CN114295858B - 基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发方法及装置，该方法为：采用磁钢阵列和图像测速模块完成对列车运动信息的采集，传送至PLC进行处理，实时计算双目相机的触发频率并驱动双目相机完成列车图像均匀尺度的采集，实现列车动态检测。本发明通过双目相机实时准确检测出列车车轮，建立车轮速度立体视觉测量模型，能够准确测量得出列车车轮运动速度；设计基于多组磁钢的列车车速测量方式，准确测得列车运动加速度，通过积分方式获得列车经过实时速度信息；通过卡尔曼滤波方式滤波并进行加权融合得到列车运动准确速度；本发明提升了列车车速测量的准确性与可靠性，使相机能够在复杂恶劣环境下达到高精度触发与图像采集的实用要求。

Description

基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发方法及装置
技术领域
本发明属于轨道交通安全检测技术领域，具体涉及基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发方法及装置。
背景技术
铁路现场列车车体、轮对等关键部件在线动态视觉检测已成为确保列车安全运营的重要保障。然而，复杂多变的现场环境、列车调变速、启停及导向等因素一直影响列车关键部件的准确探测，主要表现在列车车速不能精确测量以及相机无法准确采集到相关图像。现有基于磁钢测速模式已无法满足超低速、调变速等非均匀过车情况下列车车速的准确探测，且基于磁钢的测速模式容易受铁路现场电磁环境干扰，造成测速精度下将；视觉测量方法以其大范围、高精度、非接触等特点，被广泛应用在尺寸测量、姿态测量等领域。
发明内容
为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发方法及装置。
为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：
基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发方法，包括以下步骤：基于多传感器融合测量原理，采用磁钢阵列和图像测速模块完成对列车运动信息的采集，再分别传送至PLC进行分析和处理，实时计算双目相机的触发频率并驱动双目相机完成列车图像均匀尺度的采集，实现列车动态检测。
进一步的，基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发方法，包括以下步骤：
步骤一：建立车轮速度立体视觉测量模型
基于双目立体视觉测量原理，通过图像测速模块检测双目相机采集的两组图像中车轮区域并匹配，实时计算出双目相机视场内特征点三维信息，求解得出列车切向运行速度，构建车轮速度立体视觉测量模型；
步骤二：建立基于磁钢阵列的车速测量模型
在来车方向上布置多组磁钢，列车经过时均会有列车车轮经过磁钢，根据相邻磁钢经过时间差与磁钢间距离计算得到列车运行加速度，通过积分得到列车实时运行速度，磁钢输出测量频率与列车运行速度相关，属于离散型采样数据，利用列车实时运行速度处理得到连续列车速度，构建基于磁钢阵列的车速测量模型，当相邻磁钢触发时间间隔大于预设时间阈值时，则认为列车停止；
步骤三：基于卡尔曼滤波方式融合测速与触发
采用卡尔曼滤波方式对测量所得速度进行滤波处理，剔除粗大误差，得到平滑速度曲线，经过加权融合后得到平稳的最终速度值：
待磁钢探测到来车后，启动来车命令，车轮依次经过磁钢，每个磁钢探测得到列车数据后传输至PLC，通过图像测速模块探测得到列车数据后传输至PLC，PLC接收包括磁钢测速值以及图像测速值在内的列车信息并进行分析和处理，经过加权融合后得到最终速度值，生成高频脉冲，触发双目相机采集列车图像；当所有磁钢触发数量相等时，判断过车结束。
进一步的，所述PLC接收包括磁钢测速值以及图像测速值在内的列车信息并进行分析和处理的步骤包括：
进行速度有效性判断；
对每次测量数据进行滤波处理以降低测量噪声的影响；
