一种有轨电车梯形道岔变形监测系统及方法与流程

本发明属于梯形道岔监测技术领域，更具体地，涉及一种有轨电车梯形道岔变形监测系统及方法。

背景技术：

有轨电车具有建造成本低、建设难度低、节能环保、共享路权等优点，目前已在多个城市成功应用并普遍推广。梯形道岔是将一直股钢轨和多个曲股钢轨相结合的道岔，能在有限的空间内实现多股变线的功能，可以在短距离内将车辆引导至各股道上，并且具有占地少等优越性，因此在有轨电车车辆基地内广为应用。

铁路钢轨的状态监测现有技术中已有研究，但目前还没有专门针对梯形道岔形变的监测系统，又由于梯形道岔结构的复杂的特殊性，较小的形变就会产生很大的影响，因此需要设计专门针对梯形道岔的形变监测系统，以保证车辆运行的安全性。

对铁路钢轨的状态进行监测，常用的监测方式有电阻应变片、视频图像处理技术、红外热成像、振弦式测试、电涡流等进行应力监测、位移监测、温度监测；如图1所示，梯形道岔包括基础轨、尖轨、曲轨道和三开叉心，结构比较精细复杂，常规的监测方式不能适应于梯形道岔的全方面监测。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供有轨电车梯形道岔变形监测系统和方法，设置变形数据监测系统，在梯形道岔的基本轨、尖轨前端、尖轨根部和心轨辙叉设置光纤光栅传感器并且与各处轨道耦合，在心轨和尖轨区域设置摄像装置，将轨道根据形状分段，分别监测，以满足梯形道岔的复杂性；设置数据采集单元将变形数据监测系统监测到的数据进行传输，设置管理分析单元对摄像装置拍摄的图像进行处理和对光纤光栅传感器采集的信息进行处理，得到各处轨道对应的变形量，从而得到梯形道岔基本轨、心轨和尖轨处的形变对梯形道岔形成全面准确的监测。

为了实现上述目的，本发明提供一种有轨电车梯形道岔变形监测系统，梯形道岔包括尖轨、心轨和基本轨，包括变形数据测量单元、数据采集单元和管理分析预警单元；

所述变形数据测量单元包括光纤光栅传感器和摄像装置，所述光纤光栅传感器设置在所述基本轨、尖轨的前端和根部、心轨的辙叉处且与各处轨道变形耦合，所述摄像装置为若干个且分别布置在所述心轨和尖轨处；

所述数据采集单元包括光纤数据传输模块、与所述光纤光栅传感器双向连接的带宽光源、与所述带宽光源连接的光纤光栅调节仪，所述光纤数据传输模块的一端与所述光纤光栅调节仪和摄像装置连接，另一端与所述管理分析预警单元连接；

所述管理分析预警单元包括图像处理模块和数据处理模块，所述图像处理模块用于对所述摄像装置拍摄的图像进行处理获取变形量，所述数据处理模块用于对所述光纤光栅传感器检测的信息进行处理获取变形量。

