基于信息融合技术列车轮对踏面损伤在线检测与识别方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学测量技术领域，特别涉及一种列车轮对踏面损伤在线检测和识别方法。
【背景技术】
[0002]车轮是列车重要的走形部件，对列车的安全运行起着关键性的作用。而列车车轮的运行环境极其恶劣，除了与钢轨、道岔的撞击和摩擦外，还会遭受到雨水、油污、腐蚀剂等的侵蚀，这样车轮在运行一段时间后经常会产生一定程度的损伤和缺失，尤其是列车在紧急制动时，由于摩擦产生的高温会使车轮踏面出现擦伤、剥离、裂损及掉块等现象，这些统称为踏面损伤，列车踏面损伤是列车轮对在线检测中最难测量的一个参数。常见的车轮踏面损伤包括踏面擦伤、踏面剥离、踏面碾堆、失圆(局部凹陷)等。由于列车在行驶过程中，轮对踏面与钢轨接触，因此轮对踏面损伤部位很难定位，同时列车在运行时钢轨的振动给测量带来很大误差。
[0003]目前国内踏面损伤的检测多采用静态的检测方法:当列车入库后采用眼看、锤敲、听声的方法进行人工排查，由于人为因素、故障所在部位、环境条件等的影响难以及时发现车轮踏面故障。有科研人员提出一种轮对踏面缺陷在线检测与识别系统，它利用机器视觉或光电传感器的方法，将检测系统固定安装在列车行驶的钢轨上，当列车进入测量区域时，由视觉系统代替人眼动态检测缺陷并作出判断，并对缺陷进行分类。这些方法一方面可以大大节省车轮维护的经济成本和人力成本，另一方面还可以同时保证检测的可靠性和重复性。这方面的技术方案包括:中国发明专利申请“一种基于图像拍照形式的车轮踏面缺陷识别”(专利申请号:201210475411.7)提出的利用图像拍照形式车轮踏面缺陷擦伤和剥离检测方法；中国发明专利申请“机车轮对全周踏面表面缺陷在线动态检测装置”(专利申请号:201010575920.8)提出的利用红色LED光源和线阵CXD采集图像车轮踏面缺陷擦伤和剥离检测方法。本专利申请人也曾在中国发明专利申请“车轮踏面缺陷非接触式动态检测装置及其检测方法”(专利申请号:201110361994.6)中提出一种利用激光位移传感器和CCD摄像技术踏面擦伤和剥离检测方法。
[0004]但是，目前检测方案主要针对轮对踏面的擦伤和剥离，而对于轮对踏面碾堆、失圆及擦伤和剥离混合等情况的在线检测技术和系统报道甚少；同时与一般情况下目标检测和识别方式不同，由于轮对踏面损伤在线检测的高速度、高精度的要求，使得高速列车轮对踏面损伤检测和识别方法面临着以下主要问题:
[0005](I)图像干扰因素多。在高速情况下，检测装置和系统可能随着列车的振动产生移动或小角度的旋转，并且现场环境、光照变化和天气等因素可能对图像引入噪声、模糊带和阴影区域，使得一般的检测方法和技术容易受到干扰。
[0006](2)车轮踏面损伤包括踏面擦伤、踏面剥离、踏面碾堆、失圆(局部凹陷)等，而车轮踏面损伤形成前踏面会有裂纹出现，同时踏面经常会受到油污、灰尘等因素的干扰，这些参数的纹理特征不尽相同，因此单一的检测装置和方法不能有效地识别。
[0007](3)检测速度和精度要求。由于列车轮对踏面损伤在线检测与识别方法的速度要求，一般的目标检测和识别方法不能同时满足在线高速度和高精度的要求。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、自动化程度高、检测速度快、检测精度高、多参数检测的列车轮对踏面损伤在线检测与识别方法。
[0009]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
[0010]一种基于多视觉列车轮对踏面损伤在线检测与识别方法，其步骤为:
[0011](I)图像获取:利用黑白相机获取轮对踏面灰度图像，利用近红外线激光器和近红外相机获取轮对踏面线图像并将线图像拼接成一幅全景图像；