依据最大过车速度及允许的测量误差设定速度数据固定采样频率，对每组测速数据进行数据插值与填充，统一到同一采样频率下；
依据加权融合得到最终速度值，生成高频脉冲，触发双目相机采集当前列车图像。
进一步的，基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发方法中，进行速度有效性判断的步骤包括：
在进行速度有效性判断时，当列车经过速度V>0时，计算列车车轮位移，再进行位移判断，若列车车轮发生位移变化则生成高频脉冲，触发双目相机采集当前列车图像；
当列车经过速度V＝0时，无脉冲生成，双目相机不被触发；
当列车经过速度V<0时，计算列车车轮位移，并再次进行速度有效性判断，若列车车轮发生位移变化则生成高频脉冲，触发双目相机采集当前列车图像。
进一步的，所述最终速度值vl的计算公式为：
vl＝a1·F1(v1)+a2·F2(v2)
其中，a1代表磁钢测速加权值，F1(v1)代表磁钢测速的速度序列，a2代表图像测速加权值，F2(v2)代表图像测速模块测速的速度序列。
进一步的，所述列车经过速度V、固定采样频率n、理想占像素数P、目标宽度D满足条件式：
本发明还公开了采用如上所述的基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发方法的装置，包括轨上设备与轨旁设备，二者通过串口和网线连接，所述轨上设备包括设置于列车铁轨上的图像测速模块和磁钢阵列，图像测速模块包括面面相对同轴设置于铁轨两侧的双目相机和图像速度计算模块，双目相机与图像速度计算模块相连，磁钢阵列包括若干个间隔排布的磁钢，轨旁设备包括PLC及电源模块，磁钢阵列和图像速度计算模块分别与PLC相连，基于多传感器融合测量原理，通过双目相机实时采集当前列车车轮图像，采用磁钢阵列和图像速度计算模块完成对列车运动信息的采集，再分别传送至PLC进行分析和处理，经过滤波与加权融合后输出连续、准确的当前列车的运动信息，实时计算双目相机的触发频率并驱动双目相机完成列车图像均匀尺度的采集，实现列车动态检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、基于深度学习方法，通过双目相机实时准确检测出列车车轮，建立车轮速度立体视觉测量模型，准确测量得出列车车轮运动速度；
2、设计基于多组磁钢的列车车速测量方式，准确测得列车运动加速度，通过积分方式获得列车经过实时速度信息；
3、通过卡尔曼滤波方式滤波并进行加权融合得到列车运动准确速度，本发明可提升列车车速测量的准确性与可靠性，特别适合列车调变速、起停、导向时车速的动态测量，使相机能够在复杂恶劣环境下达到高精度触发与图像采集的实用要求。
附图说明
图1为本发明的原理结构示意图；
图2为本发明的车轮检测定位结果图；
图3为本发明的磁钢测速原理图；
图4为本发明的模拟测速数据滤波前后曲线图；
图5为本发明的磁钢与双目相机测速采样周期图；
图6为本发明的融合估计算法原理图；
图7为本发明的速度计算流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-7所示，基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发方法，基于多传感器融合测量原理，采用磁钢阵列和图像测速模块完成对列车运动信息的采集，再分别传送至PLC进行分析和处理，实时计算双目相机的触发频率并驱动双目相机完成列车图像均匀尺度的采集，实现列车动态检测，具体包括以下步骤：
步骤一：建立车轮速度立体视觉测量模型
基于双目立体视觉测量原理，通过图像测速模块检测双目相机1采集的两组图像中车轮区域并匹配，实时计算出双目相机1视场内特征点三维信息，求解得出列车切向运行速度，构建车轮速度立体视觉测量模型；
步骤二：建立基于磁钢阵列的车速测量模型
在来车方向上布置多组磁钢2，列车经过时均会有列车车轮经过磁钢2，根据相邻磁钢2经过时间差与磁钢2间距离计算得到列车运行加速度，通过积分得到列车实时运行速度，磁钢2输出测量频率与列车运行速度相关，属于离散型采样数据，利用列车实时运行速度处理得到连续列车速度，构建基于磁钢阵列的车速测量模型，当相邻磁钢2触发时间间隔大于预设时间阈值时，则认为列车停止；
