基于視頻監(jiān)控的轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊振

【摘 要】轉(zhuǎn)轍機作為鐵路道岔閉合與分離的動力設(shè)備，主要通過改變鐵軌上道岔的閉合方向?qū)崿F(xiàn)火車的換軌，當?shù)啦砑廛壟c鐵軌閉合時，能夠?qū)⒌啦砑舛随i閉在規(guī)定的軌道上，實現(xiàn)兩條軌道的閉合，同時也能反映道岔的位置狀態(tài)。轉(zhuǎn)轍機工作時是否將鐵軌閉合到位，會影響到火車運行的安全。因此本文在計算機技術(shù)、圖像識別算法、現(xiàn)代檢測技術(shù)等多種技術(shù)的基礎(chǔ)上研究并設(shè)計了基于視頻監(jiān)控的轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】視頻監(jiān)控；道岔位置；轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)；設(shè)計

引言：轉(zhuǎn)轍機是改變道岔開通方向的動力設(shè)備，能使火車通過道岔從一股軌道駛?cè)肓硪还刹煌较虻能壍?，達到換軌的目的。由于轉(zhuǎn)轍機的工作環(huán)境大部分處于室外，自然環(huán)境十分惡劣，晝夜溫差和天氣變化都會影響轉(zhuǎn)轍機中的正常工作，故需對轉(zhuǎn)轍機的工作狀態(tài)進行檢測，保證轉(zhuǎn)轍機出現(xiàn)故障時能及時得到維修，確保鐵路安全運行。隨著我國高鐵和動車技術(shù)的快速發(fā)展，高鐵的運行的速度越來越快，對轉(zhuǎn)轍機的安全運轉(zhuǎn)提出了更高的要求。根據(jù)鐵道部運輸部頒布的《鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的安全要求》，必須安裝一定的設(shè)備，通過實時監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機運行狀態(tài)，確保轉(zhuǎn)轍機正常工作。

1、轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1系統(tǒng)設(shè)計的需求分析

轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)通過攝像頭和各類傳感器實時監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機的工作狀態(tài)，攝像頭將采集的缺口圖像上傳給監(jiān)測主機得出缺口值的大小，從而判斷鐵路道岔尖端是否貼合緊密，通過電能傳感器得出轉(zhuǎn)轍機工作的電壓與電流值，推算出電機的輸出扭矩來判斷扳動道岔的的阻力大小，預(yù)防道岔扳動不到位的現(xiàn)象發(fā)生。轉(zhuǎn)轍機是鐵路系統(tǒng)運行過程中不可或缺的一個重要設(shè)備，絲毫的閃失都會釀成重大事故，是鐵路系統(tǒng)安全生產(chǎn)管理中的重中之重，所以這套監(jiān)測系統(tǒng)也是鐵路行車安全的重要保障之一。該系統(tǒng)的設(shè)計需要達到鐵道部運輸部相關(guān)文件的技術(shù)要求如下：

（1）缺口距離測量精度0.1mm。

（2）工作溫度的范圍為：-40C0～60C0。

（3）視頻和圖片采集要求有補光燈，并且補光燈亮度可調(diào)。

（4）具備溫度、濕度、電流、電壓、震動采集端口。

（5）能夠錄制視頻片段，錄制時長能設(shè)定，視頻壓縮編碼格式為H.264，分辨率大小為640*480。

（6）具備滿足帶寬的通訊能力，能夠?qū)崟r查看轉(zhuǎn)轍機的工作狀態(tài)。傳輸方式：電力載波和以太網(wǎng)通訊相結(jié)合。

（7）能夠根據(jù)要求輸出實時數(shù)字視頻，不需要采集聲音。

（8）三種觸發(fā)方式：通訊端口命令、震動、電流。當任何一個觸發(fā)條件成立時都應(yīng)該啟動工作，工作結(jié)束后自動進入休眠狀態(tài)。

1.2系統(tǒng)的總體設(shè)計

轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)主要由下位機信號的采集、傳輸線路和監(jiān)測主機三個部分組成。信號先由安裝在轉(zhuǎn)轍機內(nèi)的信號傳感器進行采集，然后由采集器對采集到的信號進行編碼和存儲。編碼后，監(jiān)控室內(nèi)的缺口監(jiān)測分機通過輪詢呼叫機制，經(jīng)由室外電纜對采集器中的數(shù)據(jù)進行傳輸。然后缺口監(jiān)測分機將接收的信號通過以太網(wǎng)傳輸給監(jiān)測主機，監(jiān)測主機軟件對采集的的數(shù)據(jù)進行分析和處理，將處理結(jié)果反饋給工作人員并進行存儲。轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

該系統(tǒng)可以通過攝像頭對轉(zhuǎn)轍機的工作狀況進行實時的監(jiān)控。監(jiān)控信號先由信號采集模塊進行采集，然后經(jīng)由通信線路傳輸?shù)奖O(jiān)控室，最終傳輸?shù)轿C監(jiān)測系統(tǒng)的主機。圖中主要模塊和設(shè)備的功能如下：

