专利名称：地铁限界检测系统及其检测方法
技术领域：
本发明涉及城市轨道交通限界检测领域，特别是涉及城市轨道交通地铁限界检测领域。
背景技术：
随着社会进步、城市规模不断扩大、人口密度迅速增加，城市交通拥堵的情况日益严重。地铁因其具有运量大、能耗低、准时性好、快速安全、交通效率高等优点，成为城市轨道交通发展的重要方向之一，是解决大城市交通拥挤的有效和长远的途径。近年来，我国城市地铁和轻轨交通有了蓬勃的发展。全国超过100万人口的48个城市中，目前已有超过30个城市正在开展轨道交通前期工作或建设工作，规划建设线路55条，总长1700km。截止2011年底，地铁运营里程累积达到3570公里。随着城市的快速发展，其对地铁的依赖程度大大提高，因此，保障地铁高效、安全运行，被提到更加突出的位置。地铁列车沿着固定轨道高速运行，需要在特定的空间中运行，这个特定空间的尺寸就是地铁的限界。大量的工程实践指出，地铁工程建设、竣工验收以及日常运行维护等环节都需要地铁限界这个重要指标。国内隧道限界检测技术起步较晚，检测手段主要局限于静态检测。目前，车载式限界检测方式有两种断面检测法和激光雷达检测法。断面检测法根据设备限界的尺寸和不同的端面半径，制作一个可伸缩式的和标准限界大小相同的触点式框架，固定在平板车上，当触点碰到障碍物时既能发出信号又能自由避让，以此作为检测车，用内燃机车牵引，对全线路逐段进行检测。断面检测法缺点在于在检测过程中要求检测车的运行速度很低，无法检测出在高速运行状态下的列车振动偏移量的影响，而且当列车运行在曲线地段时，由于其内外侧的几何偏移是自动连续增大的，而触点式框架却无法自动连续的增大，这大大降低了检测时的准确度和精度。当发生超限情况时，需要立即停车倒车并反复多次，人工标记超限量，这种检测显然耗费了过多的人力资源和物质资源，并且效率低下，对误差的控制能力也不好。激光雷达检测法激光雷达扫描系统采集隧道断面物体距离信息，并通过串行端口传送信息给计算机进行处理，最后在检测主机上显示标准限界和扫描断面图像，经过数据对比判定侵限故障。激光雷达检测法缺点在于首先，激光雷达本身存在系统误差在15mm左右，无法达到精确测量的要求；其次，激光雷达激光扫描光束存在扫描角度间隔，容易造成漏检；最后激光雷达采用的是多脉冲回波测距原理，扫描频率一般在50HZ左右，并不适宜高速、实时检测需求。针对目前各种限界检测方式中存在的局限性，研究隧道限界动态高速检测原理，研制地铁限界车载高速动态检测系统，定期对地铁限界进行检测，是保证列车安全运行的重要手段。本项目通过研究高速、动态限界检测原理，通过车载限界检测设备，实时、动态测量隧道限界并对侵入限界的物体进行高精度故障判定和提供侵限故障详细定位信息，为日常隧道维护和排除隧道内的侵限故障提供真实准确的数据参考，对保证地铁车辆在隧道内安全运行具有重要的现实意义。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种城市轨道交通地铁限界检测系统及其检测方法，该系统及其检测方法在各个路段的测量都能提高准确度和精度，减小系统检测误差，对误差的控制好，同时能节省人力资源和物质资源，提高效率，适用于高速、实时检测需求。本发明采用的技术方案如下地铁限界检测系统，包括数据处理分析系统，其特征在于
还包括分别与数据处理分析系统相连的图像采集系统10、振动补偿系统和定位系统；所述图像采集系统10包括至少2组面阵相机；
所述数据处理分析系统包括计算机和打印机；