步骤三：基于卡尔曼滤波方式融合测速与触发
采用卡尔曼滤波方式对测量所得速度进行滤波处理，剔除粗大误差，经过加权融合后得到平稳的最终速度值vl：
vl＝a1·F1(v1)+a2·F2(v2)
其中，a1代表磁钢测速加权值，F1(v1)代表磁钢测速的速度序列，a2代表图像测速加权值，F2(v2)代表图像测速模块测速的速度序列，均通过测试列车车速得到；磁钢2所测速速数据进行归一化处理得到磁钢测速加权值，图像测速模块所测速度数据进行归一化处理得到图像测速加权值；
待磁钢2探测到来车后，启动来车命令，车轮依次经过磁钢2，每个磁钢2探测得到列车数据后传输至PLC，通过图像测速模块探测得到列车数据后传输至PLC，PLC接收包括磁钢测速值以及图像测速值在内的列车信息并进行分析和处理，经过加权融合后得到最终速度值，生成高频脉冲，触发双目相机1采集列车图像；当所有磁钢2触发数量相等时，判断过车结束。
PLC接收包括磁钢测速值以及图像测速值在内的列车信息并进行分析和处理的步骤包括：
首先，进行速度有效性判断：
当列车经过速度V>0时，计算列车车轮位移，再进行位移判断，若列车车轮发生位移变化则生成高频脉冲，触发双目相机1采集当前列车图像；
当列车经过速度V＝0时，无脉冲生成，双目相机1不被触发；
当列车经过速度V<0时，计算列车车轮位移，并再次进行速度有效性判断，若列车车轮发生位移变化则生成高频脉冲，触发双目相机1采集当前列车图像；
其次，对每次测量数据进行滤波处理以降低测量噪声的影响；
最后，依据最大过车速度及允许的测量误差设定速度数据固定采样频率，对每组测速数据进行数据插值与填充，统一到同一采样频率下，在依据加权融合得到最终速度值，生成高频脉冲，触发双目相机1采集当前列车图像；
列车经过速度V、速度数据固定采样频率n、理想占像素数P、目标宽度D满足条件式：
本发明还公开了基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发装置，包括轨上设备与轨旁设备，二者通过串口和网线连接，轨上设备包括设置于列车铁轨上的图像测速模块和磁钢阵列，图像测速模块包括面面相对同轴设置于铁轨两侧的双目相机1和图像速度计算模块3，双目相机1与图像速度计算模块3相连，磁钢阵列包括若干个间隔排布的磁钢2，轨旁设备包括PLC及电源模块，磁钢阵列和图像速度计算模块分别与PLC相连，基于多传感器融合测量原理，通过双目相机1实时采集当前列车车轮图像并传送至图像速度计算模块3，计算得到列车车速，采用磁钢阵列和图像速度计算模块3完成对列车运动信息的采集，再分别传送至PLC进行分析和处理，经过滤波与加权融合后输出连续、准确的当前列车的运动信息，实时计算双目相机1的触发频率并驱动双目相机1完成列车图像均匀尺度的采集，实现列车动态检测。
实施例1
如图1-7所示，本发明公开了一种基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发方法，基于多传感器融合测量原理，采用磁钢阵列、图像测速模块、PLC等完成对列车运动信息的采集，可在列车发生调变速、启停情况下实现对列车运行速度、状态的准确探测，实时计算高速双目相机1的触发频率并驱动双目相机1完成列车图像均匀尺度的采集，适用于正线、出入库等情况下的列车动态检测。
本实施例公开的基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发方法，具体包括以下步骤：
步骤一：建立车轮速度立体视觉测量模型
图像测速模块基于双目立体视觉测量原理，通过检测双目相机1采集的两组图像中车轮区域并匹配，实时计算出双目相机1视场内特征点三维信息，进而求解得出列车切向运行速度，得到车轮速度立体视觉测量模型；本发明中还可采用近红外补光灯配合双目相机1，达到抗户外杂光干扰的目的，确保车体全天候高清成像；
本步骤中，基于CenterNet的目标检测车轮区域定位，其中，损失函数设置如下：
