一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法

2023-10-10 04:29:36

1.本發明涉及制動盤溫度及磨耗量監測領域，尤其涉及一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法。


背景技術：

2.高速鐵路運行過程中具有安全舒適、節能環保、快速方便、輸送能力大等優點，在經濟發展、人民生活等方面發揮著巨大的作用，受到越來越多的國家所重視。制動技術作為高速列車核心技術之一，直接關係到列車運行安全、列車平穩性和舒適性。在高速列車發展進程中，制動技術已然成為限制列車高速化的核心問題之一。通過不斷地積累自身技術成果和對國外先進科技的引進吸收、發展創新，在輪軌系統、制動系統等方面取得巨大進展，讓我國高速鐵路得以迅速崛起。
3.列車制動系統通過制動盤與制動閘片之間的摩擦來實現的。列車制動過程中，高速制動界面的高摩擦熱量導致摩擦副表面的溫度急劇升高，制動盤與閘片界面局部摩擦特性及周圍環境溫度場交換引起制動盤在閘片摩擦制動過程中的溫度變化幅值可達400～500℃。列車運行速度不斷地提高必然導致動能的增加，這導致制動時制動盤產生的熱能急劇增加，產生非常大的熱負荷，從而使制動盤承受較大的熱應力，循環交變的熱應力作用下，也會導致制動盤產生疲勞裂紋。此外，冬季的低溫服役環境進一步增加了制動盤摩擦表面溫度變化幅值，會對制動盤閘片的摩擦磨損機制產生較大影響，使得低溫環境下更容易出現制動盤/閘片材料的異常磨耗，嚴重影響服役過程中制動系統的穩定性和可靠性。
4.現有技術中，針對輪對的磨損、缺陷、發熱情況的監測研究比較多，而很少有應用到高速列車制動盤上的。而現有用於檢測制動盤缺陷的主要有超聲檢測方法、磁粉探傷方法、電渦流檢測方法。這些方法均需要停車後檢測，暫不能實現車輛在運行情況中的檢測。


技術實現要素：

5.為了解決上述問題，本發明的目的在於提供一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法，通過紅外熱成像儀採集制動盤發出的紅外輻射能量，形成紅外圖像，再對紅外熱成像圖片進行圖像處理，識別出制動盤上的溫度值；此外，採用圖像測量技術和雷射線光源相結合的方式來對制動盤的磨耗狀態進行檢測。
6.為了實現上述目的，本發明提供的一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法是這樣實現的：
7.一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法，包括高清攝像頭、雷射發射器、控制箱、紅外熱成像儀，控制箱中放置了dsp最小系統板、電源降壓模塊、zigbee路由器，高清攝像頭、雷射發射器、控制箱、紅外熱成像儀均安裝在制動盤斜上方的車底部，且高清攝像頭、雷射發射器與制動盤在同一水平面，紅外熱成像儀與制動盤之間夾角為45度，電源降壓模塊將高速列車的電源降壓至12v後為高清攝像頭、雷射發射器、紅外熱成像儀、zigbee路由器、dsp最小系統板供電，採用圖像測量技術和雷射線光源相結合的方式來對制動盤的磨
耗狀態進行監測，由dsp最小系統板控制雷射發射器向制動盤發射雷射束，形成光截曲線，通過高清攝像頭對光截曲線進行拍攝，再傳輸給dsp最小系統板進行圖像處理，通過計算制動盤的像素數來求出制動盤的厚度，將所測厚度與原始厚度進行對比來計算制動盤的磨耗量，通過紅外熱成像儀採集制動盤的紅外圖像，並傳輸給dsp最小系統板進行處理，進而計算出制動表面的溫度信息，並由dsp最小系統板控制zigbee路由器將計算得出的制動盤磨損量、當前溫度、缺陷情況實時發送至操控臺的pc機上進行實時顯示。