所述振动补偿系统包括至少2组面阵相机；
所述定位系统包括分别与数据处理分析系统相连的速度传感器和电子标签射频仪。作为优选，所述图像采集系统10包括6组面阵相机。 作为优选，所述6组面阵相机安装在车头前端中心位置，且该6组面阵相机所成平面与地相垂直，第一组面阵相机I与第六组面阵相机6位于最下端位置，成110度夹角，其余相邻面阵相机之间成50度夹角。作为优选，所述振动补偿系统包括2组面阵相机。作为优选，所述每组面阵相机包括I个面阵相机和I个激光光源；
所述面阵相机为高速面阵CCD相机。地铁限界检测系统的检测方法为
a、所述图像采集系统10提取隧道断面上激光照射位置的水平坐标和垂直坐标的位置信息山、所述振动补偿系统将车载动态检测数据归算至静态；c、所述定位系统中速度传感器向数据处理系统提供当前列车行驶速度和公里标，电子标签射频仪修正速度传感器测量的公里标定位的定位误差；d、所述数据分析处理系统综合上述a、b、c中的检测数据形成基于基准坐标系地铁限界检测的最终数据。作为优选，上述地铁限界检测系统的检测方法中，其中所述a的具体方法步骤为所述图像采集系统10中的每组面阵相机只负责其视角范围内地铁隧道轮廓检测；对图像采集系统10所有相机拍摄的隧道断面轮廓图像进行拼接之后形成全方位隧道断面轮廓；所述图像采集系统10提取隧道断面上激光照射位置的水平和垂直坐标的位置信息。作为优选，上述地铁限界检测系统的检测方法中，其中所述b的具体方法步骤为所述振动补偿系统中的每组面阵相机分别拍摄相邻的钢轨，通过对钢轨轮廓图像进行数字图像处理以及数字图像特征点提取，实现对车体行进过程中产生的振动偏移量进行实时计算；所述振动补偿将车载动态检测数据归算至基准坐标系。作为优选，上述地铁限界检测系统的检测方法中，其中所述d的具体方法步骤为 步骤一、所述数据分析处理系统接收所述a、b、c中的检测数据图像；
步骤二、所述数据分析处理系统根据每帧图像数据中的脉冲个数将图像采集系统10和振动补偿系统的数据进行数据对齐；
步骤三、所述数据分析处理系统将车振动偏移数据通过坐标转换方式用以补偿图像采集系统10得到的隧道断面检测数据；
步骤四、所述数据分析处理系统综合检测数据形成地铁限界检测的最终数据。作为优选，上述地铁限界检测系统的检测方法中，所述d的具体方法步骤还包括所述数据分析处理系统对图像处理、车体振动偏移、速度定位进行检测线路、行驶方向和开始区段的初始化设置；所述数据分析处理系统对检测方式进行初始化设置；所述数据分析处理系统实现曲线回放、单线比较分析或综合比较分析的多种报表、曲线打印、曲线存储、报表打印、报表储存或侵限故障红色警示；所述数据分析处理系统针对不同的线路信息调用不同的标准设备限界轮廓数据库信息。作为优选，上述地铁限界检测系统的检测方法中，所述步骤一中对图像进行处理的方法步骤为(I)、对图像进行灰度修正，包括对图像灰度的线性变换、灰度拉伸和直方图均衡化的修正；(2)、对图像采用线性滤波器领域平均去噪或采用非线性滤波器中值过滤去噪。 与现有技术相比，本发明的有益效果是
1、采用高速面阵相机，无论对直线路段还是曲线路段都能进行实时高质量检测，采样频率更高，实时性更强，同时数据精度更高；
2、采用振动补偿系统，利用数字图像特征点提取技术对运行过程的机车产生的振动偏移进行计算，检测数据更精确，准确性更高；
3、定位系统采用速度传感器进行定位并利用电子标签射频仪对定位误差进行修正，进一步提高检测数据的精确性和准确性。4、图像采集系统采用6组互成一定夹角的面阵相机安装在车头前端中心位置，能达到全方位隧道断面轮廓扫描检测的目的。