进一步地，所述图像处理模块包括像素点位置提取模块、变形量测算模块和图像混合加权模块；

所述像素点位置提取模块用于建立坐标系并提取照片中的各个像素点的位置；

所述图像混合加权模块用于对连续拍摄的若干张照片进行筛选并加权求均值；

所述变形量测算模块用于利用间隔一段时间的前后两张照片的同一像素点的位置关系获取变形量。

进一步地，所述图像处理模块包括图像筛选模块、图像切割提取模块和图像重合比对模块；

所述图像筛选模块用于对清晰度差或角度偏差大的图像进行删除，并将角度相同的照片归为一类；

所述图像切割提取模块用于对同一类的照片建立相同的坐标系提取各像素点的参数并绘制对应的二维平面图；

所述图像重合对比模块用于对间隔一段时间的两张相同类的照片对应的二维平面图进行比对，并完成若干个不同二维平面的对比以得到相应的变形量。

进一步地，所述管理分析预警模块还包括预存有各变形量对应的阈值的预警模块，所述预警模块用于接收检测的变形数据并与预存的阈值进行比对并在超阈值时发出预警。

进一步地，所述摄像装置为角度和高度可调节的装置，且所述摄像装置上设有与所述管理分析预警单元连接的控制模块。

进一步地，分布在所述基本轨、尖轨的前端和根部以及心轨辙叉处的若干个所述光纤传感器均并联设置。

作为本发明的另一个方面，提供一种有轨电车梯形道岔变形监测方法，其特征在于，

s1预警模块中输入梯形道岔各处对应的变形量的阈值；

s2布置光纤光栅传感器和摄像装置；

s3利用所述光纤光栅传感器和高清摄像头采集梯形道岔的变形数据；

s4利用图像处理模块和数据处理模块对所述摄像装置拍摄的信息和所述光纤光栅传感器检测的信息进行处理，获得各处轨道的变形数据。

进一步地，步骤s4具体包括：

s41提取照片上的像素点，并确定个像素点的位置：以标记靶上确定点的位置为中心建立坐标像素(xi，yi，zi)，i＝0，1,2,3,4……n，i对应不同的像素点；

s42对其中误差较大的像素点值进行剔除后求加权均值，获得对应的像素点的坐标位置(x′i，y′i，z′i)；

s43提取间隔时间t后对应的各像素点的位置,确定对应各像素点移动之后的位置(xti，yti，zti)；

s44对间隔时间t后的各像素移动位置进行加权求均值，获得对应像素点时间间隔t后的坐标位置(x′ti，y′ti，z′ti)；

s45获取各像素点的变形量，包括位移量、倾斜角、弯曲程度

利用公式计算像素点三维空间的位移，利用公式计算各个方向上的位移量，根据建立的坐标系和各方向的位移量可以计算出倾斜角或弯曲程度。

进一步地，步骤s4具体包括：

s41删除照片中拍摄角度偏差较大或者清晰度较差的照片，将相同角度的照片归为一类并标记序号；

s42并对同一类照片建立相同的坐标系，提取照片中的各像素点的信息，绘制出各结构或像素点对应的若干个二维平面图；

s43对间隔一段时间属于同一类的同一二维平面的两张图进行重合比对，获得此方向上的位移量，采取同样的方式对其他二维平面的两张相应的图进行比对，通过两个或两个以上不同二维平面的比对数据可以得到倾斜角或弯曲等变形情况。

进一步地，在所述摄像装置的视野范围内设置标记靶，并标记靶作为参考点。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的有轨电车梯形道岔变形监测系统，设置变形数据监测系统，在梯形道岔的基本轨、尖轨前端、尖轨根部和心轨辙叉设置光纤光栅传感器并且与各处轨道耦合，在心轨和尖轨区域设置摄像装置，将轨道根据形状分段，分别监测，以满足梯形道岔的复杂性；设置数据采集单元将变形数据监测系统监测到的数据进行传输，设置管理分析单元对摄像装置拍摄的图像进行处理和对光纤光栅传感器采集的信息进行处理，得到各处轨道对应的变形量，从而得到梯形道岔基本轨、心轨和尖轨处的形变对梯形道岔形成全面准确的监测。

附图说明

图1是梯形道岔的结构示意图；

图2是本发明实施例中变形数据测量单元中各监测部件的分布位置示意图；

图3是本发明实施例中梯形道岔变形监测系统的结构示意图；

图4是本发明实施例中图像处理模块结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-尖轨、2-心轨、3-基本轨、4-光纤光栅传感器、5-摄像装置、6-带宽光源、7-光纤光栅调节仪、8-数据传输模块、9-存储模块、10-图像处理模块、11-数据处理模块、12-预警模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图2是本发明实施例中变形数据测量单元中各监测部件的分布位置示意图。图3是本发明实施例中梯形道岔变形监测系统的结构示意图。如图2和图3所示，本发明的监测系统包括变形数据测量单元、数据采集单元和管理分析预警单元，变形数据测量单元包括光纤光栅传感器4、摄像装置5和标记靶。

光纤光栅传感器包括若干个，若干个光纤光栅传感器4布置在基本轨、尖轨前端、尖轨根部和心轨辙叉的位置，且与基本轨、尖轨前端、尖轨根部和心轨辙叉处变形耦合，光纤光栅传感器4用于测量轨道内部应变和小位移形变；且分布在基本轨、尖轨前端、尖轨根部和心轨辙叉处的光纤传感器4之间并联设置，相互独立互不干扰。

