基于图像处理技术的轨道车辆底部视觉检测系统.pdf

第2期2 0 2 4年3月N o.2M a r.2 0 2 4国际视野文章编号:2 0 9 7-0 3 6 6(2 0 2 4)0 2-0 0 9 8-0 3 基于图像处理技术的轨道车辆底部视觉检测系统A k i h i d e U n o,T a k e h i t o F u j i i,H i r o y u k i N a k a j i m a,M a s a n o r i E n d o(日本)摘 要:利用图像处理技术,本文开发了一种用于机车车辆故障检测的系统。该系统能够自动检测诸如底部设备紧固螺栓松动或设备箱盖手柄转动等故障,如有必要,检验人员可以根据该系统显示的图像对机车车辆进行具体检查。目前系统已经具备了车辆底部设备侧面检测功能,我们正致力于将该系统应用于车辆底部设备中间区域及车顶设备的检测。本文对该系统及其用户界面进行了概述。关键词:机车车辆;底部设备检查;图像处理;线路摄像头中图分类号:U 2 7 9.3 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 3 6 6.2 0 2 4.0 2.0 1 8N e w V i s u a l I n s p e c t i o n S y s t e m o f R o l l i n g S t o c k U n d e r s i d e b y I m a g e P r o c e s s i n g T e c h n i q u eA k i h i d e U n o,T a k e h i t o F u j i i,H i r o y u k i N a k a j i m a,M a s a n o r i E n d o(J a p a n)A b s t r a c t:W i t h i m a g e p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y,w e h a v e d e v e l o p e d a f a i l u r e d e t e c t i o n s y s t e m f o r i n s p e c t i o n o f r o l l i n g s t o c k.I n t h i s s y s t e m,f a i l u r e s s u c h a s l o o s e n e s s o f b o l t s f i x i n g u n d e r f l o o r e q u i p m e n t t o t h e c a r b o d y,a n d r o t a t i o n o f c o v e r h a n d l e s o f e q u i p m e n t a r e a u t o m a t i c a l l y d e t e c t e d;a n d i f n e c e s s a r y,i n s p e c t o r s c a n c h e c k t h e r o l l i n g s t o c k w i t h i m a g e s d i s p l a y e d b y t h e s y s t e m.W e h a v e c o m p l e t e d d e v e l o p m e n t o f a s y s t e m f o r i n s p e c t i n g t h e s i d e o f t h e u n d e r f l o o r e q u i p m e n t,a n d h a v e b e e n w o r k i n g t o a p p l y t h e s y s t e m f o r t h e m i d d l e a r e a o f t h e u n d e r f l o o r e q u i p m e n t a n d f o r t h e r o o f.I n t h i s p a p e r,w e g i v e a n o v e r v i e w t h e s y s t e m a n d u s e r i n t e r f a c e o f t h e s y s t e m f o r i n s p e c t i n g t h e s i d e o f t h e u n d e r f l o o r e q u i p m e n t.K e y w o r d s:r o l l i n g s t o c k;u n d e r f l o o r e q u i p m e n t i n s p e c t i o n;i m a g e p r o c e s s i n g;l i n e c a m e r a收稿日期:2 0 2 1-0 7-2 9;修回日期:2 0 2 2-1 0-2 8 1 引言通常情况下,需要通过人工目视进行机车车辆的底部检查(确认车身连接状态,是否存在变形等)。每辆车有超过1 0 0个检查点且分布范围较广,涵盖转向架、设备箱、螺栓和检查盖手柄等区域。此项检查工作需要大量具有广博知识和经验的检查专家来进行。