1、地鐵車(chē)輪外形磨耗自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)提要：介紹一種在車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下非接觸式對(duì)車(chē)輪外形磨耗進(jìn)展快速自動(dòng)檢測(cè)。系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)、照明光源、線激光控制光源、 計(jì)算 機(jī)和圖像處理軟件等組成，對(duì)動(dòng)態(tài)車(chē)輪圖像進(jìn)展采集、圖像處理和數(shù)據(jù)管理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)車(chē)輪的外形磨耗的自動(dòng)檢測(cè)，并對(duì) 影響 運(yùn)營(yíng)平安的車(chē)輪由軟件發(fā)出警報(bào)信號(hào)、數(shù)據(jù)記錄和圖像保存，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像 網(wǎng)絡(luò) 共享。主題：地鐵車(chē)輪磨耗 自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備 開(kāi)發(fā)1.開(kāi)發(fā)的目的11 地鐵車(chē)輛在運(yùn)行中存在著車(chē)輪與鋼軌之間力的傳遞牽引力、制動(dòng)力、離心力，造成車(chē)輪踏面的摩擦而磨耗，對(duì)車(chē)輛的平安性、乘坐舒適性和運(yùn)行平穩(wěn)性影響很大。因此，對(duì)車(chē)輪踏面摩擦情況和磨耗量需要進(jìn)展定

2、期的檢測(cè)，判斷是否對(duì)車(chē)輪進(jìn)展旋削及車(chē)輪相關(guān)數(shù)據(jù)的跟蹤和 分析 。目前 ，在地鐵車(chē)輛維修中對(duì)車(chē)輪各參數(shù)的檢測(cè)還停留在手工階段，如對(duì)一列靜止列車(chē)的車(chē)輪幾何尺寸檢測(cè) 是利用測(cè)量工具屬靜態(tài)測(cè)量 方法 ，對(duì)48個(gè)車(chē)輪6節(jié)編組車(chē)要進(jìn)展每個(gè)車(chē)輪輪緣高度、輪緣寬度、車(chē)輪直徑和車(chē)輪內(nèi)側(cè)距等測(cè)量，而在測(cè)量中工人工作量大、效率低，同時(shí)不可防止引入人為因素，直接影響測(cè)量的正確性，所測(cè)數(shù)據(jù)還要通過(guò)人工輸入到計(jì)算機(jī)，無(wú)法網(wǎng)絡(luò)化在線迅速理解車(chē)輪的檢測(cè)情況。所以開(kāi)發(fā)本工程已成為實(shí)際消費(fèi)中迫切需求。經(jīng)過(guò)多年對(duì)車(chē)輛的維護(hù)和保養(yǎng)的經(jīng)歷及計(jì)算機(jī)軟件 應(yīng)用 的開(kāi)發(fā)，參閱了有關(guān)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)資料，設(shè)計(jì)出了車(chē)輪外形磨耗自動(dòng)檢測(cè)軟件及其應(yīng)用系

3、統(tǒng)，具有創(chuàng)造性，并且在地鐵行業(yè)為首創(chuàng)，它的應(yīng)用也具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和可觀的 經(jīng)濟(jì) 效益。12 對(duì)于在車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)和靜止態(tài)狀態(tài)下對(duì)車(chē)輪外形磨耗進(jìn)展檢測(cè)的設(shè)備，在國(guó)外有日本、德國(guó)、美國(guó)和羅馬尼亞分別采用各種方式進(jìn)展了 研究 ，并應(yīng)用在實(shí)際測(cè)量中。目前比較先進(jìn)的采用計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理方法，數(shù)字圖像處理方法一般分接觸式和非接觸式測(cè)量，從進(jìn)步效率來(lái)講，非接觸式測(cè)量已成為 現(xiàn)代 化管理重要手段。按接觸式方式：有WRS2000型鐵道車(chē)輛車(chē)輪踏面/軌頭外形快速測(cè)錄儀及上海地鐵常用的模板式工具。通過(guò)手工操作對(duì)靜止的車(chē)輪進(jìn)展檢測(cè)。按非接觸式方式：就是車(chē)輛在運(yùn)行狀態(tài)下車(chē)輪與車(chē)體不進(jìn)展分解對(duì)車(chē)輪進(jìn)展自動(dòng)測(cè)量。根據(jù)檢索