8.本發明的zigbee路由器要將數據傳輸至操控臺的pc機上進行實時顯示，在列車操控臺上安裝zigbee協調器，用於接收zigbee路由器傳來的信息，並將信息傳輸至pc機，在pc機中進行數據的實時顯示。
9.本發明根據紅外熱成像圖片識別制動盤溫度的方案為：
10.s1.圖像預處理
11.①
讀取待識別的紅外圖像，進行灰度變換和gamma矯正；
12.②
繪製待識別紅外圖像的直方圖，並自適應地得到直方圖波谷處右側閾值；
13.③
採用自適應閾值對圖像進行二值化處理；
14.s2.圖像分割
15.①
採用像素累加法定位二值化圖像上的矩形框；
16.②
根據位置信息確定roi區域；
17.③
採用垂直投影法對roi區域進行字符分割，建立溫度值數據集。
18.s3.溫度識別
19.①
搭建深度為7的cnn網絡，並確定網絡參數，按照8:2的比例劃分溫度值訓練集和測試集；
20.②
訓練和測試cnn網絡，分析各字符識別結果；
21.③
結合設計制動盤紅外圖像溫度值識別與記錄系統，並選取若干張紅外圖像測試溫度識別結果。
22.本發明的高清攝像頭採集光截曲線的方案為：雷射發射器發射雷射束照射到制動盤上，形成光截曲線，高清攝像頭對光截曲線拍攝時，高清攝像頭的中心線與雷射束的光平面之間夾角為θ，設高清攝像頭拍攝時的物距為μ，像距為ν，焦距為f，制動盤實際厚度為l，放大倍數為β，像素數為n，單位像素長度為p，像長度為l，k表示物象比例係數，那麼：
[0023][0024][0025]
l＝n
·
p (3)
[0026]
由式(1)(2)(3)可以得出物象比例係數k為：
[0027][0028]
得出制動盤實際厚度l為：
[0029][0030]
通過dsp最小系統板對實際光截曲線進行圖像處理後，求出圖像中制動盤的像素數，即可計算出制動盤的厚度。
[0031]
本發明的dsp最小系統板對高清攝像頭採集到的光截曲線圖像進行處理的方案為：
[0032]
s1.圖像處理
[0033]
(1)圖像類型轉換
[0034]
對採集到的圖像進行灰度處理，將採集到的彩色圖像轉換為灰度圖，以提高後續的處理速度。
[0035]
(2)圖像反色
[0036]
採集到的圖像中，光帶輪廓區域的灰度比較偏亮，而其他區域的灰度偏暗，為了進一步方便後續的圖像處理，利用圖像的反色將光帶輪廓區域的灰度變得偏暗，而其他區域的灰度變得偏亮，採用灰度變換方程來實現圖像的反色，具體為:
[0037]
db＝f(da)＝f(a)
·
da+f(b) (6)
[0038]
式中，f(a)表示線性函數的斜率，f(b)表示線性函數在y軸上的截距，da表示輸入圖像的灰度，db表示輸出圖像的灰度，當f(a)＞1時，輸出圖像的對比度將增大，當f(a)＜1時，輸出圖像的對比度將減小，當f(a)＝1且f(b)≠0時，所有像素的灰度值會增加或降低，對應的圖像就會更暗或更亮，當f(a)＜0時，暗區域將變亮，亮區域變暗，當f(a)＝1且f(b)＝0時，輸入圖像和輸出圖像相同，當f(a)＝-1且f(b)＝255時，輸出的圖像與輸出圖像放入灰度值正好相反，所以式(6)中的f(a)取值-1，f(b)取值255；
[0039]
(3)圖像濾波去噪
[0040]
由於採集到的制動盤圖像存在一定的噪聲幹擾，會影響圖像識別結果的準確率，所以採用二維中值濾波器進行圖像濾波，具體為：
[0041]
1)先建立第一個要處理的像素點的濾波器窗口灰度等級直方圖，並找到這個窗口內所有像素點灰度值的中值，並計算窗口內小於中值的灰度值數量；
[0042]
2)將窗口中心移動到下一個像素點，同時更新灰度直方圖為當前窗口的像素點灰度值的中值，並更新當前窗口內小於中值的灰度值數量。
[0043]
3)根據當前窗口內小於中值的灰度值數量與窗口像素點總數一半的關係，向上或者向下尋找當前窗口的灰度中值；
