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1、基金编号： 北京工业大学第十四届研究生科技基金项 目 申 请 书项目名称： 有砟轨道扣件缺失检测的算法研究 负责人姓名： 王明玉 项目指导教师： 张新峰 申请日期： 2015年10月15日 申报类别： 申报层级：哲学社会科学类 R一般项目R自然科学类 重点项目 科技发明制作类项目是否依托平台实训室 是 R否（实训室名称 ）填 写 说 明一、 填写申请书前请认真阅读北京工业大学研究生科技基金章程二、本申请书所列内容必须实事求是，逐项认真填写，表达明确严谨。对于填写内容含糊不清的申请书，不予受理。三、表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。四、上报的申请书应用 A4纸正反
2、面打印，交学院研究生工作组。五、研究年限原则上不超过一年。一般项目每项研究经费一般不超过二千元，重点项目每项研究经费一般不超过六千元。六、指导教师为本项目的指导教师，需填写对本课题的研究意义、特色、创新性及课题成员完成课题的能力等进行评价；七、申请书中的导师推荐意见请项目负责人的导师填写，内容包括本课题与导师在研课题是否重复，申请人能否有时间和精力完成本课题。八、如有疑问，请向研究生工作部咨询（67392531）。一、 申报者情况项 目名 称有砟轨道扣件缺失检测的算法研究起止时间自 2015 年 10 月 到 2016 年 10 月项目负责人姓 名王明玉学 院电控学院出生年月1991.11.2
3、8移动电话本人签字17801028231学 号S201402042E专业、年级2014 电子科学与技术导师张新峰研究生类别R学术学位研究生 专业学位研究生 博士生项目组其他主要成员姓 名学院学 号年 级导 师移动电话本人签字指导教师姓 名学院职 称研究方向Email张新峰电控学院副教授 图像及信号处理二、立论依据关键词有砟轨道、扣件缺失检测、图像处理、支持向量机项目摘要（限200字以内） 铁路安全在国家的交通安全中担当着重要的角色，随着当今高速铁路建设的发展，利用现代科技设计自动检测系统以代替人工巡检成为一项重要的课题。其中，铁路扣件是铁路线路中的重要部件，扣件缺失对行车安全形成了巨大威胁，本
4、课题旨在探索一种基于图像识别的定位准确且能自动检测有砟轨道扣件缺失的检测算法。使定位算法能够具有很强的稳定性和准确性，不受因光线产生阴影和轨道倾斜的影响，并在定位区域扫描，探索快速的识别算法。立项背景及研究意义 在中国这个地大物博的国家，铁路是最重要的交通工具，是国家运输体系的骨干。铁路“八横八纵”，高铁“四横四纵”。其中“八横八纵”是我国“十一五”期间提出重点建设和强化改造的铁路主通道，“四横四纵”是高速铁路的客运网骨架。中国铁路发展日新月异，在给人们带来出行方便的同时，也成为地方经济发展的助推器。随着铁路的发展、车辆速度的提高，铁路安全问题越来越突出。安全是铁路运输的生命线,是运输生产永恒
5、的主题，铁路运输安全不仅威胁着人们的生命安全、影响着企业本身的生产效率和经济效益，也对社会和经济造成重大影响。铁路轨道结构从总体上可分为两类：以碎石道床、轨枕为基础的有砟轨道；以混凝土或沥青混合料为基础的无砟轨道。传统的有砟轨道采用碎石道砟作为道床，因石砟道床的增弹减振、排水及方便维修养护等特点，使得有砟轨道具有铺设方便、造价低、容易维修等优点，长期以来作为世界各国普遍铁路轨道的主要结构形式。虽然无砟轨道使用寿命长、线路状况良好、不易胀轨跑道、高速行车时不会有石砟飞溅等优点，有良好的发展前景，但是考虑国情而言，有砟轨道的应用还是比较广泛的。轨道扣件是连接钢轨和轨枕使之形成轨排的部件，又称中间联
6、结零件。其作用是将钢轨固定在轨枕上，扣件应能长期、有效地保持钢轨与轨枕的可靠联结，保持轨距和阻止钢轨相对于轨枕的纵横向移动，并能在动力作用下充分发挥其缓冲减震性能，延缓轨道残余变形积累，在保证轨道稳定性、可靠性方面起着重要的作用。良好的扣件状态是维系铁路运输安全的重要保障。扣件的缺失对铁路对对对自动检测铁路故障系统的研究。有砟轨道扣件缺失系统的提出可以在一定程度上代替人工巡检，节约检测成本，提高铁路维护效率。行车安全造成了巨大的威胁。 由于其人工巡查效率低、劳动量大、耗时多等缺点促进了人们对智能工务巡检系统的研究，其中轨道扣件缺失的算法研究有利于自动巡检系统的进行和完善，有利于保障铁路安全，进