（1）傳感器模塊：傳感器包括 COMS 攝像頭、電壓電流傳感器、溫濕度傳感器、震動加速度傳感器。采集轉(zhuǎn)轍機的工作時的各項數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊：主要是缺口視頻和圖像的采集、編碼和存儲；其他傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲；與通訊分機通訊，根據(jù)接收到的指令執(zhí)行相應(yīng)的操作[1]。電力載波模塊將采集的信息調(diào)制成可以在電力線上傳輸?shù)男盘枺陔娏€上進行傳輸。

（3）缺口監(jiān)測分機：缺口監(jiān)測分機主要功能，一是把從通訊主機接收到的電力載波信號分離出來，把分離出來的數(shù)據(jù)發(fā)給監(jiān)測主機，二是把從監(jiān)測主機收到的數(shù)據(jù)調(diào)制成電力載波信號發(fā)送給數(shù)據(jù)采集模塊。

（4）監(jiān)測主機：主要是負責(zé)下位機設(shè)備的管理、信息的采集與處理、設(shè)備故障報警，監(jiān)測主機的工作機制是定時向各個通訊分機發(fā)送輪詢指令，接收各個缺口監(jiān)測分機的應(yīng)答，根據(jù)應(yīng)答從缺口監(jiān)測分機讀取數(shù)據(jù)。

2、硬件系統(tǒng)的溫濕度、振動和阻力采集模塊

對轉(zhuǎn)轍機的監(jiān)控還需要采集轉(zhuǎn)轍機的溫濕度、振動、阻力等參數(shù)，因此硬件系統(tǒng)還需要集成溫濕度傳感器和振動加速度傳感器，而且這兩款傳感器技術(shù)成熟，有多種方案可以選擇，但是轉(zhuǎn)轍機阻力沒有辦法直接測量，需要通過電能傳感器采集轉(zhuǎn)轍機的電壓和電流的大小，通過計算得出轉(zhuǎn)轍機的阻力值[2]。

2.1溫濕度、振動傳感器

轉(zhuǎn)轍機周圍的溫度變化比較緩慢，采用溫濕度一體化的數(shù)字傳感器DHT21能實現(xiàn)溫濕度的精確采集。轉(zhuǎn)轍機的振動可以采用振動加速度傳感器測量轉(zhuǎn)轍機振動的加速度與頻率，然后通過微處理器計算得出位移大小，即可以得出振動源的振幅和頻率。

2.2阻力采集模塊及阻力測量方法

直接測量轉(zhuǎn)轍機的阻力十分不方便，可以通過間接測量轉(zhuǎn)轍機電機的做功來推導(dǎo)出道岔轉(zhuǎn)換時的阻力大小。由于鐵路在換軌的時候轉(zhuǎn)轍機電機克服道岔阻力做功，因此可以推斷出道岔轉(zhuǎn)換阻力與電機做功有必然的聯(lián)系，轉(zhuǎn)轍機電機的實時功率可以通過電機的電氣參數(shù)進行計算。轉(zhuǎn)轍機是封裝好的產(chǎn)品，無法改動內(nèi)部電路，傳統(tǒng)測量電壓電流的方式無法實現(xiàn)電壓電流的測量，霍爾傳感器能在不改變和破壞轉(zhuǎn)轍機現(xiàn)有電路的情況下對轉(zhuǎn)轍機電機的電壓和電流進行測量，因此本系統(tǒng)采用霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)轍機電機的電壓電流，然后電機的電氣參數(shù)計算出電機做功與鐵軌阻力的關(guān)系，從而得到阻力值。

結(jié)束語

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)轍機監(jiān)測方法是鐵路工人日常的巡視檢查，或者采取在轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部安裝機械傳感器和光電傳感器來判斷轉(zhuǎn)轍機的工作狀態(tài)，這些方法受環(huán)境和人的影響很大，存在不同程度的缺陷。而隨著計算機科學(xué)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能實現(xiàn)實時的遠距離監(jiān)測。依據(jù)圖像處理來測量轉(zhuǎn)轍機缺口具有非接觸、實時性、效率高、便捷直觀等優(yōu)點。因此，根據(jù)圖像傳感技術(shù)和圖像處理技術(shù)設(shè)計開發(fā)一個系統(tǒng)對轉(zhuǎn)轍機缺口進行實時監(jiān)控具有重要的實際意義。

參考文獻：

[1]金銳.圖像式轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測在現(xiàn)場中的應(yīng)用及維護[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（2）：166-166.

[2]魯磊.轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測主機軟件的設(shè)計和實現(xiàn)[J].鐵道通信信號，2016，52（7）：42-46.

（作者單位：成都地鐵運營有限公司）