基于图像识别的大跨度铁路桥梁钢轨伸缩调节器监测系统与方法研究

2023-10-09 12:34高梓航王伟华王铁霖
铁道建筑 2023年8期
关键词:黑体定标调节器

高梓航 王伟华 王铁霖

中国铁路设计集团有限公司, 天津 300308

跨越大江大河的桥梁温度跨度较大,为放散长大跨度桥上无缝线路纵向力,并降低桥墩受力,需设置钢轨伸缩调节器及梁端伸缩装置(以下简称调节器)。大跨度桥梁空间姿态多变,调节器零部件较多,在线路长期运营过程中,调节器成为线路的薄弱环节。跨越大江大河桥梁沿线通常环境恶劣、人烟稀少、交通不便,人工巡检与养护维修难度较大,需采用信息化手段实时掌握轨道结构服役状态,助力铁路基础设施智能化运维。

在设置调节器线路的实际运营中,调节器区域出现了多种病害[1-3],如剪刀叉卡阻、歪斜,左右两股尖轨、基本轨纵向位移量不一致,钢纵梁纵向伸缩量与梁缝变化量不一致,钢枕歪斜、方正度难以保持等。还有一些常见病害,包括有砟轨道出现梁端轨枕纵向平行四边形变形、轨枕拉裂、挡砟墙挤裂等,无砟轨道轨下垫板窜出等。

关于轨道结构监测,既有研究主要集中于监测系统研发[4-6]、监测系统应用实施方式[7-10]、数据时频分析[11-12]、监测数据指导下的线路养护维修[13-14]等方面。在监测技术方面,以光纤光栅技术与视频感知技术为主;在位移监测方面,以视频感知为主,但监测方法中对于图像视角校正法考虑较少,且精度难以评估;在温度监测方面,以光纤光栅技术或电阻测温技术为主,关于非接触式的红外视频感知技术研究和应用较少。因此,为提高监测数据采集精度,需提出更可靠和高精度的非接触式监测方法。

本文结合既有现场运营经验,对调节器结构开展非接触式监测,并建立健全实时预警与报警机制和功能,及时掌握调节器服役状态。采用信息化手段为大跨度铁路桥梁梁端轨道结构的安全服役提供技术支持,为高速铁路的养护维修提供科学化建议。

1 监测系统总体设计

1.1 系统总体架构

大跨度铁路桥梁钢轨伸缩调节器服役状态监测系统由状态感知子系统、数据采集与传输子系统、数据处理子系统、用户终端子系统组成,各子系统间分工协作,保障清晰的数据传递路径与高效的数据处理方式。系统的核心任务是获取梁端伸缩装置与钢轨伸缩调节器的力学响应信息,通过处理海量数据来分析控制指标,并根据各级预警限值及时预警与报警。监测系统总体架构见图1。

图1 监测系统总体架构

1.2 系统功能设计

状态感知子系统由各类传感器组成,位于监测系统最前端,用于感知结构静动力学服役状态,对保障系统的可靠度和耐久性起决定性作用。

数据采集与传输子系统由各类传感器的采集单元组成,实现信号转换、远程传输等功能,将采集到的信号向系统的下一层级传输。

数据处理子系统由数据服务器及各类数据处理算法组成,将监测数字信号转换为相关物理量,实现特征值的规律分析、预警报警,并将原始数据、实时数据及历史数据进行储存、归档、管理、调用,形成数据库。

用户终端子系统由网络服务器、用户工作站、用户终端等组成,是整套系统的窗口,并接受用户对系统的控制与输入。该系统是交互性、人性化、高效性、数字化、便捷性、智能化的重要体现。

1.3 监测系统布点设计

为降低监测设备养护维修工作量,节省设备安装空间,监测现场采用更少的传感器进行更全面的数据采集。对于大跨度铁路桥梁钢轨伸缩调节器结构,根据现场运营养护要求及相关文件要求,对尖轨位移量、基本轨位移量、钢纵梁位移量、梁缝位移量、钢枕方正度、轨温等指标进行监测。采用集成化、智能化、人性化的高清摄像机进行数据采集,并设置于线路外侧,每侧线路设置1 组。监测现场测点、设备、布线如图2所示。

