基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统及方法。包括空间定位模块、轨道宽度测量模块、中央控制模块；空间定位模块包括GPS定位器、增量型光电编码器，以提供列车里程数据和空间地理位置信息传输给所述中央控制模块；轨道宽度测量模块包括面阵黑白相机、红外线性激光器、加速度计，以实现铁路轨道的拍照及轨道宽度的测量、列车水平晃动的测量，并将所得数据传输给中央控制模块；中央控制模块包括便携式数据处理器及与该便携式数据处理器连接且用于与空间定位模块和轨道宽度测量模块通信的无线局域网交换机、用于触发所述轨道宽度测量模块进行测量的同步控制器。本发明专利技术实现了低成本、高精度的非接触式自动化实时监控测量。

Real-time railway track width measurement system and method based on black-and-white camera

The present invention relates to a real-time railway track width measurement system and method based on the black and white camera of the array. Including space positioning module, track width measurement module, central control module; spatial positioning module including GPS locator, increment type photoelectric encoder to provide train mileage data and spatial location information is transmitted to the central control module; track width measuring module includes array camera, infrared black and white laser, linear accelerometer, measurement, measurement the train track to achieve the level of shaking the camera and the width of the railway track, and the data will be transmitted to the central control module; the central control module includes a portable data processor and the portable data processor and connection for wireless LAN switches, and space positioning module and the track width measurement module for communication synchronization controller to trigger the track width measurement module measurement. The invention realizes the low cost and high precision non-contact automatic real-time monitoring and measurement.

【技术实现步骤摘要】
基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统及方法
本专利技术涉及一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统及方法。
技术介绍
