一種鐵路車輛質(zhì)檢圖像記錄系統(tǒng)的研制分析

摘要：文章通過分析研制一種適合鐵路車輛制造和修理過程的圖像記錄系統(tǒng)，提高鐵路車輛質(zhì)檢的可靠性和可追溯性，實現(xiàn)質(zhì)檢記錄的信息化。

關(guān)鍵詞：鐵路車輛；質(zhì)檢；圖像記錄系統(tǒng)

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）07-

1 項目來源

目前多數(shù)鐵路車輛修造單位的質(zhì)量檢查工作均依靠檢查人員填寫質(zhì)量記錄的方式進行，其他控制檢查工作質(zhì)量的有效手段不多，檢查人員的工作過程與檢查方法是否規(guī)范無法追溯。根據(jù)鐵道部關(guān)于車輛檢修及質(zhì)量控制自動化、信息化要求的指示精神，開發(fā)一種質(zhì)量檢查圖像記錄分析系統(tǒng)來記錄質(zhì)量檢查工作過程的圖像并進行分析，使質(zhì)量檢查過程記錄方式和控制手段適應鐵路發(fā)展的需求。

2 主要功能

根據(jù)目前鐵路車輛質(zhì)量檢查工作的需求，車輛質(zhì)量檢查圖像記錄分析系統(tǒng)需要實現(xiàn)的主要功能如下：能夠?qū)囕v的各種質(zhì)量檢查過程進行圖像采集，并將采集的圖像傳輸?shù)街鞣掌?；主服務器管理軟件按車號或零部件編號等要求對圖像進行分類、編輯、保存，作為車輛質(zhì)量檢查過程的原始圖像記錄；保證采集圖像的有效性與唯一性；對所采集的圖像進行分析以控制質(zhì)量檢查工作過程的規(guī)范性。

3 項目關(guān)鍵技術(shù)分析

車輛質(zhì)量檢查圖像記錄系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)為圖像采集、無線圖像傳輸與圖像分析三部分，目前這三種技術(shù)的發(fā)展十分迅速，為我們開發(fā)本系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

3.1 圖像采集

目前圖像采集技術(shù)快速發(fā)展，針對各種應用場合的不同尺寸、結(jié)構(gòu)、分辨率的攝像裝置與模塊種類繁多，功能也越來越先進，完全能滿足車輛質(zhì)量檢查過程中圖像采集的需要。

3.2 無線圖像傳輸技術(shù)

無線圖像傳輸設(shè)備從技術(shù)應用標準上分為三類：第一種是公共網(wǎng)絡(luò)型，利用中國移動、中國聯(lián)通等電信運營商的無線網(wǎng)絡(luò)，采用包括GSM、CDMA、3G等技術(shù)進行圖像傳輸；第二種是專用網(wǎng)絡(luò)型，利用WLAN、DSSS、MESH等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行圖像傳輸；第三種是專業(yè)圖像傳輸型，利用移動數(shù)字電視傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用包括COFDM、8VSB、TDS-OFDM等技術(shù)進行圖像傳輸。

以上三類技術(shù)各有不同的應用面和優(yōu)缺點。公共網(wǎng)絡(luò)的使用成本過大是目前制約無線視頻監(jiān)控發(fā)展的主要問題，例如目前各移動運營商3G網(wǎng)絡(luò)的視頻通話費用都為0.6元/分鐘，如按一天8個小時的工作量計算，一套無線傳輸裝置就產(chǎn)生288元的話費。公用網(wǎng)絡(luò)的第二個缺點是速度不穩(wěn)定，如速度最快的3G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速度遠遠達不到宣稱的2Mbps，其實際傳輸速度僅為0.4～1Mbps左右，而當網(wǎng)絡(luò)繁忙時可能連這一速度的1/3都達不到，用戶要想傳輸高質(zhì)量的視頻恐怕還需要繼續(xù)等待。