4、相關(guān)資料，目前國(guó)內(nèi)用非接觸式測(cè)量方法，如采用CCD方式，利用光測(cè)量法和B工程曲線算法，還停留在實(shí)驗(yàn)階段。13 本文介紹的車(chē)輪外形磨耗自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)研究并解決了在圖像處理中一些難點(diǎn)，通過(guò)在WIN98系統(tǒng)平臺(tái)上、利用編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出圖像處理應(yīng)用軟件，對(duì)采集到的車(chē)輪圖像進(jìn)展自動(dòng)處理和識(shí)別，即：對(duì)車(chē)輪圖像進(jìn)展各種特別處理并對(duì)其車(chē)輪內(nèi)側(cè)面基準(zhǔn)線的垂直度進(jìn)展自動(dòng)掃描、識(shí)別，能使圖像在坐標(biāo)中旋轉(zhuǎn)，不斷進(jìn)展修正，最終使車(chē)輪內(nèi)側(cè)面垂直于程度坐標(biāo)，便于后處理計(jì)算來(lái)完成車(chē)輪圖像的幾何尺寸的自動(dòng)檢測(cè)目的。本方法最大優(yōu)點(diǎn)是采集到的車(chē)輪圖像是正視圖，計(jì)算機(jī)處理迅速和正確。2.系統(tǒng)的組成系統(tǒng)方案如圖一，在每根軌道的內(nèi)側(cè)分

5、別安裝二臺(tái)CCD攝像機(jī)和相關(guān)輔助照明光源，當(dāng)列車(chē)以小于5Km/h左右的速度進(jìn)入停車(chē)庫(kù)時(shí)，CCD攝像機(jī)及時(shí)捕捉到不同方向的車(chē)輪圖像，由軟件設(shè)定識(shí)別區(qū)域，自動(dòng)進(jìn)展抓拍到每個(gè)車(chē)輪圖像，并將左右二路的四幅車(chē)輪圖像通過(guò)無(wú)線或有線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中的PCI采集卡，由PCI卡將視頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)錄像功能保存在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中，便于在圖像處理時(shí)調(diào)用。然后應(yīng)用本軟件進(jìn)展對(duì)圖像的各種處理和數(shù)據(jù)管理。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采集到的圖像的分辯率是決定捕捉到的圖形與原物的逼真程度，所以選擇CCD攝像機(jī)和PCI采集卡非常重要，通過(guò)屢次理論，認(rèn)為圖形的分辯率在520520像素根本滿足 工業(yè) 圖形處理要求。3 圖像的采集圖像源的

6、采集可分為模擬信號(hào)輸出和數(shù)字信號(hào)輸出，前者需要圖像采集卡、A/D模數(shù)變換模塊等，它能進(jìn)展遠(yuǎn)間隔 的傳輸。而目前隨著數(shù)字技術(shù)的 開(kāi)展 ，圖像采集簡(jiǎn)便化，只要一個(gè)CCD數(shù)碼采集單元和一個(gè)配套的驅(qū)動(dòng)程序，使用上非常方便。但傳輸間隔 比較近調(diào)試，需要靠無(wú)線來(lái)傳輸圖像，其結(jié)果圖像噪聲較大。本工程的車(chē)輪外形磨耗自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其車(chē)輪圖像的采集由CCD攝像機(jī)、PCI采集卡和輔助光源來(lái)完成，將采集到的圖像數(shù)據(jù)直接傳遞給計(jì)算機(jī)。在本軟件中集成了圖像捕捉功能，設(shè)定一個(gè)監(jiān)視區(qū)域，能自動(dòng)捕捉目的并自動(dòng)保存，不需要復(fù)雜的傳感器。圖2是現(xiàn)場(chǎng)采集到的彩色原始圖像，捕捉到的圖像明晰度是后期圖像處理的關(guān)鍵。要求車(chē)輪圖像的背景噪音

7、與車(chē)輪輪廓具有明顯的不同。在試驗(yàn)中增加濾色片，其效果非常滿意，能過(guò)濾不同的背景噪音。通過(guò)反復(fù)對(duì)實(shí)際圖像處理的結(jié)果。圖2 原始圖像4 圖像的處理一般圖像的處理是根據(jù)不同的工程對(duì)像進(jìn)展處理，本軟件設(shè)計(jì)以車(chē)輪外形尺寸大小為測(cè)量的主要目的，到達(dá)測(cè)量值的準(zhǔn)確性使其成為數(shù)字化管理手段，正確顯示出能接近原物的圖像的輪廓曲線，在軟件中集成了各種圖像處理方法，經(jīng)優(yōu)化比較，將圖像處理分為6大模塊：圖像的平滑處理模塊、圖像的銳化處理模塊、圖像的二值化處理模塊、圖像的細(xì)化處理模塊、圖像的自動(dòng)修整處理模塊和圖像的自動(dòng)測(cè)量模塊。41 圖像的平滑模塊圖像的平滑處理主要是去除圖像在數(shù)字化后產(chǎn)生的周?chē)蓴_噪聲，而不使圖像失真采

