《北京工業(yè)大學(xué)研究生科技基金申請書》

1、基金編號： 北京工業(yè)大學(xué)第十四屆研究生科技基金項(xiàng) 目 申 請 書項(xiàng)目名稱： 有砟軌道扣件缺失檢測的算法研究 負(fù)責(zé)人姓名： 王明玉 項(xiàng)目指導(dǎo)教師： 張新峰 申請日期： 2015年10月15日 申報類別： 申報層級：哲學(xué)社會科學(xué)類 R一般項(xiàng)目R自然科學(xué)類 重點(diǎn)項(xiàng)目 科技發(fā)明制作類項(xiàng)目是否依托平臺實(shí)訓(xùn)室 是 R否（實(shí)訓(xùn)室名稱 ）填 寫 說 明一、 填寫申請書前請認(rèn)真閱讀北京工業(yè)大學(xué)研究生科技基金章程二、本申請書所列內(nèi)容必須實(shí)事求是，逐項(xiàng)認(rèn)真填寫，表達(dá)明確嚴(yán)謹(jǐn)。對于填寫內(nèi)容含糊不清的申請書，不予受理。三、表內(nèi)項(xiàng)目填寫時一律用鋼筆或打印，字跡要端正、清楚，此申報書可復(fù)制。四、上報的申請書應(yīng)用 A4紙正反

2、面打印，交學(xué)院研究生工作組。五、研究年限原則上不超過一年。一般項(xiàng)目每項(xiàng)研究經(jīng)費(fèi)一般不超過二千元，重點(diǎn)項(xiàng)目每項(xiàng)研究經(jīng)費(fèi)一般不超過六千元。六、指導(dǎo)教師為本項(xiàng)目的指導(dǎo)教師，需填寫對本課題的研究意義、特色、創(chuàng)新性及課題成員完成課題的能力等進(jìn)行評價；七、申請書中的導(dǎo)師推薦意見請項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的導(dǎo)師填寫，內(nèi)容包括本課題與導(dǎo)師在研課題是否重復(fù)，申請人能否有時間和精力完成本課題。八、如有疑問，請向研究生工作部咨詢（67392531）。一、 申報者情況項(xiàng) 目名 稱有砟軌道扣件缺失檢測的算法研究起止時間自 2015 年 10 月 到 2016 年 10 月項(xiàng)目負(fù)責(zé)人姓 名王明玉學(xué) 院電控學(xué)院出生年月1991.11.2

3、8移動電話本人簽 號S201402042Email1182552780專業(yè)、年級2014 電子科學(xué)與技術(shù)導(dǎo)師張新峰研究生類別R學(xué)術(shù)學(xué)位研究生 專業(yè)學(xué)位研究生 博士生項(xiàng)目組其他主要成員姓 名學(xué)院學(xué) 號年 級導(dǎo) 師移動電話本人簽字指導(dǎo)教師姓 名學(xué)院職 稱研究方向Email張新峰電控學(xué)院副教授 圖像及信號處理zxf二、立論依據(jù)關(guān)鍵詞有砟軌道、扣件缺失檢測、圖像處理、支持向量機(jī)項(xiàng)目摘要（限200字以內(nèi)） 鐵路安全在國家的交通安全中擔(dān)當(dāng)著重要的角色，隨著當(dāng)今高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，利用現(xiàn)代科技設(shè)計(jì)自動檢測系統(tǒng)以代替人工巡檢成為一項(xiàng)重要的課題。其中，鐵路扣件是鐵路線路中的重要部件，扣

4、件缺失對行車安全形成了巨大威脅，本課題旨在探索一種基于圖像識別的定位準(zhǔn)確且能自動檢測有砟軌道扣件缺失的檢測算法。使定位算法能夠具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，不受因光線產(chǎn)生陰影和軌道傾斜的影響，并在定位區(qū)域掃描，探索快速的識別算法。立項(xiàng)背景及研究意義 在中國這個地大物博的國家，鐵路是最重要的交通工具，是國家運(yùn)輸體系的骨干。鐵路“八橫八縱”，高鐵“四橫四縱”。其中“八橫八縱”是我國“十一五”期間提出重點(diǎn)建設(shè)和強(qiáng)化改造的鐵路主通道，“四橫四縱”是高速鐵路的客運(yùn)網(wǎng)骨架。中國鐵路發(fā)展日新月異，在給人們帶來出行方便的同時，也成為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的助推器。隨著鐵路的發(fā)展、車輛速度的提高，鐵路安全問題越來越突出。安全

