。

(3)圖像采集卡:其作用是完成A/D轉(zhuǎn)換,即將相機(jī)采集到的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

(4)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器:其作用主要是計(jì)算檢測(cè)小車推行的里程,并每前進(jìn)2 cm觸發(fā)一次相機(jī),使其對(duì)鋼軌廓形進(jìn)行采集。

(5)筆記本電腦:其作用主要是對(duì)鋼軌廓形圖像進(jìn)行一系列處理,獲得鋼軌廓形在世界坐標(biāo)系下的真實(shí)尺寸,完成鋼軌磨耗的測(cè)量并實(shí)現(xiàn)磨耗超限報(bào)警和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框架及流程圖

鋼軌廓形動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)基于圖形化編程語言的LabVIEW進(jìn)行軟件編程設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)圖像采集、圖像處理、廓形比對(duì)、磨耗超限報(bào)警以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

3.1 圖像采集程序

圖像采集程序主要是通過調(diào)用RANGER D50高速相機(jī)預(yù)先安裝在LabVIEW中的相機(jī)工具包,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與相機(jī)的連接,從而控制相機(jī)對(duì)鋼軌斷面進(jìn)行拍攝。RANGER D50相機(jī)在拍攝時(shí)可以自動(dòng)將所拍攝的圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖,當(dāng)適當(dāng)?shù)目s短相機(jī)的曝光時(shí)間時(shí),在一個(gè)拍攝周期內(nèi)進(jìn)入相機(jī)鏡頭中的光就會(huì)減少,可以有效地降低環(huán)境中其他光線對(duì)拍攝效果的影響,得到清晰連續(xù)的鋼軌斷面輪廓。采集到的圖像如圖3所示。

圖3 采集到的鋼軌廓形圖像

3.2 圖像處理程序

圖像處理程序主要是完成對(duì)圖像二值化、圖像形態(tài)學(xué)以及圖像細(xì)化。圖像二值化是指將圖像中感興趣區(qū)域的像素值置為1,其余部分的像素值置為0。其目的是為了將感興趣區(qū)域提取出來方便后期處理。現(xiàn)實(shí)中的數(shù)字圖像在數(shù)字化和傳輸過程中常受到成像設(shè)備與外部環(huán)境噪聲干擾等影響,稱為含噪圖像或噪聲圖像。圖像形態(tài)學(xué)是指去除圖像背景中噪聲而得到真實(shí)清晰圖像的過程。輪廓細(xì)化一般是針對(duì)二值化圖像的骨架提取,可以理解為對(duì)鋼軌輪廓的中軸提取,其目的是為了將具有一定像素寬度的鋼軌輪廓細(xì)化為只有一個(gè)像素寬度。圖4所示為處理之后的圖像。

圖4 處理后的鋼軌廓形

3.3 圖像還原程序

圖像還原程序主要包括圖像的標(biāo)定和世界坐標(biāo)系下鋼軌廓形坐標(biāo)的提取。要想實(shí)現(xiàn)鋼軌磨耗的檢測(cè),必須要將處理后的鋼軌輪廓轉(zhuǎn)化到世界坐標(biāo)系下即完成圖像標(biāo)定,如圖5所示。標(biāo)定時(shí)要保證標(biāo)定板與鋼軌垂直且保持與激光處于同一平面內(nèi),標(biāo)定完成后利用NI-Vision中的Calibration Training控件將標(biāo)定圖像形成標(biāo)定模板,然后利用模板完成對(duì)采集圖像的標(biāo)定。最后,通過LabVIEW中的IMAQ Convert Pixel to Real World控件實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌輪廓世界坐標(biāo)的提取并繪制在xy圖中。如圖6所示。

圖5 圖像標(biāo)定

圖6 xy圖中的鋼軌廓形

3.4 輪廓比對(duì)與報(bào)警程序

輪廓比對(duì)是指將還原后的鋼軌輪廓與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌輪廓進(jìn)行比較,分別在距鋼軌工作邊1/3處以及軌面下16 mm處測(cè)出鋼軌的垂磨和側(cè)磨,然后根據(jù)總磨耗計(jì)算公式得到鋼軌的總磨耗,并通過設(shè)置磨耗超限閥值來實(shí)現(xiàn)磨耗超限報(bào)警。如圖7所示。