图I为本发明的结构原理框图。图2为本发明其中一具体实施例的图像采集系统安装图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本说明书中公开的所有特征，除了互相排除的特征以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。如图I所示，地铁限界检测系统，包括数据处理分析系统及分别与其相连的图像采集系统10、振动补偿系统和定位系统；所述图像采集系统10包括至少2组面阵相机；所述数据处理分析系统包括计算机和打印机；所述振动补偿系统包括至少2组面阵相机；所述定位系统包括分别与数据处理分析系统相连的速度传感器和电子标签射频仪。在本具体实施例中，所述图像采集系统10包括6组面阵相机；所述振动补偿系统包括2组面阵相机；所述每组面阵相机包括I个面阵相机和I个激光光源；所述面阵相机为高速面阵CXD相机。图像采集系统10利用6组高速面阵相机分区域实时拍摄隧道断面图像；振动补偿系统利用2组高速高清面阵相机拍摄相邻侧钢轨轮廓图像，利用数字图像特征点提取技术对运行过程的机车产生的振动偏移进行计算；定位系统采用速度传感器定位并利用电子标签射频仪器对定位误差进行修正；数据融合处理系统利用数字图像滤波技术以及数字图像特征提取技术结合三角形成像原理对隧道断面图像和钢轨轮廓图像的海量数据进行处理，精确判断侵限故障位置。振动补偿系统采用两组高速面阵CCD相机，获取车体多自由度振动相对于钢轨中心横向偏移量、纵向偏移量和倾斜角度；
定位系统采用速度传感器，用于测量行驶速度及公里标定位，电子标签射频仪用于修正速度传感器定位误差；
数据融合处理系统采用高性能工业计算机利用三角形测量原理对隧道断面进行非接·触式检测；
电源使用作业车提供的AC220V电源，经过电源稳压变换电路输出DC5V和DC12V电压，为传感器、相机、光源等设备供电；
整个系统的独立性强，采用屏蔽线传输抗干扰能力强。地铁限界检测系统的检测方法为
a、所述图像采集系统10提取隧道断面上激光照射位置的水平坐标和垂直坐标的位置信息山、所述振动补偿系统将车载动态检测数据归算至静态；c、所述定位系统中速度传感器向数据处理系统提供当前列车行驶速度和公里标，电子标签射频仪修正速度传感器测量的公里标定位的定位误差；d、所述数据分析处理系统综合上述a、b、c中的检测数据形成基于基准坐标地铁限界检测的最终数据。基准坐标系是指垂直于直线轨道线路中心线段的二维平面直角坐标。横坐标(X轴)与设计轨顶面相切，纵坐标(Y轴)垂直于轨顶平面，该基准坐标系的坐标原点为轨距中心点。上述地铁限界检测系统的检测方法中，其中所述a的具体方法步骤为所述图像采集系统10中的每组面阵相机只负责其视角范围内地铁隧道轮廓检测；对所有图像采集系统10相机拍摄的隧道断面轮廓图像进行拼接之后形成全方位隧道断面轮廓；所述图像采集系统10提取隧道断面上激光照射位置的水平和垂直坐标的位置信息。上述地铁限界检测系统的检测方法中，其中所述b的具体方法步骤为所述振动补充系统中的每组面阵相机分别拍摄相邻的钢轨，通过对钢轨轮廓图像进行数字图像处理以及数字图像特征点提取，实现对车体行进过程中产生的振动偏移量进行实时计算；所述振动补偿将车载动态检测数据归算至静态基准坐标系。上述地铁限界检测系统的检测方法中，其中所述d的具体方法步骤为
步骤一、所述数据分析处理系统接收所述a、b、c中的检测数据图像；