專用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速度比較高，但只能在通視環(huán)境下應用，不能在阻擋環(huán)境中和移動中使用，所以僅適合在辦公室或家庭內(nèi)使用，在車輛質(zhì)檢過程中如果檢查人員鉆入車輛底部或內(nèi)部將大大影響圖像的傳輸質(zhì)量，所以不適合在本方案中采用。

從專業(yè)技術(shù)應用角度，在圖像質(zhì)量、傳輸距離、移動性能方面來說，第三類無線圖像傳輸技術(shù)都有明顯優(yōu)勢。在這些傳輸技術(shù)中，主要以COFDM技術(shù)為代表，COFDM調(diào)制技術(shù)是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，該技術(shù)是將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對低速的并行數(shù)據(jù)并對不同的載波進行調(diào)制。COFDM技術(shù)有很多優(yōu)點，首先適合在建筑物內(nèi)等非通視和有阻擋的環(huán)境中應用，具有卓越的繞射、穿透能力；其次適合高速數(shù)據(jù)傳輸，速率一般大于4Mbps，滿足高質(zhì)量視音頻的傳輸；最后在復雜電磁環(huán)境中，COFDM具備優(yōu)異的抗干擾性能。采用COFDM技術(shù)的缺點是設(shè)備的前期投入較高，但一次性投入完成后后期不會再產(chǎn)生使用成本。本方案采用COFDM技術(shù)進行無線圖像傳輸能夠滿足要求。

4 項目難點

車輛質(zhì)檢圖像記錄系統(tǒng)主要的開發(fā)難點為圖像采集裝置的硬件結(jié)構(gòu)及如何保證圖像采集的有效性與唯一性。

4.1 圖像采集裝置

本系統(tǒng)中圖像采集裝置包括攝像頭、人機交互裝置、無線圖像傳輸裝置、電源、顯示器（視需要安裝）等部分，應滿足以下要求：

4.1.1 體積小巧、重量輕，便于檢查人員攜帶，對檢查人員的正常工作影響小。攝像頭的重量及體積較小，但無線圖像傳輸裝置與電源的重量較大。COFDM無線圖像傳輸系統(tǒng)包括圖像發(fā)射機與圖像接收機，圖像接收機固定安裝，其重量可以不考慮，但標準的便攜式圖像發(fā)射機重量都在3公斤以上，無論檢查人員背在身上或采用手提形式隨身攜帶都將對檢查人員的工作造成一定影響。如果對圖像發(fā)射機進行小型化開發(fā)，開發(fā)時間、開發(fā)成本及圖像傳輸質(zhì)量都不可確定，我們建議在對圖像發(fā)射機進行小型化開發(fā)的同時，先以公共網(wǎng)絡(luò)的3G技術(shù)來進行圖像傳輸，保證系統(tǒng)其他部分的開發(fā)按計劃進行，等小型COFDM圖像發(fā)射機開發(fā)成功后再進行過渡。

圖像采集裝置采用可充電電池提供電源，在攝像頭工作及圖像進行無線傳輸時耗電量較大，所以要求的電池容量較大，會增加圖像采集裝置的整體重量。

圖像采集裝置的結(jié)構(gòu)形式也十分關(guān)鍵，可以采取的形式有手持式、眼鏡式或頭盔式，但眼鏡式或頭盔式結(jié)構(gòu)的重量不宜過大，這就限制了圖像采集裝置的功能擴展，調(diào)焦與圖像顯示功能較難實現(xiàn)，而且對于被采集物體的高度有一定限制，過高或過低都會對采集過程造成不便。手持式結(jié)構(gòu)使用較靈活，可以根據(jù)需要增加各種附加功能，但圖像采集過程會占用一定的時間。

4.1.2 具有較高的圖像及視頻分辨率，圖像清晰度好。攝像頭的分辨率可選擇的范圍較大，但無線圖像傳輸系統(tǒng)能夠傳輸?shù)膱D像分辨率卻十分有限，如COFDM圖像傳輸系統(tǒng)最大為700×500左右，3G圖像傳輸系統(tǒng)最大為500×300左右。圖像的分辨率越小，圖像分析的效果也就越差，要達到理想的圖像分析效果，必須提高無線圖像傳輸系統(tǒng)的分辨率，但這又與無線傳輸系統(tǒng)的質(zhì)量、體積相矛盾，而且在技術(shù)上實現(xiàn)的難度也比較大。

