一種軌道狀態智能巡檢裝置和方法
【專利摘要】本發明涉及一種軌道狀態智能巡檢裝置和方法，該巡檢裝置包括攝像單元、控制單元和數據分析處理單元，攝像單元包括光源、線陣相機和激光位移傳感器，由光源提供照明，線陣相機在控制單元的控制下拍照采集軌道平面圖像數據，激光位移傳感器在控制單元的控制下采集軌道垂向位移數據；數據分析處理單元在控制單元的控制下接收采集的軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據，并采用3D建模技術將軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據進行數據合成以生成軌道透視模型從而輸出實際軌道狀態的三維透視圖以便巡檢。本發明提出的巡檢裝置同時采集軌道平面數據和垂向位移信息且采用模型方式還原完整連續的實際軌道狀態，提高了軌道巡檢的效率、準確性和可靠性。
【專利說明】
-種軌道狀態智能巡檢裝置和方法
技術領域
[0001] 本發明設及軌道檢測技術領域，特別是一種能夠高效、精確檢測軌道狀態的智能 巡檢裝置和方法。
【背景技術】
[0002] 鐵路作為綜合交通運輸體系的重要組成部分和重大民生工程，為我國經濟社會發 展做出了重要貢獻。根據我國r十二五"綜合交通運輸體系規劃》，到2015年底，W "四縱四 橫"高速鐵路為骨架的國家快速鐵路網基本建成，中西部路網骨架加快形成。全國鐵路營業 里程達12萬公里W上，位居世界第二，其中高速鐵路約1.8萬公里，占世界高鐵營業里程的 50% W上，居世界第一。同時我國的城軌交通也正在迅速發展，截止2014年末，我國累計有 22個城市擁有了城軌，運營線路達到101條，長度3155公里，其中地鐵2438公里，輕軌239公 里;預計到2020年全國擁有城軌交通的城市將達到50個，規模將達到6000公里。軌道是鐵路 線路、城軌線路的重要組成部分，是鐵路運輸、城軌交通的基礎設備，其性能直接關系到行 車的舒適性和安全性，還關系到鐵路線路、城軌線路W及機車車輛的使用壽命。由于軌道設 備常年暴露在大自然的各種環境中，經受著各種天氣、氣候等自然條件的考驗，同時還經受 著列車隨機荷載的反復使用，因而軌道的幾何尺寸將不斷變化，道床及其他基礎結構將不 斷產生變形，更甚者，鋼軌，軌枕、連接零件及其他設備等將不斷損壞，導致軌道線路各設 備、結構狀態惡化。目前，軌道線路巡檢維修主要采用兩種方式:人工巡道方式和車載巡道 方式。使用人工巡道方式時，檢測結果受巡檢人員的經驗、責任屯、W及天氣等因素影響，并 且檢測結果不能采用數字化存儲，影響后續查看，不能有效發現基礎設施缺陷的變化趨勢， 存在檢測效率低、檢查不全面的問題，無法滿足軌道線路維修部口的需求。車載巡道方式通 常采用大型軌道巡檢設備，通過邊快速運行邊拍照來檢測軌道表面情況，通常不能實現精 細化檢測，同時大型軌道巡檢設備的運用復雜，設及面廣，每執行一次檢測任務，需要多個 部口協調才能進行，并且大型軌道巡檢設備通常屬于抽檢設備，無法滿足現場日常維修檢 測要求。因此軌道線路維修檢測亟需一種檢測效率較高、可方便快速上下道的裝置器設備 滿足日常檢測任務和需求。
【發明內容】
[0003] 本發明針對現有技術中人工巡道方式檢測效率低、效果差且檢查不全面，W及大 型車載巡道方式使用復雜，且無法實現日常、高精度巡檢等問題，提出了一種軌道狀態智能 巡檢裝置，采用集成特定的激光位移傳感器器件的攝像單元，同時采集軌道平面數據和垂 向位移信息且采用模型方式還原出完整連續的實際軌道狀態W便巡檢，提高了軌道巡檢的 效率和準確性，為安全行車的日常巡檢、維護提供保障，可進一步實現軌道巡檢的自動化和 智能化，為軌道巡檢領域提供了一種高效率、高可靠性和安全性的檢測手段。本發明還設及 一種軌道狀態智能巡檢方法。
[0004] 本發明的技術方案如下：
[0005] -種軌道狀態智能巡檢裝置，其特征在于，包括攝像單元、控制單元和數據分析處 理單元，所述攝像單元包括光源、線陣相機和激光位移傳感器，所述線陣相機、激光位移傳 感器均分別與控制單元和數據分析處理單元相連接，所述控制單元還與數據分析處理單元 相連接；由所述光源提供照明，所述線陣相機在控制單元的控制下拍照采集軌道平面圖像 數據，所述激光位移傳感器在控制單元的控制下采集軌道垂向位移數據;所述數據分析處 理單元在控制單元的控制下接收采集的所述軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據，并采 用3D建模技術將軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據進行數據合成W生成軌道透視模 型從而輸出實際軌道狀態的=維透視圖W便巡檢。
[0006] 所述采用3D建模技術將軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據進行數據合成W 生成軌道透視模型具體為:將所述軌道平面圖像數據進行空間映射獲得2D圖像像素點，并 且依據相同軌道位置的所述軌道垂向位移數據一一映射相應的像素點的灰度值作為第= 維數據進行數據合成W生成軌道透視模型。