圖7 輪廓比對(duì)和報(bào)警

3.5 用戶界面

鋼軌廓形動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量信息的錄入、鋼軌廓形的坐標(biāo)顯示、鋼軌磨耗的測(cè)量、報(bào)警以及測(cè)量數(shù)據(jù)的保存。基于此,在系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)時(shí)采用選項(xiàng)卡控件分為參數(shù)設(shè)置和主界面兩個(gè)選項(xiàng)卡,通過用戶界面可以直觀地看到鋼軌的輪廓圖以及磨耗情況。如圖8、圖9所示。

圖8 用戶界面設(shè)計(jì)

圖9 用戶界面設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式

本系統(tǒng)在進(jìn)行鋼軌廓形采集和磨耗測(cè)量時(shí),每推行2 cm由旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的脈沖觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行一次廓形采集,并將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)地顯示在計(jì)算機(jī)中。傳統(tǒng)的順序設(shè)計(jì)模式將采集程序和處理程序串行處理,每進(jìn)行一次采集就要進(jìn)行一次處理,只有當(dāng)處理程序完成后才能進(jìn)行下一次采集。本系統(tǒng)采集密度非常大,實(shí)驗(yàn)表明,順序設(shè)計(jì)模式無法實(shí)現(xiàn)要求的系統(tǒng)采集功能。因此,在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí),采用了LabVIEW推出的生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式。

4.1 生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式介紹

生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式是從主/從設(shè)計(jì)模式上發(fā)展而來的,是在圖形化程序設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的模式[2]。生產(chǎn)者即為數(shù)據(jù)采集模塊,消費(fèi)者即為數(shù)據(jù)處理模塊。生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分別放入兩個(gè)并行循環(huán)之中,并依靠通信技術(shù)時(shí)刻保持兩個(gè)循環(huán)之間的通信,充分發(fā)揮了LabVIEW作為并行化程序設(shè)計(jì)語言的優(yōu)勢(shì),解決了數(shù)據(jù)采集循環(huán)和數(shù)據(jù)處理循環(huán)執(zhí)行速率不同的問題。其原理如圖10所示。

生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式采用隊(duì)列的采用隊(duì)列的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。首先,隊(duì)列在系統(tǒng)中開辟一個(gè)緩存區(qū),然后數(shù)據(jù)按照先進(jìn)先出(FIFO:First Input First Output)的原則進(jìn)入隊(duì)列[3]。最先進(jìn)入隊(duì)列的元素最先出隊(duì)列,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性;并且在數(shù)據(jù)進(jìn)入隊(duì)列時(shí)既不允許“插隊(duì)”也不允許“掉隊(duì)”,防止了數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失現(xiàn)象。具體程序框圖如圖11所示。

圖10 生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式原理圖

圖11 生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式程序框圖

4.2 生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式在鋼軌廓形采集系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

將圖像采集程序放入消費(fèi)者循環(huán)中,當(dāng)相機(jī)受到旋轉(zhuǎn)編碼器觸發(fā)后,Star.vi將會(huì)命令相機(jī)打開,然后GetImage.vi控制相機(jī)獲取圖像,采集到的圖像隨后進(jìn)入隊(duì)列中。這樣,相機(jī)便完成了鋼軌廓形的一次采集,即完成一次循環(huán)。當(dāng)檢測(cè)小車推行距離增加2 cm后,旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的脈沖將會(huì)再次觸發(fā)相機(jī)完成一次鋼軌廓形采集。以此類推,在旋轉(zhuǎn)編碼器的觸發(fā)下,相機(jī)采集到的圖像不斷地進(jìn)入隊(duì)列中,從而保證了鋼軌廓形采集的連續(xù)性。

將圖像處理模塊放入消費(fèi)者循環(huán)中,當(dāng)采集到的圖像進(jìn)入隊(duì)列后,隊(duì)列中的消息機(jī)制便會(huì)通知消費(fèi)者循環(huán),使圖像處理模塊從隊(duì)列中可以實(shí)時(shí)地讀取最先進(jìn)入的圖像,經(jīng)過二值化、圖像形態(tài)學(xué)、圖像細(xì)化、圖像標(biāo)定等一系列的處理最終將測(cè)得的鋼軌輪廓顯示在屏幕上,并與標(biāo)準(zhǔn)的鋼軌廓形進(jìn)行比較,得出鋼軌的磨耗值。