摄像装置5设置在心轨和尖轨区域，优选地，摄像装置5位高清摄像头，高清摄像头利用视频感知技术和图像处理技术测量道岔区尖轨和心轨的大变形，如尖轨的伸缩量、弯曲或倾斜角，心轨的位移等。标记靶与高清摄像头匹配设置，标记靶设置在高清摄像头的镜头范围内，每一处高清摄像头对应设置至少一处标记靶，标记靶作为参考点用于对尖轨或心轨的变形量进行分析。优选地，标记靶为固定在地面或轨道上的结构，或仅为标记，或其他已经存在的参考物，只要是可以用于作为尖轨或心轨变形测量的参考点就可。

优选地，摄像装置5为角度和高度可调节的装置，摄像装置5上设有控制模块，控制模块与管理分析预警单元连接，通过管理分析预警单元控制调节摄像装置5的高度和角度。

数据采集单元包括宽带光源6、光纤光栅调节仪7、数据传输模块8和存储模块9。宽带光源6与光纤光栅传感器4双向连接，宽带光源6与光纤光栅传感器4之间设置两条传输光纤，宽带光源6发出光通过传输光纤传到光纤光栅传感器4，入射光遇到光纤光栅传感器4后发生反射，反射后再传回采集中心，经光纤光栅调节仪7调节。

光纤光栅调节仪7与数据传输模块8连接，光纤光栅调节仪7将光纤光栅传感器4传输回来的信息传输给数据传输模块8；摄像装置5与数据传输模块8连接，摄像装置5拍摄的图像传输到数据传输模块8。存储单元9用于与数据传输模块连接，用于存储光纤光栅传感器4和高清摄像头5监测的数据，对数据进行备份。

管理分析预警单元包括图像处理模块10、数据处理模块11和预警模块12，数据传输模块8与图像处理模块10和数据处理模块11连接。数据传输模块8将光纤光栅调节仪7监测的信息直接传输到数据处理模块11，将高清摄像头5拍摄的图像传输到图像处理模块10进行处理。图像处理模块10经过处理后得到的基本轨、尖轨或心轨的变形数据传输到预警模块12，预警模块12中预存有各变形量对应的阈值，当预警模块12接收到的实际监测的变形数据大于或等于对应的阈值时，预警模块12发出预警。

实施例1：

图像处理模块10包括像素点位置提取模块101、变形量测算模块102和图像混合加权模块103，摄像装置5拍摄视频或者连续拍摄10张以上的照片，连续拍照的频率大于100次/秒，若拍摄的为视频则图像处理模块10首先对视频进行截图，截取时间间隔在0.1秒以内的若干张照片；

像素点位置提取模块101用于找出照片上的若干个像素点，并确定照片上各像素点对应的位置：以标记靶上确定点的位置为中心点(0,0)，建立坐标像素(xi，yi，zi)，其中，i＝0，1,2,3,4……n，i对应不同的像素点。对若干张连续的照片或0.1秒内截取的若干张照片均采用上述方式，确定对应像素点的位置，若干张照片的标记靶的确定点相同，且每张照片上同一像素点对应的序号i相同，从而得到每张照片上每个像素点的坐标位置。

图像混合加权模块103对若干张照片中每个像素点对弈的坐标位置进行加权求均值，优选地，对其中误差较大的像素点值进行剔除后求加权均值，获得对应的像素点的坐标位置(x′i，y′i，z′i)，避免摄像装置拍摄过程中因相机或者其他因素的影响产生测量误差，提高检测的精度。

像素点位置提取模块101提取间隔时间t后对应的各像素点的位置，同样以同样标记靶确定点的位置为中心点，确定对应各像素点移动之后的位置(xti，yti，zti)，图像混合加权模块103对间隔时间t后的各像素移动位置进行加权求均值，获得对应像素点时间间隔t后的坐标位置(x′ti，y′ti，z′ti)。

变形量测算模块102对像素点位置提取模块101和图像混合加权模块103处理后的各个像素点的位置信息进行处理：利用公式计算像素点三维空间的位移，利用公式计算各个方向上的位移量，根据建立的坐标系和各方向的位移量可以计算出倾斜角或弯曲程度等变形量。

