基于視頻監(jiān)控技術(shù)的轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

龍 彬， 尚春陽(yáng)， 張 丹

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049）

道岔是鐵路線路中至關(guān)重要的設(shè)備，而轉(zhuǎn)轍機(jī)作為鐵路道岔的牽引設(shè)備，能否可靠工作直接關(guān)系到鐵路列車的安全運(yùn)行[1]。由于列車在使用過(guò)程中的振動(dòng)、磨耗等，會(huì)造成道岔尖軌與基本軌之間有縫隙，導(dǎo)致轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口位置產(chǎn)生變化，造成設(shè)備故障，影響行車安全。因此，轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口位置調(diào)整是電務(wù)維護(hù)的重要工作。本文設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在ZD9型轉(zhuǎn)轍機(jī)上完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)線路傳輸測(cè)試。該系統(tǒng)可以直接查看缺口視頻，并通過(guò)圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)缺口大小判斷，幫助維修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，提前進(jìn)行維修，對(duì)確保鐵路運(yùn)輸安全具有極其重要的意義[2]。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由缺口圖像采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸模塊、監(jiān)測(cè)站機(jī)幾部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要采用CCD數(shù)字圖像傳感器采集缺口圖像，將圖像壓縮處理后傳送到監(jiān)控室主機(jī)，通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，得出缺口位置狀態(tài)。同時(shí)，電務(wù)人員也可以實(shí)時(shí)查看缺口視頻，做出進(jìn)一步的判定。

系統(tǒng)主要工作過(guò)程為：室外圖像傳感器采集轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口狀態(tài)信息，通過(guò)220 V電力線路將缺口圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)集中器，然后采用ADSL數(shù)據(jù)傳輸方式，將視頻信號(hào)傳輸?shù)酵ㄐ胖鳈C(jī)，與現(xiàn)有鐵路信號(hào)微機(jī)系統(tǒng)并網(wǎng)連接，在室內(nèi)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)各個(gè)缺口狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示，通過(guò)圖像處理技術(shù)計(jì)算缺口位置大小，并實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警。

2 硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 視頻采集裝置

視頻采集前端的核心部件是電荷耦合器件（CCD）數(shù)字圖像傳感器，位置檢測(cè)傳感器通常有機(jī)械式、光電式、電感式、圖像式等。由于光電式傳感器易受灰塵影響，機(jī)械式傳感器易受機(jī)械振動(dòng)和磨損的影響，電感式位移傳感器受溫度的影響很大，易出現(xiàn)誤報(bào)警情況，綜合考慮穩(wěn)定性、可靠性等因素，最終選用CCD數(shù)字圖像傳感器[3]。由于轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部封閉，無(wú)光源，需要在每個(gè)傳感器的周圍安裝多個(gè)直接明場(chǎng)正照明白光LED，使缺口圖像邊緣輪廓在視頻圖像中清晰可見(jiàn)。視頻模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)專用視頻解碼芯片TVP5146轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)，再送到視頻處理模塊的TMS320DM 365處理器進(jìn)一步處理。

圖 1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

視頻處理模塊采用新型TM S320DM 365[4]數(shù)字媒體處理器完成視頻的壓縮、編碼、傳輸通信。DM 365 高度集成了眾多組件，包括一顆ARM 926EJ-S 內(nèi)核，一個(gè)H.264 高清編解碼協(xié)處理器HDV ICP 和一個(gè)mPEG-4/JPEG高清編解碼協(xié)處理器mJCP，可滿足智能視頻處理功能的集成影像信號(hào)處理解決方案，以及一系列板載外設(shè)等。 另外，由于每個(gè)轉(zhuǎn)轍機(jī)對(duì)應(yīng)2種狀態(tài)：定、反位，因此需要添加一個(gè)視頻切換電路，實(shí)現(xiàn)定、反位狀態(tài)之間的視頻切換。視頻采集前端把對(duì)應(yīng)數(shù)字視頻數(shù)據(jù)輸出給DM 365，其對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264 壓縮，并實(shí)現(xiàn)噪聲過(guò)濾、視頻穩(wěn)定以及邊緣增強(qiáng)等功能[5]，由主控系統(tǒng)完成封裝發(fā)給電力載波擴(kuò)頻通信（PLC）芯片，PLC芯片再封裝成PLC數(shù)據(jù)幀發(fā)送到電力線上進(jìn)行傳輸。視頻采集模塊組成框圖如圖2所示。

