本發明涉及無縫線路鋼軌巡檢與維護，尤其涉及一種基于車載巡檢的無縫線路鋼軌風險測評方法及系統。

背景技術：

1、由于無縫線路設計消除了鋼軌接縫，有助于改善軌道結構，減小振動，在新建線中的應用越來越廣泛；但另一方面正由于軌縫的消失，鋼軌無法在溫度改變時自由伸縮，從而會在鋼軌內部產生很大的溫度應力，當扣件壓力不足以抵消溫度應力時，鋼軌會發生縱向位移，溫度升高時引發脹軌、跑道，當溫度很低時則容易出現斷軌，嚴重影響行車安全。

2、為保障運營安全，掌握鋼軌應力，需要對無縫線路鋼軌位移觀測樁進行周期性檢測或實時監測，然而目前主要采用的監測技術包括兩類，一類是采用人工目視的方式進行逐一觀測，屬于接觸式測量方法，例如通過人工現場檢測的方式，采用直角尺對位移觀測樁與軌底標尺的相對位置變化進行對比測量，然而這種方式應用時需要耗費極大的人力資源和時間資源，除了需要消耗大量人工外，人工手動檢測對于觀測樁幾何中心的選取難以精準把控，導致測量誤差較大，存在檢測效率低下的問題，且對檢測人員的專業性較高，局限性大，影響因素較多，誤差率高。

3、另一類是在軌縫位置安裝監控裝置，屬于非接觸式測量方法，例如劉利平等提出一種基于單目視覺測量技術的鐵路鋼軌爬行位移檢測方法，通過安裝在鋼軌旁邊固有設施上的圖像采集設備采集含有圓形標記物的圖像，通過模板匹配方法初步定位標記物在重建圖像中的位置，結合邊緣檢測以及圓擬合方法實現精準計算標記物的質心坐標和半徑大小，依據圖像成像原理檢測得到鋼軌爬行的物理位移大小。另外，可通過在接頭位置設置軌溫監測傳感器，實現軌溫變化的實時監測，并推算鋼軌縱向位移變化量，這種方式應用時需要沿線設置大量的監控裝置組件或傳感設備，存在設備投入量較大、安裝成本高的不足，后期維護工作量繁雜，也難以滿足高速動態測量的客觀需求，無法實現及時精確的斷軌風險評測。

4、公開于本發明背景技術部分的信息僅僅旨在加深對本發明的一般背景技術的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成己為本領域技術人員所公知的現有技術。

技術實現思路

1、為解決上述問題，本發明提供了一種基于車載巡檢的無縫線路鋼軌風險測評方法及系統，通過隨車相機獲取無縫線路觀測樁高分辨率圖像信息，應用大津算法劃分前景與背景，應用邊緣檢測實現觀測樁和標尺的形狀特征提取，應用模板匹配算法實現目標矩形、目標圓形與圖片中形狀的匹配，并通過中心提取計算出鋼軌位移，實時計算全線鋼軌溫度應力、溫度變化量、溫度力等指標，從而實現斷軌風險評判；優選地，在一個實施例中，所述方法包括：

2、動態采集步驟：在車輛載體相對于被測鋼軌運動的過程中，采用設置在車輛載體底部的攝像裝置采集包含鋼軌位移觀測樁和標尺的圖像數據；

3、圖像劃分步驟：運用大津算法對采集的圖像數據進行二值化處理，劃分確定前景區域和背景區域；

4、特征提取步驟：基于canny邊緣檢測算法確定圖像中位移觀測樁和標尺的位置和輪廓特征；

5、運算中心確定步驟：分別對圖像中位移觀測樁和標尺的輪廓與模板對象進行歸一化處理后，匹配確定位移觀測樁和標尺的中心位置；

6、縱向位移計算步驟：確定位移觀測樁中心與標尺中心的檢測直線距離，結合位移觀測樁中心與標尺中心的安裝距離計算對應無縫鋼軌的縱向位移；

7、實時軌溫分析步驟：基于所述縱向位移結合鋼軌的伸縮屬性計算無縫鋼軌當前位置的實際軌溫相對施工鎖定軌溫的變化量，進而基于其確定鋼軌不同位置的溫度應力指標，所述溫度應力指標包括溫度應力和全斷面溫度力；