[0007] 所述軌道狀態智能巡檢裝置還包括傷損識別模塊和數據庫，所述數據庫包括標準 樣本數據庫和傷損樣本數據庫，所述傷損識別模塊分別與標準樣本數據庫、傷損樣本數據 庫、控制單元和數據分析處理單元相連接，所述傷損識別模塊在控制單元的控制下將所述 數據分析處理單元生成的軌道透視模型數據與標準樣本數據庫中的數據進行比對W識別 出各種軌道傷損，并將識別出的各種軌道傷損數據更新入傷損樣本數據庫。
[0008] 所述軌道狀態智能巡檢裝置還包括圖像瀏覽模塊，所述圖像瀏覽模塊分別與控制 單元和數據分析處理單元相連接;所述圖像瀏覽模塊在控制單元的控制下接收所述數據分 析處理單元輸出的實際軌道狀態的=維透視圖且進行實時瀏覽顯示；
[0009] 和/或，所述軌道狀態智能巡檢裝置還包括數據存儲單元，所述數據存儲單元分別 與控制單元和數據分析處理單元相連接;所述數據存儲單元在控制單元的控制下接收所述 數據分析處理單元生成的軌道透視模型數據生成自定義大文件存儲。
[0010] 所述軌道狀態智能巡檢裝置還包括圖像瀏覽模塊和傷損檢索處理模塊，所述圖像 瀏覽模塊分別與傷損檢索處理模塊、控制單元和數據分析處理單元相連接，所述傷損檢索 處理模塊分別與控制單元、傷損識別模塊和傷損樣本數據庫相連接;所述傷損檢索處理模 塊在控制單元的控制下根據所述傷損識別模塊輸出的各種軌道傷損標識索引檢索傷損樣 本數據庫中的軌道傷損樣本且生成軌道傷損透視模型從而輸出實際軌道傷損的=維透視 圖，所述圖像瀏覽模塊在控制單元的控制下接收所述數據分析處理單元輸出的實際軌道狀 態的=維透視圖W及所述傷損檢索處理模塊輸出的實際軌道傷損的=維透視圖，并且進行 實時瀏覽顯示；
[0011] 和/或，所述軌道狀態智能巡檢裝置還包括數據存儲單元，所述數據存儲單元分別 與傷損識別模塊、控制單元和數據分析處理單元相連接;所述數據存儲單元在控制單元的 控制下接收所述數據分析處理單元生成的軌道透視模型數據生成自定義大文件存儲，且將 所述傷損識別模塊輸出的各種軌道傷損標識寫入所述自定義大文件，并同時生成軌道傷損 特殊圖像數據文件塊W及相應的索引文件。
[0012] 所述軌道狀態智能巡檢裝置還包括網絡通信模塊，所述網絡通信模塊分別與控制 單元和數據分析處理單元相連接，所述網絡通信模塊用于在控制單元的控制下通過網絡連 接終端服務器，將所述數據分析處理單元輸出的實際軌道狀態的=維透視圖進行終端瀏覽 顯示和/或終端自定義大文件存儲管理和/或軌道傷損識別和/或采用大數據分析技術進行 終端數據管理。
[0013] 所述軌道狀態智能巡檢裝置還包括軸頭編碼器，所述軸頭編碼器與控制單元相連 接，所述控制單元采集軸頭編碼器生成的正交差分信號作為觸發信號控制線陣相機和激光 位移傳感器；
[0014] 和/或，所述軌道狀態智能巡檢裝置還包括里程定位模塊，所述里程定位模塊與控 制單元相連接，所述里程定位模塊在控制單元的控制下進行自動里程定位及校正。
[0015] 所述攝像單元還包括第一半導體溫控器件、第二半導體溫控器件、溫控模塊和光 強反饋控制模塊，所述第一半導體溫控器件與光源相連接，所述第二半導體溫控器件與線 陣相機相連接，所述第一半導體溫控器件和第二半導體溫控器件均與溫控模塊相連接，所 述光強反饋控制模塊分別與控制單元、光源和線陣相機相連接，所述光源與控制單元相連 接，所述第一半導體溫控器件在溫控模塊的控制下實時監測光源的工作溫度且將其控制在 光源工作溫度標準范圍內，所述第二半導體溫控器件在溫控模塊的控制下實時監測線陣相 機的工作溫度且將其控制在線陣相機工作溫度標準范圍內，所述光強反饋控制模塊在控制 單元的控制下實時監測所述光源的強度，并依據監測到的強度在控制單元的控制下實時調 節光源的強度和/或線陣相機采集參數；
[0016] 和/或，所述線陣相機為線陣CCD相機，所述光源為大功率線形光源。
[0017] 所述攝像單元為1~4個；
[0018] 或，所述攝像單元為3個，3個攝像單元均設置在同一平面內，且第一個攝像單元設 置在軌道平面正上方，另外兩個攝像單元分別W-定角度設置在第一個攝像單元兩側。
[0019] -種軌道狀態智能巡檢方法，其特征在于，由光源提供照明，在控制單元的控制 下，利用線陣相機拍照采集軌道平面圖像數據，同時利用激光位移傳感器采集軌道垂向位 移數據，再采用3D建模技術將軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據進行數據合成W生成 軌道透視模型從而輸出實際軌道狀態的=維透視圖W便巡檢。
[0020] 所述采用3D建模技術將軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據進行數據合成W 生成軌道透視模型具體為:將所述軌道平面圖像數據進行空間映射獲得2D圖像像素點，并 且依據相同軌道位置的所述軌道垂向位移數據一一映射相應的像素點的灰度值作為第= 維數據進行數據合成W生成軌道透視模型；
[0021] 還設置標準樣本數據庫和傷損樣本數據庫;在生成軌道透視模型后，在控制單元 的控制下，將軌道透視模型數據與標準樣本數據庫中的數據進行比對W識別出各種軌道傷 損，并將識別出的各種軌道傷損更新入傷損樣本數據庫。
[0022] 在識別出各種軌道傷損后，在控制單元的控制下，根據各種軌道傷損標識索引檢 索傷損樣本數據庫中的軌道傷損樣本且生成軌道傷損透視模型從而輸出實際軌道傷損的 =維透視圖，再將輸出的實際軌道狀態的=維透視圖W及實際軌道傷損的=維透視圖進行 實時瀏覽顯示；
