一种铁路路基沉降综合检测仪的制作方法

1.本技术涉及激光检测仪器技术领域，尤其是涉及一种铁路路基沉降综合检测仪。


背景技术：

2.随着我国铁路交通建设事业的高速发展，高速铁路的广泛修建已经成为我国铁路交通事业发展的必然趋势。在铁路线路工程的设计和施工中，路基沉降检测是中要的技术管理项目之一。但目前市场上多用的检测方式多为机械式或人工测量方法，不乏人工耗时高、效率低、信息处理不快捷、受天气情况影响、设备不便于操作等弊端。越来越需要一种全新的、非接触式、低功耗、在线式检测技术的综合检测仪器。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术提供一种铁路路基沉降综合检测仪，用以解决铁路路基沉降检测效率低、信息处理不及时的技术问题。
4.为了解决上述问题，第一方面，本发明提供一种铁路路基沉降综合检测仪，包括数据处理终端以及监测机；
5.所述监测机包括激光发射器、靶板、图像传感器、无线传输器、控制器以及电源组件；所述激光发射器、图像传感器以及控制器分别与所述无线传输器电连接，所述激光发射器、图像传感器、控制器以及无线传输器分别与所述电源组件电连接；
6.多个所述监测机沿铁路方向依次安装于枕木上，每一监测机的激光发射器均朝向一侧相邻的监测机的靶板设置，每一监测机的靶板均朝向另一侧相邻的监测机的激光发射器设置，每一监测机的图像传感器均朝向自身靶板设置，各所述监测机的无线传输器分别与所述数据处理终端无线连接，并用于将相应图像传感器所采集的靶板图像发送至数据处理缩短；所述数据处理终端用于根据所述靶板图像进行路基沉降检测。
7.可选的，所述数据处理终端还用于向所述无线传输器发送采集命令；所述无线传输器还用于在接收到所述采集命令时控制所述图像传感器、激光发射器以及控制器通电；所述控制器还用于将开机信号反馈至所述无线传输器；
8.所述数据处理终端还用于向所述无线传输器发送关机命令，所述无线传输器还用于在接收到所述关机命令时控制所述图像传感器、激光发射器以及控制器关机，所述控制器还用于将中断信号反馈至所述无线传输器。
9.可选的，还包括数据库，所述数据处理终端用于将路基沉降检测的检测数据发送至所述数据库，所述监测机用于从所述数据库中调取所述检测数据，实现实时监控。
10.可选的，所述数据处理终端还用于对各监测机的线路信息、站点信息、区段信息、工程地质信息以及所处铁轨编号信息进行管理。
11.可选的，所述数据处理终端还用于根据检测结果判断是否满足报警条件，如果是，则输出报警信息。
12.可选的，所述激光发射器为半导体激光器，所述靶板为圆形靶板，所述图像传感器
为cmos图像传感器，所述无线传输器为内置继电器功能的4g模块，所述电源组件为锂电池，所述数据处理终端为工控机。
13.可选的，根据所述靶板图像进行路基沉降检测具体为：
14.根据所述靶板图像计算出激光光斑的中心坐标，对比上一时刻监测得到的中心坐标，得到中心坐标的相对偏移量；
15.结合各监测机对应的相对偏移量以及基准点进行融合分析，得到监测点的绝对位移，即监测断面的形变信息。
16.可选的，根据所述靶板图像计算出激光光斑的中心位置，具体为：
17.对所述靶板图像进行图像预处理，从预处理后的靶板图像中提取出与靶板对应的靶板区域；
18.采用轮廓检索的方法从所述靶板区域中提取出激光光斑的边缘位置信息；
19.基于所述边缘位置形成进行拟合处理，计算得到激光光斑的中心坐标。
20.可选的，采用轮廓检索的方法从所述靶板区域中提取出激光光斑的边缘位置信息，具体为：
21.采用多边形逼近算法对所述靶板区域中进行轮廓检索，得到激光光斑的边缘位置信息。
22.可选的，基于所述边缘位置形成进行拟合处理，计算得到激光光斑的中心坐标，具体为：
23.基于douglas
‑
peucker算法对所述边缘位置绘制边界框，得到包含激光光斑的最小拟合矩形；
24.计算所述最小拟合矩形的中心坐标得到激光光斑的中心坐标。
25.采用上述实施例的有益效果是：本发明中监测机采用激光标记以及图像处理的方式实现路基的沉降检测，利用多个监测机构建监测网络，多个监测机相互配合实现对铁路路基形变进行监测，是一种非接触式和在线式的监测方式，融合无线网实现多监测器数据融合，提高了铁路路基沉降监测的效率、实时分析能力以及准确性。
附图说明
26.图1为本技术提供的铁路路基沉降综合检测仪一实施例的整体结构示意图；