8、用低通慮波，以當(dāng)前圖形f(I,j)為中心切一個(gè)NM像素組成的圖像塊:如：g(I,j)=f(I,j)+f(I-1,j-1)+f(I,j-1)+f(I+1,j-1)+f(I-1,j)+f(I-1,j+1)+f(I,j+1)+f(I+1,j+1)/9 使圖像能比較不失真的情況下，滿足測(cè)量要求。 如圖3所示。圖3 圖像的平滑圖42 圖像的銳化模塊圖像的銳化處理主要是突出邊緣圖像信息，使圖像更明晰采用高通慮波，其設(shè)計(jì)方法有利于進(jìn)一步圖像的二值化處理。如圖4所示。方法如下：以原始圖像FI，J的像素值與邊緣上相鄰的像素FI-1，J-1的像素之差的絕對(duì)值的百分比之和得到GI，J的值bb=b1+0.25abs(

9、b1-b2)圖4 圖像的銳化43 圖像的二值化模塊經(jīng)過(guò)原始圖像的不斷處理，最終要求圖像具有黑、白兩種像素值。采用圖像的二值化處理主要使圖像畫(huà)面內(nèi)僅存在黑色灰度值為0、白色灰度值為1的二值圖，在圖面上不呈現(xiàn)有灰度變化，在圖像處理中二值圖起到重要作用，大大簡(jiǎn)化后面的圖像處理，一般圖像中顯示物體與背景有明顯區(qū)別，通過(guò)選擇閥值t，可別離所需的圖像和背景圖像，以便對(duì)圖像進(jìn)展測(cè)量處理打下根底，方法如下：f(I,j)=1; f(I,j)=t f(I,j)=0; f(I,j)t通常用f(I,j)=1部分表示圖像，用f(I,j)=0表示背光，來(lái)確定t值。如圖5所示。圖5 圖像的二值化44 圖像的細(xì)化模塊圖像的細(xì)

10、化處理主要是進(jìn)一步修飾處理，到達(dá)一個(gè)圖像像素寬度的線即：一個(gè)像素寬。經(jīng)過(guò)圖像的二值圖后，再利用羅伯特(Roberts)算子來(lái)提取邊緣處理和圖像逆反處理，同時(shí)再進(jìn)展離散性處理孤立點(diǎn)，最終為圖像的檢測(cè)做準(zhǔn)備。羅伯特(Roberts)算子 方法 ：ab圖6 圖像的細(xì)化45 圖像的修正模塊圖像的自動(dòng)識(shí)別是以車(chē)輪的內(nèi)側(cè)面為基準(zhǔn)線進(jìn)展的，因?yàn)檐?chē)輛在以5km/h速度運(yùn)動(dòng)進(jìn)入停車(chē)庫(kù)時(shí)，由于輪軌之間存在間隙，車(chē)輪軸可能產(chǎn)生左右軸向偏移，采集的圖形其實(shí)際內(nèi)側(cè)面與 理論 面基準(zhǔn)垂直線產(chǎn)生一定角度a，圖像不一定垂直理論基準(zhǔn)垂線，為此，重點(diǎn) 研究 了如何能自動(dòng)識(shí)別其垂直度的算法，即能對(duì)圖像進(jìn)展自動(dòng)的掃描，對(duì)圖像不斷進(jìn)展

