轨道表面缺陷的视觉检测模型与算法研究
发布时间：2020-12-13 17:18
高速铁路目前已发展成我国最主要的交通运输方式之一。随着高速铁路的大力发展与普及,线路安全服役问题越发突出,其有效养护维修是保障整个系统高效运行、安全运营、使用寿命延长等的基本保障。近年来,基于视觉技术的轨道检测由于自动、快速、非破坏和客观的特性引起了广泛关注。然而,视觉检测,尤其轨道表面缺陷检测领域,往往面临着各式复杂敏感的视觉表观等带来的挑战。因此,本论文针对在复杂轨道运营环境下的轨道检测技术所面临的成像环境多变性、线路状态演变复杂性以及铁路系统中微弱病害如轨道表面缺陷呈现出的多样性、尺度差异性和稀疏性等诸多挑战,采用模型构建、结构分析、理论分析及性能评估等手段,围绕检测系统的准确性、通用性、安全性、稳定性、客观性和智能性展开研究,同时丰富计算机视觉检测理论和框架,具有重要意义。本文创新工作主要包括如下三个方面:1)考虑到缺陷图像可表示为图像背景、缺陷目标和噪声3种成分的叠加,本文建立了融合背景线性动态正则项和缺陷结构化稀疏正则项的动态背景和结构稀疏的分解模型。具体而言,使用线性动态刻画矩阵来约束背景重构而不是采用通用的低秩约束,不仅能重构出动态的背景还能解决当低秩和稀疏成分之间存在...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１铁路网的普及及潜在危害?—??Ｆｉｇｕｒｅ?１?－１?Ｔｈｅ?ｐｏｐｕｌａｒｉｔｙ?ａｎｄ?ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?ｈａｒｍ?ｏｆ?ｒａｉｌｗａｙ?ｎｅｔｗｏｒｋｓ??
（ａ）铁路网的普及?（ｂ＞交通安全事故??图１－１铁路网的普及及潜在危害?—??Ｆｉｇｕｒｅ?１?－１?Ｔｈｅ?ｐｏｐｕｌａｒｉｔｙ?ａｎｄ?ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?ｈａｒｍ?ｏｆ?ｒａｉｌｗａｙ?ｎｅｔｗｏｒｋｓ??营环境下的高速铁路轨道表面缺陷检测，最终提出基于机器视觉的智能检测技??术体系。在系统层面实现“监”和“检”的设计；而在算法层面实现“通用性”、“准确??性”、“实时性”的突破。其中“监”指基于机器视觉采集系统的搭建以及目标图像??的获取；“检”指在复杂环境条件下对采集图像的准确检测。下面针对轨道表面缺??陷检测相关领域简要阐述国内外研究现状和发展动态。??１．２．１相关检测方法??作为铁路设施的主要组成部件，钢轨一方面承受着车轮滚动的压力，另一方??面又为车轮供给平顺和阻力最小的滚动表面。钢轨是轨道交通最重要的基础设施??之一，其健康状态对列车运营质量和行车安全具有至关重要的影响：轻则影响列??车运行质量，比如轨道不平顺导致轮轨冲击振动和噪音；重则产生列车行车安全??故障，比如轨道断裂导致行车中断。因为钢轨扮演的重要角色，以及钢轨缺陷检??测的复杂性，钢轨缺陷检测近二十年吸引了研究者的高度关注，取得了一些重要??的进展［７］。??轨道表面缺陷是一种特殊的缺陷形式。如果不能及时发现这种潜在缺陷，最??终可能导致轨道损伤或断裂。随着工艺等的提高
曲面型钢轨设计对成像的影响。根据中华人民共和国铁道行业标??准ＴＢ／Ｔ?３２７６－２０１１，对高速铁路用钢轨的尺寸做了严格的规定。其中轨头部分断面??图如图１－３所不，可清楚看到轨头表面由５个半径分别为１３ｍｍ、８０ｍｍ和３００ｍｍ的??曲面组成。那么，这种曲面型的钢轨有如下特点：１）轨道中间部分主要与轮对接??触最为平滑且没有锈迹，对光照存在类似的镜面反射；２）而曲面性的轨道两侧则??会有少量锈迹和污渍，对光照存在类似的漫反射。因此，这种曲面型的钢轨存在??严重的光照反射不均匀性且会带来严重的边缘效应（即轨道边缘由于漫反射造成??图像灰度值分布较为复杂），为后期算法设计带来很大的挑战。??其次，检测对象（轨道表面缺陷）相对整个钢轨表面背景而言是稀疏的。在??轨道表面缺陷检测中，这种稀疏性有两层含义：病害目标区域面积占很小的比重；??病害目标个数占很少的比重。在计算机视觉领域，微弱目标的检测本身就是一个??巨大的挑战；且这种检测目标的本质特性将导致常规机器学习模型（甚至深度学??习）面临严峻的样本不平衡问题
【参考文献】：
期刊论文
[1]高铁钢轨的三维结构光检测及视角优化研究[J]. 张利斌,王培俊,张骁,李文涛. 机械设计与制造. 2016(04)
[2]缺陷检测的稀疏表示模型及应用[J]. 李清勇,梁正平,黄雅平,史忠植. 计算机研究与发展. 2014(09)
[3]基于反向P-M扩散的钢轨表面缺陷视觉检测[J]. 贺振东,王耀南,毛建旭,印峰. 自动化学报. 2014(08)
[4]一种融合双光源成像系统的钢轨表面缺陷检测方法[J]. 陈谋钦,苏真伟,乔丽,张朝勇. 计算机测量与控制. 2013(05)
[5]基于动态模板的钢轨磨耗测量方法研究[J]. 郑树彬,柴晓冬,安小雪,李立明. 中国铁道科学. 2013(02)
[6]基于激光线光源的钢轨表面缺陷三维检测方法[J]. 徐科,杨朝霖,周鹏,梁晶. 机械工程学报. 2010(08)
本文编号：2914893
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１铁路网的普及及潜在危害?—??Ｆｉｇｕｒｅ?１?－１?Ｔｈｅ?ｐｏｐｕｌａｒｉｔｙ?ａｎｄ?ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?ｈａｒｍ?ｏｆ?ｒａｉｌｗａｙ?ｎｅｔｗｏｒｋｓ??
