鐵路貨車裝載狀態(tài)高清圖像監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙昊宇，余 淼

（1.天津大學(xué) 求是學(xué)部，天津 300072； 2.鄭州鐵路局 科學(xué)技術(shù)研究所，鄭州 450000）

鐵路貨車裝載狀態(tài)高清圖像監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙昊宇1，余 淼2

（1.天津大學(xué) 求是學(xué)部，天津 300072； 2.鄭州鐵路局 科學(xué)技術(shù)研究所，鄭州 450000）

針對(duì)鐵路貨運(yùn)檢測(cè)的實(shí)際需要，提出基于高清工業(yè)相機(jī)的拍照檢測(cè)體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)行海量數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、JXR壓縮算法的設(shè)計(jì)，并給出硬件部分框圖。應(yīng)用證明，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集，存儲(chǔ)高清晰車輛圖像。

貨車裝載狀態(tài)；圖像監(jiān)視；實(shí)時(shí)；壓縮存儲(chǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，鐵路貨運(yùn)檢查往往是貨檢人員在車輛停穩(wěn)后，僅憑經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)，對(duì)有明顯超限的地方用標(biāo)桿或滑動(dòng)尺核實(shí)。效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性差，漏檢率高。隨著鐵路運(yùn)輸?shù)牟粩嗵崴?，運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量及安全保障的問(wèn)題更為突出。如何加快車輛周轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)在線檢測(cè)車輛裝運(yùn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)車輛檢測(cè)由“人控”向“機(jī)控”轉(zhuǎn)變，由“靜態(tài)檢查”向“動(dòng)態(tài)檢查”轉(zhuǎn)變；提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，解決列車密集到達(dá)，貨檢列檢作業(yè)與運(yùn)輸暢通之間的矛盾。為此，鄭州鐵路局依靠科技創(chuàng)新，研發(fā)了“鐵路貨車裝載狀態(tài)高清圖像監(jiān)視系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）”。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)圖像采集控制系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、主控系統(tǒng)3大部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 圖像采集控制系統(tǒng)

由圖形采集子系統(tǒng)、LED照明子系統(tǒng)、磁鋼開機(jī)測(cè)速子系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)、Gige網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、綜合控制子系統(tǒng)等6部分組成。

（1）圖形采集子系統(tǒng)由3臺(tái)高速、高清工業(yè)相機(jī)組成，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)圖像；

（2）LED照明子系統(tǒng)由4塊LED頻閃照明單元以及2組LED頻閃控制板組成，主要負(fù)責(zé)為3臺(tái)工業(yè)相機(jī)提供同步頻閃輔助光源；

（3）磁鋼開機(jī)子系統(tǒng)由2組磁鋼（每組2塊）組成，主要負(fù)責(zé)檢測(cè)列車到來(lái)、馳離并進(jìn)行精確測(cè)速，為相機(jī)及光源觸發(fā)提供原始信號(hào)；

（4）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)由1臺(tái)RS232數(shù)據(jù)光端機(jī)組成，主要用于與上位機(jī)通信；

（5） Gige網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)由3塊Gige光端機(jī)組成，主要負(fù)責(zé)將3臺(tái)工業(yè)相機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至圖像（數(shù)據(jù)）采集工控服務(wù)器；

（6）綜合控制子系統(tǒng)由1塊主控板及附件組成，主要負(fù)責(zé)綜合調(diào)度、管理現(xiàn)場(chǎng)各種電氣設(shè)備。

1.2 傳輸系統(tǒng)

由RS232光電傳輸子系統(tǒng)、Gige光電傳輸子系統(tǒng)等2部分組成。主要為圖像數(shù)據(jù)及控制數(shù)據(jù)提供可靠、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通道。

1.3 主控系統(tǒng)

由圖像存儲(chǔ)子系統(tǒng)、圖像處理子系統(tǒng)以及綜合管理子系統(tǒng)等3部分組成。

（1）圖像存儲(chǔ)子系統(tǒng)由1臺(tái)工控服務(wù)器、3塊Gige采集卡、若干大容量硬盤等組成，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)、無(wú)丟幀的存儲(chǔ)前端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)；

（2）圖像處理子系統(tǒng)由1臺(tái)工控服務(wù)器及若干網(wǎng)絡(luò)輔助設(shè)備組成，主要負(fù)責(zé)及時(shí)處理采集的圖像數(shù)據(jù)；