5、是鐵路運(yùn)輸?shù)纳€,是運(yùn)輸生產(chǎn)永恒的主題，鐵路運(yùn)輸安全不僅威脅著人們的生命安全、影響著企業(yè)本身的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，也對社會和經(jīng)濟(jì)造成重大影響。鐵路軌道結(jié)構(gòu)從總體上可分為兩類：以碎石道床、軌枕為基礎(chǔ)的有砟軌道；以混凝土或?yàn)r青混合料為基礎(chǔ)的無砟軌道。傳統(tǒng)的有砟軌道采用碎石道砟作為道床，因石砟道床的增彈減振、排水及方便維修養(yǎng)護(hù)等特點(diǎn)，使得有砟軌道具有鋪設(shè)方便、造價低、容易維修等優(yōu)點(diǎn)，長期以來作為世界各國普遍鐵路軌道的主要結(jié)構(gòu)形式。雖然無砟軌道使用壽命長、線路狀況良好、不易脹軌跑道、高速行車時不會有石砟飛濺等優(yōu)點(diǎn)，有良好的發(fā)展前景，但是考慮國情而言，有砟軌道的應(yīng)用還是比較廣泛的。軌道扣件是連接鋼軌和

6、軌枕使之形成軌排的部件，又稱中間聯(lián)結(jié)零件。其作用是將鋼軌固定在軌枕上，扣件應(yīng)能長期、有效地保持鋼軌與軌枕的可靠聯(lián)結(jié)，保持軌距和阻止鋼軌相對于軌枕的縱橫向移動，并能在動力作用下充分發(fā)揮其緩沖減震性能，延緩軌道殘余變形積累，在保證軌道穩(wěn)定性、可靠性方面起著重要的作用。良好的扣件狀態(tài)是維系鐵路運(yùn)輸安全的重要保障?？奂娜笔﹁F路對對對自動檢測鐵路故障系統(tǒng)的研究。有砟軌道扣件缺失系統(tǒng)的提出可以在一定程度上代替人工巡檢，節(jié)約檢測成本，提高鐵路維護(hù)效率。行車安全造成了巨大的威脅。 由于其人工巡查效率低、勞動量大、耗時多等缺點(diǎn)促進(jìn)了人們對智能工務(wù)巡檢系統(tǒng)的研究，其中軌道扣件缺失的算法研究有利于自動巡檢系統(tǒng)的

7、進(jìn)行和完善，有利于保障鐵路安全，進(jìn)而研究有砟軌道扣件缺失算法具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究一個檢測準(zhǔn)確、速度較快的扣件缺失算法是非常有必要的。 此外，在實(shí)習(xí)公司基礎(chǔ)算法部的鍛煉，使個人的能力提高，且公司致力于鐵路方面的項(xiàng)目的實(shí)施，便于此項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集，也增加了本人對鐵路知識的了解。依托工程實(shí)訓(xùn)平臺研究情況（依托工程實(shí)訓(xùn)平臺項(xiàng)目，需填寫此項(xiàng)，否則可略過） 國內(nèi)外同類課題現(xiàn)狀分析 隨著列車速度的提高，對列車的安全、舒適性提出了更高的要求，導(dǎo)致軌道狀態(tài)的惡化加劇。因此，加強(qiáng)軌道動態(tài)檢測力度，正確指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)維修，確保運(yùn)輸安全，已成為鐵路工作中的一項(xiàng)重要工作。軌道檢測的設(shè)備主要是軌檢車（軌道檢查車）。

8、國外軌檢車包括日本Easti綜合檢測列車、美國Ensco和ImageMap公司軌檢車、意大利“阿基米德號”綜合檢測列等。國外許多國家已經(jīng)研究出成熟的基于圖像的軌道自動檢測裝置如美國ENSCO公司研制的VIS軌道視頻檢查系統(tǒng)、德國Atlas Elektronic公司開發(fā)的RAILCHECK軌道檢測系統(tǒng)。1997年日本使用了圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)測量扣件狀態(tài)和道床形狀。法國MGV綜合檢測列車，檢測項(xiàng)目齊全，包括扣件檢測，并實(shí)現(xiàn)檢測速度達(dá)320km/h。通過對國外軌道巡檢系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀可知，國外已研究出基本可以代替人工巡道的自動化巡檢系統(tǒng)，可以檢測軌道的狀態(tài)，如鋼軌表面和軌枕缺陷、扣件丟失、道床異常等。