图2 监测现场布点情况

2 基于图像的位移识别技术

基于图像的位移识别技术是大跨度铁路桥梁钢轨伸缩调节器监测系统的重要技术组成之一。将原始图像生成灰度图像,以便识别图像数据中的边缘;对图像数据进行坐标重构,以校正高清摄像机的视角偏差;根据标靶标准尺寸与图像像素点进行位移量自动判读,最终输出监测对象的位移。尖轨位移的识别过程如图3所示。

图3 位移识别过程

2.1 图像边缘检测方法

通过轨道监测现场的高清摄像机获取被测对象前端图像,将其转化为灰度图以便识别图像。被测对象本身在灰度图中会显示出清晰的轮廓,通过图像边缘检测方法识别出被测对象的边缘。具体步骤如下。

1)过滤掉图像可能存在的噪声。根据高斯公式生成滤波算子,然后将待处理的像素点及邻域像素点的灰度值与滤波算子进行卷积运算来实现加权平均运算。二维高斯公式为

式中:G(x,y)为该像素点的高斯系数;x为该像素点水平坐标;y为该像素点竖直坐标;σ为高斯函数的标准差。

计算梯度图像与角度图像,图像某一像素点的梯度∇G(x,y)和角度θ(x,y)计算式分别为

式中:∇2Gx(x,y) 为该像素点水平方向二阶导数;∇2Gy(x,y)为该像素点竖直方向二阶导数。

2)对梯度图像进行非极大值抑制处理。通过使用非极大值抑制法来寻找到梯度图像中局部最大值的点作为边缘点,并将非极大值所对应点的灰度值设为0。具体方法为,将每个像素点与梯度相同的两个邻域像素点作对比,如果该像素点的梯度值不是这三个像素点中的极大值时,就对这个像素点进行抑制,令此像素点为0。

3)采用双阈值算法检测并连接图像边缘。选取两个阈值,小于低阈值的像素点判定为假边缘;大于高阈值的像素点判定为强边缘;介于两个阈值中间的像素点需根据特定的规则进一步判定。

2.2 图像坐标修正方法

在监测系统的设计与实施过程中,因现场摄像机安装空间有限,以及被测结构本身位移变化等因素,高清摄像机镜头无法时刻位于被测对象的法线上,因此需要对边缘检测后的图像进行二维坐标修正,以提高图像识别精度。

对初始图像进行网格坐标修正,包括x方向(水平方向)修正和y方向(竖直方向)修正。转量矩阵获取及图像坐标修正方法为

式中:x、y分别为坐标修正前的图像坐标;x′、y′分别为坐标修正后的图像坐标;a11、a12、a21、a22、a31、a32均为旋转量;a13、a23、a33均为平移量。

2.3 位移自动判读方法

将处理后的图像通过像素点与尺寸之间的关系进行换算,从而自动判读位移,直接输出位移数据储存在服务器中以供调用。

首先计算给定度量单位像素比例,即

式中:ζ为单位尺寸像素比例;N为标靶像素数;n为标靶实际尺寸。

N可在处理后的图像中直接读取。n为定值,与标准尺寸标靶有关。

然后计算位移量,即

式中:n′为目标位移量;N′为目标像素,可在处理后的图像中直接读取。

3 基于图像的温度识别技术

基于图像的温度识别技术是大跨度铁路桥梁钢轨伸缩调节器监测系统的重要技术组成之一。由原始图像经过辐射定标与非均匀性校正,消除图像噪声与外界辐射影响,生成能量灰度图像,通过合作定标测温拟合出能量灰度值与温度相对精确的映射关系,输出最终监测对象的温度。靶点设置于钢轨轨腰处的温度识别过程见图4。