[0023] 和/或，在生成軌道透視模型后，在控制單元的控制下，還利用數據存儲單元接收 生成的軌道透視模型數據生成自定義大文件存儲，且將輸出的各種軌道傷損標識寫入所述 自定義大文件，并同時生成軌道傷損特殊圖像數據文件塊W及相應的索引文件。
[0024] 本發明的技術效果如下：
[0025] 本發明設及一種軌道狀態智能巡檢裝置，包括攝像單元、控制單元和數據分析處 理單元，攝像單元包括光源、線陣相機和激光位移傳感器，采用集成特定的激光位移傳感器 等器件的攝像單元，激光位移傳感器采集軌道垂向位移可W準確地區分軌道傷損(例如軌 道表面擦傷、扣件缺陷、軌枕缺陷、道床缺陷等），即其可W依據采集的垂向位移數據（即傷 損深度)精確判斷此處是否存在軌道傷損，從而排除諸如油污等偽傷損信息，即通過動態采 集軌道表面圖像(并可進一步結合智能識別），可準確檢查定位出鋼軌軌道表面擦傷、軌枕 缺陷、鋼軌扣件異常(包括扣件缺失、移位、折斷、螺栓松動等）、道床斷面異常等軌道傷損， 提高了軌道巡檢的效率和準確性，有效地為安全行車排除了隱患，提供了安全保障；同時封 裝了高拍攝頻率的線陣相機，更進一步結合數據分析處理單元，建立數學模型合成上述兩 種數據信息輸出實際軌道狀態的=維透視圖，也就是說，獲得軌道斷面的高清3D數字信息 可W數學模型方式還原出完整連續的實際軌道狀態，W便智能巡檢，進一步提高了軌道巡 檢的效率、準確性和精確度，實現了軌道巡檢的自動化和智能化。本發明提出的智能巡檢裝 置，兼顧了大型軌道巡檢車和人工巡道的優勢，與大型軌道巡檢車相比，使用簡單容易操 作，檢測方式更加多樣化、檢測精度更高，并且適用于日常軌道線路巡檢應用；與人工巡道 相比，顯然檢測效率更高，檢測結果更為準確，并且實現了自動化和智能化功能操作，有效 地解決夜間軌道設備巡檢和設備維修的難題。
[0026] 進一步，本發明提出的軌道狀態智能巡檢裝置還可W包括傷損識別模塊(可W結 合傷損樣本數據庫），通過圖像處理和模式識別技術自動識別鋼軌表面擦傷、扣件缺陷、軌 枕缺陷、道床缺陷等異常狀態，此外利用該智能巡檢裝置進行高效率無遺漏的圖像數據采 集的同時，結合軌道傷損識別，還可W實現軌道傷損的典型病害問題的實時報警。
[0027] 進一步，本發明提出的軌道狀態智能巡檢裝置還可W包括圖像瀏覽模塊和數據存 儲單元，圖像瀏覽模塊接收數據分析處理單元輸出的實際軌道狀態的=維透視圖（W及傷 損檢索處理模塊輸出的實際軌道傷損的=維透視圖），進行本地實時瀏覽顯示檢測;數據存 儲單元接收數據分析處理單元生成的軌道透視模型數據生成個性化特定結構的自定義大 文件存儲(且將傷損識別模塊輸出的各種軌道傷損標識寫入自定義大文件，并同時生成個 性化特定結構的軌道傷損特殊圖像數據文件塊W及相應的索引文件）W備后續進一步的再 次/更精確檢測處理;實現了初步檢測、初步精確檢測和更高級精確檢索的多重應用需求， 提高了軌道巡檢的檢測效率，W及可靠性、精確性和靈活性。
[0028] 進一步，本發明提出的軌道狀態智能巡檢裝置還可W包括網絡通信模塊(有線或 無線），可W通過終端/云數據中屯、進行高級圖像處理、模式識別和檢測應用W及信息管理 等功能，可W通過車地無線傳輸將軌道傷損的典型病害傳輸至地面調度中屯、和/或維修手 持終端進行報警和即時處理，綜上本發明提出的智能巡檢裝置適應于新一代的物聯網、云 中屯、的應用推廣。
[0029] 本發明還設及一種軌道狀態智能巡檢方法，與上述軌道狀態智能巡檢裝置相對 應，通過光源提供照明，在控制單元的控制下，利用線陣相機拍照采集軌道平面圖像數據， 利用激光位移傳感器采集軌道垂向位移數據，采用3D建模技術進行數據合成W生成軌道透 視模型從而輸出實際軌道狀態的=維透視圖W便巡檢。本發明提出的軌道狀態智能巡檢方 法，容易操作，通過得到的實際軌道狀態的=維透視圖能夠直觀地巡檢出軌道表面傷損W 及傷損深度等，實現精細化檢測，適用于日常軌道線路巡檢需求，提高了軌道巡檢的效率、 準確性和精確度。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發明軌道狀態智能巡檢裝置的結構示意圖。
[0031] 圖2是本發明軌道狀態智能巡檢裝置的第一種優選結構示意圖。
[0032] 圖3是本發明設及的時間同步的時序原理示意圖。
[0033] 圖4是本發明設及的里程定位模塊的定位方式示意圖。
[0034] 圖5是本發明軌道狀態智能巡檢裝置的第二種優選結構示意圖。
[0035] 圖6是本發明設及的軌道傷損識別的流程示意圖。
[0036] 圖7是圖5中設及的軌道狀態智能巡檢裝置的數據流示意圖。
[0037] 圖8是本發明軌道狀態智能巡檢裝置的第=種優選結構示意圖。
[0038] 圖9是本發明軌道狀態智能巡檢裝置的第四種優選結構示意圖。
【具體實施方式】
[0039 ]下面結合附圖對本發明進行說明。
