基于雙目視覺技術(shù)的車輪接觸面損傷檢測方法

胡廣勝 王菁 董緒琪 尚軍營

摘要 伴隨著我國高鐵鐵路的迅猛發(fā)展以及高速列車車速的不斷提升，高速列車的行車安全問題也廣泛受到關(guān)注。其中車輪踏面對高速列車行進中的安全問題以及高速列車車速的提升都有關(guān)鍵影響，目前使用最廣泛的人工觀察安全檢測容易出現(xiàn)觀察不到位、漏檢以及耗時嚴重等問題，已經(jīng)不能滿足目前我國高速列車迅速發(fā)展的現(xiàn)狀。而伴隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，計算機人工視覺領(lǐng)域近年來也有較大突破與進展，其中雙目視覺系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用于不同條件下的人工視覺系統(tǒng)中。利用雙側(cè)成像方法對車輪踏面進行拍攝，根據(jù)拍攝圖像以及雙目視覺系統(tǒng)，重新構(gòu)建車輪踏面的三維立體信息，由此判斷踏面擦傷故障，且較之人工檢測可以全方位的對車輪踏面進行檢測并且大幅度提升檢測效率。

【關(guān)鍵詞】雙目視覺系統(tǒng) 車輪踏面擦傷 檢測

1 引言

至2016年末我國高鐵運營里程己達2 2萬公里，較08年翻了近32倍，預(yù)計2020年達到3 8萬公里的運營里程。在高速鐵路迅速發(fā)展的同時，高速列車的安全檢測也成為重中之重，傳統(tǒng)的高速列車檢測方法為人工檢測，通過肉眼對每輛進站列車或者新造列車進行觀測，判斷其是否存在故障或者安全隱患。這種檢測方式存在著許多弊端：

（1）由于列車的結(jié)構(gòu)原因，許多部位人眼無法直接觀測到，導致列車許多部位無法檢測;

（2）通過人眼觀測的方式長時間作業(yè)，容易造成疲勞作業(yè)，對觀測結(jié)果精度產(chǎn)生影響，出現(xiàn)故障漏報的可能;

（3）這種傳統(tǒng)的檢測方式極為耗時，大幅度降低作業(yè)效率，提升人工成本。為避免傳統(tǒng)檢測方式的種種弊端，我們引入計算機視覺系統(tǒng)進行高速列車的安全檢測。

隨著計算機視覺和人工智能的發(fā)展，應(yīng)運而生許多可用于實際生活生產(chǎn)的理論系統(tǒng)，其中雙目視覺系統(tǒng)就是模仿人眼成像并利用計算機相關(guān)知識而產(chǎn)生的一套可以讓計算機通過成對的二維圖像信息來認知三維環(huán)境信息的系統(tǒng)，計算機通過雙目視覺系統(tǒng)獲得了感知三維環(huán)境中物體集合信息（如形狀、位置、運動姿態(tài)等），以及進一步對它們進行描述、存儲以及識別的能力。通過這種能力，我們可以利用計算機對車輪踏面進行圖像采集，并對采集后的圖像進行分析與計算，從而建立出車輪踏面的三維信息環(huán)境，根據(jù)踏面的三維信息中的高度信息來判斷踏面是否有擦傷故障，并在終端屏幕顯示故障圖像、故障信息以及存儲檢測報文，有檢測人員在終端進行故障研判。通過該系統(tǒng)可以大幅度提升檢測人員的作業(yè)效率以及故障精度的提升。

2 車輪踏面擦傷故障

目前我國高速鐵路主要運行車輛為動車組，動車組的主要構(gòu)成部分有：車體、轉(zhuǎn)向架、車輛連接裝置、制動裝置、車輛內(nèi)部設(shè)備、牽引傳動系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)。

其中轉(zhuǎn)向架為支撐車體并使之在軌道上運行的裝置，也稱為行走部分。轉(zhuǎn)向架的主要組成為：

（1）輪對軸箱裝置（軸箱與軸承裝置是聯(lián)系構(gòu)架和輪對的活動關(guān)節(jié)）;

（2）彈性懸掛裝置（轉(zhuǎn)向架在輪對與構(gòu)架之間和構(gòu)架與車體之間，設(shè)置懸掛裝置）;

（3）構(gòu)架（轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)，把轉(zhuǎn)向架各零部件組成一個整體）;

（4）軸箱定位裝置（約束輪對與構(gòu)架之間的相對運動機構(gòu)）;

（5）牽引裝置（車體與轉(zhuǎn)向架的連接裝置）：

（6）回轉(zhuǎn)阻尼裝置（抑制高速轉(zhuǎn)向架蛇形運動）;

（7）抗側(cè)滾裝置（抗側(cè)滾扭桿）;

（8）制動裝置（復(fù)合制動，即電制動+空氣制動）。

輪對為轉(zhuǎn)向架中重要的部件之一，又是影響車輛運行安全的關(guān)鍵部件之一。輪對主要有車輪、車軸、制動盤、齒輪箱等組成。動車組車輪通常采用整體車輪，它包括踏面、輪緣、副板等部分。車輪與鋼軌的接觸面稱為踏面。由于車輪在軌面上滑行，而把圓錐形踏面磨成一塊或數(shù)塊平面的現(xiàn)象叫做踏面擦傷。造成踏面擦傷的原因有：

（1）車輪材質(zhì)過軟;

（2）制動力過大;

（3）制動緩解不良;

（4）調(diào)車溜放時單方面使用鐵鞋;