[0044]
4)若當前像素點不是某一行的最後一個，則轉到步驟2)；若當前像素點為某一行的最後一個，且不是要處理的最後一行，則將窗口中心移動到下一行的第一列的像素點，再轉到步驟1)；否則，流程結束。
[0045]
s2.圖像分析
[0046]
對採集到的制動盤圖像進行圖像處理後能夠得到制動盤外形輪廓曲線，通過與標準制動盤的輪廓曲線作對比，並經過圖像尺寸測量就可以測得實際的制動盤厚度及磨耗量，制動盤磨耗的計算公式為：
[0047]bm
＝b-l
b (7)
[0048]
式中，lb為實際測量制動盤的厚度值，b表示制動盤厚度的標準值，bm表示制動盤的
磨耗值；
[0049]
採集待測制動盤輪廓圖和標準制動盤輪廓圖後，分別進行圖像處理，接著分別對待測制動盤輪廓圖和標準制動盤輪廓圖的曲線進行掃描，得到制動盤輪緣的頂點，以該頂點為基準，採用拉普拉斯融合算法將待測制動盤輪廓圖和標準制動盤輪廓圖進行重合，以制動盤內側面為基準，測量在x方向偏移70毫米處兩曲線的y值之差，以該偏移線la與標準曲面的交點0為基準，測量正y方向偏移0毫米處兩曲線的x值之差，進而計算出制動盤的磨耗量。
[0050]
由於本發明通過紅外熱成像儀來檢測制動盤的溫度信息，採用圖像測量技術和雷射線光源相結合的方式來對制動盤的磨耗狀態進行檢測的結構，從而可以得到以下有益效果：
[0051]
1.採用紅外熱成像儀來檢測制動盤的溫度信息，能夠實現非接觸式測量，相對接觸式測量而言，紅外熱成像儀不受制動盤摩擦的影響，從而提高使用壽命。
[0052]
2.採用圖像測量技術和雷射線光源相結合的方式來對制動盤的磨耗狀態進行檢測，能夠實現對制動盤的磨耗實時在線監測，並在操控臺的pc機端進行實時顯示，能夠更加直觀的查看到制動盤的磨損量、溫度信息、缺陷情況等。
附圖說明
[0053]
圖1為本發明一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法的安裝結構示意圖；
[0054]
圖2為本發明一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法的控制箱的結構示意圖；
[0055]
圖3為本發明一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法的工作原理圖；
[0056]
圖4為本發明一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法的紅外熱成像圖片識別制動盤溫度的方案流程圖；
[0057]
圖5為本發明一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法的高清攝像頭採集光截曲線的成像光路圖；
[0058]
圖6為本發明一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法的圖像反色流程圖；
[0059]
圖7為本發明一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法的圖像濾波去噪流程圖；
[0060]
圖8為本發明一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法的圖像分析方案流程圖；
[0061]
圖9為本發明一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法的磨耗量測量數學模型。
[0062]
主要元件符號說明。
[0063]
高清攝像頭1雷射發射器2控制箱3紅外熱成像儀4dsp最小系統板5電源降壓模塊6zigbee路由器7zigbee協調器8pc機9
ꢀꢀ
具體實施方式