[0040] 如圖1所示，本發明設及一種軌道狀態智能巡檢裝置，包括攝像單元、控制單元和 數據分析處理單元，攝像單元包括光源、線陣相機和激光位移傳感器，線陣相機、激光位移 傳感器均分別與控制單元和數據分析處理單元相連接，控制單元還與數據分析處理單元相 連接;其中，由光源提供照明，優選可W為大功率線形光源W提供大功率線形強光照明光源 進行補光，W保證獲得清晰的圖像;線陣相機在控制單元的控制下拍照采集軌道平面圖像 數據（即2D圖像數據，也可W認為是X和Y軸數據），優選可W為線陣CCD相機或線陣CMOS相 機，并且優選為1*1〇24、1巧048或2*4096等像素陣列的高清線陣相機，其拍攝的曝光時間可 達到微秒級，W進一步保證獲得清晰的圖像，舉例來說，該線陣相機每秒最高可完成10萬次 拍攝，即每秒可最高輸出200,000*4,096像素的圖像數據，按前進方向0.3mm/像素進行拍 攝;激光位移傳感器在控制單元的控制下采集軌道垂向位移數據（即Z軸數據），數據分析處 理單元在控制單元的控制下接收采集的軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據，并采用3D 建模技術將軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據進行數據合成W生成軌道透視模型從 而輸出實際軌道狀態的=維透視圖W便巡檢。本發明提出的軌道狀態智能巡檢裝置，采用 集成特定的激光位移傳感器器件的攝像單元，激光位移傳感器采集軌道垂向位移可W準確 地區分軌道傷損(例如軌道表面擦傷、扣件缺陷、軌枕缺陷、道床缺陷等），即其可W依據采 集的垂向位移數據（即傷損深度)精確判斷此處是否存在軌道傷損，從而排除諸如油污等偽 傷損信息，提高了軌道巡檢的效率和準確性，有效地為安全行車排除隱患；同時封裝了高拍 攝頻率的線陣相機，更進一步結合數據分析處理單元，建立數學模型合成上述兩種數據信 息，獲得軌道斷面的高清3D數字信息，運些WO.03mm為采集間隔的3D軌道斷面組合模型即 軌道透視模型，可W數學模型方式還原出完整連續的實際軌道狀態，輸出非常直觀的實際 軌道狀態的=維透視圖，進一步提高了軌道巡檢的效率、準確性和精確度，同時實現了軌道 巡檢的自動化和智能化，為軌道巡檢領域提供了一種高效率、高可靠性和安全性的檢測手 段。
[0041] 進一步，對于輸出的實際軌道狀態的=維透視圖，可W選擇實時在線瀏覽顯示;還 可W自定義大文件存儲W備后續處理使用;還可W采用圖像處理和模式識別技術自動識別 鋼軌軌道表面擦傷、扣件缺陷、軌枕缺陷、道床缺陷等異常狀態;還可W通過網路連接終端 服務器或云數據中屯、，采用大數據分析技術進行終端數據管理等操作;例如，此種海量圖像 數據可W通過工業級CameraLink_Full接口實時傳輸瀏覽顯示、存儲和/或上傳，可W實現 1.2GB傳輸帶寬，最高檢測速度160km A，具體詳見W下說明。
[0042] 圖2是本發明軌道狀態智能巡檢裝置的第一種優選結構示意圖，如圖2所示，包括 攝像單元、控制單元、數據分析處理單元、軸頭編碼器、里程定位模塊、圖像瀏覽模塊和數據 存儲單元，攝像單元包括光源、線陣相機、激光位移傳感器、第一半導體溫控器件、第二半導 體溫控器件、溫控模塊和光強反饋控制模塊，其中，光源分別與控制單元、第一半導體溫控 器件和光強反饋控制模塊相連接，線陣相機、激光位移傳感器均分別與控制單元和數據分 析處理單元相連接，線陣相機還分別與第二半導體溫控器件和光強反饋控制模塊相連接， 第一半導體溫控器件和第二半導體溫控器件均與溫控模塊相連接，數據分析處理單元還分 別與控制單元、圖像瀏覽模塊和數據存儲單元相連接，控制單元還分別與光強反饋控制模 塊、軸頭編碼器、里程定位模塊、圖像瀏覽模塊和數據存儲單元相連接;在控制單元的控制 下，光源用于提供照明用線形光源，攝像單元用于對軌道進行連續圖像掃描，即，線陣相機 對軌道進行線掃描W采集軌道平面圖像的X和Y軸數據，激光位移傳感器采集軌道垂向位移 的Z軸數據，數據分析處理單元接收采集的軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據，將軌道 平面圖像數據和軌道垂向位移數據進行數據合成W生成軌道透視模型從而輸出實際軌道 狀態的=維透視圖；數據分析處理單元可采用集成的數據處理忍片，具體工作說明為:將軌 道平面圖像的X和Y軸數據進行空間映射獲得2D圖像像素點，并且依據相同軌道位置的軌道 垂向位移數據即Z軸數據一一映射相應的像素點的灰度值作為第=維數據，即根據垂向位 移數據的大小調節像素點灰度值大小，通常垂向位移數值越大則像素點灰度值越大，進而 進行數據合成W生成軌道透視模型并輸出實際軌道狀態的=維透視圖。隨后，可W利用圖 像瀏覽模塊在控制單元的控制下接收數據分析處理單元輸出的實際軌道狀態的=維透視 圖，進行本地實時瀏覽顯示檢測;還可W利用數據存儲單元在控制單元的控制下接收數據 分析處理單元生成的軌道透視模型數據生成自定義大文件存儲W備后續檢測處理;也就是 說，在進行采集軌道圖像過程中，對于檢測到的軌道圖像數據可W選擇兩種輸出處理方式， 一種進行圖像實時瀏覽，用于實時監控軌道狀態W及整個智能巡檢裝置的運行狀態，另一 種進行圖像存儲處理，將原始圖像數據（即數據分析處理單元生成的軌道透視模型數據)進 行標準肝G壓縮后加入檢測線路、檢測時間等信息頭，最后寫入自定義大文件中完成存儲， 數據存儲單元通過存儲電路或存儲器實現。上述兩種處理方式可W任選其一，當然也可W 如圖2中所示的兩者兼容，W實現初步檢測和精確檢索的雙重應用需求，提高了軌道巡檢的 檢測效率，W及可靠性、靈活性。
[0043] 優選地，控制單元的控制指令還可W包括:啟動/停止拍攝、設置曝光模式、設置采 集參數、設置感光模式、讀取相機實時參數等，上述指令可W通過自定義指令集實現，包括 但不限于上述指令內容；
