【doc】铁路货车装载尺寸超限自动测量技术研究

【doc】铁路货车装载尺寸超限自动测量技术研究 铁路货车装载尺寸超限自动测量技术研究 第29卷第5期 2007年1O月 光学仪器 OPTICALINSTRUMENTS Vo1.29,No.5 October,2007 文章编号:1005—5630(2007)05—0008—05 铁路货车装载尺寸超限自动测量技术研究 毛庆洲,李清泉,陈长军,刘勇 (武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉430079) 摘要:提出了一种铁路货车装载尺寸超限自动测量的新技术.该技术利用计算机获取 行进中的铁路货车的图像,实时提取货车的外形轮廓,并按照摄影测量原理解算货车的宽 度和高度,根据铁路运输规范判断货车车厢尺寸是否超限.利用该技术设计制作的测试系 统的具有很高的测量响应速度和较高的测量精度,达到铁路货车超限测量系统设计要求. 关键词:铁路货车;超限;摄影测量 中图分类号:TP206文献标识码:A Researchofauto—measurementtechnologyforrailwaywagonloadingsize MAOQng—zhou,LIQing-quan,CHENChang-jun,LIUYong (S~teKeyLaboratoryofIn/0rmati0nEngineeringofSurveying,MappiandRemoteSeming, WhaIlUniversity,Wuhan430079,China) Abstract:Anewauto—measurementtechnologyforrailwaywagonloadingsizewasintroducedinthe paper.Thistechnologyusescomputertocaptureimageofmovingtrainandextractthewagoncontour fromtheimageinrealtime,andcalculatetheheightandwidthofwagonbasedtheprinciplesof photogrammetry,thenjudgeifthewagonoutlineintrudesthecircumscriptionsbasedthecriterionof railwaytransportation.Thetestingmeasurementsystemdesignedbythistechnologycanachievehigh responsespeedandhighaccuracy,andcanbesatisfiedwiththerequirementofrailwaywagon measurementsystem. Keywords~railwaywagon;intruderthecircumscription;photogrammetry 1引言 近年来,为了保障铁路行车安全,铁路各部门一方面制定和完善了各种规章制度, 另一方面采用了先 进的技术装备,如电气集中控制和信号计算机联锁控制,红外线轴温探测仪,轨道 衡超偏载仪等,有效地避 免了一些行车事故.但是,在铁路货运部门在货物装载尺寸超限监测手段方面仍十 分落后,基本上靠人工 和一些简单的工具来确认其装载状态.在列车运行过程中,因货物装载状态不良, 加固不牢而使装载状态 改变造成的事故时有发生L1].随着铁路运输的发展,保障提速后的货运安全,研制 货物列车的装载状态及 尺寸超限测量系统显得十分重要. 目前,国内已有少数公司,研究所开始开展对这一课题的研究.货物装载尺寸超限 测量的方法归纳起 来有以下几种方式:计算机图像测量方式,龙门结构触摸式,激光对射式,二维激光 雷达扫描式等[..3]. 收稿日期:2006—11—01 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40571134) 作者简介:毛庆洲(1977一),男,安徽宁国人,讲师,博士研究生.