11、判斷旋轉(zhuǎn)，修正車(chē)輪內(nèi)側(cè)面基準(zhǔn)線的垂直位置，最后使圖像的內(nèi)側(cè)面基準(zhǔn)線與理論設(shè)定的X軸垂直，如圖7所示。X圖7 圖像的垂直線修正46 圖像的測(cè)量模塊經(jīng)過(guò)圖像修正后得到如圖8，我們選擇好各個(gè)參數(shù)和識(shí)別的區(qū)域，如車(chē)輪內(nèi)側(cè)面至70mm處為車(chē)輪的直徑測(cè)量點(diǎn)和識(shí)別區(qū)域紅色虛線， 計(jì)算 機(jī)便自動(dòng)在這個(gè)區(qū)域內(nèi)對(duì)所有圖像進(jìn)展幾何尺寸的計(jì)算，每幅圖像根本在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，計(jì)算機(jī)便自動(dòng)測(cè)量并保存數(shù)據(jù)，最終得到如圖8的圖像效果，C點(diǎn)為車(chē)輪直徑值間隔 車(chē)輪內(nèi)側(cè)面70 mm處，D點(diǎn)為車(chē)輪輪緣寬度值間隔 車(chē)輪C點(diǎn)10 mm處，E點(diǎn)為車(chē)輪輪緣高度值，并且將所測(cè)的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，建立純文本文件TXT和數(shù)據(jù)文件DB以及動(dòng)畫(huà)文件AV

12、I，記錄48個(gè)車(chē)輪測(cè)量得到車(chē)輪數(shù)據(jù)以及動(dòng)態(tài)圖像錄像。圖8 圖像的測(cè)量47 圖像的數(shù)據(jù)庫(kù)管理為了將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)展 分析 和保存，本軟件設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖9。通過(guò)對(duì)每幅圖像的六大處理后，測(cè)量的數(shù)據(jù)分別保存在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)和文本文件中，用戶可以方便搜索。對(duì)不符合要求的數(shù)據(jù)用紅色顯示并通過(guò)計(jì)算機(jī)RS232串行接口傳輸?shù)皆O(shè)備中的指示燈顯示，提醒人們?cè)撥?chē)輪已超值。在軟件人機(jī)界面中，我們通過(guò)設(shè)定各類(lèi)參數(shù)如：車(chē)輪的直徑在 840mm到770mm之間為正常車(chē)輪輪緣的高度在 28mm到32mm之間為正常車(chē)輪輪緣的寬度在28mm到34 mm之間為正常車(chē)輪內(nèi)側(cè)間隔 在 1357mm到1359mm之間為正常超出的數(shù)據(jù)為

13、不合格的車(chē)輪。通過(guò)采集圖形到圖像處理，所得到的數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求，測(cè)量精度在0.2mm內(nèi)。圖9 數(shù)據(jù)庫(kù)管理5 硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)硬件選擇的方案對(duì)本工程的成功相當(dāng)重要，在對(duì)每輛車(chē)的檢測(cè)需要有一個(gè)車(chē)輛號(hào)碼，能自動(dòng)產(chǎn)生一組編碼，由計(jì)算機(jī)處理、存儲(chǔ)、打印有關(guān)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)一般安裝在車(chē)輛進(jìn)出的車(chē)庫(kù)入口處，地面安裝4臺(tái)CCD攝像機(jī)、光源和接收器，使每輛車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)均產(chǎn)生一個(gè)車(chē)輛號(hào)碼。在夜間工作時(shí)，所有車(chē)輛須經(jīng)過(guò)這個(gè)道口。系統(tǒng)能自動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)激光控制技術(shù)，在每輛車(chē)的車(chē)輛底架處安裝一組模塊，作為無(wú)源發(fā)射源?；蛘咴谲?chē)輛上安裝無(wú)線發(fā)送器，即能作為車(chē)輛動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)的跟蹤目的信號(hào)，工作范圍20 M內(nèi)，又能作為本系統(tǒng)的車(chē)輛號(hào)，采用挪威公司的產(chǎn)品， 目前 已 應(yīng)用 在地鐵車(chē)輛的動(dòng)態(tài)站名的顯示，作為無(wú)線收、發(fā)器，但是本錢(qián)相對(duì)高方便而可靠本模塊目前廣泛應(yīng)用在電梯層面的數(shù)字化控制。6 工程試驗(yàn)的結(jié)果該系統(tǒng)應(yīng)用在消費(fèi)過(guò)程中，對(duì)地鐵車(chē)輛在運(yùn)營(yíng)中起到積極的作用，能及時(shí)理解車(chē)輪的幾何形狀，預(yù)防車(chē)輪的脫軌事故的發(fā)生，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)分析大量的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)輪和軌道之間的互相作用，更好的防止輪、軌之間的不合理的磨損，以確保地鐵車(chē)輛每天的平安運(yùn)營(yíng)和乘客的乘車(chē)舒適性。過(guò)去對(duì)車(chē)輪維護(hù)和檢查是每周一次，勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，人為造成的因素比較多，通過(guò)使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)車(chē)輪的檢查改為每天一次，同時(shí)通過(guò) 網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)使所有管