步骤二、所述数据分析处理系统根据每帧图像数据中的脉冲个数将图像采集系统10和振动补偿系统的数据进行数据对齐；
步骤三、所述数据分析处理系统将车振动偏移数据通过坐标转换方式用以补偿图像采集系统10得到的隧道断面检测数据；
步骤四、所述数据分析处理系统综合检测数据形成基于基准坐标系地铁限界检测的最终数据。在本具体实施例中
如图2所示，图像采集系统10由6组面阵相机组成，该6组面阵相机安装在车头前端中心位置，且6组面阵相机所成平面与地相垂直，第一组面阵相机I与第六组面阵相机6位于最下端位置，成110度夹角，其余相邻面阵相机之间成50度夹角，每组面阵相机只负责其视角范围(约60度)内的铁隧道轮廓检测，对6组相机拍摄的隧道断面轮廓图像进行拼接之后形成全方位隧道断面轮廓。图像采集系统10主要负责提取隧道断面上激光照射位置的位置信息(水平、垂直坐标)。振动补偿系统采用2组高清面阵相机，分别拍摄相邻的钢轨，通过对钢轨轮廓图像进行数字图像处理以及数字图像特征点(轨顶面下16_)提取，实现对车体行进过程中产 生的振动偏移量进行实时计算。空间中，任意两个静止的物体之基间的距离关系不会发生变化，振动补偿的作用是将车载动态检测数据归算至静态(即归算至准坐标系中)，更符合物体的空间关系，提闻了检测数据精度。定位系统采用国产DF8速度传感器，用于测量行驶速度及公里标定位，电子标签射频仪用于修正速度传感器定位误差。速度传感器和和电子标签射频仪作为两个并列独立的模块和数据处理分析系统相连，即速度传感器和电子标签射频仪在实时检测时，同时都在工作；速度传感器向数据处理系统提供当前列车行驶速度和公里标；电子标签射频仪安装于车体底部随车体运行，当行驶至电子标签上方时触发射频信号，与此同时读取当前电子标签所对应公里标数据库，并将该公里标和速度传感器提供的公里标进行比对，如果两公里标不同则以电子标签公里标为准。数据分析处理系统中，图像采集系统10中的6组面相机以及振动补偿系统的2组面阵相机拍摄的每帧图像数据都对应了当前速度传感器发送的脉冲，数据分析处理系统在接收到上述三部分的数据之后，首先，根据每帧图像数据中的脉冲个数将图像采集系统10和振动补偿系统的数据进行数据对齐；其次，将车振动偏移数据通过坐标转换方式用以补偿图像采集系统10得到的隧道断面检测数据。最后，形成基于基准坐标系地铁限界检测的最终数据。运行中的车体在每一时刻产生的振动信息都不相同，数据对齐能够确保当前振动数据补偿到当前图像采集系统10数据中，提高检测数据精度。上述地铁限界检测系统的检测方法中，所述d的具体方法步骤还包括所述数据分析处理系统对图像处理、车体振动偏移、速度定位进行检测线路、行驶方向和开始区段的初始化设置；所述数据分析处理系统对检测方式进行初始化设置；所述数据分析处理系统实现曲线回放、单线比较分析或综合比较分析的多种报表、曲线打印、曲线存储、报表打印、报表储存或侵限故障红色警示；所述数据分析处理系统针对不同的线路信息调用不同的标准设备限界轮廓数据库信息。限界实时检测实时动态在线检测。在开始运行前及运行过程中都可通过初始设置设定检测线路、行驶方向、开始区段，随时可以对区段及定位进行调整；并可以通过参数设置设置选择检测方式，如实时检测、模拟检测、数据回放等检测方式。检测参数通过曲线及数值的方式实时显示于计算机显示器上，所有线路原始数据及每次检测结果存储在计算机硬盘上，文件名称与站区名称及检测日期关联，方便查询。同时能实现曲线回放(历史回溯)、单线比较分析及综合比较分析等多种报表、曲线打印、曲线储存(图片)、报表打印、报表储存(excel表格)以及侵限故障红色警示等。