[0064]
下面結合實施例並對照附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0065]
請參閱圖1至圖9所示為本發明中的一種高速列車制動盤溫度及磨耗量的監測方法，包括高清攝像頭1、雷射發射器2、控制箱3、紅外熱成像儀4。
[0066]
如圖1、圖2所示，所述的控制箱3中放置了dsp最小系統板5、電源降壓模塊6、zigbee路由器7，高清攝像頭1、雷射發射器2、控制箱3、紅外熱成像儀4均安裝在制動盤斜上方的車底部，且高清攝像頭1、雷射發射器2與制動盤在同一水平面，紅外熱成像儀4與制動盤之間夾角為45度，高清攝像頭1、雷射發射器2、紅外熱成像儀4、zigbee路由器7與dsp最小系統板5電性連接，電源降壓模塊6將機車用的電源降壓至12v後為高清攝像頭1、雷射發射器2、紅外熱成像儀4、zigbee路由器7、dsp最小系統板5供電，採用圖像測量技術和雷射線光源相結合的方式來對制動盤的磨耗狀態進行檢測，由dsp最小系統板5控制雷射發射器2向制動盤發射雷射束，形成光截曲線，通過高清攝像頭1對光截曲線進行拍攝，再傳輸給dsp最小系統板5進行圖像處理，通過計算制動盤的像素數來求出制動盤的厚度，將所測厚度與原始厚度進行對比來計算制動盤的磨耗量，通過紅外熱成像儀4採集制動盤的紅外圖像，並傳輸給dsp最小系統板5進行處理，進而計算出制動表面的溫度信息，並由dsp最小系統板5控制zigbee路由器7將計算得出的制動盤磨損量、當前溫度、缺陷情況實時發送至操控臺的pc機9上進行實時顯示。
[0067]
如圖3所示，所述的zigbee路由器7要將數據傳輸至操控臺的pc機9上進行實時顯示，在列車操控臺上安裝zigbee協調器8，用於接收zigbee路由器7傳來的信息，並將信息傳輸至pc機9，在pc機9中進行數據的實時顯示。
[0068]
如圖4所示，本發明根據紅外熱成像圖片識別制動盤溫度的方案為：
[0069]
s1.圖像預處理
[0070]
①
讀取待識別的紅外圖像，進行灰度變換和gamma矯正；
[0071]
②
繪製待識別紅外圖像的直方圖，並自適應地得到直方圖波谷處右側閾值；
[0072]
③
採用自適應閾值對圖像進行二值化處理；
[0073]
s2.圖像分割
[0074]
①
採用像素累加法定位二值化圖像上的矩形框；
[0075]
②
根據位置信息確定roi區域；
[0076]
③
採用垂直投影法對roi區域進行字符分割，建立溫度值數據集。
[0077]
s3.溫度識別
[0078]
①
搭建深度為7的cnn網絡，並確定網絡參數，按照8:2的比例劃分溫度值訓練集和測試集；
[0079]
②
訓練和測試cnn網絡，分析各字符識別結果；
[0080]
③
結合設計制動盤紅外圖像溫度值識別與記錄系統，並選取若干張紅外圖像測試溫度識別結果。
[0081]
如圖5所示，所述的高清攝像頭1採集光截曲線的方案為：雷射發射器2發射雷射束照射到制動盤上，形成光截曲線，高清攝像頭1對光截曲線拍攝時，高清攝像頭1的中心線與雷射束的光平面之間夾角為θ，設高清攝像頭1拍攝時的物距為μ，像距為ν，焦距為f，制動盤實際厚度為l，放大倍數為β，像素數為n，單位像素長度為p，像長度為l，k表示物象比例系
數，那麼：
[0082][0083][0084]
l＝n
·
p (3)
[0085]
由式(1)(2)(3)可以得出物象比例係數k為：
[0086][0087]
得出制動盤實際厚度l為：
[0088][0089]
通過dsp最小系統板5對實際光截曲線進行圖像處理後，求出圖像中制動盤的像素數，即可計算出制動盤的厚度。
[0090]
所述的dsp最小系統板5對高清攝像頭1採集到的光截曲線圖像進行處理的方案為：
[0091]
s1.圖像處理
