城市軌道車輛綜合線路圖處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

王 帥, 方 宇, 蔣曉東, 孫洪濤, 尉曼遠(yuǎn), 胡定玉

(1 上海工程技術(shù)大學(xué), 上海201620；2 申通北車(上海)軌道交通車輛維修有限公司, 上海201106；3 上海移鴻信息科技有限公司, 上海201600)

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展,人工智能和大數(shù)據(jù)分析已經(jīng)廣泛運(yùn)用于很多領(lǐng)域,將城市軌道交通和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)結(jié)合起來(lái)也是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。 目前,數(shù)字圖像處理作為圖像領(lǐng)域 的 重 要 部 分, 將 其 與 MATLAB 結(jié) 合, 利 用MATLAB 軟件強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力,可達(dá)到對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析的目的。

圖像領(lǐng)域研究中具有代表性的是南京大學(xué)數(shù)字圖像采集與處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和清華大學(xué)所研制出的數(shù)字圖像研發(fā)處理系統(tǒng)TDB-IDK。 上述兩個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)主要是能夠?qū)崟r(shí)分析圖像信號(hào),方便開(kāi)發(fā)人員對(duì)圖像進(jìn)行處理,且能夠依據(jù)用戶的具體需求進(jìn)行合理的改動(dòng),不僅能完成黑白以及彩色信號(hào)的快速分析,還能完成圖形的整體顯示功能［1］。

圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛的運(yùn)用于多種領(lǐng)域,如醫(yī)療保健、航空航天、軍事等,但是城市軌道交通和圖像處理技術(shù)結(jié)合的研究較為少見(jiàn)。 當(dāng)前,國(guó)內(nèi)已有地鐵公司開(kāi)發(fā)了城市軌道交通列車電氣仿真系統(tǒng)。 電氣仿真系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)是對(duì)城市軌道交通綜合線路圖進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),一般采用電腦瀏覽圖片的方式進(jìn)行人工識(shí)別城市軌道交通車輛綜合線路圖。 在這種情況下,上傳圖片的清晰程度會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確率。 針對(duì)該問(wèn)題,需要開(kāi)發(fā)一套系統(tǒng),從而可以快速的將上傳的不清晰綜合線路圖進(jìn)行處理。 由于不同的線路圖存在的清晰問(wèn)題不一樣,該系統(tǒng)需兼?zhèn)淇刹僮餍?便于工作人員進(jìn)行可選擇,有需求的操作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

國(guó)內(nèi)地鐵公司的綜合線路圖一般分為兩種,紙質(zhì)版和PDF 版。 紙質(zhì)版綜合線路圖存在易破損、易污染等問(wèn)題,由于上傳的紙質(zhì)版綜合線路圖圖片一般是人工拍攝的,受限于拍攝設(shè)備與技術(shù),上傳的圖片可能存在模糊和傾斜等情況。 而PDF 版綜合線路圖受限于電腦屏幕,需要對(duì)圖片進(jìn)行放大和縮小,容易導(dǎo)致圖片失真。 所以,紙質(zhì)版和PDF 版電路圖均不利于直接識(shí)別。 針對(duì)上述情況,論文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以對(duì)上傳的圖片進(jìn)行快速處理,便于操作,可以根據(jù)界面所提供的功能直觀地進(jìn)行相關(guān)操作,提高了工作效率,且可以保存原始的數(shù)據(jù)方便查驗(yàn)和管理。 經(jīng)過(guò)本系統(tǒng)處理后的城市軌道交通車輛綜合線路圖,能夠?yàn)楹罄m(xù)數(shù)據(jù)采集提供保障,提高了最終的綜合線路圖識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確率。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框架

利用MATLAB 軟件,搭建城市軌道車輛綜合線路圖處理系統(tǒng)。 該系統(tǒng)可以根據(jù)需求對(duì)上傳的不清晰線路圖圖片進(jìn)行處理,系統(tǒng)的總體框架如圖1 所示。 系統(tǒng)分為登陸模塊、圖像處理模塊、反饋模塊和后臺(tái)管理模塊。 在登錄模塊進(jìn)行登錄,進(jìn)入到圖像處理模塊,在該模塊對(duì)上傳的線路圖圖片進(jìn)行特定需求的操作。 圖片處理完成后進(jìn)入反饋模塊,在反饋窗口中,可以對(duì)本次圖片處理進(jìn)行評(píng)分與提出建議,分?jǐn)?shù)和建議將提交至后臺(tái)管理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,用于對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn),同時(shí)在該模塊中還可與其它軟件進(jìn)行連接。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig. 1 Overall system architecture diagram

