基于图像处理技术的无缝钢轨位移在线监测系统设计

董瀚骏 龚昭赫 曾明

摘 要：本文在分析接触式无缝钢轨位移测量方法不足的基础上，设计了一套非接触式无缝钢轨位移及温度在线监测系统方案，经现场测试验证，方案可行。

关键词：无缝钢轨；纵向位移；图像处理

中图分类号：U216.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）05-0024-02

无缝钢轨可以减少钢轨与车轮间的撞击，减少列车运行时的冲击和振动，降低噪声，延长列车和轨道设备的使用寿命，大幅度提高旅客乘车的舒适度，具有多方综合效益，因此，无论是城市轨道交通还是高速铁路都大量采用无缝钢轨线路。

但是，钢轨是通过扣件固定在基座上的，当钢轨扣件的作用力不足以抵消钢轨温度变化所产生的内应力时，钢轨便会产生纵向位移，由于无缝轨长度很长，这种纵向位移的累积可能造成胀轨现象，严重时还可能造成断轨，危及行车安全。因此，实时监测无缝轨的纵向位移以及温度变化，对列车运营安全具有十分重大的意义。

目前，对钢轨位移的在线监测基本上采用的都是接触式测量，位移传感器（通常采用电位器式位移计、振弦式位移传感器或者磁致伸缩式位移传感器）一端通过夹具固定在钢轨上，另一端固定在道床上，通过光缆将检测信息引出至信息接收单元，然后分析处理。

接触式测量存在以下不足：

（1）列车通过时所产生的振动会对测量精度产生影响。长期的钢轨振动会造成位移传感器的机械伤损，除缩短传感器使用寿命外，还会导致测量可靠性降低。（2）布置在钢轨和道床上的传感器和数据采集单元极易受到损坏，一旦发生器件或线缆松脱，将给行车带来安全隐患。

为消除接触式测量的不足，本文介绍了一种基于非接触式测量的测量方法。

1 非接触式无缝钢轨位移和温度的测量原理

图像测量技术是当前较为成熟和先进的非接触测量技术，其原理是由CCD图像传感器对被测零件进行扫描，然后将扫描得到的零件图型进行分析、特征提取、分类识别并进行判断，计算并输出检测结果。

将高清工业数字相机固定在无缝轨旁的测量箱内，锁定焦距和光圈，对标注在钢轨上的测量标记成像，在不同测量时间测量标记的位置变化，即可计算出钢轨相对于测量基准（固定相机的线路基础）的位移变化量。测量标记为标记在钢轨侧面的直径为40mm的红色油漆喷涂圆斑。利用数字图像处理算法計算出的圆心位置为数字图像中的像素坐标位置，需要通过一定的标定算法换算成实际空间位置。由于测量相机安装位置及焦距等参数固定，而标记圆斑的实际直径已知，可根据拟合出的像素直径换算出在钢轨纵向位移方向，像素值和实际位置值之间的比例关系。

另外，将红外温度传感器安装在轨旁测量箱内，对准轨道上测量位置，实现对轨道温度的非接触式测量。因为自然界中的所有物体，当温度高于绝对零度（-273.15℃），由于内部的热运动，都会以不同波长的电磁波形式向外辐射能量，其波长主要处于0.8～15.0μm的红外区内。物体红外辐射能量的大小按其波长分布，与物体表面温度有十分密切的关系。对物体自身辐射的红外能量进行测量，便能准确地感知物体的表面温度。

2 测量系统构建

2.1 系统方案

系统方案如图1所示，由轨旁数据采集单元、维修中心终端监控单元、无线数据传输网络等组成。轨旁设备安装在轨道旁边电力支柱上或者是高架桥梁栏杆上的设备箱内，不侵入车辆行车限界，不需要在钢轨和道床上安装任何测量设备和线缆，不影响行车安全。位移测量相机输出的图像数据通过千兆网络传输至检测主机，进行图像分析处理，换算成钢轨位移数据。红外温度传感器输出的模拟量信号通过温度信号采集设备进行调理和采集后，传输至检测主机，计算成温度信息，与钢轨位移信息和线路位置信息一起，通过无线网络传输至公用云服务器，保存在服务器检测结果数据库内。