27.图2为本技术提供的铁路路基沉降综合检测仪一实施例的原理图；
28.图3为本技术提供的铁路路基沉降综合检测仪一实施例的控制信号示意图；
29.图4为本技术提供的铁路路基沉降综合检测仪一实施例的数据传输示意图；
30.图5为本技术提供的铁路路基沉降综合检测仪一实施例的指令控制示意图；
31.图6为本技术提供的铁路路基沉降综合检测仪一实施例的沉降检测流程图图；
32.图7为本技术提供的铁路路基沉降综合检测仪一实施例的中值滤波示意图；
33.图8为本技术提供的铁路路基沉降综合检测仪一实施例的douglas
‑
peucker算法原理图；
34.图9为本技术提供的铁路路基沉降综合检测仪一实施例的检测原理图；
35.图10为本技术提供的铁路路基沉降综合检测仪一实施例的监测布局图。
具体实施方式
36.下面结合附图来具体描述本技术的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本技术的实施例一起用于阐释本技术的原理，并非用于限定本技术的范围。
37.在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
38.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
39.如图1、图2所示，本技术实施例提供了一种铁路路基沉降综合检测仪，包括数据处理终端1以及监测机2；
40.所述监测机2包括激光发射器21、靶板22、图像传感器23、无线传输器24、控制器25以及电源组件26；所述激光发射器21、图像传感器23以及控制器25分别与所述无线传输器24电连接，所述激光发射器21、图像传感器23、控制器25以及无线传输器24分别与所述电源组件26电连接；
41.多个所述监测机2沿铁路方向依次安装于枕木20上，每一监测机2的激光发射器21均朝向一侧相邻的监测机2的靶板22设置，每一监测机2的靶板22均朝向另一侧相邻的监测机2的激光发射器21设置，每一监测机2的图像传感器23均朝向自身靶板22设置，各所述监测机2的无线传输器24分别与所述数据处理终端1无线连接，并用于将相应图像传感器23所采集的靶板图像发送至数据处理缩短；所述数据处理终端1用于根据所述靶板图像进行路基沉降检测。
42.本实施例提供的铁路路基沉降综合检测仪由多个监测机2和数据处理终端1组成，将监测机2沿铁路线路方向，安装在待监测路基10处的枕木20上，每个监测机2中的图像传感器23对准自身的靶板22，间歇性地获取前一个监测机2发射的激光照射在靶板22上的图像，采集的靶板图像通过无线传输器24上传至数据处理终端1。数据处理终端1接收图像传输器发送的靶面图像，当前监测机2一侧相邻的监测机2发出激光的中心为相对基准，图像传感器23完成靶板图像的采集，无线传输器24完成数据传输，数据处理终端1计算出激光光斑的中心坐标，通过对比第一次监测的图像数据，得到中心坐标的偏移量，得知相邻两个路基断面间的相对位移。数据处理终端1计算出目标激光光源的中心相对位置，再与相邻监测点和基准点计算数据对比，计算出中心绝对位置，最终得到某一断面在整个铁路路基区间内的绝对位移。
43.本实施例利用监测器网络对铁路路基形变进行监测，是一种非接触式和在线式的监测方式，融合无线网实现多监测器数据融合，提高了铁路路基沉降监测与分析能力和准确性，且能获得铁路路基沉降的多种监测信息。
44.在一实施例中，所述数据处理终端1还用于向所述无线传输器24发送采集命令；所述无线传输器24还用于在接收到所述采集命令时控制所述图像传感器23、激光发射器21以及控制器25通电；所述控制器25还用于将开机信号反馈至所述无线传输器24；
45.所述数据处理终端1还用于向所述无线传输器24发送关机命令，所述无线传输器24还用于在接收到所述关机命令时控制所述图像传感器23、激光发射器21以及控制器25关机，所述控制器25还用于将中断信号反馈至所述无线传输器24。
46.本实施例中无线传输器24具备通讯功能和继电器功能。
47.无线传输器24的继电器功能用于控制激光发射器21、图像传感器23和控制器25通电、断电，控制器25将开机信号、中断信号反馈至无线传输器24，如图3所示。具体的，远程的数据处理终端1通过网络通讯方式，控制监测机2中的无线传输器24来开启或关闭监测机2工作电源，间歇性地获取铁路路基的变化数据信息，再将数据信息通过网络方式发送至数据处理终端1，数据处理终端1通过对所有路基断面相对位移数据进行融合与分析，最终得到某一断面在整个铁路路基区间内的绝对位移。