主要从事摄影测量,计 算机视觉和"3s"集成理论与应用技术方面的 研究. 第5期毛庆州等:铁路货车装载尺寸超限自动测量技术研究?9? 激光对射式检测系统虽然实现了非接触式的检测,但是其仅能在货车断面少数几个位置上货物尺寸 超限给出定性判断,而不能给出量化的尺寸超限量,且抗干扰性能差,误报概率高,如火车经过时带来的树 叶等杂物都能导致误报;二维激光雷达扫描式检测系统可以构建出列车的断面形状,但其缺陷有三:(1)测 量精度较低,如德国Sick公司生产的LMS221,其测量精度为?35ram;(2)在列车行进方向上由于扫描周 期原因使得检测精度很低,可能出现在列车快速运行时漏检目标,如LMS221的扫描周期为13ms,在列车 以65km/h运行时,两次扫描间隔为234.7mm,这也就是说小于此数值的物体都可能漏检;(3)这种方式 和激光对射式都不能给出尺寸超限目标是何物,工作人员无法立即对尺寸超限车做出恰当的处理. 基于计算机图像测量方式的尺寸超限检测系统是采用先进的图像获取,分析与测量技术,不仅能够精 确检测出尺寸超限货物的尺寸及尺寸超限级别,而且可以提供尺寸超限货物的实际图像,工作人员可以根 据尺寸超限物体的图像对该超限物体做出恰当的处理. 2测量原理 如图l所示,货车测量坐标系的y轴的正向为列车行进方向,z轴的正向为垂直轨道面向上,x轴的 正向由右手坐标系确定.所谓尺寸超限就是指货物的尺寸超过规定的货物装载限界,如超过超级限界的为 超级尺寸超限,超过二级限界的为二级尺寸超限,超过一级限界的为一级尺寸超 限. 根据铁路货车超限检测的要求,需要测量货车断面(一级限界)7条折线上的尺寸超限量,因此在系统 设计中采用7台CCD相机,其主光轴与7条折线一致,从而建立完整的货车测量场,如图2所示. 图1货车测量坐标图2货车测量场示意图 由计算机采集到的货车图像是三维空间场景N--维图像平面的透视投影,这个投影可用几何透视变 换描述.图3给出成像过程的几何模型示意图.图中摄像机坐标系统xyz中的图像平面与xy平面重合而 光轴沿轴.这样图像平面的中心处于原点,镜头中心的坐标为(0,0,),是镜头的焦距,这里假设摄像 机坐标系与世界坐标系XYZ重合. 户 图3成像模型 借助相似三角形可以方便地得到空间点(X,y,z)在图像平面上的像象坐标(,),有式(1)成立: f Iz—1(1) 【— ?l0?光学仪器第29卷 : 若已知空间点(x,y,Z)的z坐标值,则可由图像坐标(,)反算出空间点的x,y坐标值,有式(2)成 fz:{(—z)lz(一) Iy一(—z) 线 (2) 图4共线方程示意图图5相机外方位元素 共线方程描述了物方空间点和投影中心以及像点坐标之间的几何约束关系,在不考虑镜头畸变的情 况下,物方点和投影中心以及像点在空间中必然位于一条直线上.如图4所示,0一XYZ为货车测量坐标 系,o一_z'yz为像空间坐标系,投影中心在O~-XYZ坐标系中的坐标为(墨,,),对于物方中任意一点 (x,Y,z),其像点在.一.zyz坐标系中的坐标为(z,Y,一).根据成像模型和空间变换矩阵M,有式(3)成立: fv】al(X—)+6l(y—)+cl(Z—Zs) l一as(x-s)+63(Y--)+c3(z-)… I,,】a2(x-s)+62(Y--Ys)+c2(Z--Zs)一 l一a3(X—S5)+63(y—Ys)+c3(Z—Z5) 其中, 刭 b2=CO,SOlCOS/~(4) 式(4)中,为o-,zyz坐标系相对于O-XYZ的偏角,倾角和旋角r,它们和(Xs,,Zs)构成了相 第5期毛庆州等:铁路货车装载尺寸超限自动测量技术研究?1l? 机的外方位元素,如图5所示. 对于式(3)达的共线方程[5],如果事先已标定出相机的内外方位元素且象点在0一xyz坐标系中的 坐标(z,_y)以及测量点的z坐标,则可以解算出该点的坐标(x,y). 在货车尺寸超限自动测量系统中,采用多台CCD相机实时监测货车的各段轮廓,利用计算机辅以快 速边缘与角点检测算法检测货物的边缘点,经共线方程计算出货物边缘的空间坐标,将其与货车装载状态 限界图进行比较,以确定该货物是否尺寸超限以及尺寸超限的等级和尺寸超限尺 寸. 