視頻傳感器在動(dòng)車組零部件管理中的應(yīng)用

王曉冬，徐洪澤，張正普

（1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所 ，北京 100081）

目前我國(guó)鐵路對(duì)動(dòng)車組關(guān)鍵零部件管理的方式還停留在人工臺(tái)賬，現(xiàn)場(chǎng)噴涂標(biāo)記的狀態(tài)，不能快速查詢零部件的現(xiàn)狀及追溯前期狀況，即使出現(xiàn)了安全問(wèn)題，也不能快速落實(shí)責(zé)任到人。建立動(dòng)車組關(guān)鍵配件全壽命跟蹤管理系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組關(guān)鍵配件全壽命周期跟蹤管理、安全高效的物流配送、履歷信息的有效維護(hù)和共享、特殊情況下的質(zhì)量追溯、管理層及時(shí)獲取信息并做出決斷決策等業(yè)務(wù)應(yīng)用具有重要意義。

射頻識(shí)別（RFID）電子標(biāo)簽依其先進(jìn)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，能快速準(zhǔn)確的識(shí)別配件，而得到了廣大客戶的青睞。不可否認(rèn)，電子標(biāo)簽作為管理信息系統(tǒng)的終端，能完成動(dòng)車組零部件管理流程中的應(yīng)有任務(wù)。電子標(biāo)簽需與零部件緊密結(jié)合，不能輕易脫離，否則會(huì)造成管理混亂的后果。

電子標(biāo)簽與零部件的結(jié)合方式，有兩種方案，（1）將電子標(biāo)簽在零部件出廠前嵌入到零部件體內(nèi)或安裝在事先做好的專用槽內(nèi)，此方式能有效地防止電子標(biāo)簽的脫落，但無(wú)法應(yīng)用在已經(jīng)出場(chǎng)的動(dòng)車組零部件上；（2）把電子標(biāo)簽用粘貼、吸附、圈掛等方式與零部件固定在一起，此方式不能完全保證電子標(biāo)簽的安全可靠性。

1 動(dòng)車組零部件管理新思路

動(dòng)車組零部件在其可視面處均設(shè)有能做唯一標(biāo)識(shí)的序列號(hào)，如圖1。序列號(hào)與零部件本身就是一體，類似上述的嵌入式結(jié)合方法，不必?fù)?dān)心其與零部件脫離問(wèn)題。若是能準(zhǔn)確地識(shí)別該零部件上的序列號(hào)，就能實(shí)現(xiàn)其生命周期跟蹤管理。

圖1 動(dòng)車組零部件序列號(hào)

2 視頻傳感器技術(shù)

視頻傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的一種傳感器，以電荷為信號(hào)，具有光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移并讀出信號(hào)電荷的功能。自從90年代問(wèn)世以來(lái)，視頻傳感器以其獨(dú)特的性能而發(fā)展迅速，其分辨率和高靈敏度越來(lái)越高，動(dòng)態(tài)范圍也越來(lái)越寬，在檢測(cè)物體的位置、工件尺寸的精確測(cè)量及工件缺陷的檢測(cè)方面有獨(dú)到之處，加以特定的技術(shù)條件，能準(zhǔn)確地獲得動(dòng)車組零部件的序列號(hào)。

動(dòng)車組零部件序列號(hào)成像聚焦在視頻傳感器的光敏面上，視頻處理器對(duì)輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理，整個(gè)過(guò)程由微機(jī)控制完成，如圖2。微機(jī)可對(duì)多次測(cè)量求平均值，精確得到被測(cè)物體的模型。任何能夠用光學(xué)成像的動(dòng)車組零部件都可以用這種方法，實(shí)現(xiàn)不接觸的在線自動(dòng)檢測(cè)的目的。

圖2 視頻傳感器典型應(yīng)用系統(tǒng)

視頻傳感器是動(dòng)車組零部件管理系統(tǒng)的前端輸入，其成像信息是一切后續(xù)處理的基礎(chǔ)，重要性不可言喻。為了準(zhǔn)確地捕捉動(dòng)車組零部件的序列號(hào)，視頻傳感器在原有的基礎(chǔ)上，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行額外的考慮，確保獲得信息的可靠。

2.1 HDR技術(shù)

HDR（High-Dynamic Range，高動(dòng)態(tài)范圍），指可處理的圖像亮度的最大值與最小值的比率。動(dòng)態(tài)范圍越大，明暗差較大的拍攝對(duì)象的呈像越清晰鮮明。通過(guò)擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，可清晰呈現(xiàn)以往因照明不均及光暈而無(wú)法捕捉到的檢測(cè)物體狀態(tài)。如圖3，傳統(tǒng)圖像超出動(dòng)態(tài)范圍的部分因光暈或陰影而變得模糊不清，而HDR圖像可忠實(shí)再現(xiàn)圖像特征，無(wú)曝光過(guò)度或曝光不足現(xiàn)象，精確再現(xiàn)圖像特征，即使出現(xiàn)光暈及照明不均，也能穩(wěn)定地檢測(cè)圖像。

