一種列車車輪空轉(zhuǎn)及滑行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及列車車輪的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體來說，涉及一種列車車輪空轉(zhuǎn)及滑行 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在列車運(yùn)行中，如果沒有足夠的粘著牽引力，其結(jié)果勢(shì)必沒有足夠的速度。如果輪 軌間的粘著失效，便會(huì)出現(xiàn)列車車輪發(fā)生空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，導(dǎo)致輪軌擦傷，而嚴(yán)重的擦傷往往是 鋼軌疲勞失效的重要根源之一。鐵路工務(wù)部門，每年僅僅為了修換擦傷的鋼軌，就要花費(fèi)大 量資金。同時(shí)，當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，如果輪軌作用界面之間的粘著失效，將造成車輪滑行，形成車 輪擦傷。車輪擦傷不僅使列車運(yùn)行時(shí)車輛/軌道產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，輪軌間產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊 噪聲，而且會(huì)導(dǎo)致車輪軸承、車軸和軌道的損傷，增加輪軌維修費(fèi)用。因此，在列車運(yùn)行時(shí)， 牽引力與制動(dòng)力的施加都必須滿足粘著條件，否則就會(huì)導(dǎo)致列車空轉(zhuǎn)或滑行。列車車輪一 旦發(fā)生空轉(zhuǎn)或者滑行現(xiàn)象，將極大的破壞正常的輪軌接觸關(guān)系，甚至導(dǎo)致脫軌事故的發(fā)生。 因此對(duì)于列車的空轉(zhuǎn)滑行監(jiān)測(cè)具有十分重要的作用。
[0003] 傳統(tǒng)的檢測(cè)手段主要是通過測(cè)速定位的方式來分析列車車輪的空轉(zhuǎn)或滑行狀態(tài)， 主要測(cè)速方法有：測(cè)速電機(jī)、光電式速度傳感器、多普勒雷達(dá)、激光測(cè)速、慣性加速度傳感 器、GPS測(cè)速等，這些方法存在檢測(cè)精度不足的問題，同時(shí)在實(shí)際的檢測(cè)中往往是多種測(cè)速 方法間的組合應(yīng)用，存在檢測(cè)數(shù)據(jù)格式的差異和數(shù)據(jù)融合的問題，對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)處理設(shè)備要 求極高。
[0004] 隨著數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展和視頻圖像分析處理的成熟，視頻測(cè)速得到了廣泛的應(yīng) 用，對(duì)于列車車輪的空轉(zhuǎn)及滑行監(jiān)測(cè)，主要采用雙攝像機(jī)監(jiān)測(cè)的手段，但其存在兩臺(tái)攝像機(jī) 需要同步觸發(fā)、攝像機(jī)更換維修麻煩等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 技術(shù)問題：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種列車車輪空轉(zhuǎn)及滑行的實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)方法，利用一個(gè)攝像機(jī)即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，有效的解決雙攝像機(jī)的檢測(cè)需要嚴(yán)格進(jìn)行時(shí)間 同步的校準(zhǔn)，提高了監(jiān)測(cè)的效率。
[0006] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例采用如下的技術(shù)方案：
[0007] -種列車車輪空轉(zhuǎn)及滑行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，所述的監(jiān)測(cè)方法包括以下步驟：