[0044] 本發明設及的線陣相機通常采用極短的快口時間，W保證高速動態的圖像掃描且 不會發生拖影，因此為了保證線陣相機和激光位移傳感器進行同步掃描，控制單元可W采 集軸頭編碼器(通常設置在車載裝置或其他裝置的車輪上)生成的正交差分信號作為觸發 信號控制線陣相機和激光位移傳感器，通過標定和同步信號觸發，可W使其同步采集軌道 同一斷面的平面圖像信息和垂向位移信息，時間同步的時序原理如圖3所示，控制單元對軸 頭編碼器生成的同步信號進行差分濾波、分頻等處理后控制線陣相機的線掃描曝光和激光 位移傳感器的采集；
[0045] 本發明設及的軌道狀態智能巡檢裝置還可W通過里程定位模塊在控制單元的控 制下進行自動里程定位及校正，W獲得精確的里程坐標信息。精確的里程坐標是軌道狀態 智能巡檢裝置必需的參數信息，尤其是檢測發現傷損后，快速指導現場檢查維修的關鍵參 數。里程定位模塊實質為定位電路，里程定位可采用多種定位方式，如圖4所示，包括:北斗/ GPS定位系統、RFID閱讀器、小鍵盤輸入和光電編碼器輸入等，在動態檢測過程中，集成精確 的里程定位模塊，在控制單元的控制下自動識別軌道線路的衛星定位點及RFID里程修正 點，即進行里程識別和位置識別獲得列車實時里程，計算識別延時和瞬時速度，最終修正里 程定位W獲得精確的里程信息，通過控制單元的"同步里程時間控制指令"實時與攝像單元 的圖像采集進行里程和時間的同步，W在動態采集中實現自動里程校正和時間同步，里程 定位精度可W達Im,時間同步精度可W達10ms，進而可W在本地實時瀏覽顯示W及生成自 定義大文件存儲中，實現圖像與軌道位置的精確對應；
[0046] 本發明設及的軌道狀態智能巡檢裝置還可W實現各關鍵組件/器件的工作溫度監 控和光強監控，溫控模塊實質為溫控電路，即在溫控模塊的控制下，第一半導體溫控器件實 時監測光源的工作溫度且將其控制在光源工作溫度標準范圍內，第二半導體溫控器件實時 監測線陣相機的工作溫度且將其控制在線陣相機工作溫度標準范圍內；在控制單元的控制 下，光強反饋控制模塊(也可稱為光強反饋控制電路)實時監測光源的強度，并依據監測到 的強度在控制單元的控制下實時調節光源的強度和/或線陣相機采集參數，例如感光模式、 曝光模式、曝光時間/快口時間等。
[0047] 圖5是本發明軌道狀態智能巡檢裝置的第二種優選結構示意圖，如圖5所示，該軌 道狀態智能巡檢裝置同樣包括攝像單元、控制單元、數據分析處理單元、軸頭編碼器、里程 定位模塊、圖像瀏覽模塊和數據存儲單元，攝像單元包括光源、線陣相機、激光位移傳感器、 第一半導體溫控器件、第二半導體溫控器件、溫控模塊和光強反饋控制模塊，并且上述各組 件的結構、連接與功能與圖2中的各組件/器件基本相同，與圖2所示實施例的區別是，圖5所 示實施例還包括傷損識別模塊、數據庫(包括標準樣本數據庫和傷損樣本數據庫)和傷損檢 索處理模塊，其中，傷損識別模塊分別與標準樣本數據庫、傷損樣本數據庫、控制單元、數據 分析處理單元、傷損檢索處理模塊和數據存儲單元相連接，傷損檢索處理模塊還分別與傷 損樣本數據庫、控制單元和圖像瀏覽模塊相連接。在控制單元的控制下，傷損識別模塊將數 據分析處理單元生成的軌道透視模型數據與標準樣本數據庫中的數據進行比對W識別出 各種軌道傷損，并將識別出的各種軌道傷損數據更新入傷損樣本數據庫，其中傷損識別模 塊采用識別電路，實質為集成的圖像數據處理電路，可W采用圖像處理和模式識別技術自 動識別鋼軌軌道表面擦傷、扣件缺陷、軌枕缺陷、道床缺陷等異常狀態，如圖6所示，具體的 識別流程W表面擦傷舉例說明如下：首先提取包含有用信息的子圖像（即數據分析處理單 元生成/輸出的軌道透視模型/實際軌道狀態的=維透視圖中潛在存在擦傷的子模型/子圖 像），然后可W對該子圖像進行圖像壓縮、圖像增強等預處理，進而依據標準樣本數據庫比 對識別出各種擦傷，再進行擦傷矩形圖像提取，進一步進行邊緣輪廓提取，進而將提出識別 出的傷損數據輸出W備后續處理(例如更新入傷損樣本數據庫或實時顯示瀏覽）。隨后，可 W利用傷損檢索處理模塊根據傷損識別模塊輸出的各種軌道傷損標識索引檢索傷損樣本 數據庫中的軌道傷損樣本且生成軌道傷損透視模型從而輸出實際軌道損傷的=維透視圖， 故傷損檢索處理模塊實質為集成的圖像數據處理電路，圖像瀏覽模塊接收數據分析處理單 元輸出的實際軌道狀態的=維透視圖W及傷損檢索處理模塊輸出的輸出實際軌道損傷的 =維透視圖，進行本地實時瀏覽顯示檢測，圖像瀏覽模塊可采用液晶顯示器;還可W利用數 據存儲單元接收數據分析處理單元生成的軌道透視模型數據生成自定義大文件存儲，且將 傷損識別模塊輸出的各種軌道傷損標識寫入自定義大文件，并同時生成軌道傷損特殊圖像 數據文件塊W及相應的索引文件W備后續進一步的再次/更精確檢測處理;也就是說，在進 行采集軌道圖像W及傷損識別過程中，對于檢測到的軌道圖像數據和軌道傷損特殊圖像數 據可W選擇兩種輸出處理方式，參考如圖7的數據流所示，一路進行實時檢測監控，用于實 時監控實際軌道狀態和實際軌道損傷信息（W及進一步還可W實時監控整個智能巡檢裝置 的運行狀態），另一路進行圖像存儲處理，將原始圖像數據（即數據分析處理單元生成的軌 道透視模型數據W及傷損檢索處理模塊生成的軌道傷損透視模型）進行標準肝G壓縮后加 入檢測線路、檢測時間等信息頭，寫入自定義大文件中完成存儲，W備之后的可W通過終 端/云數據中屯、進行高級圖像處理、模式識別和檢測應用。上述兩種處理方式可W任選其 一，當然也可W如圖5中所示的兩者兼容，W實現初步精確檢測和更高級精確檢索的雙重應 用需求，提高了軌道巡檢的檢測效率，W及可靠性、精確性和靈活性。圖7所示具有軌道的左 軌和右軌圖像數據，在圖像數據流中，輸出的實際軌道狀態的=維透視圖，均可通過圖像瀏 覽模塊進行實時瀏覽顯示，同時通過傷損識別模塊分別進行左軌圖像識別和右軌圖像識 另IJ，再分別進行大文件數據寫入和讀取;在傷損信息流中，通過傷損檢索處理模塊進一步處 理，其輸出的實際軌道傷損的=維透視圖通過圖像瀏覽模塊進行實時瀏覽顯示。