圖2 視頻采集模塊組成框圖

2.2 數(shù)據(jù)集中器

在鐵路站點(diǎn)包括的道岔和轉(zhuǎn)轍機(jī)數(shù)量從幾十到幾百不等，因此需要將不同監(jiān)測(cè)終端采集到的視頻圖像壓縮處理后封裝成PLC數(shù)據(jù)幀傳送到數(shù)據(jù)集中點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一傳輸，這樣節(jié)省了大量鋪設(shè)專用通信電纜的成本。本設(shè)計(jì)將不同終端的采集信號(hào)通過(guò)電力載波通信技術(shù)集中到數(shù)據(jù)集中點(diǎn)，再利用ADSL數(shù)據(jù)傳輸方式將數(shù)據(jù)信號(hào)傳送到監(jiān)控主機(jī)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控室實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)缺口位置狀態(tài)。

所謂電力載波通信技術(shù)是指利用專用調(diào)制解調(diào)器把信號(hào)調(diào)制到一定的頻率范圍內(nèi)，然后把信號(hào)加載到現(xiàn)有電力線或配電網(wǎng)線路中，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)、話音、圖像等多媒體業(yè)務(wù)信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)囊环N通信方式[6]。電力載波通信使用頻分技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電源和數(shù)據(jù)的共線傳輸。實(shí)驗(yàn)證明，電力載波通信技術(shù)工作穩(wěn)定、通信可靠。該系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器選用INT6400與INT1400芯片組[7]，主芯片INT6400內(nèi)核為ARM 926EJ-S處理器，它采用OFDM調(diào)制模式，其物理層傳輸速率可達(dá)200 mbps，MAC層工作模式為CSMA/CA。當(dāng)視頻采集模塊的數(shù)字信號(hào)通過(guò)mII接口傳輸至INT6400，經(jīng)過(guò)INT1400AFE模擬前端變?yōu)槟M信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路放大后由耦合器耦合到電力線上。在數(shù)據(jù)集中器B處電力載波接收部分是一個(gè)LC的帶通濾波器，經(jīng)過(guò)帶通濾波電路出來(lái)的信號(hào)送到INT1400模擬前端并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)mII接口送至輸出網(wǎng)口。

將數(shù)字信號(hào)通過(guò)網(wǎng)口接入ADSL局端設(shè)備，進(jìn)行現(xiàn)代分頻和編碼調(diào)制后，通過(guò)鐵路沿線備用電纜，將分頻調(diào)制后通過(guò)通信主機(jī)將視頻信號(hào)接入Internet，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高速非對(duì)稱數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

3 室內(nèi)主機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件是在VS2010下開(kāi)發(fā)完成的。運(yùn)行軟件，自動(dòng)搜索各轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備指定IP，并將各缺口視頻在對(duì)應(yīng)窗口顯示，如果窗口不能顯示，說(shuō)明該報(bào)警系統(tǒng)出現(xiàn)線路故障，可嘗試重新連接。在所有設(shè)備連接成功后，進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警參數(shù)設(shè)置，如缺口圖像循環(huán)處理的間隔時(shí)間，缺口額定報(bào)警值的大小等。設(shè)置完成后，進(jìn)入自動(dòng)循環(huán)監(jiān)測(cè)報(bào)警模式，缺口示意圖如圖3所示。2側(cè)缺口位置變化范圍為0 mm～4 mm，當(dāng)某一側(cè)缺口大小超過(guò)額定值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并將錯(cuò)誤信息保存。軟件工作流程如圖4所示。

圖 3 轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口示意圖

3.2 圖像識(shí)別核心算法實(shí)現(xiàn)

該軟件集成了機(jī)器視覺(jué)軟件包HALCON[8]，它以最新的計(jì)算機(jī)圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)為基礎(chǔ)，提供了功能最強(qiáng)大、最全面的圖像處理算法庫(kù)，具有極強(qiáng)的高效性、準(zhǔn)確性、健壯性和靈活性。監(jiān)控軟件采用HALCON和VC++混合編程方法實(shí)現(xiàn)圖像處理相關(guān)核心算法[9]，精確提取缺口邊緣輪廓，計(jì)算缺口間隙值，其算法實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。圖像處理具體算法如下。