此外,由于是对车辆底部的设备进行检查,因此完成这项工作需要检查坑道。本文介绍了一种基于图像处理技术的机车车辆底部设备检测系统的开发和验证过程,该系统可用于自动判断底部设备侧面异常情况,以便实现一些目视检查的自动化。2 开发概述2.1 异常检测机制该系统使用安装在轨道边的摄像头记录运行的车辆底部设备的侧面图像,对获得的图像合成和校正,并通过软件自动将记录的图像与预先记录的正常情况下的图像进行比较,从而取代常规检测。如果图像的差异超过一定阈值,则将其判断为异常。每次有车辆通过时系统都会做出判断,判定结果会自动显示在终端上。详细的检查过程如下:(1)当车辆以不高于2 5 k m/h的速度通过,使用线扫描相机对车辆底部拍摄记录。(2)校正不同录制时间得到的条形图像亮度,合成为完整车辆的图像,然后对由于车辆运行时突然加速或制动以及振动等的影响变形的图像进行补偿(图1)。基于图像处理技术的轨道车辆底部视觉检测系统 A k i h i d e U n o,T a k e h i t o F u j i i,H i r o y u k i N a k a j i m a,M a s a n o r i E n d o(日本)图1 图像处理流程 (3)通过软件对(2)的图像进行以下处理:从相邻像素的亮度差异中提取设备的边缘亮度,并与预先记录的“正常”机车车辆的边缘亮度进行比较。(4)如果亮度差异大于一定阈值,则判定被检查的车辆“异常”,即从正常状态转为异常状态。(5)当车辆通过该系统时以上程序会自动执行,检测结果无论正常还是异常都会显示在终端上。当检测到异常时,终端上会显示警报,工作人员可以进行图像检查并根据需要进行人工检测。2.2 系统组成该系统由记录设备(相机和光投影仪)、图像处理器、终端、车辆靠近探测器和车辆I D探测器组成(图2)。图2 系统组成2.3 开发的关键点在系统开发过程中,记录设备(图3)、异常判断算法和错误检测能力尤为重要,具体介绍如下。2.3.1 图像记录设备设计图4显示了相机和光投影仪与车辆的位置关系。光线需要均匀地照射多个被检测物上,以便通过准确稳定的图像进行故障检测判断。在此过程中,通过光照模拟确定了相机和光投影仪的位置和角度,并将其安装好,因此在与列车平行的方向上相机记录的每个区域都有了合适的亮度值(图5)。2.3.2 异常判断算法开发在设计该算法时,关键点在于相对于外部光线的亮度校正和消除运行中机车车辆速度变化以及车体和转向架振动的影响。具体介绍如下。图3 记录设备概况图4 相机与光投影仪的位置设置图5 影响图像的因素2.3.2.1 亮度校正每次车辆经过系统时,周围的环境都会有所不同。由于该系统是通过比较亮度来判断是否存在异常情况,因此由于时间(白天或晚上)和天气(晴天或多云)导致图像亮度的变化可能导致检测错误。为了防止周围环境影响检测,放置了用于校准光线的参考板(图99第6 1卷第2期2 0 2 4年3月6),该设备可以作为校正亮度的参考,每次记录时,较亮和较暗部分的亮度值都会转换为预设定的亮度值,以校正每个像素的亮度。图6 校准器2.3.2.2 车体晃动和速度拉伸校正由于车辆运行速度(加速/减速)和车身及转向架的振动变化,不能简单地通过将线扫描相机拍摄的各帧合并到一个完整车辆图像的方式来来获得整车图像。在开发过程中,我们通过提前创建正确反映车体实际形状的图像来提高校正准确性,这些是校正的参考,并通过对记录的图像进行单个像素的成像位置校正来提高校正精度。2.3.3 通过故障模拟临时设置测试验证检测性能如前所述,该系统通过检查异常和正常状态下图像中指定范围的亮度差异(差分距离值)进行判断,因此设置阈值十分重要。通过在车辆底部安装了模拟螺栓和圆形连接器松动、设备箱检查盖手柄转动等异常的临时结构(图7),并进行了系统试运行,验证故障检测性能。图7 用于验证故障诊断功能的DM o c k u p 图8为设备箱检查盖手柄的验证示例,当手柄旋转角度发生变化时,差分距离值会发生变化。手柄的异常检测阈值设置为不小于1 5,由于当手柄旋转角度不同时会产生不同的差分距离值,所以通过定义不同距离阈值来检测设备异常状态是可行的。并且,通过为旋塞、圆形连接器和螺栓设置类似的阈值,实现了如表1所示的预期目标。图8 设备箱检查盖手柄角度变化时差分距值的变化表1 异常模拟测试结果已检测项目检测目标模拟的异常状态效果评估注释旋塞3 0 位移位移(1 0、3 0、9 0)圆形连接器1 5 旋转旋转(1 5、4 5、9 0)螺 栓(尺 寸:M 1 6/1 2/8/6)5 松弛松弛(5、1 5、3 0)M 6可检测1 0 或以上设备箱检查盖手柄1 5 位移位移(1 0、3 0、9 0)2.4 用户界面车辆上需要检查的位置提前设置为评估矩形,每辆车设置约4 0 0 0个矩形。同时,设计了一个界面以便自动更新检查结果,并以检查历史记录列表的形式在终端上显示。当检测系统判断车辆存在异常时,会显示异常图像和正常状态图像,供检查专家进行比较和目视确认机车的实际状态(图9)。图9 检测图像确认画面3 结论从2 0 1 2年开始,在过去近五年的时间里,我们对此系统进行了基础技术调研、测试单元安装验证、样机开发和算法改进。机车车辆底部记录检测系统已开发完成,目前正处于试运行阶段。在试用过程中,我们将验证易用性等方面功能,并继续努力改进。林凯,王慧,宋微,吕俊超 译自 J R E A S T T e c h n i c a l R e v i e w2 0 2 0,3 9001