[0048] 在動態采集檢測時，生成大量零散的軌道圖像的圖片文件，為了便于零散的圖片 文件管理，在后續處理中達到快速檢索傷損圖像的目的，可W采用內存映射技術，集中壓 縮、內存映射形成實際軌道狀態的自定義大文件并生成快速索引文件，將實時采集的圖像 按照拍攝時間進行大文件存儲W備于圖像識別和查詢。表1列出了大文件頭數據結構，根據 文件指針，將圖像文件存入指定的圖像文件存膽區并建立索引，即對每幅圖片存儲并向索 引返回圖片編號和指針，索引文件頭中對基本信息（例如圖像的起始公里標、圖片號等)進 行記錄，并且進一步返回當前圖像文件存儲時所保存的圖片文件總數量。
[0049] 此外，在動態采集檢測時，還生成大量零散的軌道傷損特殊圖像的圖片文件，為了 便于零散的圖片文件管理，通常存儲為自有格式的軌道傷損特殊圖像數據文件塊并生成快 速索引文件，在讀取軌道傷損特殊圖像數據文件塊時，可W選擇兩種檢索模式:一種是根據 公里標信息，檢索到某幅圖片并返回圖片信息；另一種是根據圖像編號，檢索到某幅圖片并 返回圖片信息。
[0050] 圖8是本發明軌道狀態智能巡檢裝置的第=種優選結構示意圖，如圖8所示，該軌 道狀態智能巡檢裝置同樣包括攝像單元、控制單元、數據分析處理單元、軸頭編碼器和里程 定位模塊，攝像單元包括光源、線陣相機、激光位移傳感器、第一半導體溫控器件、第二半導 體溫控器件、溫控模塊和光強反饋控制模塊，并且上述各組件/器件的結構、連接與功能與 圖2中的各組件基本相同，與圖2所示實施例的區別是，圖5所示實施例還包括網絡通信模 塊，網絡通信模塊分別與控制單元和數據分析處理單元相連接，其中，網絡通信模塊用于在 控制單元的控制下通過網絡連接終端服務器，將數據分析處理單元輸出的實際軌道狀態的 =維透視圖進行終端瀏覽顯示和/或終端自定義大文件存儲管理和/或軌道傷損識別和/或 采用大數據分析技術進行終端數據管理，也就是說，可W通過終端/云數據中屯、進行高級圖 像處理、模式識別和檢測應用(此時在終端/云數據中屯、中可W包括標準樣本數據庫和傷損 樣本數據庫）W及信息管理(圖像數據文件管理、軌道圖像檢索瀏覽、終端實時檢測監控、圖 像特征信息標注及查詢、報表打印）等功能，更進一步，圖像數據落地后存儲至(工務段)云 數據分析中屯、，可W采用分布式存儲技術和開源云平臺結構，利用大數據分析技術，對(工 務段)海量的巡檢圖像數據進行模式識別、關聯分析、歷史趨勢、分級分類管理，還可W利用 手持終端查詢設備外觀狀態，上傳和下載相關圖表和報告，對作業單進行即時處理和消號 等操作。
[0051]表1大文件頭數據結構
[0化2]
[0053]本發明設及的軌道狀態智能巡檢裝置集成的攝像單元優選可W為1~4個，W實現 高分辨率的采集間隔，進一步(車載裝置的車底或其他裝置的底部）的攝像單元通常通過機 械減震裝置安裝在左右兩根鋼軌軌道的正上方或側方，W利用安裝角度不同，實現完整軌 道3D信息的采集。圖9示出了包括3個攝像單元的軌道狀態智能巡檢裝置的第四種優選結構 示意圖，如圖9的實施例所示，3個攝像單元包括第一攝像單元、第二攝像單元和第=攝像單 元，第一攝像單元、第二攝像單元和第=攝像單元均分別與控制單元和數據分析處理單元 相連接（圖9中未示出），第一攝像單元、第二攝像單元和第=攝像單元均可W設置在同一平 面內，且第一攝像單元設置在軌道平面正上方，第二攝像單元和第=攝像單元分別W-定 角度設置在第一攝像單元兩側，通過調節攝像單元個數W調整采集間隔，具體來說即攝像 單元個數越多采集間隔越小、分辨率越高、圖像越清晰，例如如圖9中所示的實施例即可實 現0.03mm的采集間隔，同時通過調節攝像單元個數W及安裝角度W調整采集覆蓋范圍，在 實際檢測中，為了檢測軌腰和軌底傷損情況，通常采用3個攝像單元，例如如圖9中所示的實 施例即可實現包括軌腰、軌底等部位的軌道全斷面3D信息的采集，進一步改變線陣相機鏡 頭角度W及攝像單元的安裝角度，還可實現完整軌道道床、扣件等3D信息的采集，例如可W 通過調整線陣相機位置或增加相機個數(可結合改變線陣相機鏡頭角度W及攝像單元的安 裝角度），實現對軌道板、軌道板混凝±結構開裂、掉塊，寬接縫混凝±輕微鼓起W及支撐層 拉開等結構問題(圖9中未示出）的3D信息的采集。
[0054] 此外，在此說明，圖1、2、5、8和9中的箭頭僅表示光線方向示意，不限制其光線方向 和角度，其實際光線方向和光線覆蓋角度根據實際應用情況而定。
[0055] 如本領域普通技術人員的理解范圍可知，本發明所述的軌道狀態智能巡檢裝置中 的如控制單元、數據分析處理單元、數據存儲單元和光強反饋控制模塊等，可采取完全硬件 實施例、完全軟件實施例(包括計算機固件、駐留軟件、微代碼等）、軟硬件組合實施例的形 式。