（3）綜合管理子系統(tǒng)由若干組軟件組成，主要負(fù)責(zé)與下位機(jī)通訊、與采集程序通訊、提供圖像回放、報(bào)表生成、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2 系統(tǒng)工作流程

當(dāng)列車經(jīng)過(guò)第一個(gè)車輪探測(cè)器時(shí)，主控板得到觸發(fā)信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，啟動(dòng)抓拍系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)車輪壓過(guò)車輪探測(cè)器的波形獲取車速車位信息，再通過(guò)光纖或電纜傳遞給工控采集服務(wù)器。工業(yè)相機(jī)將抓拍的圖像通過(guò)光纖傳給圖像采集工控服務(wù)器。圖像采集工控服務(wù)器得到信號(hào)以后，開啟圖像存儲(chǔ)功能，并接收車速信息，通過(guò)自動(dòng)分析計(jì)算，建立查詢索引，供回放時(shí)查找。當(dāng)環(huán)境光照度低于設(shè)定值時(shí)，會(huì)啟動(dòng)LED頻閃照明系統(tǒng)，給工業(yè)相機(jī)提供照明。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高分辨率、高幀速相機(jī)的選擇

目前能夠獲得高質(zhì)量圖像的相機(jī)有2種，線陣相機(jī)和面陣相機(jī)；線陣相機(jī)是一種比較特殊的形式，其像元是一維線狀排列的，即只有一行像元，每次只能采集一行的圖像數(shù)據(jù)，只有當(dāng)相機(jī)與被攝物體在縱向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)才能得到我們平?？吹降亩S圖像。在機(jī)器視覺(jué)中一般用于被測(cè)物連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，尤其適合于運(yùn)動(dòng)速度恒定、分辨率要求較高的情況。就本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，由于縱向觸發(fā)精度控制、相機(jī)工作行頻等原因采用線陣相機(jī)有一定問(wèn)題。而面陣相機(jī)其像元是按行列整齊排列的，每個(gè)像元對(duì)應(yīng)圖像上的一個(gè)像素點(diǎn)，一般所說(shuō)的分辨率就是指像元的個(gè)數(shù)。對(duì)于本項(xiàng)目可以保證圖像質(zhì)量。

經(jīng)過(guò)前期多次現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，選擇了一款適合于在鐵路這種干擾源多、情況復(fù)雜的狀況下的高速面陣相機(jī)。

3.2 海量圖像數(shù)據(jù)無(wú)丟幀、錯(cuò)幀以及重幀存儲(chǔ)技術(shù)

相機(jī)采集的單張圖像大小為1.37 MB，按最低幀速20幀/s的速度計(jì)算，1臺(tái)相機(jī)每秒采集的數(shù)據(jù)量為20×1.37 MB = 27.4 MB，3臺(tái)相機(jī)每秒采集的數(shù)據(jù)量為27.4 MB×3=82.2 MB；按照最高幀速60幀/s的速度計(jì)算，1臺(tái)相機(jī)每秒采集的數(shù)據(jù)量為60×1.37 MB = 82.2 MB，3臺(tái)相機(jī)每秒采集的數(shù)據(jù)量為27.4 MB×3=246.6 MB。

而目前單塊硬盤的穩(wěn)定寫入速度，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試小文件存儲(chǔ)為30 MB/s～40 MB/s；大文件存儲(chǔ)為80 MB/s～90 MB/s。這個(gè)寫入速度可以滿足“20幀/s”狀態(tài)下圖像無(wú)丟幀、錯(cuò)幀的存儲(chǔ)，無(wú)法滿足“60幀/s” 狀態(tài)下圖像無(wú)丟幀、錯(cuò)幀的存儲(chǔ)。

為解決這個(gè)技術(shù)問(wèn)題，系統(tǒng)采用了雙緩沖、大數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)技術(shù)及磁盤Raid技術(shù)，可確保在“60幀/s” 狀態(tài)下圖像無(wú)丟幀、錯(cuò)幀的存儲(chǔ)。

3.3 抗強(qiáng)光干擾技術(shù)