3.2.1 截取感興趣區(qū)域（ROI）

圖 4 監(jiān)控軟件工作流程圖

圖 5 圖像處理算法實(shí)現(xiàn)流程圖

在安裝圖像傳感器時(shí)不能保證傳感器與缺口垂直，而且傳感器與缺口間的距離很小，有較大的徑向畸變，因此必須進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定并對(duì)圖像進(jìn)行畸變矯正。原始圖像如圖6（a）所示，矯正后圖像如圖6（b）所示。對(duì)畸變矯正后的圖像截取感興趣區(qū)域（ROI），采用HALCON中提供的專用算子gen_rectangle1與reduce_domain實(shí)現(xiàn)，處理結(jié)果為圖6（c）中白色交集區(qū)域。這樣使得需要圖像處理的區(qū)域限定在缺口部位相關(guān)圖像區(qū)域，從而避免了其他不相關(guān)圖像區(qū)域?qū)μ幚磉^(guò)程的影響。

3.2.2 圖像預(yù)處理

為了減少缺口圖像邊緣的毛刺和噪聲對(duì)處理結(jié)果的影響，在提取邊緣之前，需對(duì)截取出來(lái)的缺口部分Region進(jìn)行高斯濾波與中值濾波，調(diào)用算子median_image和gauss_image。平滑濾波后的圖像如圖6（d）所示。

3.2.3 圖像分割

為將表示桿、檢查柱與缺口間隙區(qū)別開(kāi)，需對(duì)平滑處理后的圖像進(jìn)行閾值分割，調(diào)用threshold算子二值化缺口區(qū)域，使得檢查柱和表示桿灰度值為255，缺口間隙灰度值為0。然后調(diào)用connection算子連通每個(gè)區(qū)域，處理結(jié)果如圖6（e）所示。很明顯，中間檢查柱部分上下邊都有很多坑洞，為了便于缺口大小值的確定，需要將凹進(jìn)去的部分灰度值填充為255。根據(jù)圖像處理形態(tài)學(xué)可知，利用凸殼原理可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。調(diào)用shape_trans算子，其轉(zhuǎn)化區(qū)域類型Type設(shè)置為'convex'，處理結(jié)果如圖6（f）所示。

圖 6 圖像處理流程結(jié)果

3.2.4 缺口大小確定

為了提高圖像處理精度，在將表示桿、檢查柱和缺口間隙分離開(kāi)后，調(diào)用edges_sub_pix算子提取缺口邊緣亞像素精度輪廓，如圖6（g）所示。由于在不同高度處的缺口間隙值不同，因此遍歷多行不同高度的缺口值D1、D2，求取均值，以減小誤差。

4 試驗(yàn)討論

試驗(yàn)表明，缺口視頻顯示和間隙大小精度除受圖像識(shí)別算法的影響外， 還受攝像設(shè)備、轉(zhuǎn)轍機(jī)顫動(dòng)等因素的影響。攝像設(shè)備徑向畸變?cè)叫?、分辨率越高、LED燈光效果越好，則缺口圖像的識(shí)別精度越高。但是隨著分辨率的增加，傳輸數(shù)據(jù)量也大幅增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲，綜合考慮后，系統(tǒng)選擇352×288 分辨率，能得到較高的精度， 同時(shí)又能保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。另外，由于轉(zhuǎn)轍機(jī)工作環(huán)境惡劣，需保證設(shè)備在各種極限條件下能穩(wěn)定可靠的長(zhǎng)時(shí)間工作，因此進(jìn)行了部分特殊條件的測(cè)試。試驗(yàn)表明，設(shè)備在75°C高溫，_ 40°C低溫、80%～85% RH濕度以及50 HZ高頻振動(dòng)的環(huán)境下無(wú)異常，均能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用基于視頻監(jiān)控技術(shù)的轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，安裝方便，易于維護(hù)，具有很高的安全性、穩(wěn)定性、可靠性。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)可以完全取代傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)工作，使轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口在事故發(fā)生前得到調(diào)整，提高了鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩托?。系統(tǒng)已在ZD9型轉(zhuǎn)轍機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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