另外，计算机中设定包括标准设备限界轮廓数据和线路信息数据，针对不同的线路信息调用不同的标准设备限界轮廓数据信息。上述地铁限界检测系统的检测方法中，所述步骤一中对图像进行处理的方法步骤为(I)、对图像进行灰度修正，包括对图像灰度的线性变换、灰度拉伸和直方图均衡化的修正；(2)、对图像采用线性滤波器领域平均去噪或采用非线性滤波器中值过滤去噪。在本发明中，不论是对隧道断面轮廓还是钢轨轮廓图像采集均需要借助于图像采集系统10，每组图像采集系统10由一个高强度线阵激光器和一个高清面阵相机组成，由三 角形测量原理对图像中识别的物体进行距离测算。在运用三角形测量原理之前，需要相机的图像坐标系与物理空间中的坐标系(世界坐标系)之间的对应关系。只有当相机被准确的标定以后，才能根据二维图像坐标计算出对应在物理空间中的实际位置，为了确定上述对应关系，需要知道面阵相机的光学和几何参数(内部参数)以及面阵相机对外部参考坐标系的位置和方向(外部参数)。面阵相机的标定过程就是根据一组已知物理坐标系坐标和图像坐标系坐标的点来确定相机的内部参数和外部参数。相机的标定结果除提供图像点与空间点的映射关系外，还可以通过外极线方程来约束寻找同名点的搜索空间，从而降低匹配算法的复杂性，减少误匹配率。经过上述步骤的准确标定后，得到像素坐标和物理坐标对应曲线。在进行图像特性检测之前，首先需要对图像进行预处理，目的是对低质量图像的改善，其中包括图像的灰度修正和图像平滑去噪。图像的灰度修正就是对图像进行逐点运算，而不改变图像内的信息结构。主要包括图像灰度的线性变换，灰度拉伸和直方图均衡化等。在图像特征检测之前进行图像直方图均衡化是十分有益的。根据图像的直方图，求出一个图像灰度变换T，是的经过这个变换产生的新图像直方图接近理想的直方图。即所谓的直方图均衡化，这样就将直方图与灰度级变换结合起来。直方图均衡化的物理意义不能改变灰度出现的次数(因为那样会改变图像的信息结构)，单可以改变出现次数所对应的灰度级，使特定区间内像素出现次数是相等的。图像去噪，降低图像噪音，空域可以用线性滤波器和非线性滤波器，线性滤波器用领域平均去噪，而非线性滤波器采用中值过滤在频域内，由于噪声通常在高频段，因此采用低通滤波器去噪。原始图像经过高斯滤波算法，对每幅图像的噪声进行滤除，在此基础上运用拉普拉斯算子对图像的边缘特征进行提取，这是图像处理的核心算法。经上述算法处理后得到的钢轨实时轮廓图像。
权利要求
1.地铁限界检测系统，包括数据处理分析系统，其特征在于 还包括分别与数据处理分析系统相连的图像采集系统(10)、振动补偿系统和定位系统；所述图像采集系统(10)包括至少2组面阵相机； 所述数据处理分析系统包括计算机和打印机； 所述振动补偿系统包括至少2组面阵相机； 所述定位系统包括分别与数据处理分析系统相连的速度传感器和电子标签射频仪。
2.根据权利要求I所述的地铁限界检测系统，其特征在于 所述图像采集系统(10)包括6组面阵相机。
3.根据权利要求I所述的地铁限界检测系统，其特征在于 所述振动补偿系统包括2组面阵相机。
4.根据权利要求I到3之一所述的地铁限界检测系统，其特征在于 所述每组面阵相机包括I个面阵相机和I个激光光源； 所述面阵相机为高速面阵CCD相机。
5.根据权利要求2所述的地铁限界检测系统，其特征在于 所述6组面阵相机安装在车头前端中心位置，且该6组面阵相机所成平面与地相垂直，第一组面阵相机(I)与第六组面阵相机(6)位于最下端位置，成110度夹角，其余相邻面阵相机之间成50度夹角。