在这里,由于系统采用单相机进行测量时必须知道空间测量点的z坐标,但是这在实际应用中很难 实现,因此,在测量误差的允许的条件下,将空间测量点的z坐标换算到测量空间中的一个固定平面上, 也就是确定了测量点的z坐标,这样就利用共线方程可以计算货物边缘点的空间坐标以确定其是否尺寸 超限. 3测量精度分析及结果 如图6所示,测量相机镜头中心安装在货车测量坐标系O-XYZ中坐标为(一1800,0,10000)(单位 mm)附近处,像面坐标系o-xyz与O-XYZ尽可能保证平行,其确切参数可通过精确标定的方法获得.镜 头的焦距为50mm,CCD阵列的大小为10.16mmX7.62mm,分辨力为768pixel×576pixel.因为单相机测 量条件下测量点(x,y,z)由于深度z的变化而使其(x,y)坐标而变化.为使得这种变化在一定的测量深 度范围内(z一1250mm至Z=3600mm)值达到最小,把测量深度范围的中间值所在乎面作为测量基准平 面Ps,它在O-XYZ中的方程为Z=2425mm,在此平面上,像素分辨力:2.004mm. f 茎 一 I超级煨界 ' 卜'\12{l姗卜商 h—二一j )I. ::L 图6测量误差示意图图7系统现场图 同样如图6所示,在一级限界位置,当Z=2425mm时,x轴方向的误差为--15.3mm,当z一1250mm 时,轴方向的误差为+l5.3mm;在超级限界位置,当Z=2425mm时,轴方向的误差为+22.2mm,当 Z=1250mm时,x轴方向的误差为--22.2mm.考虑到图像上货物边界自动提取的误差,这一误差通常为 ?1像素,其误差最大值如表1所示. 表1理论误差分析单位:rflin 如图7所示为现场龙门架及相机组安装图.系统测试是在铁路货运敞车的两测和斜上位置安装了三 处尺寸不等的尺寸超限木条,而在顶部则设置直径为4mm的铁丝尺寸超限物,列车以不同速度通过龙门 架,表2,表3,表4是三节车厢的测试数据结果. ? 12?光学仪器第29卷 表2车厢1测试数据及误差分析单位:mm 表2,表3,表4测量数据表明,系统对尺寸超限事件的测量误差小于25mm且没有发生漏检测,达到 设计要求.宽度测量数据都比实际要大,经实际调查发现,所有尺寸超限物体都安装在3.3m以上的位置; 顶高测量误差很小是因为顶部尺寸超限铁丝都安装在正中心位置;这与景深误差分析的结果一致. 4结束语 测量系统经安装调试完毕后,通过铁路相关部门组织验收,且目前全国铁路干线上已安装多套此系 统,为铁路货运安全提供了一定的保障. 参考文献 韩霸,杨本专,程建平.铁路货车综合检测系统[J].中国铁路,2002卷(期):41—43. 柴雪松,杨凤春,边久松,等.货车装载安全状态监测系统的研制.[J]铁路计算机应用,2002,卷(4):7—9 许绍兴,邓杰.建立货物列车装载运行安全监测系统设想[J].铁道运输与经济,2002,24(1):21—24. 王新华,李字光.图像分析与测量技术[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社,1997. 王庆有.CCD应用技术[M].天津:天津大学出版社,1991. 贺赛先,何对燕,仲思东,等.面阵CCD钢板长宽尺寸在线实时测量系统[J].仪器仪表,1997,18(6):640--643. 紫外可见分光光度计 BeckmanCoulter公司生产的DU700系列扫描式紫外可见分光光度计适合作生命科学方面的研究 和应用,由于采用了聚焦光束和窄带宽技术,即便在细胞定位变化较小的情况下,这种仪器也能提供较高 的精度和重复率,DU720具有固定波长,波长扫描,时间和动力学测量以及单元素分析等功能.DU730 增加了一些用以分析蛋白质和核酸的先进工具和一套DNA/蛋白质计算和转换工具.通过USB端口,这 些分光光度计可直接与打印机和存储装置连接,其数据也可容易地以逗点分开值的格式传递给PC计算 机. (摘自《红外》)