9、國內(nèi)起步較晚，鐵軌檢測絕大多數(shù)還是依賴人工實(shí)地檢測，或者采取線路視頻拍攝后人工分析，且檢測速度相對低。近年來，由于人們對鐵路檢測的實(shí)時性、靈活性、準(zhǔn)確性、非接觸性等要求，數(shù)字圖像處理、模式識別技術(shù)在鐵路檢測的諸多領(lǐng)域得多了有效利用。文獻(xiàn)【1】、【2】采取PCA提取扣件特征，前者采用最小距離分類器分類，后者是采用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器來分類，但沒有定位直接檢測會導(dǎo)致準(zhǔn)確度下降。 文獻(xiàn)【3】用十字交叉法定位扣件，但是對圖像要求較高，若圖像中軌道和軌枕角度變換會導(dǎo)致定位效果差。 文獻(xiàn)【4】提出方向場方法描述紋理，并通過線性描述分析來獲得衡量匹配系數(shù)矩陣，最后建立基于方向場的模板進(jìn)行模板匹配，但是準(zhǔn)確度和

10、速度依然是需要提高的。 文獻(xiàn)【5】提取扣件的邊緣，但是對圖像清晰度要求高，圖像中扣件的紋理因?qū)嶋H距離和角度并不能完全暴露出來。 目前國內(nèi)的對此研究方法層出不窮，主要問題如下：對圖像中鋼軌軌枕角度、扣件的清晰度有較高的要求、沒有準(zhǔn)確定位或粗略忽略其他信息、速度和精確度有待提高。參考文獻(xiàn)： 【1】吳夢.軌道缺陷自動檢測系統(tǒng)的圖像處理技術(shù)研究【D】.西南交通大學(xué)，2013. 【2】常江.巡道車視頻檢測系統(tǒng)的技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)【D】.北京交通大學(xué),2009. 【3】范宏.基于圖像的鐵路扣件缺陷檢測算法研究【D】.西南交通大學(xué)，2012. 【4】Yang J,Tao w,Liu M,et al.An

11、Efficient Direction Field-Based Method for the Detection of Fasteners on High-Speed RailwayJ.Sensors,2011,11(8):7364-7381. 【5】楊樊，一種基于計(jì)算機(jī)視覺的鐵軌扣件缺失檢測系統(tǒng)【D】.西南交通大學(xué)，2014. 【6】劉甲甲，鐵路扣件圖像檢測中的RBF-SVM模型優(yōu)化【D】.西南交通大學(xué)，2014. 3、研究方案研究內(nèi)容、方法、技術(shù)路線 本項(xiàng)目主要研究內(nèi)容為有砟軌道扣件缺失的算法探究，主要包括扣件的定位和缺失檢測兩個部分。先進(jìn)行扣件的準(zhǔn)確的定位，然后再扣件的小圖中掃描判斷是否

12、缺失。先定位的方式也縮短了算法的時間，更符合實(shí)際要求。綜合各方面因素，預(yù)采用基于改進(jìn)krisch算法的交叉法定位，通過軌枕和鋼軌的位置關(guān)系準(zhǔn)確定位，并結(jié)合LBP、形態(tài)學(xué)、圖像增強(qiáng)等方法，增加定位算法的速度和準(zhǔn)確度。缺失檢測擬采用基于hog的svm識別算法，并嘗試融入基于多特征PCA融合的svm識別算法。圖像預(yù)處理 圖像增強(qiáng)、縮小圖像LBP算法 形態(tài)學(xué) 改進(jìn)krisch改進(jìn)krisch 鋼軌軌枕 提取有用邊緣 去除多余背景 去除多余背景（只留中間位置）提取有用邊緣直線檢測直線檢測直線合并 直線合并定位扣件 2.識別方案：Svm訓(xùn)練提取正負(fù)樣本hog特征或融合其他特征選擇正負(fù)樣本 PCA（降維）測

13、試識別缺失擬解決的關(guān)鍵問題1.扣件定位準(zhǔn)確，不受陰影和軌道的偏斜、圖像中道砟和扣件自身缺失的影響。2.缺失檢測準(zhǔn)確率提高。3.盡可能使程序速度提高，增加實(shí)際應(yīng)用的可能性。項(xiàng)目特色與創(chuàng)新點(diǎn)1. 提出基于LBP特征和改進(jìn)krisch的軌線檢測算法。檢測過程不受陰影、圖像中的道砟和鋼軌、軌枕的位置偏移無關(guān)。2. 定位過程中通過形態(tài)學(xué)、行投影，特殊區(qū)域提取掃描等減少算法的運(yùn)行速度。確定軌線過程中采用行距限制、逐級合并、直線兩點(diǎn)位置限制等方法對軌枕和鋼軌采取合適的直線選取，以確保軌線的準(zhǔn)確。3. 采用基于hog的svm識別扣件缺失，并探究基于多特征融合的svm識別算法。預(yù)期成果形式、內(nèi)容及簡介中期考核成