這樣,采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式后,圖像采集循環(huán)的執(zhí)行將不會(huì)再受到圖像處理模塊執(zhí)行速率的影響,采集到的圖像按照先進(jìn)先出的原則進(jìn)入隊(duì)列,圖像處理模塊每執(zhí)行完一次循環(huán)則會(huì)在隊(duì)列中取出最先進(jìn)入隊(duì)列的圖像繼續(xù)進(jìn)行處理。程序整體框圖如圖12所示。

圖12 基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式的整體程序設(shè)計(jì)框圖

5 結(jié)語

鋼軌廓形動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)作為一種非接觸式的檢測(cè)工具不僅具有檢測(cè)精度高、受人為因素影響較小、高效快速、數(shù)據(jù)易存儲(chǔ)等一系列優(yōu)點(diǎn),而且在無縫線路和普通線路中均可使用。隨著鐵路現(xiàn)代化和自動(dòng)化的快速發(fā)展,這種非接觸式的設(shè)備肯定會(huì)在鋼軌檢測(cè)維修、保障鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)安全中發(fā)揮積極作用。該系統(tǒng)目前只是一個(gè)原型,但隨著在試驗(yàn)中不斷地改進(jìn),其肯定會(huì)日臻完善,進(jìn)而滿足當(dāng)今鐵路快速發(fā)展的需求。

[1] 楊強(qiáng),林建輝,丁建明,農(nóng)漢彪.基于二維激光位移傳感器和遺傳算法的鋼軌磨耗動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)[J].中國鐵路,2012(6):85-88.

[2] 王維喜,李智.基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者的連續(xù)音頻信號(hào)采集系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009(7):129-132.

[3] 雷晏瑤,李智.基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械,2011,38(9):39-43.

[4] 孫坡,張玉明.關(guān)于直線鋼軌不均勻側(cè)磨的研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2011(9):36-38.

[5] 孟佳,高曉蓉.鋼軌磨損檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督, 2005(1):34-36.

[6] 王昊.高速軌道圖像檢測(cè)處理技術(shù)[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新,2012 (1):35-37.

[7] 王俊峰,宋文愛.基于虛擬儀器的鋼軌磨耗檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(8):156-158.

[8] 任遠(yuǎn),張友鵬,史宏章,田銘興.基于LabVIEW的超聲導(dǎo)波斷軌檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].鐵路運(yùn)營技術(shù),2010,16(2):16-19.

[9] 黃立景,王宇浩.基于LabVIEW的圖像測(cè)量技術(shù)標(biāo)定方法[J].信息科技,2012(22):204-205.

[10]張坤.基于LabVIEW圖像采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2011.

[11]鄭箭鋒,董敏,傅勤毅.鋼軌軌頭斷面激光檢測(cè)系統(tǒng)的研制[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督,2006,34(10):25-27.

[12]劉金永.小型鋼軌磨耗檢測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京交通大學(xué),2010.

Research on LabVIEW-based Dynamic Acquisition System of Rail Contour Shape

WANG Jian,WANG Ping,LI Yue,WANG Li
(MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

In manual detection method of rail abrasion,there are a series of problems:low efficiency, low precision,being not easy to store detection data,and so on.To solve those problems,a LabVIEW-based dynamic acquisition system of rail contour shape was designed and developed in this research,and the hardware structure and software design method of this system were illustrated in this paper.The main characteristics and advantages of this system are as follows:(a)this system,which takes the laser line on rail surface as detection object,is not easily affected by external factors and has high measuring accuracy;(b)with this system,the detection efficiency is so high that the detection personnel can continuously carry out the detection work by pushing the detection car on the rail surface; (c)this system,which can achieve the measurement of rail lateral and vertical abrasions as well as total abrasion,has the alarm function of abrasion over-limit and the storage function of measured data.It is concluded in this research that this system will be of great significance for improving present situation of abrasion detection by track maintenance department,and ensuring operation safety of railway system.

LabVIEW;rail contour shape;detection;abrasion

U213.4+2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.007

1004-2954(2014)08-0030-04

2013-11-20;

2013-12-02

四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011GZ0241);國家自然科學(xué)基金委高鐵聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1234201)

王 健(1990—),男,碩士研究生,E-mail:534447262@ qq.com。