[0008] 步驟10)安裝設(shè)備：將攝像機(jī)和平面鏡分別固定安裝在列車的底架，列車的車輪 位于軌枕上，在列車的車輪和軌枕上分別設(shè)置標(biāo)定塊；車輪上的標(biāo)定塊在平面鏡中成的虛 像與軌枕上的標(biāo)定塊處于同一水平面中；
[0009] 步驟20)調(diào)試攝像機(jī)焦距，固定拍攝范圍，使車輪上的標(biāo)定塊在平面鏡中成的虛 像和軌枕上的標(biāo)定塊位于攝像機(jī)的拍攝范圍內(nèi)，獲取視頻數(shù)據(jù)；
[0010] 步驟30)將視頻中每幀圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像fk(i，j)，并分解灰度圖像：每幀圖 像的像素為nXm，其中，n、m均為偶數(shù)，fk(i，j)表示第k幀圖像的二維矩陣中像素坐標(biāo)點(diǎn) (i，j)的灰度值，像素坐標(biāo)系原點(diǎn)位于圖像的左上角，以向下為χ軸的正方向，向右為y軸的 正方向，ie [1，n]，je[1，m]，k的取值范圍為[1，sumframe]之間的整數(shù)，sumframe表 示視頻分解成圖像的總幀數(shù)；
[0011] 將fk (i，j)分為用于列車運(yùn)行速度檢測(cè)的Λ(1>(/，Λ和用于車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度 檢測(cè)的穴2)(/,/):兩個(gè)矩陣，其中，./；(1、(人./)=/4(，'，外且ie[1，n]，je[1，m/2]; .d/)= + ，且ie[1，n]，je[1，m/2];
[0012] 步驟40)測(cè)算列車運(yùn)行速度；
[0013] 步驟50)測(cè)算列車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度；
[0014] 步驟60)判斷車輪的運(yùn)行狀態(tài)。
[0015] 作為優(yōu)選方案，所述的步驟40)中，
[0016]利用式⑴計(jì)算Λω(〇)的灰度平均值：
[0018] 其中，Zf表示第k幀圖像#(/,刀的灰度平均值，對(duì)集合/斗中每一幀 圖像求取灰度平均值，得到第一散點(diǎn)序列?ζ丨對(duì)第一散點(diǎn)序列進(jìn)行二階差分，對(duì)差分 結(jié)果取絕對(duì)值，得到第一序列數(shù)據(jù)gl (k)，&⑷=▲ ^+Zf；)，此處k取[1， sumframe-2]，Zf+>2表示k+2幀圖像/=(/,力的灰度平均值，表示第k+1幀圖像巧(/."/) 的灰度平均值；
[0019] 對(duì)第一序列數(shù)據(jù)gl(k)進(jìn)行局部極大值檢測(cè)，如果檢測(cè)得到的極大值滿足設(shè)定的 閾值Λ?;Μ;?/，則記錄該極大值的坐#X_bCTi，X_bCTi表示第numberl個(gè)極大值點(diǎn)的幀坐標(biāo)；
[0020] 設(shè)置掃描范圍札，檢驗(yàn)極大值點(diǎn)的幀坐標(biāo)X_bCTl前后的Ri幀坐標(biāo)內(nèi)是否存在其 他極大值點(diǎn)，如果存在其它極大值點(diǎn)，則取這些極大值點(diǎn)幀坐標(biāo)的均值，作為融合后的極大 值點(diǎn)幀坐標(biāo)，持續(xù)掃描并融合，直到在掃描范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)其他極大值點(diǎn)，對(duì)第一序列數(shù)據(jù) gl(k)進(jìn)行掃描和融合后，獲得最終融合后的第一極大值幀坐標(biāo)序列沐義}，工么表示在第 一極大值幀坐標(biāo)序列丨中，作為第Nol次檢測(cè)到軌枕標(biāo)定塊的第幀圖像；
[0021] 利用式（2)測(cè)算列車運(yùn)行速度：
[0023] 其中，L表示相鄰兩個(gè)軌枕之間的距離；ΔΤ表示相鄰兩幀圖像之間的時(shí)間間隔； 表示在時(shí)間區(qū)間/,ηλΙΚΥαγ內(nèi)的列車運(yùn)行速度；表示軌枕標(biāo)定塊第j+1 次被檢測(cè)到時(shí)所在的幀圖像在整個(gè)幀圖像中的序號(hào)；表示軌枕標(biāo)定塊第j次被檢測(cè)到 時(shí)所在的幀圖像在整個(gè)幀圖像中的序號(hào)。
[0024] 作為優(yōu)選方案，所述的步驟50)包括：
[0025] 利用式⑶計(jì)算./;尸乜_/_)的灰度平均值：