48.无线传输器24通过继电器功能实现监测机2的间歇性工作，减少了监测机2因为长期待机工作带来的电量损耗，以及频繁更换电池所需要的人工消耗。
49.无线传输器24的通讯功能又分为数据传输功能和指令转接控制功能，数据传输功能是图像传感器23将图像数据发送给控制器25，控制器25通过485串口发给无线传输器24，无线传输器24利用其数据传输功能，通过4g
‑
lte网络tcp/ip协议转发到数据处理终端1，进行图像数据处理及分析，如图4所示；指令控制功能是数据处理终端1通过4g
‑
lte网络tcp/ip协议下发通断电指令给无线传输器24，无线传输器24利用其继电器功能开启或关闭电源组件26的开关，如图5所示。
50.在一实施例中，还包括数据库，所述数据处理终端1用于将路基沉降检测的检测数据发送至所述数据库，所述监测机2用于从所述数据库中调取所述检测数据，实现实时监控。
51.数据处理终端1接收到的各种数据以及处理得到的各种数据都发送到数据库中进行处理，监测机2通过实时调取数据库中的数据从而实现对铁轨路基沉降的实时监控。
52.在一实施例中，所述数据处理终端1还用于对各监测机2的线路信息、站点信息、区段信息、工程地质信息以及所处铁轨编号信息进行管理。
53.数据处理终端1采取了轨道管理、区段管理、铁轨管理、终端树管理、sim卡管理、数据管理等终端管理办法，对监控区域的铁轨的线路、站点、区段和工程地质、所处铁轨编号等信息进行添加、修改、删除和查询等管理。
54.在一实施例中，所述数据处理终端1还用于根据检测结果判断是否满足报警条件，如果是，则输出报警信息。
55.采取报警管理办法，同时对产生的报警信息进行可视化统计分析，实现对报警信息的实时查询查看，以及对历史报警信息的查看。
56.在一实施例中，所述激光发射器21为半导体激光器，所述靶板22为圆形靶板22，所述图像传感器23为cmos图像传感器23，所述无线传输器24为内置继电器功能的4g模块，所述电源组件26为锂电池，所述数据处理终端1为工控机。
57.本实施例中，图像传感器23包括透镜组、cmos组件、图传模块。靶板22选用圆形靶板22，或者也可以是方形，安装在一侧相邻监测机2的图像传感器23上，激光光源发出激光打到后一个监测机2的靶板22上，通过透镜后成像在cmos组件上，每个监测机2上的cmos获取当前靶板22上的图像。cmos对靶板22进行拍摄后，无线传输器24将图像数据上传至数据处理终端1，对前后两次采集到的图像上的激光光斑中心点位置进行比对分析，从激光光斑中心坐标来计算路基沉降情况。cmos可考虑采用维视公司生产的wat
‑
902h3，具有高可靠性、稳定性和灵敏度，具有自动增益和降噪技术，能够得到高质量的灰度图像。图传模块优
选信号稳定、功耗低、体积小的模组，同时图传模块优选配戴散热片，避免因导热问题改变透镜成像性能。
58.激光发射器21采用发散角极小的半导体激光器，保证照射到靶板22的光斑尺寸小而圆。
59.数据传输器采用了具备联网转接控制能力的4g模块，以更简单的硬件实现了串口rs485数据和服务器远程交互的应用；通过sim卡轻松实现串行设备的联网功能,支持移动/联通/电信等各种网络，支持tcp/upd/dns等网络协议；拥有扩展功能，一路继电器和一路开关量可选。
60.电源组件26选用大容量可充电锂离子蓄电池。数据处理终端1通过网络控制监测机2工作时间间隔，使监测机2每隔一段时间获取一幅图像，或者在每次进行检测的时候开启监测机2进行工作，常态下关闭监测机2，即可大幅度减少电池电量消耗，保证电池更换周期至少在预计3个月左右。
61.数据处理终端1主要负责图像显示和处理，选用便携式工控机，质量稳定可靠，接口丰富，具备移动性和便携性。
62.在一实施例中，根据所述靶板图像进行路基沉降检测具体为：
63.根据所述靶板图像计算出激光光斑的中心坐标，对比上一时刻监测得到的中心坐标，得到中心坐标的相对偏移量；
64.结合各监测机2对应的相对偏移量以及基准点进行融合分析，得到监测点的绝对位移，即监测断面的形变信息。
65.如图6所示，在一实施例中，根据所述靶板图像计算出激光光斑的中心位置，具体为：
