《gj-3和gj-4型轨检车轨距轨向检测装置项目投资可行性论证初步设计报告》

该方案又分为机器视觉方案和激光测距方案两种。

激光测距方案成本高，技术难度大。

我们采用机器视觉方案并配备套带状结构光源照明系统，所以又称为光取断面法。

其结构原理如图所示图在理想情况下，用光源照亮被测物体的断面轮廓线，用摄像机采集断面垂直方向的图像，即可提取断面轮廓图像。

但这种理想情况是无法实现的首先，被测物体表面被照亮的部分不是厚度为零的亮线，而是有定厚度的亮带。

其次，由于现场安装条件所限，不可能在断面垂直方向安装摄像机，只能从斜侧方向采集图像。

因而我们必须解决两大问题是必须找到亮带的中心线，二是对图像进行几何矫正。

钢轨断面检测系统的光机配置如图所示，系统工作原理框图如图所示。

各方框的功能介绍如下图像采集调用图像卡库函数，将视频图像采集到计算机内存。

轨向加速度计激光光源摄像头图图亮带搜索亮带图像只占视频图像的部分。

为提高处理速度，应根据亮带的些特征，提取出亮带图像的上下左右边界，用窗口套住亮带图像，只处理窗口内的图像，不处理窗口外的图像。

图像处理包括低通滤波，中值滤波，灰度校正，直方图均衡，二值化，分区标号等。

型和型轨距轨向检测检测装置的研制亮带细化目的是找出亮带的中心线。

有两种方法是二值图像的细线化算法，包括细线化，消除短枝和间隙等。

二是灰度图像的细化算法。

坐标变换目的是对图像进行几何校正。

数据处理和数据库将实测轮廓线与标准轮廓线进行比较，并测量其左右轨距的偏差值。

图像库压缩存储视频图像。

系统标定在亮带细化和坐标变换中，通常有八个参数需要确定，系统标定就是要得到这些参数。

为了在工作中参数保持不变，光源与摄像机应安装在个坚固构件上，使其相对几何位置保持不变。

光源照射平面应与钢轨纵轴保持垂直。

作到上述两点，既能保证标定参数不变。

坐标变换摄像传感器的物像共轭关系如图所示，为物平面地平面，为像平面光敏面，为投影中心物镜的物方节点和像方节点合二而。

平面与平面相交于迹线又称为透视轴。

过点作平面的垂线，与平面相交于像主点，与平面相交于的相应点，即为物镜的主光轴，即为物镜的主焦距。

过点作平面的垂线，与平面的交点为像底点，与平面相交于，为物镜的物距。

包含主光轴和铅垂线的平面为主纵面又称为主垂面。

与平面的交线为摄影方向线。

主光轴和铅垂线的夹角为相片倾角。

与平面的交线与相片坐标系轴的夹角为相片旋转角。

在主纵面内过点作倾角的平分线，与像平面的交点为等角点，在平面上的相应点为。

过作直线平行于，与平面相交于主合点过作直线平行于，与平面交点为，称为遁点。

在像平面上以等角点为原点取直角坐标系，垂直于主纵面，在中与重合。

图在物平面上，以等角点的对应点为原点，取直角坐标系，垂直于，在中，并与摄影方向线重合。

物平面上点在像平面上的像为，在坐标系中的坐标为在坐标系中的坐标为，。

根据几何关系有因为，所以在直角三角形中，因为度所以，。

在直角三角形中，因为度所以因而是等腰三角形，所以得同样在平面内，因为∽得因为∽，是等腰三角形，所以也是等腰三角形，则，所以型和型轨距轨向检测检测装置的研制可进步化简为式中对张图片而言是定值，和是极平行四边形的两个边。

的物距。

包含主光轴和铅垂线的平面为主纵面又称为主垂面。

与平面的交线为摄影方向线。

主光轴和铅垂线的夹角为相片倾角。

与平面的交线与相片坐标系轴的夹角为相片旋转角。

在主纵面内过点作倾角的平分线，与像平面的交点为等角点，在平面上的相应点为。

过作直线平行于，与平面相交于主合点过作直线平行于，与平面交点为，称为遁点。

在像平面上以等角点为原点取直角坐标系，垂直于主纵面，在中与重合。

图在物平面上，以等角点的对应点为原点，取直角坐标系，垂直于，在中，并与摄影方向线重合。

物平面上点在像平面上的像为，在坐标系中的坐标为在坐标系中的坐标为，。

根据几何关系有因为，所以在直角三角形中，因为度所以，。

在直角三角形中，因为度所以因而是等腰三角形，所以得同样在平面内，因为∽得因为∽，是等腰三角形，所以也是等腰三角形，则，所以型和型轨距轨向检测检测装置的研制可进步化简为式中对张图片而言是定值，和是极平行四边形的两个边。

上面得出了种像点与对应物点在以等角点为原点的坐标系中的关系式。

根据需要还可以得出其他形式的坐标关系式，如以像主点和对应点为原点的坐标关系式以像主点和底点为原点的坐标关系式以主合点和遁点为原点的坐标关系式在般情况下，取像片平面直角坐标系，取物方平面直角坐标系。