由于采用了HDR圖像生成技術(shù)，視頻傳感器可變更快門(mén)速度拍攝多張亮度不同的圖像，并將這些圖像高速合成為1張圖像。由此，相對(duì)于普通的CCD（Charge Coupled Device，點(diǎn)和耦合器）相機(jī)，可拍攝的亮度范圍以明暗比率來(lái)看可擴(kuò)大至5 000倍，從而獲得僅憑1張圖像的灰度過(guò)濾器實(shí)時(shí)處理無(wú)法獲得的超清晰的圖像，如圖4。

圖3 傳統(tǒng)圖像與HDR圖像的比較

圖4 圖像合成示意圖

在高速合成多張圖像的HDR功能的基礎(chǔ)上，還搭載了高對(duì)比度模式。使用該模式，可以將以相同的快門(mén)速度拍攝的多張圖像合成并輸出。以往，為了增加對(duì)比度，采取對(duì)單一圖像進(jìn)行放大處理的方法，但這樣圖像上的干擾點(diǎn)也會(huì)被放大。采用HDR高對(duì)比度模式，可以對(duì)多張圖片進(jìn)行合成及均一化的處理，以此減少干擾。再進(jìn)行放大處理，從而實(shí)現(xiàn)只增加檢查對(duì)象與背景間的對(duì)比度。

2.2 高分辨率

采用最高分辨率的視頻傳感器，實(shí)現(xiàn)高精度圖像捕捉。高分辨率的視頻傳感器拍攝視野很寬，即使是大型零部件，也可以一次性完成拍攝，包括在寬視野下拍攝，也能清晰地捕捉到細(xì)節(jié)部分。在寬視野下，以往需要拍攝多次的檢查對(duì)象可一次性完成拍攝，這樣，一次拍攝可檢測(cè)多個(gè)對(duì)象，從而加快檢測(cè)節(jié)拍，提高工作效率。由于視野較寬，即便是在產(chǎn)品尺寸各異的生產(chǎn)線上，切換工序時(shí)也無(wú)需移動(dòng)視頻傳感器，節(jié)省傳感器安裝工時(shí)。分辨率的提高，可檢測(cè)到以往無(wú)法檢測(cè)的小型零部件，使以往不可見(jiàn)的序列號(hào)可視化。

2.3 實(shí)時(shí)生成最適合檢查的圖像

視頻傳感器消除因其安裝精度導(dǎo)致的誤差及輸送時(shí)的抖動(dòng)影響，實(shí)時(shí)生成最適合檢查的圖像。修正傾斜拍攝的失真圖像，即使在相機(jī)傾斜安裝需要補(bǔ)償以及輸送精度不穩(wěn)定時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)高精度檢查，如圖5。

視頻傳感器可任意安裝于狹小空間中進(jìn)行斜向拍攝，使生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)節(jié)省空間的設(shè)計(jì)。因追加檢查需要增加視頻傳感器時(shí)，也不必為安裝空間的不足而擔(dān)心。還可以高精度測(cè)量因輸送時(shí)而發(fā)生抖動(dòng)的檢測(cè)對(duì)象，并對(duì)以往不可能進(jìn)探的方向（三維方向）的傾斜進(jìn)行跟蹤。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

動(dòng)車組零部件管理系統(tǒng)硬件部分由服務(wù)器、控制主機(jī)、PLC、視頻傳感器、輸入輸出部分組成。視頻傳感器將捕捉到得動(dòng)車組零部件序列號(hào)傳輸?shù)娇刂浦鳈C(jī)，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇LC內(nèi)存，由PLC綜合判斷輸出，并將結(jié)果上傳到服務(wù)器。

系統(tǒng)軟件部分包括PLC控制邏輯程序、控制主機(jī)采集存儲(chǔ)程序及管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件，其中，PLC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的Device Net網(wǎng)絡(luò)與serial communication網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的通信架構(gòu)，配合專用通信模塊組合而成；控制主機(jī)采集存儲(chǔ)程序采用VB6.0軟件編寫(xiě)，并實(shí)用Microsoft SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)，功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄各視頻傳感器運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄操作人員各項(xiàng)控制、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)報(bào)警代碼、保存每次掃描信息；管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用C#.NET編寫(xiě)，負(fù)責(zé)記錄、查詢、統(tǒng)計(jì)各種數(shù)據(jù)信息，生成所需報(bào)表，為管理者提供決策依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用視頻傳感器作為動(dòng)車組零部件管理信息系統(tǒng)的輸入終端，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。目前視頻傳感器因其精密等因素，價(jià)格昂貴，難以在規(guī)模龐大的動(dòng)車組生產(chǎn)及維修車間大面積鋪設(shè)。作為諸如電子標(biāo)簽之類輸入終端的補(bǔ)充設(shè)備，是切實(shí)可行的。

[1]賀 毅. 多功能自動(dòng)汽車零部件檢測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J]. 自動(dòng)化博覽，2010，9.

[2]Aptina推出新款支持穩(wěn)像的全高清1080p60數(shù)字視頻傳感器[J]. 電子與電腦，2011，2.