8、風險評判及處理步驟：基于所述溫度應力指標的分布情況確定匹配的鋼軌風險評判結果，結合設定的決策原則提供對應的處理方案，并面向用戶可視化輸出。

9、可選的實施例中，所述攝像裝置采用隨車相對鋼軌設置的高清線陣激光相機，動態采集包含鋼軌位移觀測樁和標尺的灰度圖。

10、優選地，一個實施例中，圖像劃分步驟中，根據圖像像素分類的類間方差計算原理，求取使類間方差最大的目標灰度級，根據所述目標灰度級將圖像所有的像素分為兩類實現劃分。

11、進一步地，一個實施例中，按照下式計算圖像像素分類的類間方差：

12、σ2＝p1(l1-lg)2+p2(l2-lg)2

13、其中，p1l1+p2l2＝lg，則：

14、σ2＝p1p2(l1-l2)2

15、式中，σ2表示圖像像素分類的類間方差，l1和l2分別表示兩類像素各自的均值，lg表示圖像全局像素均值，p1和p2分別表示像素被分為第一類和第二類的概率。

16、優選地，一個實施例中，特征提取步驟中，確定圖像中位移觀測樁和標尺的位置和輪廓特征的過程，包括：

17、用高斯濾波器平滑圖像；

18、用一階偏導的有限差分來計算梯度的幅值和方向；

19、對梯度幅值進行非極大值抑制；

20、進而用雙閾值算法檢測和連接邊緣，得到矩形標尺和圓形觀測樁的輪廓特征及位置。

21、可選地，一個實施例中，縱向位移計算步驟中，按照下式計算對應無縫鋼軌的縱向位移a：

22、

23、式中，b為位移觀測樁幾何中心與標尺幾何中心的安裝距離，c為位移觀測樁中心與標尺中心的檢測直線距離。

24、進一步地，一個實施例中，實時軌溫分析步驟中，按照下式基于所述縱向位移計算無縫鋼軌當前位置的實際軌溫相對施工鎖定軌溫的變化量：

25、δt＝δl/(a·l)

26、式中：δt為實際軌溫與施工結束時施工鎖定軌溫測量結果相比的軌溫變化幅度(℃)；δl為鋼軌的伸縮量(mm)；a為鋼軌的膨脹系數，a＝0.0118mm/(m·℃)，即每米的鋼軌軌溫變化1℃時，鋼軌將伸縮0.0118mm；l為鋼軌長度(m)。

27、優選的實施例中，按照下式計算鋼軌的全斷面溫度力：

28、pt＝σt·s鋼軌＝247.8·δt·s鋼軌

29、其中，σt＝247.8·δt

30、式中：pt為溫度力(n)；s鋼軌為鋼軌斷面積(cm2)；σt為溫度應力(n)；δt為實際軌溫與施工結束時施工鎖定軌溫測量結果相比的軌溫變化幅度(℃)。

31、基于上述一個或多個實施例中所述方法的其他方面，本發明還提供一種存儲介質，該存儲介質上存儲有可實現如上述一個或多個實施例中所述方法的程序代碼。

32、基于上述一個或多個實施例中所述方法的應用方面，本發明還提供一種基于車載巡檢的無縫線路鋼軌風險測評系統，該系統執行如上述一個或多個實施例中所述的方法，優選地，一個實施例中，所述系統包括：

33、動態采集模塊，包括設置在車輛載體底部的攝像裝置和通信單元，其配置為在車輛載體相對于被測鋼軌運動的過程中，動態采集包含鋼軌位移觀測樁和標尺的圖像數據并傳輸至數據處理模塊；