（ａ）铁路网的普及?（ｂ＞交通安全事故??图１－１铁路网的普及及潜在危害?—??Ｆｉｇｕｒｅ?１?－１?Ｔｈｅ?ｐｏｐｕｌａｒｉｔｙ?ａｎｄ?ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?ｈａｒｍ?ｏｆ?ｒａｉｌｗａｙ?ｎｅｔｗｏｒｋｓ??营环境下的高速铁路轨道表面缺陷检测，最终提出基于机器视觉的智能检测技??术体系。在系统层面实现“监”和“检”的设计；而在算法层面实现“通用性”、“准确??性”、“实时性”的突破。其中“监”指基于机器视觉采集系统的搭建以及目标图像??的获取；“检”指在复杂环境条件下对采集图像的准确检测。下面针对轨道表面缺??陷检测相关领域简要阐述国内外研究现状和发展动态。??１．２．１相关检测方法??作为铁路设施的主要组成部件，钢轨一方面承受着车轮滚动的压力，另一方??面又为车轮供给平顺和阻力最小的滚动表面。钢轨是轨道交通最重要的基础设施??之一，其健康状态对列车运营质量和行车安全具有至关重要的影响：轻则影响列??车运行质量，比如轨道不平顺导致轮轨冲击振动和噪音；重则产生列车行车安全??故障，比如轨道断裂导致行车中断。因为钢轨扮演的重要角色，以及钢轨缺陷检??测的复杂性，钢轨缺陷检测近二十年吸引了研究者的高度关注，取得了一些重要??的进展［７］。??轨道表面缺陷是一种特殊的缺陷形式。如果不能及时发现这种潜在缺陷，最??终可能导致轨道损伤或断裂。随着工艺等的提高
曲面型钢轨设计对成像的影响。根据中华人民共和国铁道行业标??准ＴＢ／Ｔ?３２７６－２０１１，对高速铁路用钢轨的尺寸做了严格的规定。其中轨头部分断面??图如图１－３所不，可清楚看到轨头表面由５个半径分别为１３ｍｍ、８０ｍｍ和３００ｍｍ的??曲面组成。那么，这种曲面型的钢轨有如下特点：１）轨道中间部分主要与轮对接??触最为平滑且没有锈迹，对光照存在类似的镜面反射；２）而曲面性的轨道两侧则??会有少量锈迹和污渍，对光照存在类似的漫反射。因此，这种曲面型的钢轨存在??严重的光照反射不均匀性且会带来严重的边缘效应（即轨道边缘由于漫反射造成??图像灰度值分布较为复杂），为后期算法设计带来很大的挑战。??其次，检测对象（轨道表面缺陷）相对整个钢轨表面背景而言是稀疏的。在??轨道表面缺陷检测中，这种稀疏性有两层含义：病害目标区域面积占很小的比重；??病害目标个数占很少的比重。在计算机视觉领域，微弱目标的检测本身就是一个??巨大的挑战；且这种检测目标的本质特性将导致常规机器学习模型（甚至深度学??习）面临严峻的样本不平衡问题
【参考文献】：
期刊论文
[1]高铁钢轨的三维结构光检测及视角优化研究[J]. 张利斌,王培俊,张骁,李文涛. 机械设计与制造. 2016(04)
[2]缺陷检测的稀疏表示模型及应用[J]. 李清勇,梁正平,黄雅平,史忠植. 计算机研究与发展. 2014(09)
[3]基于反向P-M扩散的钢轨表面缺陷视觉检测[J]. 贺振东,王耀南,毛建旭,印峰. 自动化学报. 2014(08)
[4]一种融合双光源成像系统的钢轨表面缺陷检测方法[J]. 陈谋钦,苏真伟,乔丽,张朝勇. 计算机测量与控制. 2013(05)
[5]基于动态模板的钢轨磨耗测量方法研究[J]. 郑树彬,柴晓冬,安小雪,李立明. 中国铁道科学. 2013(02)
[6]基于激光线光源的钢轨表面缺陷三维检测方法[J]. 徐科,杨朝霖,周鹏,梁晶. 机械工程学报. 2010(08)
本文编号：2914893
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