[发明专利]基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁路基础设施检测领域的设备，具体是一种基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统与方法。

背景技术

铁路作为一项关系国计民生的重大项目，其安全维护至关重要。随着铁路里程的增加，列车速度的提高，对铁路基础设施状态监控的需求急速上升。扣件是铁路基础设施中非常关键的设施之一，扣件缺失将对行车安全具有决定性的影响。传统的人工检查和养护已经不能满足要求，所以各种轨道检测设备应运而生。目前铁路扣件的检测方法主要分为以下三种：

第一种是人工检测：由铁路养护人员定期进行轨道人工巡检，发现扣减的缺失和松动后，进行及时的补偿和安装。其优点是发现扣件缺失后，可立即进行维护。其缺点是养护费用高，强度高，安全性差，需要回避列车运行时间。该方法主要在低速列车轨道检测中较为常用。

第二种是基于线阵激光的连续扫描装置：例如德国Sick公司等，利用相关的硬件和软件进行连续的扫描，然后进行图像拼接和分析，通过连续分段的分析获取轨基、轨枕和扣件信息，进行相关的位置判断和结构信息处理，获取扣件的状态信息。其优点是系统组成简单，易于维护。其缺点是检测速度较低，通用性不高。

第三种是基于面阵图像传感器的计算机视觉检测装置：如美国ENSCO公司的VIS系统、德国Atlas Electronic公司开发的光电式轨道检测系统及北京福斯达公司高速车载式轨道图像识别系统等。这种方法都是采取用高速摄像机采集扣件完整图片，然后进行图像处理，判断扣件是否存在。其优点是准确率高、智能化程度高。其缺点是检测速度较低，报道的最高速度为150km/h，无法满足高速铁路的需求，有时需要过多的人工干预。

发明内容

本发明为了解决现有扣件缺失探测技术的问题，提出一种基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统与方法，有效解决了探测准确性和列车运行高速度的矛盾，实现铁路扣件的高速探测与识别。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种基于激光和视觉的铁路扣件缺失高速探测系统，该探测系统由控制中心、激光定位系统和视觉识别系统三个部分组成，三个组成部分同处于安装在列车车厢下方的探测器内，正对扣件所在区域的正上方。激光定位系统和视觉识别系统沿着列车运行的方向前后错开布置，激光定位系统在前，视觉识别系统在后，二者距离恒定。在列车运行过程中，当探测器到达扣件所在区域上方时，由激光定位系统对扣件的位置进行自动探测和定位，并发出同步信号，触发视觉识别系统工作，从而保证扣件探测的高速度和高准确率。当视觉识别系统接收到来自激光定位系统的同步信号之后，实时采集扣件区域的图像，并实时将图像数据送入图像处理电路，进行图像处理和识别，并对于缺失扣件的图像进行存储。

第一部分为控制中心：

控制中心负责对激光定位系统和视觉识别系统进行统一的控制，并将探测结果传输到列车上，并记录扣件缺失的图片与里程信息。

控制中心由通行的工业控制计算机组成，包括与车上联络的通讯接口。

第二部分为激光定位系统：

扣件作为固定钢轨的装置，本身应该固定在相应的基座上。扣件固定基座在常规的有砟轨道中为轨枕，在高速铁路上则多为固定在水泥基座上的金属基板。由于扣件的高度相对于路基要有相当程度的凸起，因此利用扣件及其基板的凸起产生的垂直于轨面的位移，可以进行扣件安装位置的准确判断和定位。

本发明的激光定位系统与常规的激光三角测距传感器类似，由半导体激光器、发射镜组、接受镜组、光电阵列和光电处理电路组成。与常规的激光三角测距所不同的是，本发明的激光定位系统采用若干个高速半导体光电管形成的一维光电阵列代替常规激光三角测距传感器中的线阵CCD或PSD完成三角测距测量。

本发明的激光定位系统的工作过程如下：由激光器发出的光束经过发射镜组后形成准直激光束，垂直向下投射到扣件所在区域上并形成一个光斑。该光斑经过接收镜组后成像在半导体光电管阵列上，将使得半导体光电管阵列中的某个或某几个光电管导通并产生相应的电信号输出。光电管阵列输出的电信号送入光电处理电路，通过逻辑分析处理后，形成最终的同步信号输出。