[0056] 本發明所述的軌道狀態智能巡檢裝置可設置在沿軌道運行的用于巡檢的設備中， 如現有的或者特定結構的巡檢車或其它類似裝置上，隨著巡檢車沿軌道的運行，由本發明 的軌道狀態智能巡檢裝置進行智能巡檢，極其適用于軌道線路的夜間日常檢測，整體結構 簡單精巧，容易操作，體積小重量輕，同時有效保證了軌道巡檢的檢測效率，準確性、可靠性 和靈活性。
[0057] 本發明還設及一種軌道狀態智能巡檢方法，與上述軌道狀態智能巡檢裝置相對 應，在控制單元的控制下，利用線陣相機拍照采集軌道平面圖像數據，同時利用激光位移傳 感器采集軌道垂向位移數據，再采用3D建模技術將軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據 進行數據合成W生成軌道透視模型從而輸出實際軌道狀態的=維透視圖W便巡檢。具體 地，可W由數據分析處理單元采用3D建模技術生成軌道透視模型并輸出實際軌道狀態的= 維透視圖，如圖1所示，該圖1也可理解為是本發明軌道狀態智能巡檢方法的工作原理圖。
[0058] 優選地，采用3D建模技術將軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據進行數據合成 W生成軌道透視模型具體為:將所述軌道平面圖像數據進行空間映射獲得2D圖像像素點， 并且依據相同軌道位置的所述軌道垂向位移數據一一映射相應的像素點的灰度值作為第 =維數據進行數據合成W生成軌道透視模型。
[0059] 更優選地，還可W設置標準樣本數據庫和傷損樣本數據庫；在生成軌道透視模型 后，在控制單元的控制下，將軌道透視模型數據與標準樣本數據庫中的數據進行比對W識 別出各種軌道傷損，并將識別出的各種軌道傷損更新入傷損樣本數據庫；
[0060] 在識別出各種軌道傷損后，在控制單元的控制下，根據各種軌道傷損標識索引檢 索傷損樣本數據庫中的軌道傷損樣本且生成軌道傷損透視模型從而輸出實際軌道傷損的 =維透視圖，再將輸出的實際軌道狀態的=維透視圖W及實際軌道傷損的=維透視圖進行 實時瀏覽顯示;和/或，在生成軌道透視模型后，在控制單元的控制下，還利用數據存儲單元 接收生成的軌道透視模型數據生成自定義大文件存儲，且將輸出的各種軌道傷損標識寫入 所述自定義大文件，并同時生成軌道傷損特殊圖像數據文件塊W及相應的索引文件。
[0061 ]應當指出，W上所述【具體實施方式】可W使本領域的技術人員更全面地理解本發明 創造，但不W任何方式限制本發明創造。因此，盡管本說明書參照附圖和實施例對本發明創 造已進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可W對本發明創造進行修改 或者等同替換，總之，一切不脫離本發明創造的精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵 蓋在本發明創造專利的保護范圍當中。
【主權項】
1. 一種軌道狀態智能巡檢裝置，其特征在于，包括攝像單元、控制單元和數據分析處理 單元，所述攝像單元包括光源、線陣相機和激光位移傳感器，所述線陣相機、激光位移傳感 器均分別與控制單元和數據分析處理單元相連接，所述控制單元還與數據分析處理單元相 連接；由所述光源提供照明，所述線陣相機在控制單元的控制下拍照采集軌道平面圖像數 據，所述激光位移傳感器在控制單元的控制下采集軌道垂向位移數據;所述數據分析處理 單元在控制單元的控制下接收采集的所述軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據，并采用 3D建模技術將軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據進行數據合成以生成軌道透視模型 從而輸出實際軌道狀態的三維透視圖以便巡檢。2. 根據權利要求1所述的軌道狀態智能巡檢裝置，其特征在于，所述采用3D建模技術將 軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據進行數據合成以生成軌道透視模型具體為:將所述 軌道平面圖像數據進行空間映射獲得2D圖像像素點，并且依據相同軌道位置的所述軌道垂 向位移數據一一映射相應的像素點的灰度值作為第三維數據進行數據合成以生成軌道透 視模型。3. 根據權利要求1或2所述的軌道狀態智能巡檢裝置，其特征在于，所述軌道狀態智能 巡檢裝置還包括傷損識別模塊和數據庫，所述數據庫包括標準樣本數據庫和傷損樣本數據 庫，所述傷損識別模塊分別與標準樣本數據庫、傷損樣本數據庫、控制單元和數據分析處理 單元相連接，所述傷損識別模塊在控制單元的控制下將所述數據分析處理單元生成的軌道 透視模型數據與標準樣本數據庫中的數據進行比對以識別出各種軌道傷損，并將識別出的 各種軌道傷損數據更新入傷損樣本數據庫。4. 根據權利要求1或2所述的軌道狀態智能巡檢裝置，其特征在于，所述軌道狀態智能 巡檢裝置還包括圖像瀏覽模塊，所述圖像瀏覽模塊分別與控制單元和數據分析處理單元相 連接;所述圖像瀏覽模塊在控制單元的控制下接收所述數據分析處理單元輸出的實際軌道 狀態的三維透視圖且進行實時瀏覽顯示； 和/或，所述軌道狀態智能巡檢裝置還包括數據存儲單元，所述數據存儲單元分別與控 制單元和數據分析處理單元相連接;所述數據存儲單元在控制單元的控制下接收所述數據 分析處理單元生成的軌道透視模型數據生成自定義大文件存儲。