影響圖像成像質(zhì)量干擾光源主要有以下幾種：

（1）陽(yáng)光強(qiáng)光直射干擾；

（2）對(duì)側(cè)LED頻閃光源高亮度光線干擾；

（3）淺色車體反光干擾。

為解決這個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)采用了以下技術(shù)手段，效果對(duì)比如圖2所示。

圖2 同樣光照環(huán)境下的效果對(duì)比圖

（1）提高LED頻閃單元的響應(yīng)時(shí)間，使其達(dá)到毫秒級(jí)；

（2）選擇高動(dòng)態(tài)相機(jī)，動(dòng)態(tài)調(diào)整相機(jī)響應(yīng)曲線；

（3）選擇抗干擾效果相對(duì)較好的CMOS相機(jī)。

3.4 相機(jī)感光參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)

由于相機(jī)采用的是定焦、定光圈鏡頭，要做到全天候自適應(yīng)采集到清晰的圖像，就需要不斷地調(diào)整相機(jī)的曝光時(shí)間及增益值；為此系統(tǒng)采用了相機(jī)感光參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)。

到達(dá)規(guī)定的時(shí)間間隔時(shí)（可設(shè)置，缺省為30 min），系統(tǒng)自動(dòng)采集一張當(dāng)前環(huán)境光下的圖片，調(diào)用圖像分析庫(kù)獲取圖像的直方圖；并與標(biāo)準(zhǔn)模板圖像的直方圖進(jìn)行對(duì)比。利用特定的算法獲取目標(biāo)曝光時(shí)間與曝光值；同時(shí)利用光照傳感器獲取背景光的LUX值，綜合計(jì)算分析，獲得理想的曝光時(shí)間及增益值；并通知相機(jī)在下次采集圖像時(shí)使用新的參數(shù)，以獲取理想的圖像。

4 關(guān)鍵軟件模塊設(shè)計(jì)

4.1 軟件支撐系統(tǒng)

軟件支撐系統(tǒng)負(fù)責(zé)圖像采集、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)?，由系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、圖像采集與控制、虛擬與磁盤存儲(chǔ)、構(gòu)建索引與歷程匹配、圖像鏈路傳輸控制等模塊組成。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.2 軟件通信系統(tǒng)

圖3 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)采用分布式處理、集中管理控制布局架構(gòu)，將分析、處理功能分散到各個(gè)處理器單元并行工作，并通過(guò)集中調(diào)度策略合理的分配每個(gè)處理器的工作強(qiáng)度，以達(dá)到高效率的運(yùn)行；鑒于該套完整的系統(tǒng)是由2方共同完成，為保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與可延續(xù)性，采用工作流設(shè)計(jì)，將要實(shí)現(xiàn)的各個(gè)功能抽象、概括、描述，建立一個(gè)完善的工作流模型，并按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法規(guī)劃各個(gè)程序組的組成與功能結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流包括：圖像數(shù)據(jù)流、命令數(shù)據(jù)流、控制數(shù)據(jù)流以及程序內(nèi)部的消息流，為保證數(shù)據(jù)流高效、準(zhǔn)確、及時(shí)的傳輸，須構(gòu)建一套完整的負(fù)載均衡控制機(jī)制，這樣才能確保整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)流傳輸控制示意圖

該系統(tǒng)支持自動(dòng)排隊(duì)調(diào)度和管理。負(fù)載信息管理員程序及遠(yuǎn)程執(zhí)行服務(wù)器的共同作用，解決了單一機(jī)群系統(tǒng)映象及用戶程序在機(jī)群系統(tǒng)內(nèi)快速有效執(zhí)行的問(wèn)題。然而在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，往往有眾多的用戶程序需要同時(shí)處理，機(jī)群系統(tǒng)可能面臨資源不夠的問(wèn)題。如果不分系統(tǒng)負(fù)荷情況，只管根據(jù)需要選擇機(jī)器運(yùn)行，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常有效運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)通過(guò)主批處理程序建立相應(yīng)的用戶程序隊(duì)列管理中心，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷情況、用戶程序運(yùn)行所需要的資源需求信息以及系統(tǒng)管理員事先定義的調(diào)度算法和策略，自動(dòng)選擇排在前面的作業(yè)執(zhí)行。運(yùn)行在各計(jì)算節(jié)點(diǎn)的從批處理程序接收來(lái)自主批處理程序的運(yùn)行用戶程序請(qǐng)求并啟動(dòng)相應(yīng)的用戶程序運(yùn)行。