1.3 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)分析

該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于,將上傳的模糊、不清晰的圖片進(jìn)行二次處理,且提供了豐富的處理功能。 利用該系統(tǒng)可以對(duì)城市軌道車輛綜合線路圖進(jìn)行有需要的操作,具有良好的實(shí)用性和用戶交互性,提供工作便利的同時(shí),確保車輛綜合線路圖處理的準(zhǔn)確性,為后續(xù)的城市軌道交通綜合線路圖數(shù)據(jù)采集和電氣系統(tǒng)檢修建立良好的基礎(chǔ)。 利用該系統(tǒng)不僅可以了解系統(tǒng)各部分功能實(shí)現(xiàn)的具體步驟,還可以直觀的看到不同的數(shù)字圖像處理算法的相關(guān)結(jié)果,該系統(tǒng)還具有良好的擴(kuò)展性和一定的改進(jìn)空間。

2 系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)

2.1 登錄界面開(kāi)發(fā)

利用MATLAB 的界面設(shè)計(jì)編輯器和屬性檢查器兩個(gè)功能,并且加入以下代碼：

ha=axes('units','normalized','pos',［0 0 1 1］)；

uistack(ha,'down')；

ii=imread('subway.jpg')；

image(ii)；

colormap gray

set(ha,'handlevisibility','off','visible','on')；

2.2 圖像處理模塊開(kāi)發(fā)

圖像處理模塊的功能分為五大部分,如圖2 所示,分別是圖像轉(zhuǎn)化、圖像平滑去噪、圖像銳化、圖像邊緣檢測(cè)和圖像分割,功能實(shí)現(xiàn)依托于MATLAB 源碼編譯,每一部分對(duì)應(yīng)的功能介紹如下：

(1)圖像轉(zhuǎn)化。 圖像轉(zhuǎn)化包括圖像的格式轉(zhuǎn)化、圖像的傾斜校正及圖像的灰度化處理等操作。MATLAB 支持的圖像類型有索引圖像、灰度圖像、真彩色圖像等多種類型。 大多數(shù)的圖像都需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后才能進(jìn)行后續(xù)處理。 真彩色圖像需轉(zhuǎn)化為灰度圖像,進(jìn)行歸一化處理。 由于上傳的城市軌道交通綜合線路圖是人工拍攝的,可能會(huì)存在傾斜問(wèn)題,進(jìn)行傾斜校正,得到校正后的圖片。

圖2 圖像處理模塊結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Image processing module structure diagram

(2)圖像平滑去噪。 人工拍攝得到的圖像可能會(huì)模糊不清,即使清晰的圖像在獲取和傳輸?shù)倪^(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生噪聲,如何有效去除噪聲是提高識(shí)別綜合線路圖識(shí)別準(zhǔn)確率的關(guān)鍵。 本系統(tǒng)提供了均值濾波和中值濾波和小波降噪三種算法供選擇。

(3)圖像銳化。 圖像的銳化處理是指通過(guò)增強(qiáng)圖像的邊緣以及灰度變化明顯的部分,使圖片的輪廓線和細(xì)節(jié)等部分便于進(jìn)行更清晰的處理。 從數(shù)學(xué)觀點(diǎn)上來(lái)看,圖像銳化主要是通過(guò)微分方法進(jìn)行的,分為線性銳化處理和非線性銳化處理。 MATLAB 提供了利用fspecial()函數(shù)創(chuàng)建的Laplacian 算子,Roberts 梯度算子,Sobel 算子等多種算法,便于根據(jù)需求來(lái)選擇不同的方法去進(jìn)行相關(guān)的圖像銳化處理。

(4)圖像邊緣檢測(cè)。 圖像的邊緣檢測(cè)是數(shù)字圖像處理的重要部分,尤其是在目標(biāo)區(qū)域識(shí)別和特征目標(biāo)區(qū)域提取這兩部分中運(yùn)用廣泛。 城市軌道交通綜合線路圖并不是每張圖只有一個(gè)模塊,有的一張圖里有3 個(gè)模塊,模塊A、模塊B 和模塊C。 只有找到3 個(gè)模塊的邊緣位置,才能進(jìn)行下一步的操作。同樣綜合線路圖中的拐點(diǎn)也是需要檢測(cè)的,拐點(diǎn)分為實(shí)點(diǎn)和虛點(diǎn),實(shí)點(diǎn)一般代表線路連接點(diǎn),即不同線路的交匯點(diǎn)。 虛點(diǎn)一般代表模塊連接點(diǎn),即線路和虛線框的交匯點(diǎn)。 MATLAB 提供了專門的函數(shù)用于邊緣檢測(cè),即edge()工具函數(shù),該函數(shù)支持zerocross 算子,Prewitt 算子,Canny 算子等不同的算子,可以根據(jù)需求進(jìn)行相關(guān)的邊緣檢測(cè)。

(5)圖像分割。 圖像分割將圖像的某些感興趣的特征區(qū)域分割提取的技術(shù),一般采用的技術(shù)分為全局分割和區(qū)域分割。 全局分割技術(shù)又稱為閾值分割,包括全局閾值法、迭代式閾值分割和直方圖闕值分割等；區(qū)域分割技術(shù)主要包括區(qū)域生長(zhǎng)法和分水嶺分割法。 其中分水嶺分割法又分為距離變換分水嶺分割法、梯度分水嶺分割法和標(biāo)記符分水嶺分割法。