6.根据权利要求I所述的地铁限界检测系统的检测方法，其特征在于 a、所述图像采集系统(10)提取隧道断面上激光照射位置的水平坐标和垂直坐标的位置信息山、所述振动补偿系统将车载动态检测数据归算至基准坐标系；c、所述定位系统中速度传感器向数据处理系统提供当前列车行驶速度和公里标，电子标签射频仪修正速度传感器测量的公里标定位的定位误差；d、所述数据分析处理系统综合上述a、b、c中的检测数据形成基于基准坐标系地铁限界检测的最终数据。
7.根据权利要求6所述的地铁限界检测系统的检测方法，其特征在于 其中所述a的具体方法步骤为所述图像采集系统(10)中的每组面阵相机只负责其视角范围内地铁隧道轮廓检测；图像采集系统(10)对所有相机拍摄的隧道断面轮廓图像进行拼接之后形成全方位隧道断面轮廓；图像采集系统(10)提取隧道断面上激光照射位置的水平和垂直坐标的位置信息。
8.根据权利要求6所述的地铁限界检测系统的检测方法，其特征在于 其中所述b的具体方法步骤为所述振动补偿系统中的每组面阵相机分别拍摄相邻的钢轨，通过对钢轨轮廓图像进行数字图像处理以及数字图像特征点提取，实现对车体行进过程中产生的振动偏移量进行实时计算；所述振动补偿系统将车载动态检测数据归算至基准坐标系。
9.根据权利要求6所述的地铁限界检测系统的检测方法，其特征在于 其中所述d的具体方法步骤为 步骤一、所述数据分析处理系统接收所述a、b、c中的检测数据图像； 步骤二、所述数据分析处理系统根据每帧图像数据中的脉冲个数将图像采集系统(10)和振动补偿系统的数据进行数据对齐； 步骤三、所述数据分析处理系统将车振动偏移数据通过坐标转换方式用以补偿图像采集系统(10)得到的隧道断面检测数据； 步骤四、所述数据分析处理系统综合检测数据形成基于基准坐标系地铁限界检测的最终数据。
10.根据权利要求9所述的地铁限界检测系统的检测方法，其特征在于 所述d的具体方法步骤还包括所述数据分析处理系统对图像处理、车体振动偏移、速度定位进行检测线路、行驶方向和开始区段的初始化设置；所述数据分析处理系统对检测方式进行初始化设置；所述数据分析处理系统实现曲线回放、单线比较分析或综合比较分析的多种报表、曲线打印、曲线存储、报表打印、报表储存或侵限故障红色警示；所述数据分析处理系统针对不同的线路信息调用不同的标准设备限界轮廓数据库信息。
11.根据权利要求8所述的地铁限界检测系统的检测方法，其特征在于 所述步骤一中对图像进行处理的方法步骤为(I)、对图像进行灰度修正，包括对图像灰度的线性变换、灰度拉伸和直方图均衡化的修正；(2)、对图像采用线性滤波器领域平均去噪或采用非线性滤波器中值过滤去噪。
全文摘要
本发明提供了一种地铁限界检测系统及其检测方法，属于城市轨道交通限界检测领域，包括数据处理分析系统，以及分别与数据处理分析系统相连的图像采集系统10、振动补偿系统和定位系统，该系统在各个路段的测量都能提高准确度和精度，减小系统误差，对误差的控制好，同时能节省人力资源和物质资源，提高效率，适用于高速、实时检测需求。
文档编号G01C7/06GK102914290SQ201210395978
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月18日 优先权日2012年10月18日
发明者于龙, 杜奎生, 郑锐, 占栋, 杜超, 蒲继华, 冷强兵 申请人:成都唐源电气有限责任公司