在圖像采集過程中，要采集到清晰的圖像需要保證攝像頭有合理的分辨率與焦距。假如攝像頭的焦距固定，要拍到一定范圍內(nèi)的圖像就需要操作者人為地控制攝像頭與被拍攝物體的距離，被拍攝范圍的面積不同，距離也不同。假如攝像頭的焦距可變，就可以在圖像采集裝置與被拍攝物體距離固定的情況下調(diào)節(jié)焦距來獲得最佳圖像，但這需要增加調(diào)焦裝置與液晶顯示屏，會增加系統(tǒng)的硬件復雜

程度。

環(huán)境因素對圖像質(zhì)量也有很大的影響，如光線過亮或過暗以及收到，電焊等偶然光線的干擾，要想采集到清晰可分析的圖像，就需要采取各種措施來克服這些干擾因素，如屏蔽過亮光線、增加輔助光源等方法。

4.1.3 能夠與主服務器進行信息交換。在圖像采集過程中，主服務器需要與操作人員進行一定的信息交換，如開始圖像采集前操作者需要為主服務器提供零部件的編號等信息，采集過程中主服務器可能會提示各種異常信息。要進行信息交換，最簡單的方法是為主服務器配備專門的操作人員，通過對講機與現(xiàn)場圖像采集人員通話以完成信息交換，這種情況僅適合于現(xiàn)場采集終端較少的情況，自動化程度較低，人為因素影響較大。另一種方法是為圖像采集裝置安裝微型CPU、液晶顯示器與輸入鍵盤，再通過無線網(wǎng)絡(luò)與主服務器進行通訊。采用這種方法可以有效提高信息交換過程的自動化與可靠性，但會增加圖像采集裝置硬件的復雜程度。

4.2 保證圖像的有效性與唯一性

保證圖像的有效性與唯一性主要是指如何能夠證明系統(tǒng)所采集的具體圖像就是特定車輛或零部件的圖像，因為相同型號的車輛或零部件其圖像的差異很小，單純從圖像上很難區(qū)分，必須采用其他方法結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況來控制圖像的有效性與唯一性。

5 主要技術(shù)參數(shù)

圖像分辨率：700×500

視頻傳輸速度：20幀/s

工作溫度：-10℃～50℃

圖像采集裝置電源供電時間：4h

圖像采集裝置重量：2.5kg

6 圖像采集試點的選擇

為減小項目的開發(fā)難度，增加項目開發(fā)成功的可能性，圖像采集內(nèi)容不宜過多，圖像分析要求也不宜過高，所以我們擬首先以某個工序檢查過程作為圖像采集分析試點，等系統(tǒng)軟硬件等各部分都比較成熟完善后再推廣到車輛整體及其他大部件的檢查過程中。

7 社會經(jīng)濟效益分析

車輛質(zhì)量檢查圖像記錄系統(tǒng)的應用，將在車輛產(chǎn)品質(zhì)量檢查過程中引入機器視覺與圖像分析等新技術(shù)、新方法，能夠提高質(zhì)檢工作的自動化程度，促進檢查員工作的規(guī)范化，為質(zhì)量檢查工作提供可靠的追溯依據(jù)。

據(jù)調(diào)研，鐵路系統(tǒng)目前還沒有類似的采用移動圖像采集裝置來記錄質(zhì)檢過程的系統(tǒng)，本項目的適應性比較廣泛，可用于車輛的整體或零部件檢查過程，如果本項目開發(fā)成功并進行推廣將帶來顯著的經(jīng)濟效益。

作者簡介：高志剛（1965-），男，河北人，供職于河北南車鐵龍機電設(shè)備有限公司，教授級高級工程師，研究方向：機械制造。

（責任編輯：黃銀芳）