基于数字图像处理的轨面竖向动位移远程采集方法

常建芳 李丽荣 王晓刚 王新超 王梦宇 冯怀平

1.邯郸职业技术学院，河北 邯郸 056001；2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；3.石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，石家庄 050043；4.中铁五院集团有限公司建筑设计研究院，北京102600

传统的钢轨位移监测方法多利用动位移计，该方法需要提供一个相对固定的基标，在既有线应用时需要通过深挖桩基，设置专门的沉降基板及加速度计［1-3］，将测得的加速度信号经二次积分反求出被测物体的动位移。此方法要将加速度计粘贴在被测结构表面，以获取测试部位的振动值。因此具有易磨损、长期稳定性差等缺点，同时二次积分会造成精度低、误差大的不足。近年来非接触监测方法如磁敏式、光电式传感器等越来越引起研究者的关注［4］。上述检测方法需要工作人员手动测量，测量误差有较大离散性，影响测试精度。

数字图像处理（Digital Image Processing，DIP）技术已经成功运用到工程结构位移测试的多个领域［5-6］。赵亚军等［7］针对混凝土梁桥弯曲疲劳问题，通过DIP技术获取了应力集中附近的变形分布情况，证明DIP技术实用性好，能够满足0.5 mm∕20万次的测试需求。陈运贵［8］利用DIP 技术监测隧道衬砌结构变形，提出了镜头畸变修正方法和像元的标定方法，结果表明在测量变形方面精度均小于±0.5 mm。Riberio 等［9］使用高速摄像机对铁路桥梁动位移进行检查，表明该方法用于测量列车通过时引起的铁路桥梁桥面位移，与LVDT 获得的位移测量结果一致性很高。虽然在桥梁、隧道等方面已经有较多报道，但由于轨道空间狭小，在铁路钢轨动位移测试应用还较少，适用性仍有待进一步验证。

本文针对传统的监测钢轨方法存在侵限、布置难、难以定点测量、自动化程度弱等不足，利用DIP 技术的非接触测量、设备简单，安全性、智能化程度高等优点，研发一整套非接触式路基轨道动位移长期演化监测系统，并将该系统应用于包神铁路南线病害监测中。所建立的铁路轨道动位移长期监测方法为掌握路基、轨道竖向位移发展过程以及病害演化规律提供参考。

1 监测系统组成

1.1 硬件系统

硬件设备系统包括成像采集系统、标志物等［10］。采集系统一般有智能手机、数码相机数码摄像机等。成像质量的优劣以及位移的测量精度均取决于成像设备参数的选择。标志物的形状、大小、颜色对图像特征点坐标的提取产生影响。

1.1.1 成像设备的选择

各种成像设备主要由图像传感器、镜头、电子电路等组成，而图像传感器是成像设备中最重要的部分。

由于结构位移测量多为室外测量，噪声影响不可忽略，本装置选择信噪比较小的CMOS 传感器作为成像设备的传感器。为实现在郊外复杂环境长期监测的需要，供电装置采用了太阳能电池板。总体采集装置如图1所示。

图1 图像采集设备

控制系统功能结构如图2 所示，系统MCU 为STM32 单片机。通过I∕O 口接收红外摄像机传送来的图像信号，将结果保存在STM32 的Flash 中，经过MCU分析处理后，把数据通过RS485 接口的无线发送器发送给云端4G 卡，再被上位机PC 机接收；或者通过SPI接口，将数据通过USB 口传送至附近的上位PC 机，可再进一步处理。

图2 控制系统功能结构

录像传输会占用大量的储存空间和流量，造成传输堆栈，为避免过多采集无用信息，采用热释电传感器感应列车通过时刻，当有火车经过时，热释电红外传感器探测到的信号通过I∕O 途径采集进MCU，经过控制器判断后，向摄像机发出拍照信号，记录下火车经过时的图像。此外，相机具有定时拍摄功能，只测试给定时段的振动信息，其余时间处于休眠状态，避免拍摄无关视频。

1.1.2 标志物的选择

选择合适的参考点作为标志物是数字图像处理位移监测技术的关键。通常以结构物表面裂缝、结构拐角、结构表面螺栓等作为标志物；但这种方法精度普遍不高，通过色差和造型分析，设计专门标志物可以有效提高测试精度［4］。目前标志物主要为二维码、圆形、方形以及它们之间的组合。由于圆形标志物在任意方向发生扭转、偏移的误差都能很好地进行修正［2］。结合被测物体的特点和环境，研究使用单圆形作为标志物、圆心作为特征点。圆形标志物设计为黑色，背景设计为白色，增加两者颜色对比度。通过MATLAB 构建标志物三维分布如图3 所示，可以看出标志物具有较好的识别度。

图3 标志物三维分布

1.2 软件系统

获取图像后，需要对采集到的图像进行图像处理才能得到待测结构的位移变化。根据图像处理技术的需要，采用Matlab进行各部分图像处理。

基于数字图像处理的非接触位移监测方法关键技术环节见图4。相对于传统动位移测试需要固定基准点问题，本方法首先分析并确立测试图像像素点与预设标靶圆直径（给定值）之间的数据关系，然后计算出标靶振动。因此这个方法不需要基准点，只要图像采集清晰，拍摄距离及光线角度对振动位移测试精度的影响很小，这样设计保证了即使在现场测试中摄像机损毁或者测点破坏，简单替换一组设备，更换相机固定点即可以使用，进而极大提高了本测试方法的适用性。