1.1、Heatmap中网络输出与真值之间的偏移误差定义为：
其中，α与β是focal loss的超参数，N是图片中关键点的个数。
1.2、偏移量Loss
设计偏移量Loss，使得训练后的网络能够有效计算offset，准确修正检测框位置，设立offset Loss公式如下：
其中，p是检测框中心点的真实坐标，p/R是理论中心点映射到特征图的准确位置区域，是网络offset输出特征图，/>是关键点实际落入的区域。
1.3、宽高Loss
令目标宽高区域定义为sk，考虑关键点实际落入的区域的输出特征图，定义为则有：
1.4、总损失函数、
车轮目标检测损失函数为上述三类损失函数之和，定义如下：
Ldet＝Lk+αsizeLsize+αoffLoff
其中，αsize、αoff分别为Lsize损失函数加权系数、Loff损失函数加权系数；
根据检测得出的列车轮对框，带入车轮速度立体视觉测量模型，重建得出车轮运动位移及速度，进而推出列车向前运动速度，用于与磁钢测速数据进行融合。
步骤二：建立基于磁钢阵列的车速测量模型
在来车方向上布置至少六组磁钢2，形成磁钢阵列，确保列车车轮在经过时均有车轮会经过磁钢2，根据相邻磁钢2经过时间差t与相邻磁钢2间距离L，通过公式L＝vt+1/2at2计算得出列车运行加速度a，再通过积分得到列车实时运行速度v；当相邻磁钢2触发时间间隔大于预设时间阈值时，则认为列车停止；磁钢2输出测量频率与列车运行速度相关，属于离散型采样数据。图3为磁钢测速原理，相邻车轴之间速度值可通过现有技术中的插值与拟合方式获得连续列车速度，测速误差±2cm。
步骤三：基于卡尔曼滤波方式融合测速与触发
由于列车运动过程中不可避免地受自身运动条件约束、户外杂光干扰、灰尘、天气以及列车外观形貌变化影响导致测量速度叠加大量噪声，因此需要对其进行滤波、补齐、平滑处理，确保测量速度的稳定性。卡尔曼滤波(Kalman filtering)是一种利用线性***状态方程，通过***输入输出观测数据，对***状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括***中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。本实施例采用卡尔曼滤波方式对测量的速度进行滤波处理，剔除粗大误差，得到平滑速度曲线。磁钢2所测速度记为v1，图像测速模块所测速度记为v2，分别通过卡尔曼滤波算法滤波。图4为模拟测速数据滤波前后曲线，可以看出采用本卡尔曼滤波方法能够过滤掉粗大误差，得到平稳速度曲线。
使用磁钢2测速最为鲁棒、受外界环境干扰小，但采样频率低；图像测速模块测速频率受物体表面起伏影响较小；磁钢2、图像测速模块所测速度数据记录唯一时间戳，各路速度数据分别进行卡尔曼滤波后，经过加权融合后得到平稳的最终速度值vl：
vl＝a1·F1(v1)+a2·F2(v2)
其中，a1代表磁钢测速加权值，F1(v1)代表磁钢测速的速度序列，a2代表图像测速加权值，F2(v2)代表图像测速模块测速的速度序列，均通过测试列车车速得到；
远端开机，磁钢2探测到来车后，启动来车命令；车轮依次经过磁钢2，每个磁钢2探测得到列车数据后传输至PLC，通过图像测速模块探测得到列车数据后传输至PLC，PLC接收包括磁钢测速值以及图像测速值在内的列车信息并进行分析和处理：
首先，进行速度有效性判断；
其次，对每次测量数据进行滤波处理以降低测量噪声的影响；
再者，依据最大过车速度及允许的测量误差而设定速度数据固定采样频率n，确定固定采样周期F：F＝2*n，设采集目标宽度D，理想占像素数P，列车经过速度V，固定采样频率n，满足条件式：
本实施例中，列车经过速度V＝30km/h，采集目标宽度D＝10mm，固定采样频率n＝833Hz，固定采样周期F约等于2000Hz；
最后，根据每组测速值进行数据插值与填充，将不同测量的速度值统一到同一采样频率下；再依据加权融合得到最终速度值，生成高频脉冲，触发双目相机1采集列车车轮图像；当所有磁钢2触发数量相等时，判断过车结束。