[0027] 其中，Zf表示第k幀圖像的灰度平均值，對(duì)集合中每一幀 圖像求取灰度平均值，得到第二散點(diǎn)序列對(duì)第二散點(diǎn)序列進(jìn)行二階差分，對(duì)差分 結(jié)果取絕對(duì)值，得到第二序列數(shù)據(jù)g2 (k)，g2㈨=―⑷丨丨-2Z= +Zf；)，此處k取[1， sumframe-2]，Zg表示第k+2幀圖像^2丨仏力中的灰度平均值，表示第k+1幀圖像 (/，./)中的灰度平均值；
[0028] 對(duì)第二序列數(shù)據(jù)g2(k)進(jìn)行局部極大值檢測(cè)，如果檢測(cè)得到的極大值滿足設(shè)定的 閾值，.則記錄該極大值的坐標(biāo)X_bCT2,X_bCT2表示第number2個(gè)極大值點(diǎn)的幀坐標(biāo)；
[0029] 設(shè)置掃描范圍R2，檢驗(yàn)極大值幀坐標(biāo)X_bCT2前后的R2幀坐標(biāo)內(nèi)是否存在其他極大 值點(diǎn)，如果存在其它極大值點(diǎn)，則取這些極大值點(diǎn)幀坐標(biāo)的均值，作為融合后的極大值點(diǎn)幀 坐標(biāo)，持續(xù)掃描并融合，直到在掃描范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)其他極大值點(diǎn)；對(duì)第二序列數(shù)據(jù)g2(k) 進(jìn)行掃描和融合后，獲得最終融合后的第二極大值幀坐標(biāo)序列丨1=}，表示在第二極 大值幀坐標(biāo)序列中，作為第N〇2次檢測(cè)到車輪標(biāo)定塊的第.\';/:幀圖像；
[0030] 利用式⑷測(cè)算列車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度：
[0032] 其中，r表示列車車輪的半徑；△T表示相鄰兩幀圖像之間的時(shí)間間隔；表示 在時(shí)間區(qū)間e(X二內(nèi)測(cè)算列車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度；分子項(xiàng)中除以4,表示沿著車 輪圓周4等分設(shè)置4個(gè)車輪標(biāo)定塊；表示車輪標(biāo)定塊第j+Ι次被檢測(cè)到時(shí)所在的幀圖 像在整個(gè)幀圖像中的序號(hào)；Xf表示車輪標(biāo)定塊第j次被檢測(cè)到時(shí)所在的幀圖像在整個(gè)幀 圖像中的序號(hào)。
[0033] 作為優(yōu)選方案，所述步驟60)具體包括：
[0034] 利用式（5)測(cè)算在同一時(shí)刻，列車運(yùn)行速度與車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度的速度差值：
[0035] Δν=(5-^輪式（5)
[0036] 利用式（6)測(cè)算在同一時(shí)刻，列車運(yùn)行速度與車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度的滑移率：
[0038] 設(shè)速度差值閾值為AVl，滑移率閾值為1，則當(dāng)Δν彡AVl，且η彡^時(shí)，則車 輪處于滑行狀態(tài)，當(dāng)Αν彡-aVi，且η彡-η^寸，則車輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。
[0039] 作為優(yōu)選方案，所述的列車車輪空轉(zhuǎn)及滑行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，還包括步驟70):如果 步驟60)檢測(cè)出車輪處于滑行狀態(tài)或者空轉(zhuǎn)狀態(tài)，且持續(xù)w秒檢測(cè)中，車輪處于同一狀態(tài)， 則車輪發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行。
[0040] 作為優(yōu)選方案，所述的步驟70)中，w為5。
[0041] 作為優(yōu)選方案，所述的步驟30)中，n，m均為偶數(shù)。
[0042] 作為優(yōu)選方案，所述的步驟60)中，Δν$ 15千米/小時(shí)，η# 15%。
[0043] 作為優(yōu)選方案，所述的步驟40)中，e[20,40]。
[0044] 作為優(yōu)選方案，所述的步驟50)中，e[20,40]。