[0012](2)图像预处理:包括对图像进行噪声干扰去除，图像二值化及图像分块；
[0013](3)损伤初步检测:对近红外图像进行形态学处理，剔除伪损伤，标记损伤位置，获得损伤株度及失圆；
[0014](4)损伤精确定位:近红外图像处理结果与灰度图像处理结果进行数据融合，对踏面损伤标记和定位，经过形态学处理获得损伤的纹理和面积，对踏面裂纹进行形态学处理获得裂纹的长度；
[0015](5)损伤的判定:提取和选择踏面裂纹、碾堆、擦伤和剥离区域的特征，设计并训练一个BP神经网络，并使用BP神经网络对缺陷进行分类，通过终端处理单元记录列车轮对踏面擦伤、剥离、失圆、碾堆、裂纹等损伤信息，不仅有利于技术人员在列车停靠时对车轮进行有针对性的复检，还能为车轮、机车及线路的运行情况分析提供参考。
[0016]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0017](I)本发明的检测和识别速度快，保证了列车轮对踏面损伤在线检测的速度要求。本发明不同于一般的检测方法，直接对整幅图像进行处理，而是采用分块提取车轮踏面区域的算法，从而达到去除非车轮踏面区域对检测结果的影响和节约算法时间的目的。
[0018](2)本发明的检测精度高。车轮踏面损伤的形态复杂，不同类型的缺陷灰度特征不一样，同时经常存在缺陷混合的现象，而且踏面表面经常受到油污、灰尘等伪缺陷，因此不同于一般的单一、同类型的目标检测和识别，因此如何有效地将图像上所有缺陷同时检测出来，是一个难点。本发明巧妙地将近红外图像检测结果和黑白图像检测结果组合起来，从而很好地同时检测出车轮踏面多种损伤并剔除伪缺陷，解决了这个问题。
[0019](3)本发明采用了信息融合中的表决算法从而进一步保证检测结果的准确性，利用了近红外图像和黑白图像的各自特点及互补性，通过“或”和“与”处理，根据车轮踏面损伤的特点，综合评判检测结果，可以实现车轮踏面损伤的全面评估。
【附图说明】
[0020]图1为列车轮对踏面损伤在线检测与识别装置的结构示意图。
[0021]图2为实施例中列车轮对踏面损伤在线检测与识别装置的原理图。
[0022]图3为本发明的总体流程示意图。
[0023]图4为实施例中列车轮对踏面损伤在线检测与识别装置现场安装示意图。
[0024]图5为实施例列车轮对踏面损伤在线检测与识别装置近红外图像采集示意图。
[0025]图6为实施例中黑白单元图像处理的流程图。
[0026]图7为实施例中近红外单元图像处理的流程图。
[0027]图8为实施例中信息融合轮对踏面损伤识别算法流程图。
【具体实施方式】
[0028]以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0029]如图1和图2所示，本发明包括终端处理单元3，还包括设置在钢轨一侧的定位传感器1，定位传感器I与终端处理单元3相连，终端处理单元3与设置在钢轨两侧的近红外摄像单元2和黑白摄像单元4相连，近红外摄像单元2由近红外相机22和近红外线激光器21组成。列车行走的时候钢轨都是成对设置的，所述钢轨一侧设置定位传感器I是指成对设置的钢轨中，其中一条钢轨的一个侧面设有定位传感器1，所述钢轨两侧设置近红外摄像单元2和黑白摄像单元4是指两条钢轨20的外侧面均设有近红外摄像单元2，内侧面均设有黑白摄像单元4，对于其中任一条钢轨，近红外摄像单元2和黑白摄像单元4位于钢轨20的一侧。
[0030]所述定位传感器I是两个电涡流传感器或两个光电开关，所述近红外摄像单元2是指近红外相机22和近红外线激光器21。通过定位传感器I检测列车的行驶速度，通过近红外摄像单元2和黑白摄像单元4拍摄轮对踏面损伤的图像，将数据传输到终端处理单元3。
[0031]如图3所示，本发明的基于信息融合技术列车轮对踏面损伤在线检测与识别方法，其流程