7、而研究有砟轨道扣件缺失算法具有非常重要的现实意义。研究一个检测准确、速度较快的扣件缺失算法是非常有必要的。 此外，在实习公司基础算法部的锻炼，使个人的能力提高，且公司致力于铁路方面的项目的实施，便于此项目的数据采集，也增加了本人对铁路知识的了解。依托工程实训平台研究情况（依托工程实训平台项目，需填写此项，否则可略过） 国内外同类课题现状分析 随着列车速度的提高，对列车的安全、舒适性提出了更高的要求，导致轨道状态的恶化加剧。因此，加强轨道动态检测力度，正确指导线路养护维修，确保运输安全，已成为铁路工作中的一项重要工作。轨道检测的设备主要是轨检车（轨道检查车）。 国外轨检车包括日本Easti综合检
8、测列车、美国Ensco和ImageMap公司轨检车、意大利“阿基米德号”综合检测列等。国外许多国家已经研究出成熟的基于图像的轨道自动检测装置如美国ENSCO公司研制的VIS轨道视频检查系统、德国Atlas Elektronic公司开发的RAILCHECK轨道检测系统。1997年日本使用了图像处理技术实现测量扣件状态和道床形状。法国MGV综合检测列车，检测项目齐全，包括扣件检测，并实现检测速度达320km/h。通过对国外轨道巡检系统的研究现状可知，国外已研究出基本可以代替人工巡道的自动化巡检系统，可以检测轨道的状态，如钢轨表面和轨枕缺陷、扣件丢失、道床异常等。 国内起步较晚，铁轨检测绝大多数还是
9、依赖人工实地检测，或者采取线路视频拍摄后人工分析，且检测速度相对低。近年来，由于人们对铁路检测的实时性、灵活性、准确性、非接触性等要求，数字图像处理、模式识别技术在铁路检测的诸多领域得多了有效利用。文献【1】、【2】采取PCA提取扣件特征，前者采用最小距离分类器分类，后者是采用bp神经网络分类器来分类，但没有定位直接检测会导致准确度下降。 文献【3】用十字交叉法定位扣件，但是对图像要求较高，若图像中轨道和轨枕角度变换会导致定位效果差。 文献【4】提出方向场方法描述纹理，并通过线性描述分析来获得衡量匹配系数矩阵，最后建立基于方向场的模板进行模板匹配，但是准确度和速度依然是需要提高的。 文献【5】
10、提取扣件的边缘，但是对图像清晰度要求高，图像中扣件的纹理因实际距离和角度并不能完全暴露出来。 目前国内的对此研究方法层出不穷，主要问题如下：对图像中钢轨轨枕角度、扣件的清晰度有较高的要求、没有准确定位或粗略忽略其他信息、速度和精确度有待提高。参考文献： 【1】吴梦.轨道缺陷自动检测系统的图像处理技术研究【D】.西南交通大学，2013. 【2】常江.巡道车视频检测系统的技术及关键技术的实现【D】.北京交通大学,2009. 【3】范宏.基于图像的铁路扣件缺陷检测算法研究【D】.西南交通大学，2012. 【4】Yang J,Tao w,Liu M,et al.An Efficient Directi
11、on Field-Based Method for the Detection of Fasteners on High-Speed RailwayJ.Sensors,2011,11(8):7364-7381. 【5】杨樊，一种基于计算机视觉的铁轨扣件缺失检测系统【D】.西南交通大学，2014. 【6】刘甲甲，铁路扣件图像检测中的RBF-SVM模型优化【D】.西南交通大学，2014. 3、研究方案研究内容、方法、技术路线 本项目主要研究内容为有砟轨道扣件缺失的算法探究，主要包括扣件的定位和缺失检测两个部分。先进行扣件的准确的定位，然后再扣件的小图中扫描判断是否缺失。先定位的方式也缩短了算法的时
12、间，更符合实际要求。综合各方面因素，预采用基于改进krisch算法的交叉法定位，通过轨枕和钢轨的位置关系准确定位，并结合LBP、形态学、图像增强等方法，增加定位算法的速度和准确度。缺失检测拟采用基于hog的svm识别算法，并尝试融入基于多特征PCA融合的svm识别算法。图像预处理 图像增强、缩小图像LBP算法 形态学 改进krisch改进krisch 钢轨轨枕 提取有用边缘 去除多余背景 去除多余背景（只留中间位置）提取有用边缘直线检测直线检测直线合并 直线合并定位扣件 2.识别方案：Svm训练提取正负样本hog特征或融合其他特征选择正负样本 PCA（降维）测试识别缺失拟解决的关键问题1.扣件定位准确，不受阴影和轨道的偏斜、图像中道砟和扣件自身缺失的影响。2.缺失检测准确率提高。3.尽可能使程序速度提高，增加实际应用的可能性。项目特色与创新点1. 提出基于LBP特征和改进krisch的轨线检测算法。检测过程不受阴影、图像中的道砟和钢轨、轨枕的位置偏移无关。2. 定位过程中通过形态学、行投影，特殊区域提取扫描等减少算法的运行速度。确定轨线过程中采用行距限制、逐级合并、直线两点位置限制等方法对轨枕和钢轨采取合适的直线选取，以确保轨线的准确。3. 采用基于hog的svm识别扣件缺失，并探究基于多特征融合的svm识别算法。预期成果形式、内容及简介中期考核成果预期完成时