铁路轨道由于其特殊性，使用频繁，其应力结构复杂，若造成轨道偏移进而使得轨道间距改变，将留下极大的安全隐患。因此定期科学的对铁路轨道宽度进行检测就尤为任重而道远。目前，铁路轨道宽度测量常用的方式主要有使用轨道测量尺进行人工测量，需耗费大量人力和物力，测量周期长并容易受到天气状况和地质条件等外部环境影响，无法满足我国日益增长的铁路线管护需求；轨距测量专用车采用位移传感器，安置于测量车的下方，侦测两条铁路轨道之间的距离，这种设计使铁路轨道宽度测量效率得到了一定程度的改善，但是其仍有设备结构复杂且昂贵，不方便运输，测量精度低，检测时铁路轨道宽度测量车需要占据铁路运营线路并提前封闭，影响铁路线路运营、浪费铁路运力等诸多缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统及方法，该系统及方法实现了低成本、高精度的非接触式自动化实时监控测量。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统，包括空间定位模块、轨道宽度测量模块、中央控制模块；所述空间定位模块包括GPS定位器、增量型光电编码器，以提供列车里程数据和空间地理位置信息传输给所述中央控制模块；所述轨道宽度测量模块包括面阵黑白相机、红外线性激光器、加速度计，以实现铁路轨道的拍照及轨道宽度的测量、列车水平晃动的测量，并将所得数据传输给中央控制模块；所述中央控制模块包括便携式数据处理器及与该便携式数据处理器连接且用于与空间定位模块和轨道宽度测量模块通信的无线局域网交换机、用于触发所述轨道宽度测量模块进行测量的同步控制器。在本专利技术一实施例中，所述GPS定位器安装于列车车顶顶部无遮挡处。在本专利技术一实施例中，所述增量型光电编码器与列车车轮同轴固定连接。在本专利技术一实施例中，所述面阵黑白相机、红外线性激光器安装于列车底部。在本专利技术一实施例中，所述面阵黑白相机镜头中心与红外线性激光器出光口中心的连线与地面垂直。本专利技术还提供了一种基于上述所述系统的实时铁路轨道宽度测量方法，具体实现如下，对于面阵黑白相机，设其离地高度为h1，设面阵黑白相机视角为θ1，过面阵黑白相机镜头中心作一条射线，与地面相交于O，射线与地面的夹角为α，面阵黑白相机镜头中心到O点的距离为物距d1，则可得面阵黑白相机的最大拍摄宽度L1的函数关系表达式如（1）（1）对于红外线性激光器，设其离地高度为h2，激光器发散角为θ2，过红外线性激光器出光口作一条射线，与地面相交于O，射线与地面的夹角为β，激光器出光口到O点的距离为d2：则可得激光亮线长度L2函数关系表达式如（2）（2）设铁路轨道宽度为L，根据设计需求，即相机拍摄的最大拍摄宽度、激光亮线长度和铁路轨道宽度关系表达式如（3）（3）由L2>L得表达式如（4）（4）由L1>L2得表达式如（5）（5）对于上述函数关系，当面阵黑白相机和红外线性激光器型号选定后，θ1和θ2随即确定；则面阵黑白相机、红外线性激光器的安装高度h1，h2和安装角度α，β需满足上述的条件；依据相机的成像原理，设激光亮线的实际长度为L1’，靶面到镜面的距离为d0，d0由面阵黑白相机型号决定，靶面上虚像的长度为L0’，关系表达式如（6）（6）代入（1），即得表达式如（7）（7）通过滤波处理，滤除面阵黑白相机拍摄的灰度图像的铁轨影像，并采用纵向遍历和横向遍历的方法，对灰度图像进行进一步处理，得到仅有激光线的二值图像，由于L2>L，因此需将激光线照射于铁轨外部的部分的线段滤除，得到表明铁路轨道间距的激光线的二值图像；对该表明铁路轨道间距的激光线线段进行横向计数，即可得到该线段横向所占的像素个数，假设其为n0；由于面阵黑白相机的型号选定后，像素的大小随即确定，假设每个像素的尺寸为a×a，则靶面上虚像的长度L0’关系表达式如（8）：（8）将（8）带入（7）即可得到实际的铁路轨道间距：（9）。在本专利技术一实施例中，所述滤波处理采用图像二值化算法。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术相比于昂贵的专用动检车，能够方便的挂载于普通车厢外部，实现了低成本、高精度的非接触式自动化实时监控测量，并能将测量数据保存和导出为铁路管护工作者在铁路轨道宽度管护决策时提供可靠的数据依据；且装置采用模块化设计，便于设备的升级和维护，应用前景广阔；系统使用安全高效，无需提前封闭待测量的铁路运营线路，可方便的挂载在普通铁路客运或货运车辆进行实时测量和测量数据的存储；一套系统可测量多条铁路线路，提高系统利用率，降低了检测设备购置费。附图说明图1为本专利技术系统的系统框图。图2为本专利技术系统测量数据和逻辑控制信号连接关系图。图3为里程触发脉冲计数原理图。图4为轨道宽度测量模块安装设计侧视图。图5为相机成像原理图。图6为滤除图像背景后铁路轨道和激光亮线的灰度图。图7为激光亮线提取图。图8为像素点阵列图。图9为测距激光亮线的二值图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行具体说明。