像片平面直角坐标系与以等角点为原点底坐标系之间的关系如图所示。

，与，之间的关系如下物方平面直角坐标系与物方坐标系之间的关系如图所示。

，与，之间的关系下图图由式，和式，得代入式，得在式，中，是像点在像平面坐标系中的坐标，可从图像中提取。

，是对应的物点在物方坐标系轨道坐标系中的坐标，是我们要求的参数。

包含八个参数这些参数决定于近景摄影的内方位元素和外方位元素。

如果这些方位元素已知，要确定这八个参数必须列出八个方程，也就是说必须利用四对控制点的已知坐标。

当控制点数大于型和型轨距轨向检测检测装置的研制时，采用最小二乘法，选择最佳控制点。

亮带细化亮带细化的目的是找出亮带的中心线。

有两种方法是二值图像的细线化算法，包括细线化消除短枝和间隙等。

二是灰度图像的细化算法。

灰度图像的细化沿亮带垂直方向钢轨纵轴方向作切面，在切面上亮带光能量的分布应如图所示。

取最亮点的连线作为亮带的中心线。

这要求在钢轨表面沿光带垂直方向作系列平行直线，提取这些平行直线与亮带交线上的最亮点。

应当特别指出，我们不可能在钢轨上完成这工作，只能在摄像机图像上完成此项工作。

由于图像的几何畸变，这些平行直线的像并不是平行直线，而是相交于点的直线，该点是这组直线的灭点的合点，在图中，像平面上的像底点就是合点。

过合点和亮带上的任意点作直线，找出直线上的最亮点，将这些点相连就是钢轨轮廓线的像，经坐标变换即可得到钢轨轮廓线。

二值图像的细化图像细化的目的是把具有定宽度的线条状区域削减细化到个像素点的宽度，也就是要找到图像的骨架。

我们找光带的中心线实质上就是找光带的骨架。

最著名的算法是算法，可参阅文献语言图像处理程序设计。

该文献中还介绍了几种相关的祘法如间隙消除算法消除算法所得到的细线图形的间隙和缺口。

短枝削去算法算法所得到的细线图形的毛刺和短叉。

图细线平滑算法使细线图形连续平滑。

图像处理图像处理的目的是消除干扰噪音，改善图像质量。

比如低通滤波，中值滤波，灰度校正，直方图均衡，二值化，分区标号等等。

简要介绍如下。

直方图与灰度修正最常见的图像缺陷是全幅图像偏暗或偏亮，亮度范围不足或非线性等因素造成的对比度不足，严重影响图像的视觉效果。

如果图像的灰度量化为至级，若两物体的灰度差小于级，人眼就分辨不清两个物体。

为了定量地分析这近年来型和型轨道检查车被广泛应用于线路检查工作，对保证铁路运输安全和提高旅客列车的平稳舒适性均发挥了重要作用。

但和型轨检车的轨距轨向测量装置采用安装于轴箱上的轨距吊梁检测方式在安全性及可靠性方面不能满足铁路大提速的要求，为此运输局下发运基设备号文要求对型轨检车的轨距轨向系统进行改造。

检测中心开始对新型轨距轨向检测系统的技术展开研究，并在高速图像处理的关键技术方面形成突破，实现了采用摄像技术实时检测轨距轨向的功能。

同时对车的波形显示编辑与打印报表等数据处理系统进行了全面升级，经系统调试验收，于年月底交付郑州局使用。

国内外轨检车现状国内轨检车概况目前国内轨检车轨距轨向测量装置大量采用安装于轴箱的轨距吊梁式检测系统。

随着我国铁路运行速度不断提高，方面轨检车的检查密度增加，运营更加频繁另方面轨距吊梁工作环境恶化，承受的振动和冲击加大使轨距吊梁运用中存在安全隐患，旦发生断梁事故，不仅中断检测工作，而且严重影响行车安全。

同时检测速度提高后，轨距吊梁相对于安装基准的振动位移加大，造成轨距轨向测量准确性显著下降，甚至有时无法检测，严重影响了线路检查工作。

据不完全统计，目前，大部分型轨检车检测速度达到公里小时后，由于轨距吊梁的振荡，轨距轨向无法正常检测。

少数轨检车，如和轨检车，在速度达到公里小时后，轨距吊梁就开始振荡，导致轨距轨向无法检测。

实际上，从年开始，随着检测速度的提高，陆续发生了北京局部成都局乌鲁木齐局轨检车断梁事故，采用该种检测方式的型和型轨检车存在的安全隐患不能小视。

而且，为防止断梁事故，般列车运行万公里要更换检测梁，但这只是解决安全隐患的补救措施，不能从根本上解决问题。

同时随着列车运行速度的提高，维护检测精度的难度增加，维修工作量大大增加，在快速线路检查中，经常出现因来不及维修而出现漏检现核准通过，归档资料。

未经允许，请勿外传，象。

因此，有必要采用新技术对原有装备进行改造，以提高轨道检测系统的可靠性，满足铁路提速后对线路质量状况监测的要求。

国外轨检车轨距轨向检测系统上世纪年代以来，通常采用维光电位移传感器，为满足测量系统的定位要求，安装基准般选择在以轮对为刚体的结构上。

如美国公司系列轨检车德国轨检车等，从测量原理角度来看，测量链的简捷有助于提高测量系统的精度。

但是，随着检测速度的提高，轮轨作用力的增大，轴箱的振动随之增大，工作环境的恶劣束缚了检测系统的性能。

随着传感器技术及计算机技术的发展，开始采用二维光电位移传感器，如面阵芯片等。

较为典型的系统如美国公司的系统及日本黄色医生轨检车。

前者采用线型激光光源摄像机图像处理系统，通过对钢轨断面轮廓图像的测量获得轨距轨向测量值。

后者采用线型激光光源二维敏感器件信号处理系统，通过系统结构确定的几何关系获得到被测点的测量值。

因此，上世纪年代末期，满足于更高精度和检测速度的激光和摄像技术获得应用并逐步取代了原有的其他检测系统。

目前，当今世界高速铁路发达的国家，激光和摄像检测技术获得了广泛的应用，而且，已成为目前世界上轨道检测系统的主流。

如日本美国法国德国意大利等，均不同程度采用了该检测技术，从而提高了系统检测速度精度和可靠性。

轨距轨向