66.s1、对所述靶板图像进行图像预处理，从预处理后的靶板图像中提取出与靶板22对应的靶板22区域；
67.s2、采用轮廓检索的方法从所述靶板22区域中提取出激光光斑的边缘位置信息；
68.s3、基于所述边缘位置形成进行拟合处理，计算得到激光光斑的中心坐标。
69.具体的，在计算激光光斑中心坐标之前对所述靶面图像进行图像预处理；所述图像预处理包括去噪处理、官方图均衡化、阈值化处理中的至少一项。从预处理后的靶面图像中确定激光照射的靶面区域；采用轮廓检索的方法，根据所述激光照射的靶面区域确定激光光斑的边缘位置信息；根据所述激光光斑的边缘位置信息，采用拟合处理求坐标的方法来确定激光光斑中心的相对坐标值。
70.由于图像采集的过程中，成像器件以及传输通道会引入噪声，此外受到光照的影响，原始图像还会受到一定污染，会在一定程度上影响测量精度。本实施例拟采用中值滤波的方法进行去躁处理，可有效滤除噪声以及保留边缘的尖锐度。中值滤波的具体算法是选取m x n大小的矩形窗口在图像上遍历滑动，用矩形窗口内像素值集合中的中值灰度代替矩形窗口中心像素的灰度值。
71.为了增强对比度，使灰度图中激光光斑更加，采用直方图均衡化操作。直方图均衡化算法原理为：
72.首先扫描灰度图所有像素，计算出图像的归一化直方图，其中
[0073][0074]
其中，h(r
k
)为归一化直方图，r
k
是第k个灰度等级，k＝0,1,2,
…
,255，n为图像像素总数，n
k
为图像中第k个灰度等级的像素总数。
[0075]
第二步计算直方图积分，公式为：
[0076][0077]
其中，h'(i)为归一化直方图在灰度等级i的积分值，h(j)为归一化直方图在灰度等级j处的值，j＝0,1,2,
…
,i；
[0078]
最后以h'(i)为查询表进行图像变换：
[0079]
dst(x,y)＝h'(src(x,y))；
[0080]
其中，dst(x,y)为图像变换后的像素(x,y)灰度值，src(x,y)为图像变换前的像素(x,y)灰度值。
[0081]
对比度增强后，即可从灰度等级出发，选用opencv中阈值化函数threshold选取合适阈值范围，通过下面公式实现阈值分割。
[0082][0083]
其中，dst(x,y)表示阈值分割后像素(x,y)的灰度值，src(x,y)表示阈值分割前像素(x,y)的灰度值，thresh表示阈值范围，otherwise表示阈值范围thresh之外的其它范围。
[0084]
本实施例中阈值范围thresh选择180
‑
255，这样可以有效的提取出激光光斑区域。
[0085]
通过简单阈值化处理后，靶板图像便被分割为了对象(白色区域)和背景(黑色区域)。然而图像中的白色区域内会存在一些小型的黑洞，此外在黑色区域内会存在一些小型白色团块，为了保证后面轮廓识别结果的唯一性，还需要通过形态学运算将待处理图像分成两个独立而完整的区域。
[0086]
数学形态学作为一种有效的图像处理工具，可以从图像中提取出表达和描绘区域形状的有用图像分量，如边界、骨架和凸壳等。集合论是数学形态学的基础，其中的集合表示图像中的对象，在二值图像中指的是二维整数空间的元素，在该空间中，集合的每个元素都是一个二维向量，对应坐标为(x,y)的像素。作为空间中的集合a和b，a
⊕
b表示b对a的膨胀，a
‑
b表示b对a的腐蚀，腐蚀和膨胀是形态学的两个基本操作，膨胀是一种卷积操作，它将目标像素的值替换为卷积核覆盖区域的局部最大值，这样会使图像中的高亮区扩大，而腐蚀操作与膨胀相反可以使图像中孤立点消除，使高亮区缩小。
[0087]
在一实施例中，采用轮廓检索的方法从所述靶板22区域中提取出激光光斑的边缘位置信息，具体为：
[0088]
采用多边形逼近算法对所述靶板22区域中进行轮廓检索，得到激光光斑的边缘位置信息。
[0089]
在预处理后得到的二值图像中，激光光斑对应白色区域，背景对应像素为黑色，基于预处理后的图像进行轮廓检索。
[0090]
轮廓检索选择多边形近似的方法，对于一条闭合边界，当多边形的边数目等于边界上的点数时，这种近似会变得很精确，此时每对相邻点定义了多边形的一条边。
[0091]
在一实施例中，基于所述边缘位置形成进行拟合处理，计算得到激光光斑的中心坐标，具体为：
[0092]
基于douglas
‑
peucker算法对所述边缘位置绘制边界框，得到包含激光光斑的最小拟合矩形；