（5）同一輪對兩輪直徑相差過大。

車輛經(jīng)過長期運行后會產(chǎn)生踏面擦傷故障，列車在踏面擦傷的情況下運行會引起車輛振動過大、加速車輛震動過大以及破壞鋼軌的現(xiàn)象。從而對車輛的行車安全造成隱患，且被破壞的鋼軌可能對其他行進車輛造成安全隱患。所以對踏面的安全檢測極為重要。由于踏面本身的構(gòu)成結(jié)構(gòu)，其與車體之間空隙僅為18mm，

很難通過肉眼對踏面的全部部分進行觀察，所以采用雙目視覺系統(tǒng)結(jié)合外部硬件技術(shù)對踏面進行計算機檢測。

3 雙目視覺故障檢測系統(tǒng)

3.1 雙目視覺系統(tǒng)概論及數(shù)學原理

雙目視覺又稱雙目立體視覺，是基于視差原理，用同一被測物體的多幅圖像來獲取物體的三維幾何信息的方法。在機器視覺系統(tǒng)中，雙目視覺一般由雙攝像機從不同角度同時獲取被測物體的兩幅數(shù)字圖像，或者由單攝像機在不同時刻從不同角度獲取被測物體的兩幅數(shù)字圖像，然后基于視差原理即可恢復(fù)出被測物體的三維幾何信息，重建被測物體的三維形狀與位置。從目前機器視覺理論的發(fā)展情況來看，雙目立體視覺在機器視覺研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。

雙目立體視覺是基于視差原理測量被測物體的景深信息，由三角法原理進行三維信息的獲取，即由兩個攝像機的圖像平面和被測物體平面三者構(gòu)成一個三角形。己知兩個攝像機之間的位置關(guān)系，便可以獲得兩攝像機公共視場內(nèi)物體的三維尺寸及空間物體特征點的三維坐標。

因此，只要我們通過計算機標定技術(shù)獲得左右計算機內(nèi)參數(shù)/焦距fr，fi和空間點在左右攝像機中的圖像坐標，就能夠重構(gòu)出被測點的三維空間坐標。

3.2 雙目視覺故障檢測系統(tǒng)流程

雙目視覺系統(tǒng)先根據(jù)張定友標定法進行相機內(nèi)參標定，再由硬件設(shè)備采集成對的踏面圖像，并對圖像進行校正、邊緣提取、特征匹配取得踏面視差圖（包含踏面三維環(huán)境信息）。在視差圖像上對踏面特征進行檢測，識別是否存在擦傷故障，并向終端輸出故障信息，如圖2所示。具體步驟為：

（1）圖像獲取，有兩組攝像機分別對踏面進行同時拍攝，從而獲取踏面的圖像對;

（2）根據(jù)獲取的成對的踏面圖像經(jīng)過雙目視覺系統(tǒng)預(yù)處理生成踏面的視差圖像;

（3）在視差圖像上確定感興趣區(qū)域，其中感興趣的區(qū)域為車輪損傷的區(qū)域;

（4）二值化處理，將視差圖像的感興趣區(qū)域和非感興趣區(qū)域進行二值化處理，形成灰度值為O或255的分布圖效果，得到二值化圖像;

（5）實時判斷，系統(tǒng)根據(jù)得到的二值化圖像的形態(tài)學特征、擦傷的大小特征、邊緣特征，從每張?zhí)っ鎴D像中分析存在的擦傷;如系統(tǒng)認定存在隱患，進行報警，及時通知工作人員。

3.3 踏面擦傷故障識別

下面通過踏面擦傷故障實例，來詳細說明其標定、定位、和故障識別算法。

首先通過硬件設(shè)備拍攝標定相機內(nèi)參用的棋盤格圖片。拍攝后的成對圖像如圖3所示。

通過張正友標定法分別對左右攝像機進行標定計算左右攝像機內(nèi)參，計算結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)兩側(cè)攝像機的標定結(jié)果（攝像機內(nèi)參）對含有踏面擦傷故障進行檢測，確定故障區(qū)域。

圖5為自動化硬件雙目攝像頭裝置拍攝到的踏面擦傷故障圖片，首先對圖片做預(yù)處理，使圖片內(nèi)容簡化突出。圖6為對原圖像進行預(yù)處理后的圖像。然后定位圖中的踏面大致區(qū)域，利用雙目視覺系統(tǒng)算法以及張正友標定法計算得到的雙側(cè)攝像機內(nèi)參數(shù)對圖片進行識別。計算出踏面平面上的距離差值，找出同一平面中高度略低于周邊的部位，根據(jù)其形狀和深度判定為踏面擦傷故障。

如圖7所示，經(jīng)過對原圖像進行預(yù)處理后，圖像上的噪聲減少并突出了圖像中的踏面擦痕，經(jīng)過雙目視覺系統(tǒng)計算后，可以得出圖像中每個像素點的高度信心，通過對高度信息的對比，找出該平面中不處于同一平面的高度位置，并計算其形狀與面積大小后最終確定踏面擦傷的位置與大小。

4 結(jié)論

在某些應(yīng)用場景，機器視覺比人類的生理視覺更具優(yōu)勢，它更加準確、客觀和穩(wěn)定。在有了成熟的圖像識別技術(shù)之后，加以人工智能的支持，計算機就可以自行對獲得的圖像、視頻信息進行分析和判斷，發(fā)現(xiàn)異常情況直接報警，帶來了更高的效率和準確度。本文利用硬件設(shè)備拍攝照片并利用雙目視覺系統(tǒng)對圖片中的踏面擦傷故障進行識別檢測，相比于傳統(tǒng)的故障檢測方法，其優(yōu)點有：第一，大幅度提升工作效率與準確率。第二，故障識別也增加了更多的圖像處理手段，增加算法的靈活性。因此，本文采用的基于雙目視覺技術(shù)的車輪踏面擦傷檢測故障識別方法，具有更強的適應(yīng)性、靈活性、可靠性。幫助我們更好的完成更多的任務(wù)。

參考文獻

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