图4 温度识别过程及实施效果

3.1 辐射定标方法

基于图像的温度识别技术通过前端获取待测轨道结构的灰度图像,此类灰度图像本质为待测对象的能量信息,因此采用辐射定标方法将灰度图像转化为温度信息。

辐射定标主要目的为建立输入辐射亮度与灰度图像之间的映射关系。通过已知温度的定标黑体获取高清摄像机红外模块入瞳处的光谱辐射亮度L(λ),即

式中:c1、c2分别为第一、第二辐射常数;λ为辐射波长;nq为空气折射率;T为定标黑体的温度。

对于焦平面阵列,波长为λ1~λ2时高清摄像机红外模块的一个像元产生的电子数Se(λ)可表示为

式中:RT为Δλ窄带响应度;Tint为红外模块的积分时间。

需要注意的是,辐射定标时红外模块的积分时间必须与实际使用时红外模块的积分时间一致,否则辐射定标将失去意义。

生成待测轨道结构部件、活动黑体快门和合作黑体的能量灰度图像,即

式中:V为高清摄像机红外模块输出灰度值;ΔS为实验室定标黑体有效面积,定标黑体表面法线与r的夹角为0;r为实验室定标黑体有效面积与高清摄像机红外模块的距离。

3.2 非均匀性校正方法

在外界均匀辐射输入时,高清摄像机红外模块不同像元间输出值不完全相同,存在一定的系统误差,称为非均匀性。红外模块的非均匀性会影响红外图像的获取质量,从而影响测温精度,因此需进行非均匀性校正。

传统的红外模块非均匀性校正方法对非均匀性的校正能力有限,且固定的校正系数无法适应变化的监测对象温度与外界辐射,因此采用动态校正方法以对红外模块实时校正。

在成像设备内置一幅基准参考图像,将高清摄像机快门设置为活动黑体,作为动态感知外界温度变化的参考目标,利用基准参考图像和快门能量灰度图像计算增益参数和偏置参数,则有

式中:G i,j(t)为在t时刻的增益参数;O i,j(t)为在t时刻的偏置参数;x i,j(ΦH)为基准参考图像采集红外焦平面的输出值,其整幅图像的响应平均值VH(t)=1/(m×n)为快门实时图像采集红外焦平面的输出值,其整幅图像的响应平均值Vs(t)=1/(m×n)为图像像素个数。

基于增益参数和偏置参数对输出图像进行实时的非均匀性校正,即

式中:τi,j(t+n)为红外模块的能量灰度输出值;ξi,j(t+n)为红外模块的能量灰度输入值。

3.3 合作定标测温方法

在轨道监测现场,环境辐射、高清摄像机壳体材料辐射会影响测温精度,因此需采用合作定标测温技术进行补偿,以提高测温的准确性。

1)对定标黑体进行实验室标定,按固定的温度梯度改变定标黑体的温度,温度稳定后采集能量灰度图像,记录定标黑体温度与定标黑体的平均灰度值。

2)将定标黑体的平均灰度值与定标黑体温度进行多项式拟合,得到能量灰度与温度的拟合曲线为

式中:τ(T)为灰度值;A0~A5为多项式系数。

3)将高清摄像机红外模块内嵌的合作黑体温度传感器测到的温度(T)代入上式,得到能量灰度(τ)。全幅图像的灰度修正常数(τ0)为实际灰度(τh)与能量灰度(τ)的差值,即

4)将全幅图像中每个像素的灰度减去灰度修正常数,即可得到修正后的图像灰度(τc),此时的图像灰度精度会有大幅度提升。

5)对定标黑体温度与定标黑体修正后的图像灰度值进行多项式拟合,得到温度与修正后的图像灰度值的拟合曲线为

式中:C(T)为温度;B0~B5为多项式系数。

4 结论

本文提出钢轨伸缩调节器监测系统总体设计方案,采用信息化手段为大跨度铁路桥梁梁端轨道结构的安全服役提供技术支持,得到结论如下。

1)校正视角偏差的结构位移识别方法可实现调节器及梁端伸缩装置的非接触式位移监测,降低因视角偏差与图像噪声引起的系统误差,提高位移监测精度。

2)降低外界环境影响的结构温度识别方法,实现了调节器及梁端伸缩装置的非接触式温度监测,可降低因外界辐射与像元差异引起的系统误差,提高了温度监测精度。

3)本文方法提高了监测系统的鲁棒性、准确性与智能化程度,可减小传感器布点对线路的影响。

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