在进行速度有效性判断时，当列车经过速度V>0时，计算列车车轮位移，再进行位移判断，若列车车轮发生位移变化则生成高频脉冲，触发双目相机1采集当前列车图像；
当列车经过速度V＝0时，无脉冲生成，双目相机1不被触发；
当列车经过速度V<0时，计算列车车轮位移，并再次进行速度有效性判断，若列车车轮发生位移变化则生成高频脉冲，触发双目相机1采集当前列车图像。
未具体描述的部分采用现有技术即可，可直接市场购买得到，在此不做赘述。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立车轮速度立体视觉测量模型
基于双目立体视觉测量原理，通过图像测速模块检测双目相机采集的两组图像中车轮区域并匹配，实时计算出双目相机视场内特征点三维信息，求解得出列车切向运行速度，构建车轮速度立体视觉测量模型；
步骤二：建立基于磁钢阵列的车速测量模型
在来车方向上布置多组磁钢，列车经过时均会有列车车轮经过磁钢，根据相邻磁钢经过时间差与磁钢间距离计算得到列车运行加速度，通过积分得到列车实时运行速度，磁钢输出测量频率与列车运行速度相关，属于离散型采样数据，利用列车实时运行速度处理得到连续列车速度，构建基于磁钢阵列的车速测量模型，当相邻磁钢触发时间间隔大于预设时间阈值时，则认为列车停止；
步骤三：基于卡尔曼滤波方式融合测速与触发
采用卡尔曼滤波方式对测量所得速度进行滤波处理，剔除粗大误差，经过加权融合后得到平稳的最终速度值：
待磁钢探测到来车后，启动来车命令，车轮依次经过磁钢，每个磁钢探测得到列车数据后传输至PLC，通过图像测速模块探测得到列车数据后传输至PLC，PLC接收包括磁钢测速值以及图像测速值在内的列车信息并进行分析和处理，经过加权融合后得到最终速度值，生成高频脉冲，触发双目相机采集列车图像；当所有磁钢触发数量相等时，判断过车结束；
所述PLC接收包括磁钢测速值以及图像测速值在内的列车信息并进行分析和处理的步骤包括：
进行速度有效性判断；
对每次测量数据进行滤波处理以降低测量噪声的影响；
依据最大过车速度及允许的测量误差设定速度数据固定采样频率，对每组测速数据进行数据插值与填充，统一到同一采样频率下；
依据加权融合得到最终速度值，生成高频脉冲，触发双目相机采集当前列车图像；
进行速度有效性判断的步骤包括：
在进行速度有效性判断时，当列车经过速度V>0时，计算列车车轮位移，再进行位移判断，若列车车轮发生位移变化则生成高频脉冲，触发双目相机采集当前列车图像；
当列车经过速度V＝0时，无脉冲生成，双目相机不被触发；
当列车经过速度V<0时，计算列车车轮位移，并再次进行速度有效性判断，若列车车轮发生位移变化则生成高频脉冲，触发双目相机采集当前列车图像；
所述最终速度值vl的计算公式为：
vl＝a1·F1(v1)+a2·F2(v2)
其中，a1代表磁钢测速加权值，F1(v1)代表磁钢测速的速度序列，a2代表图像测速加权值，F2(v2)代表图像测速模块测速的速度序列；
依据最大过车速度及允许的测量误差而设定速度数据固定采样频率n，确定固定采样周期F：F＝2*n，设采集目标宽度D，理想占像素数P，列车经过速度V，固定采样频率n，满足条件式：
2.采用权利要求1所述的基于多源数据融合的列车车速采集与相机触发方法的装置，其特征在于，包括轨上设备与轨旁设备，二者通过串口和网线连接，所述轨上设备包括设置于列车铁轨上的图像测速模块和磁钢阵列，图像测速模块包括面面相对同轴设置于铁轨两侧的双目相机和图像速度计算模块，双目相机与图像速度计算模块相连，磁钢阵列包括若干个间隔排布的磁钢，轨旁设备包括PLC及电源模块，磁钢阵列和图像速度计算模块分别与PLC相连，基于多传感器融合测量原理，通过双目相机实时采集当前列车车轮图像，采用磁钢阵列和图像速度计算模块完成对列车运动信息的采集，再分别传送至PLC进行分析和处理，经过滤波与加权融合后输出连续、准确的当前列车的运动信息，实时计算双目相机的触发频率并驱动双目相机完成列车图像均匀尺度的采集，实现列车动态检测。
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