本专利技术的一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统，包括空间定位模块、轨道宽度测量模块、中央控制模块；所述空间定位模块包括安装于列车车顶顶部无遮挡处的GPS定位器、与列车车轮同轴固定连接的增量型光电编码器，以提供列车里程数据和空间地理位置信息传输给所述中央控制模块；所述轨道宽度测量模块包括安装于列车底部的面阵黑白相机、安装于列车底部的红外线性激光器、加速度计，以实现铁路轨道的拍照及轨道宽度的测量、列车水平晃动的测量，并将所得数据传输给中央控制模块；所述中央控制模块包括便携式数据处理器及与该便携式数据处理器连接且用于与空间定位模块和轨道宽度测量模块通信的无线局域网交换机、用于触发所述轨道宽度测量模块进行测量的同步控制器。所述面阵黑白相机镜头中心与红外线性激光器出光口中心的连线与地面垂直。本专利技术还提供了一种基于上述所述系统的实时铁路轨道宽度测量方法，具体实现如下，对于面阵黑白相机，设其离地高度为h1，设面阵黑白相机视角为θ1，过面阵黑白相机镜头中心作一条射线，与地面相交于O，射线与地面的夹角为α，面阵黑白相机镜头中心到O点的距离为物距d1，则可得面阵黑白相机的最大拍摄宽度L1的函数关系表达式如（1）（1）对于红外线性激光器，设其离地高度为h2，激光器发散角为θ2，过红外线性激光器出光口作一条射线，与地面相交于O，射线与地面的夹角为β，激光器出光口到O点的距离为d2：则可得激光亮线长度L2函数关系表达式如（2）（2）设铁路轨道宽度为L，根据设计需求，即相机拍摄的最大拍摄宽度、激光亮线长度和铁路轨道宽度关系表达式如（3）（3）由L2>L得表达式如（4）（4）由L1>L2得表达式如（5）（5）对于上述函数关系，当面阵黑白相机和红外线性激光器型号选定后，θ1和θ2随即确定；则面阵黑白相机、红外线性激光器的安装高度h1，h2和安装角度α，β需满足上述的条件；依据相机的成像原理，设激光亮线的实际长度为L1’，靶面到镜面的距离为d0，d0由面阵黑白相机型号决定，靶面上虚像的长度为L0’，关系表达式如（本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统，其特征在于：包括空间定位模块、轨道宽度测量模块、中央控制模块；所述空间定位模块包括GPS定位器、增量型光电编码器，以提供列车里程数据和空间地理位置信息传输给所述中央控制模块；所述轨道宽度测量模块包括面阵黑白相机、红外线性激光器、加速度计，以实现铁路轨道的拍照及轨道宽度的测量、列车水平晃动的测量，并将所得数据传输给中央控制模块；所述中央控制模块包括便携式数据处理器及与该便携式数据处理器连接且用于与空间定位模块和轨道宽度测量模块通信的无线局域网交换机、用于触发所述轨道宽度测量模块进行测量的同步控制器。

【技术特征摘要】
1.一种基于面阵黑白相机的实时铁路轨道宽度测量系统，其特征在于：包括空间定位模块、轨道宽度测量模块、中央控制模块；所述空间定位模块包括GPS定位器、增量型光电编码器，以提供列车里程数据和空间地理位置信息传输给所述中央控制模块；所述轨道宽度测量模块包括面阵黑白相机、红外线性激光器、加速度计，以实现铁路轨道的拍照及轨道宽度的测量、列车水平晃动的测量，并将所得数据传输给中央控制模块；所述中央控制模块包括便携式数据处理器及与该便携式数据处理器连接且用于与空间定位模块和轨道宽度测量模块通信的无线局域网交换机、用于触发所述轨道宽度测量模块进行测量的同步控制器。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述GPS定位器安装于列车车顶顶部无遮挡处。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述增量型光电编码器与列车车轮同轴固定连接。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述面阵黑白相机、红外线性激光器安装于列车底部。5.根据权利要求1或4所述的系统，其特征在于：所述面阵黑白相机镜头中心与红外线性激光器出光口中心的连线与地面垂直。6.一种基于权利要求1至5任一所述系统的实时铁路轨道宽度测量方法，其特征在于：具体实现如下，对于面阵黑白相机，设其离地高度为h1，设面阵黑白相机视角为θ1，过面阵黑白相机镜头中心作一条射线，与地面相交于O，射线与地面的夹角为α，面阵黑白相机镜头中心到O点的距离为物距d1，则可得面阵黑白相机的最大拍摄宽度L1的函数关系表达式如（1）（1）对于红外线性激光器，设其离地高度为h2，激光器发散角...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏榕山，杜宇轩，王景玺，张鑫刚，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35