[0092]
(1)圖像類型轉換
[0093]
對採集到的圖像進行灰度處理，將採集到的彩色圖像轉換為灰度圖，以提高後續的處理速度。
[0094]
(2)圖像反色
[0095]
如圖6所示，採集到的圖像中，光帶輪廓區域的灰度比較偏亮，而其他區域的灰度偏暗，為了進一步方便後續的圖像處理，利用圖像的反色將光帶輪廓區域的灰度變得偏暗，而其他區域的灰度變得偏亮，採用灰度變換方程來實現圖像的反色，具體為:
[0096]
db＝f(da)＝f(a)
·
da+f(b) (6)
[0097]
式中，f(a)表示線性函數的斜率，f(b)表示線性函數在y軸上的截距，da表示輸入圖像的灰度，db表示輸出圖像的灰度，當f(a)＞1時，輸出圖像的對比度將增大，當f(a)＜1時，輸出圖像的對比度將減小，當f(a)＝1且f(b)≠0時，所有像素的灰度值會增加或降低，對應的圖像就會更暗或更亮，當f(a)＜0時，暗區域將變亮，亮區域變暗，當f(a)＝1且f(b)＝0時，輸入圖像和輸出圖像相同，當f(a)＝-1且f(b)＝255時，輸出的圖像與輸出圖像放入灰度值正好相反，所以式(6)中的f(a)取值-1，f(b)取值255；
[0098]
(3)圖像濾波去噪
[0099]
如圖7所示，由於採集到的制動盤圖像存在一定的噪聲幹擾，會影響圖像識別結果的準確率，所以採用二維中值濾波器進行圖像濾波，具體為：
[0100]
1)先建立第一個要處理的像素點的濾波器窗口灰度等級直方圖，並找到這個窗口內所有像素點灰度值的中值，並計算窗口內小於中值的灰度值數量；
[0101]
2)將窗口中心移動到下一個像素點，同時更新灰度直方圖為當前窗口的像素點灰度值的中值，並更新當前窗口內小於中值的灰度值數量。
[0102]
3)根據當前窗口內小於中值的灰度值數量與窗口像素點總數一半的關係，向上或
者向下尋找當前窗口的灰度中值；
[0103]
4)若當前像素點不是某一行的最後一個，則轉到步驟2)；若當前像素點為某一行的最後一個，且不是要處理的最後一行，則將窗口中心移動到下一行的第一列的像素點，再轉到步驟1)；否則，流程結束。
[0104]
s2.圖像分析
[0105]
如圖9所示，對採集到的制動盤圖像進行圖像處理後能夠得到制動盤外形輪廓曲線，通過與標準制動盤的輪廓曲線作對比，並經過圖像尺寸測量就可以測得實際的制動盤厚度及磨耗量，制動盤磨耗的計算公式為：
[0106]bm
＝b-l
b (7)
[0107]
式中，lb為實際測量制動盤的厚度值，b表示制動盤厚度的標準值，bm表示制動盤的磨耗值；
[0108]
如圖8所示，採集待測制動盤輪廓圖和標準制動盤輪廓圖後，分別進行圖像處理，接著分別對待測制動盤輪廓圖和標準制動盤輪廓圖的曲線進行掃描，得到制動盤輪緣的頂點，以該頂點為基準，採用拉普拉斯融合算法將待測制動盤輪廓圖和標準制動盤輪廓圖進行重合，以制動盤內側面為基準，測量在x方向偏移70毫米處兩曲線的y值之差，以該偏移線la與標準曲面的交點0為基準，測量正y方向偏移0毫米處兩曲線的x值之差，進而計算出制動盤的磨耗量。
[0109]
本發明的工作原理與工作過程如下：
[0110]
如圖3所示，由dsp最小系統板5控制雷射發射器2向制動盤發射雷射束，形成光截曲線，通過高清攝像頭1對光截曲線進行拍攝，再傳輸給dsp最小系統板5進行圖像處理，通過計算制動盤的像素數來求出制動盤的厚度，將所測厚度與原始厚度進行對比來計算制動盤的磨耗量，通過紅外熱成像儀4採集制動盤的紅外圖像，並傳輸給dsp最小系統板5進行處理，進而計算出制動表面的溫度信息，並由dsp最小系統板5控制zigbee路由器7將計算得出的制動盤磨損量、當前溫度、缺陷情況實時發送至zigbee協調器8，在由zigbee協調器8將信息傳輸至pc機9，在pc機9中進行數據的實時顯示。