14、果預(yù)期完成時間預(yù)期成果名稱預(yù)期成果表現(xiàn)形式（論文、實(shí)物、其它）2015.10-2015.11鋼軌和軌枕的定位算法其他2015.11-2016.1有砟軌道扣件定位算法實(shí)現(xiàn)其他2016.1-2016.3對定位算法進(jìn)行改進(jìn)發(fā)表相應(yīng)論文12 篇簡介： （1）定位算法需要考慮其對其他因素的影響是否成立。實(shí)現(xiàn)的效果及速度都是需要考慮的。要求對相關(guān)的準(zhǔn)確度作統(tǒng)計(jì)。 （2）改進(jìn)算法需要兼顧效果和速度，提高可用性。結(jié)題考核成果預(yù)期完成時間預(yù)期成果名稱預(yù)期成果表現(xiàn)形式（論文、實(shí)物、其它）2016.3-2016.7扣件缺失算法實(shí)現(xiàn)（基于hog）其他2016.7-2016.10扣件缺失算法改進(jìn)（融合其他特征）發(fā)表相應(yīng)

15、論文12篇簡介： 扣件缺失檢測是比較重要的環(huán)節(jié)，直接影響到系統(tǒng)精確度的高低。本人承諾：本表所填內(nèi)容真實(shí)可靠，本人愿意承擔(dān)法律責(zé)任。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日四、項(xiàng)目進(jìn)度安排項(xiàng)目進(jìn)度安排及小組分工 第一階段：對有砟軌道扣件的定位。（1）對扣件的鋼軌和軌枕進(jìn)行直線位置的確定，采用上述路線先對其進(jìn)行一定角度的邊緣提取，再直線檢測和合并，找到鋼軌和軌枕，求交點(diǎn)，畫框，得到扣件的大體的位置。（2）最后在算法較準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上改進(jìn)，提高速度。要求準(zhǔn)確，且速度較快。 第二階段：在扣件圖像中進(jìn)行掃描，判斷扣件的缺失。（1）用hog 特征svm訓(xùn)練，（2）用其他的特征訓(xùn)練（3）嘗試多種特征融合svm 訓(xùn)練。五、經(jīng)

16、費(fèi)預(yù)算申請金額 2000元資金預(yù)算清單支出款項(xiàng)金額（元）材料費(fèi) 0設(shè)備費(fèi) 0測試化驗(yàn)加工費(fèi) 0 差旅費(fèi) 450 圖書資料費(fèi) 550 出版/文獻(xiàn)/信息傳播/知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)費(fèi) 1000其它（請?jiān)敿?xì)說明）總 計(jì) 2000六、研究生科技基金立項(xiàng)承諾書 本人保證以上所有填寫項(xiàng)目內(nèi)容屬實(shí)，并鄭重承諾如下：一、嚴(yán)格遵守有關(guān)自然科學(xué)、哲學(xué)社會科學(xué)（含調(diào)查報告）、科技發(fā)明與制作的行為準(zhǔn)則和科研道德行為規(guī)范；二、恪守誠信原則，保證所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，準(zhǔn)確嚴(yán)謹(jǐn)，決不偽造數(shù)據(jù)，決不抄襲剽竊他人的論文、專利或科研成果；三、自覺遵守科技學(xué)術(shù)活動自身規(guī)律和科技學(xué)術(shù)界公認(rèn)的行為準(zhǔn)則，遵守正式承諾，履行約定義務(wù)。堅(jiān)決杜絕一切違背科研道德的不良行為、不當(dāng)行為、失信行為和不良學(xué)術(shù)風(fēng)氣；四、遵守北京工業(yè)大學(xué)研究生科技基金章程，按照項(xiàng)目計(jì)劃進(jìn)行研究工作，按期實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)；五、嚴(yán)格按照北京工業(yè)大學(xué)研究生科技基金經(jīng)費(fèi)管理辦法的規(guī)定和要求使用經(jīng)費(fèi)，不挪做他用；六、由于本人原因所發(fā)生違反學(xué)術(shù)紀(jì)律、科研道德方面的問題，本人愿意承擔(dān)一切相應(yīng)后果及法律責(zé)任。 項(xiàng)目申請人簽字： 2