該系統(tǒng)的調(diào)度算法以隊(duì)列為基礎(chǔ)，可以支持多隊(duì)列調(diào)度策略。不同的隊(duì)列可以根據(jù)項(xiàng)目、應(yīng)用或者資源使用以及可以使用的主機(jī)及用戶的不同，采用不同的調(diào)度策略。具體的調(diào)度算法包括：

（1）先來(lái)先服務(wù)FCFS；

（2）公平調(diào)度及份額控制Fairshare；

（3）搶占式調(diào)度 Preemption；

（4）獨(dú)占式調(diào)度 Exclusive；

（5）主機(jī)公平調(diào)度 HostParation；

（6）資源預(yù)約調(diào)度Resource Reservation；

（7）高級(jí)處理器預(yù)約 Advance Reservation。

該系統(tǒng)具備完善的作業(yè)控制能力，可以對(duì)作業(yè)的運(yùn)行時(shí)間、CPU 時(shí)間、內(nèi)存大小、數(shù)據(jù)區(qū)大小、CPU數(shù)量、文件大小等進(jìn)行控制。支持基于主機(jī)、用戶及隊(duì)列的動(dòng)態(tài)負(fù)荷調(diào)度和控制，包括CPU利用率、反應(yīng)CPU忙閑的15 min、1 min及15 s，平均運(yùn)行隊(duì)列長(zhǎng)度r15m/r1m/r15s、反應(yīng)I/O及內(nèi)存換頁(yè)負(fù)荷的io/pg、反應(yīng)用戶登錄及交互式操作等信息的ls/it、以及操作系統(tǒng)的可用內(nèi)存、swp和tmp空間等的調(diào)度/控制。

4.3 相機(jī)曝光、增益自動(dòng)調(diào)節(jié)軟件系統(tǒng)

由于相機(jī)采用的是定焦、定光圈鏡頭，要做到全天候自適應(yīng)采集到清晰的圖像，就需要不斷地調(diào)整相機(jī)的曝光時(shí)間及增益值；相機(jī)曝光、增益自動(dòng)調(diào)節(jié)軟件工作原理如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路貨車裝載狀態(tài)高清圖像監(jiān)視系統(tǒng)，圓滿實(shí)現(xiàn)了總體方案，達(dá)到了各項(xiàng)功能要求，抓拍的圖像清晰、分辨率高，可自適應(yīng)多種天氣狀況。該系統(tǒng)已在鄭州東站圃田西貨場(chǎng)安裝試用，如圖6所示。得到現(xiàn)場(chǎng)貨檢人員的認(rèn)可，避免了人工檢查帶來(lái)的效率低、數(shù)據(jù)不易保存、取證困難的缺點(diǎn)，使貨檢值班人員能夠隨時(shí)了解貨物的裝載狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝載的問(wèn)題和隱患，系統(tǒng)已于2013年3月通過(guò)鄭州鐵路局技術(shù)鑒定，為確保貨檢效能和作業(yè)安全、提高鐵路貨運(yùn)安全保障能力，提高貨運(yùn)安全信息化管理水平提供了新手段。

圖5 相機(jī)曝光、增益自動(dòng)調(diào)節(jié)軟件工作原理

圖6 設(shè)備在鄭州東站圃田西貨場(chǎng)安裝情況

[1]邵澤寬，王俊嶺.局口車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別率的改進(jìn)方案[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，20（7）.

責(zé)任編輯 方 圓

Design and implementation on High-definition Picture Monitoring System of railway freight transportation

ZHOU Haoyu1, YU Miao2

( 1. Qiushi College, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2.Institute of Science and Technology, Zhengzhou Railway Administration, Zhengzhou 450000, China )

With the monitoring demand of railway freight transportation, high-definition camera based Monitoring System was proposed to take the photo of the freight trains. The System was used to store mass data and design the JXR compaction algorithm. The application proofed the System could implement the realtime collection and storage for the image of high-speed freight train.

freight transport charge condition; image monitoring; real time; compaction and storage

U294.2∶TP39

A

1005-8451（2014）01-0033-04

2013-07-15

趙昊宇，在讀本科生；余 淼，高級(jí)工程師。