实施例2：

图像处理模块10包括图像筛选模块104、图像切割提取模块105和图像重合比对模块106，高清摄像头5以大于100次/秒的频率连续拍摄照片或拍摄连续视频，图像筛选模块104中包括图像截屏元件和图像筛选元件，图像截屏元件对视频进行截图，图像筛选元件用于对照片中拍摄角度偏差较大或者清晰度较差的图像进行删除，同时图像筛选元件将角度相同的照片归为一类并标记序号。

图像切割提取模块105对经图像筛选元件筛选后的照片进行信息提取，图像切割提取模块105对同一类的照片建立相同的坐标系，并从中提取各像素点在坐标系中的参数，从而绘制出各结构对应的若干个二维平面图，此过程类似于切割一个立体图的截面。

图像重合对比模块106对间隔时间t的属于同一类的同一二维平面的两张图进行重合比对，采取同样的方式对其他二维平面的两张相应的图进行比对，通过比对很直观的可以读出对应方向上的位移，通过两个或两个以上不同二维平面的比对数据可以得到倾斜角或弯曲等变形情况。

本发明还提供一种有轨电车梯形道岔变形监测方法，具体步骤包括：

s1预警模块中输入梯形道岔各处对应的变形量的阈值，包括基本轨、尖轨前端、尖轨后端、心轨的伸缩量、弯曲或倾斜角对应的阈值；

s2布置光纤光栅传感器4和摄像装置5

将若干个光纤光栅传感器4布置在基本轨、尖轨前端、尖轨根部和心轨辙叉处，并使得光纤光栅与各处的变形耦合，通过光纤光栅传感器4测量轨道内部应变和小位移形变；优选地，各处的光纤光栅传感器4并联设置，相互独立互不干扰；

将摄像装置5设置在心轨和尖轨区域，并调节好摄像装置5的角度和高度，优选地，在摄像装置5的视野范围内设置标记靶，标记靶作为参考点；

s3光纤光栅传感器4和高清摄像头5采集梯形道岔的变形数据

打开宽带光源，宽带光源6发出光通过传输光纤传到光纤光栅传感器4，入射光遇到光纤光栅传感器4后发生反射，反射后再传回采集中心，经光纤光栅调节仪7调节后将检测到的变形数据通过数据传输模块8传输给数据处理模块；

s4利用图像处理模块10和数据处理模块11对摄像装置(5)拍摄的信息和光纤光栅传感器4检测的信息进行处理，获得各处轨道的变形数据。

高清摄像头5将拍摄的视频或照片通过数据传输模块8传送给图像处理模块10，图像处理模块10对视频进行截图得到若干张截照片，图像处理模块10对照片进行处理，具体的步骤如下：

实施例1

s41提取照片上的像素点，并确定个像素点的位置：以标记靶上确定点的位置为中心点(0,0)，建立坐标像素(xi，yi，zi)，且若干张照片的标记靶的确定点相同；

其中，i＝0，1,2,3,4……n，i对应不同的像素点，且每张照片上同一像素点对应的序号i相同；

s42对其中误差较大的像素点值进行剔除后求加权均值，获得对应的像素点的坐标位置(x′i，y′i，z′i),以避免摄像装置拍摄过程中因相机或者其他因素的影响产生测量误差，提高检测的精度；

s43提取间隔时间t后对应的各像素点的位置,确定对应各像素点移动之后的位置(xti，yti，zti),以上述同样标记靶确定点的位置为中心点；

s44对间隔时间t后的各像素移动位置进行加权求均值，获得对应像素点时间间隔t后的坐标位置(x′ti，y′ti，z′ti)；

s45获取各像素点的变形量，包括位移量、倾斜角、弯曲程度

利用公式计算像素点三维空间的位移，利用公式计算各个方向上的位移量，根据建立的坐标系和各方向的位移量可以计算出倾斜角或弯曲程度。

实施例2

s41删除照片中拍摄角度偏差较大或者清晰度较差的照片，将相同角度的照片归为一类并标记序号；

s42并对同一类照片建立相同的坐标系，提取照片中的各像素点的信息，绘制出各结构或像素点对应的若干个二维平面图，此过程类似于切割一个立体图的截面；

s43对间隔时间t的属于同一类的同一二维平面的两张图进行重合比对，获得此方向上的位移量，采取同样的方式对其他二维平面的两张相应的图进行比对，通过两个或两个以上不同二维平面的比对数据可以得到倾斜角或弯曲等变形情况。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。