图4 流程图

数字图像特征点提取算法的选择对后续测量精度的影响至关重要。因此采用特征点提取精度较高的最小二乘拟合算法（最优圆拟合法）作为特征点提取算法；以圆形标志物圆心作为特征点，对圆形标志物的圆心和半径进行拟合，进而提取得到标靶圆在像素坐标系下的圆心坐标和半径。由于标靶圆的实际直径是精确给定的，因此通过这种关系可以建立起像素与空间尺寸的比例关系，即计算转换系数SF；基于此通过对比标靶圆心与第一帧标靶圆圆心像素上的偏差量，就可以计算出实际物体空间位移。

2 室内试验标定

为验证采用基于DIP技术的位移监测方法在工程结构物竖向动态位移时程变化规律测试中的可行性，利用室内动三轴仪进行了标定试验。先将标志物粘贴在动三轴仪底座上，然后通过GDS 动三轴仪分别设置了三角波、正弦波以及依据现场轨道位移曲线的自定义波形作为验证波形，旁边布置相机进行摄像采集，并采用最优圆拟合法进行拟合。三种波形的设计参数见表1，室内标定结果见图5。

表1 波形参数

图5 室内标定试验结果

由图5 可知：DIP 所测位移值曲线与GDS 动三轴仪所测位移曲线吻合度良好，验证该技术有较高的精度。

为对比不同波形及振幅的监测精度，基于DIP 技术的监测方法测得的位移与动三轴仪提供的位移值，得到DIP 测试值的相对误差和绝对误差。百分误差PE、均方根误差RMSE和最大绝对误差MAE作为分析误差的指标；皮尔逊相关系数ρ作为相关性的分析指标。

式中：Vi为基于DIP方法测得的位移，其中三角波和正弦波为试验位移最大值、最小值，而自定义波形为试验 15个拐点对应的位移为测试位移平均值；Mi为动三轴仪施加位移为施加位移平均值。

三种加载波形下DIP 法测试精度见表2。可知，三种工况下最优圆拟合算法在识别定位标靶圆、计算被测结构位移都具有较小的误差。

表2 DIP法测试精度

3 工程应用

在包神铁路南线瓷窑湾站K158+146.89—K158+156.89 区段内的现场调研发现轨道基础存在较大的翻浆冒泥、不均匀沉降等病害问题。为探索该部分病害演化过程，在该地带设置了整套轨道DIP 竖向动位移监测装置进行长期监测。本区段采用60 kg∕m 钢轨，运行车型主要为C80、C70、C64。

现场动位移计法测试需要一个相对稳定的基准点，为此马伟斌等［11］研发了铁路路基动位移检测装置，在路基中开挖圆洞直至基床表层（约90 cm），然后布置套筒与钢管作为位移计基点，文献［1］中也制作了类似沉降板作为基准点。DIP 技术现场动位移测试也要求有一个相对稳定的位置固定相机。综合考虑现场条件本次试验相机固定在调车矮型信号机桩上。该信号机桩埋深110 cm，距离外轨约220 cm，使用免钉胶固定在铁路信号机基座上，对比文献［12］路基动应力衰减规律，该位置振动影响已经很小。红外感应相机通过内置的长焦镜头采集标志物的图像信息，并通过内置的无线传输模块远程传输标志物的图像信息。其中，长焦镜头的焦距为26 mm，可清晰准确地拍摄标志物红外信息；无线通信模块则通过手机SIM 卡连接4G 网络，实现远程控制与图像传输。红外感应相机布设见图6（a）。标志物整体由易于加工的亚克力板加工制作而成，并在其中心位置制作有直径2 cm的黑色标靶。为避免对铁轨的损伤，从而造成安全隐患，使用固定胶将其固定，见图6（b）。

图6 现场测试

不同车速轨道竖向位移监测结果见图7。可知，本装置均可以清晰测出机车轮对通过时对钢轨竖向位移的影响。利用远程传输手段，实现了对该断面动位移幅值的长期观测，本次测试为了节约传输成本，每次仅测试5 s，从中选择动位移最大值作为本次测试幅值。

图7 不同车速时钢轨竖向位移

C64、C70 车型三个月内动位移幅值分布见图8。可知，载重对轨道动位移影响较大，C64、C70幅值均值分别为 2.39、2.82 mm，C64 和 C70 最大位移分别为3.25、4.45 mm，测试结果基本与现场测试数据吻合［13］。两种车型动位移幅值基本服从正态分布，一个明显的特点是分布上均有一定的双峰现象，主要是因为录像测试时间较短，因此测试数据可能是分别测试了机车和货车通过时的动位移。

图8 不同车型动位移幅值分布

4 结论与建议

1）室内试验表明本装置有较强的适应性，可以适应不同波形、不同幅值的振动测试，精度较高。

2）该测量技术可以实现无人值守轨道动位移长期监测，通过远程传输技术，实现现场动位移幅值的实时传输，适用性较好。

3）经三个月的针对C64和C70车型的测试表明，统计学上列车轴重对于轨道动位移有影响，动位移幅值均值分别为2.39、2.82 mm。

4）由于现场测试条件限制，未能进行同位置位移计的标定试验，下一步将继续这方面工作，同时将改进算法优化相机固定点振动对测试误差的影响。