[0093]
计算所述最小拟合矩形的中心坐标得到激光光斑的中心坐标。
[0094]
寻找完轮廓后，为了方便计算像素距离，需要对轮廓绘制边界框。矩形边界框的提取基于douglas
‑
peucker算法，原理如图8所示，具体包括以下步骤：
[0095]
s21、在轮廓曲线首尾两点a，b之间连接一条直线ab，该直线为曲线的弦；
[0096]
s22、得到曲线上离该直线段距离最大的点c，计算其与ab的距离d；
[0097]
s23、比较该距离与预先给定的阈值threshold的大小，如果小于threshold，则该直线段作为曲线的近似，该段曲线处理完毕。
[0098]
s24、如果距离大于阈值，则用c将曲线分为两段ac和bc，并分别对两段取弦进行s21
‑
s23的处理。
[0099]
s25、当所有曲线都处理完毕时，依次连接各个分割点形成的折线，即可以作为曲线的近似。
[0100]
经过以上步骤，可以得到包含光斑最小拟合矩形，输出为一个rect变量，这是opencv中一种数据类型，包含成员变量(x,y)(矩形左上角顶点)、width(矩形宽度)、height(矩形高度)。其中按照矩形的中心点坐标当作激光光斑的中心坐标。
[0101]
通过上述方法计算出激光光斑中心的具体坐标，再与相邻监测点和基准点计算数据对比，计算出光斑中心绝对位置。具体如图9所示，激光光斑的中心位置在x、y方向发生位移，由于监测机2与枕木20是刚性连接，因此可以从监测目标中心位置变化推断出铁路路基发生形变的情况。图9中，o
00
为初始位置光斑中心，o
01
为沉降后光斑中心，δx代表的是水平方向上的形变情况，即铁路路基的滑坡位移。δy代表的是垂直方向的形变情况，即铁路路基的沉降位移。
[0102]
在铁路枕木20上建立监测机2网格的几何配置，对相邻断面的目标光源进行监测，本实施例中监测点布局如图10所示。测量2个断面之间监测目标的相对位移，通过坐标的变换及基准传递，得到某一监测点的绝对位移，即铁路路基中该监测断面的形变信息。线路两侧监测点设置的间隔应尽可能一致，这样才能正确反映断面形变信息。
[0103]
数据库中实时保存着每个监测点测得的激光圆心坐标。格式如下表1所示：
[0104]
表1、数据检测表
[0105] 监测点1监测点2监测点3
……
监测点n当前坐标(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3)
……
(xn,yn)基准坐标(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3)
……
(xn,yn)
[0106]
图10中不同监测点实际位置信息与相对位置信息转变过程如下：
[0107]
监测点1：由于监测点1的激光光源直接从基准点得到的，所以实际位置信息等于相对位置信息，即：
[0108]
δx1＝δx1＝x1
‑
x1；
[0109]
δy1＝δy1＝y1
‑
y1；
[0110]
其中，δx1为监测点1的实际水平偏移量(滑坡位移)，δy1为监测点1的实际垂直偏
移量(沉降位移)，δx1为监测点1的相对水平偏移量，δy1为监测点1的相对垂直偏移量。
[0111]
监测点i：相对位置与实际位置的关系：
[0112]
δx
i
＝xi
‑
xi；
[0113]
δy
i
＝yi
‑
yi；
[0114][0115][0116]
其中，δx
i
为监测点i的实际水平偏移量(滑坡位移)，δy
i
为监测点i的实际垂直偏移量(沉降位移)，δx
i
为监测点i的相对水平偏移量，δy
i
为监测点i的相对垂直偏移量,xi为监测点i当前坐标的横坐标，yi为监测点i当前坐标的纵坐标，xi为监测点i基准坐标的横坐标，yi为监测点i基准坐标的纵坐标。
[0117]
通过上述转换之后，可以算出每个监测点的实际位移量，为了减小误差可以多测量几组当前激光中光斑心坐标，之后进行算数平均。
[0118]
计算出的δx
i
和δy
i
如果超过设定的阈值，就发送报警信息，通知相关人员进行实地检测。
[0119]
上述得到的各种数据都可以通过数据处理终端1发送到数据库中进行处理，监测机2通过实时调取数据库中的数据从而实现对铁轨路基沉降的实时监控。
[0120]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。