布置在维修中心的终端监控计算机通过线路运营公司网络连接至INTERNET，实时读取现场检测结果数据，显示检测结果数值及变化曲线，可对检测结果进行分析处理，超限报警提示。

2.2 轨旁数据采集单元设计

轨旁数据采集单元主要由轨道位移采集模块、红外温度采集模块、检测主机组成。

轨道位移采集模块由4组高清工业相机及照明光源组成的，分别对同一测量断面处上下行线路各两条钢轨进行测量，测量相机采用分辨率为640*480的工业数字相机，该相机外形尺寸仅为29mm*29mm，具有小巧，可靠性高的特点，能满足轨道位移现场测量条件的要求。相机镜头采用C—Mount工业镜头，焦距根据相机安装位置距被测轨道距离确定。照明光源采用LED聚光光源。

红外温度传感器采用OS211-LT型红外传感器，测量温度范围-20℃～100℃，测量精度±1℃，输出信号4～20mA。传感器采用不锈钢封装，紧固牢靠，环境适用性好。温度信号采集设备采用DAM-3058R数据采集模块，8通道差分模拟量输入，能满足每个检测位置4路温度信号的采集，采样频率10Hz，精度0.2%，通信接口RS485/RS232。

检测主机采用研华ARK-1123型嵌入式无风扇工控机，CPU为INTEL E3825双核处理器，内存4GB，带千兆以太网接口1个，串行通信接口2个，尺寸为133.8x43.1x94.2mm。

2.3 数据传输方式选择

轨道位移和温度数据采集单元分布在无缝钢轨轨道线路沿线，数据传输量小，可根据需要设置为每分钟至每小时传输一次数据，每个测量位置每次测量数据量仅为20字节左右，可采用移动电话GPRS网络来实现测量数据的实时传输。

本方案采用宏电H7210 DTU无线数据终端，通过RS232接收检测主机处理好的检测结果数据信息，由GPRS网络传输至轨道位移温度监测云平台数据库。H7210 DTU内嵌内嵌PPP、TCP/IP 协议栈，支持RTU与DSC透明数据传输，支持TCP/UDP/短信三种通信方式，采用工业化设计，支持在恶劣的工业化环境下提供高速、永远在线的可靠数据传输。

2.4 终端监控功能设计

系统终端监控软件可部署在维修中心任意能连接INTRNET的工作电脑上，主要功能包括：实时监测数据的显示，轨道位移计温度的变化曲线实时显示，监测历史数据的对比查看，监测的数据超限报警，超限数据设置，数据传输频率的设置等。

3 监测数据分析

本文所设计的非接触式无缝钢轨位移和温度在线监测系统在某地铁线路预计轨道位移变化较大的高架桥桥梁接头路段进行了测试运行，结果如图2和图3所示。

解读图中数据可知，在测量时间段内，温度的最大变化为30℃左右，内侧钢轨最大位移量变化为43mm，外侧钢轨最大变化量为37mm。虽然内外侧钢轨测量零点设置不同，但钢轨位移变化基本一致，且与温度变化趋势一致。

4 结语

本文介绍了利用图像处理和红外测温方法测量无缝钢轨位移和温度的在线监测方法，完成了系统方案设计。该方案经现场实际测试运行，监测结果数据准确，能满足无缝钢轨位移长期在线监测的目的。

参考文献

[1]史红梅，等.高速铁路无缝钢轨纵向位移在线监测方法研究[J].仪器仪表学报，2016，37（4）：811-817.

[2]刘永前等.无缝线路钢轨温度力测试的位移法[J].铁道学报，2005，27（4）：125-128.

[3]孙北林.钢轨纵向位移在线监测系统研究[D].北京交通大学，2013.

[4]房振峰，刘昆，檀学莹.论非接触测量技术应用在机械检测上的必要性[J].中国设备工程2017，11（下）： 73-74.