5. 根據權利要求3所述的軌道狀態智能巡檢裝置，其特征在于，所述軌道狀態智能巡檢 裝置還包括圖像瀏覽模塊和傷損檢索處理模塊，所述圖像瀏覽模塊分別與傷損檢索處理模 塊、控制單元和數據分析處理單元相連接，所述傷損檢索處理模塊分別與控制單元、傷損識 別模塊和傷損樣本數據庫相連接;所述傷損檢索處理模塊在控制單元的控制下根據所述傷 損識別模塊輸出的各種軌道傷損標識索引檢索傷損樣本數據庫中的軌道傷損樣本且生成 軌道傷損透視模型從而輸出實際軌道傷損的三維透視圖，所述圖像瀏覽模塊在控制單元的 控制下接收所述數據分析處理單元輸出的實際軌道狀態的三維透視圖以及所述傷損檢索 處理模塊輸出的實際軌道傷損的三維透視圖，并且進行實時瀏覽顯示； 和/或，所述軌道狀態智能巡檢裝置還包括數據存儲單元，所述數據存儲單元分別與傷 損識別模塊、控制單元和數據分析處理單元相連接;所述數據存儲單元在控制單元的控制 下接收所述數據分析處理單元生成的軌道透視模型數據生成自定義大文件存儲，且將所述 傷損識別模塊輸出的各種軌道傷損標識寫入所述自定義大文件，并同時生成軌道傷損特殊 圖像數據文件塊以及相應的索引文件。6. 根據權利要求1或2所述的軌道狀態智能巡檢裝置，其特征在于，所述軌道狀態智能 巡檢裝置還包括網絡通信模塊，所述網絡通信模塊分別與控制單元和數據分析處理單元相 連接，所述網絡通信模塊用于在控制單元的控制下通過網絡連接終端服務器，將所述數據 分析處理單元輸出的實際軌道狀態的三維透視圖進行終端瀏覽顯示和/或終端自定義大文 件存儲管理和/或軌道傷損識別和/或采用大數據分析技術進行終端數據管理。7. 根據權利要求1至6之一所述的軌道狀態智能巡檢裝置，其特征在于，所述軌道狀態 智能巡檢裝置還包括軸頭編碼器，所述軸頭編碼器與控制單元相連接，所述控制單元采集 軸頭編碼器生成的正交差分信號作為觸發信號控制線陣相機和激光位移傳感器； 和/或，所述軌道狀態智能巡檢裝置還包括里程定位模塊，所述里程定位模塊與控制單 元相連接，所述里程定位模塊在控制單元的控制下進行自動里程定位及校正。8. 根據權利要求7所述的軌道狀態智能巡檢裝置，其特征在于，所述攝像單元還包括第 一半導體溫控器件、第二半導體溫控器件、溫控模塊和光強反饋控制模塊，所述第一半導體 溫控器件與光源相連接，所述第二半導體溫控器件與線陣相機相連接，所述第一半導體溫 控器件和第二半導體溫控器件均與溫控模塊相連接，所述光強反饋控制模塊分別與控制單 元、光源和線陣相機相連接，所述光源與控制單元相連接，所述第一半導體溫控器件在溫控 模塊的控制下實時監測光源的工作溫度且將其控制在光源工作溫度標準范圍內，所述第二 半導體溫控器件在溫控模塊的控制下實時監測線陣相機的工作溫度且將其控制在線陣相 機工作溫度標準范圍內，所述光強反饋控制模塊在控制單元的控制下實時監測所述光源的 強度，并依據監測到的強度在控制單元的控制下實時調節光源的強度和/或線陣相機采集 參數； 和/或，所述線陣相機為線陣CCD相機，所述光源為大功率線形光源。9. 根據權利要求8所述的軌道狀態智能巡檢裝置，其特征在于，所述攝像單元為1~4 個； 或，所述攝像單元為3個，3個攝像單元均設置在同一平面內，且第一個攝像單元設置在 軌道平面正上方，另外兩個攝像單元分別以一定角度設置在第一個攝像單元兩側。10. -種軌道狀態智能巡檢方法，其特征在于，由光源提供照明，在控制單元的控制下， 利用線陣相機拍照采集軌道平面圖像數據，同時利用激光位移傳感器采集軌道垂向位移數 據，再采用3D建模技術將軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據進行數據合成以生成軌道 透視模型從而輸出實際軌道狀態的三維透視圖以便巡檢。11. 根據權利要求10所述的軌道狀態智能巡檢方法，其特征在于，所述采用3D建模技術 將軌道平面圖像數據和軌道垂向位移數據進行數據合成以生成軌道透視模型具體為:將所 述軌道平面圖像數據進行空間映射獲得2D圖像像素點，并且依據相同軌道位置的所述軌道 垂向位移數據一一映射相應的像素點的灰度值作為第三維數據進行數據合成以生成軌道 透視模型； 還設置標準樣本數據庫和傷損樣本數據庫；在生成軌道透視模型后，在控制單元的控 制下，將軌道透視模型數據與標準樣本數據庫中的數據進行比對以識別出各種軌道傷損， 并將識別出的各種軌道傷損更新入傷損樣本數據庫。12. 根據權利要求11所述的軌道狀態智能巡檢方法，其特征在于，在識別出各種軌道傷 損后，在控制單元的控制下，根據各種軌道傷損標識索引檢索傷損樣本數據庫中的軌道傷 損樣本且生成軌道傷損透視模型從而輸出實際軌道傷損的三維透視圖，再將輸出的實際軌 道狀態的三維透視圖以及實際軌道傷損的三維透視圖進行實時瀏覽顯示； 和/或，在生成軌道透視模型后，在控制單元的控制下，還利用數據存儲單元接收生成 的軌道透視模型數據生成自定義大文件存儲，且將輸出的各種軌道傷損標識寫入所述自定 義大文件，并同時生成軌道傷損特殊圖像數據文件塊以及相應的索引文件。
【文檔編號】B61K9/10GK105905132SQ201610350393
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月24日
【發明人】徐偉華, 朱清, 劉強
【申請人】北京鷹路科技有限公司