34、數據處理模塊，其固定設置在車輛載體底部或內部，與動態采集模塊和檢測控制中心通信連接，用于對采集的圖像數據進行處理并確定圖像中位移觀測樁和標尺的形心，進而根據形心的分布結合位移觀測樁與標尺的安裝距離計算對應無縫鋼軌的縱向位移，基于其計算確定鋼軌溫度應力指標，實現斷軌風險評測并進行相關數據的可視化輸出；

35、所述數據處理模塊包括：

36、圖像劃分單元，其配置為運用大津算法對采集的圖像數據進行二值化處理，劃分確定前景區域和背景區域；

37、特征提取單元，其配置為基于canny邊緣檢測算法確定圖像中位移觀測樁和標尺的位置和輪廓特征；

38、運算中心確定單元，其配置為對圖像中位移觀測樁和標尺的輪廓與模板對象進行歸一化處理后，匹配確定位移觀測樁和標尺的中心位置；

39、縱向位移計算單元，其配置為確定位移觀測樁中心與標尺中心的檢測直線距離，結合位移觀測樁中心與標尺中心的安裝距離計算對應無縫鋼軌的縱向位移；

40、實時軌溫分析單元，其配置為基于所述縱向位移結合鋼軌的伸縮屬性計算無縫鋼軌當前位置的實際軌溫相對施工鎖定軌溫的變化量，進而基于其確定鋼軌不同位置的溫度應力指標，所述溫度應力指標包括溫度應力和全斷面溫度力；

41、風險評判及處理單元，其配置為基于所述溫度應力指標的分布情況確定匹配的鋼軌風險評判結果，結合設定的決策原則提供對應的處理方案，并面向用戶可視化輸出。

42、與最接近的現有技術相比，本發明還具有如下有益效果：

43、本發明提供的一種基于車載巡檢的無縫線路鋼軌風險測評方法及系統，該方法采用設置在車輛載體底部的攝像裝置動態采集包含鋼軌位移觀測樁和標尺的圖像數據；能夠有效地基于運動狀態的攝像裝置獲取鋼軌觀測樁和標尺的圖像，用于分析運算鋼軌的縱向爬行位移，不需要沿線設置大量的激光相機或者溫度傳感器，也不需要基于溫度數據進行推算確定位移，節省設備安裝成本，且降低中間運算導致的誤差概率。

44、進一步地，采用大津算法對采集的圖像數據進行劃分確定前景區域和背景區域后，基于邊緣檢測算法確定圖像中位移觀測樁和標尺的輪廓特征；進而對圖像中位移觀測樁和標尺與模板對象進行歸一化處理后，匹配確定兩者的中心位置；基于嚴謹的圖像處理手段，識別得到精確的位移觀測點和標尺的中心位置，便于獲取中心位置之間的距離作為參與位移運算的檢測直線距離，從運算數據方面保障了計算結果的可靠性和真實性。

45、確定位移觀測樁中心與標尺中心的檢測直線距離后，結合位移觀測樁中心與標尺中心的安裝距離計算對應無縫鋼軌的縱向位移；通過計算機視覺技術，配合圖像識別算法，實現運行狀態下鋼軌縱向位移的快速檢測，提高無縫線路鋼軌縱向位移檢測效率，降低了人工成本，提高了線路運營維護效率，且對操作人員的專業性要求不高，適用與不同里程的線路和多種運載車輛，實用性很好；

46、計算對應無縫鋼軌的縱向位移后，進而基于縱向位移分析線路鋼軌的溫度應力、溫度變化量、溫度力等數據，實現斷軌風險評判。該方案基于計算機視覺技術配合圖像識別算法，實現運行狀態下鋼軌縱向爬行位移的精確高效檢測，快速得到精確的溫度應力數據對鋼軌風險實現可靠測評，為鋼軌運營和維護提供支持。

47、本發明的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。