2.3 反饋模塊開(kāi)發(fā)

反饋模塊主要有兩部分功能,即評(píng)分和提出建議,如圖3 所示。 由圖3 可知,評(píng)分功能共分為五項(xiàng),由于對(duì)系統(tǒng)處理后的圖片存在主觀評(píng)價(jià),所以評(píng)分分?jǐn)?shù)可以直接體現(xiàn)系統(tǒng)的良好程度。 當(dāng)分?jǐn)?shù)低于60 分時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)在后臺(tái)管理模塊中彈出警告,評(píng)分信息將被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。 建議功能就是供使用人員提出意見(jiàn)與訴求,如添加系統(tǒng)新功能、對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的修改建議等。 反饋模塊的功能主要是便于后臺(tái)工作人員對(duì)于系統(tǒng)的維護(hù)和后續(xù)改進(jìn)。

2.4 后臺(tái)管理模塊開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)的后臺(tái)管理模塊有兩個(gè)功能,如圖4 所示。第一個(gè)功能是收集反饋模塊所提交的信息,將反饋的分?jǐn)?shù)和建議保存及后續(xù)定期數(shù)據(jù)分析。 如將不同分?jǐn)?shù)段的分?jǐn)?shù)分批統(tǒng)計(jì),建立分?jǐn)?shù)直方圖,便于直觀的進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋坏诙€(gè)功能是將MATLAB 軟件與其它軟件進(jìn)行連接。 MATLAB 雖然是一個(gè)強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算軟件,廣泛運(yùn)用于較多領(lǐng)域,但是有很多實(shí)際的運(yùn)用并未普及,需要與其它軟件協(xié)作運(yùn)行,如SQL Sever 數(shù)據(jù)庫(kù)、Visual C ＋＋6.0 和Javascript 等軟件。通過(guò)協(xié)作運(yùn)行,后臺(tái)管理可以確保前臺(tái)功能正常,從而提高系統(tǒng)的可靠性和高效性。 以MATLAB 和Visual C ＋＋結(jié)合為例,首先將Matlab 算法轉(zhuǎn)換為Visual C＋＋6.0 可識(shí)別的程序,將轉(zhuǎn)換后生成文件中的.dll 文件、.lib 文件和.h 文件復(fù)制到系統(tǒng)所在路徑下,在Visual C＋＋6.0 中調(diào)用相應(yīng)的.h 文件中的函數(shù),這樣就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能［7］。

圖3 反饋模塊結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure diagram of feedback module

圖4 后臺(tái)管理模塊結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Background management module structure diagram

3 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

系統(tǒng)上傳了一張如圖5 所示的原始城市軌道交通綜合線路圖,該圖片不僅不清晰,而且充滿了噪聲,不利于進(jìn)行直接識(shí)別。 將利用MATLAB 程序?qū)€路圖進(jìn)行快速處理,經(jīng)過(guò)拉普拉斯算子和均值濾波處理后,得到一張清晰的、便于識(shí)別的綜合線路圖,如圖6 所示。

3.2 綜合線路圖采集結(jié)果分析

城市軌道車輛綜合線路圖一般采用人工手動(dòng)采集的方式,將綜合線路圖根據(jù)電腦屏幕的大小進(jìn)行截取并上傳到采集系統(tǒng)中,這樣會(huì)導(dǎo)致上傳的電路圖存在模糊、有瑕疵等問(wèn)題,如圖5 所示。 此外,采集是通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)獲取的,按照數(shù)字和字母點(diǎn)擊左下角,電路元器件點(diǎn)擊左上角,線路路徑點(diǎn)擊起始點(diǎn),完成一張線路圖數(shù)據(jù)采集的時(shí)間平均在45 min 左右,不僅易于出現(xiàn)坐標(biāo)誤差,而且進(jìn)行元器件比對(duì)時(shí)也常出現(xiàn)模糊的狀況。 根據(jù)大數(shù)據(jù)分析,人工數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率一般在70%左右。

圖5 未經(jīng)處理的列車綜合線路圖Fig. 5 Unprocessed comprehensive train map

圖6 系統(tǒng)處理后的綜合線路圖Fig. 6 Comprehensive circuit diagram after system processing

該系統(tǒng)通過(guò)將上傳電路圖進(jìn)行處理,可以確保輸出的電路圖更為清晰、便于識(shí)別與分析,進(jìn)而提升了準(zhǔn)確率,如圖6 所示。 采集元器件時(shí),將掃描到的圖像和元器件庫(kù)中的樣本進(jìn)行比對(duì),當(dāng)匹配率達(dá)到80%以上時(shí),便可確定該元器件,從而輸出坐標(biāo)。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,本系統(tǒng)的采集準(zhǔn)確率可達(dá)95%。 系統(tǒng)已經(jīng)建立了較為完整的元器件庫(kù)和線路路徑庫(kù),可根據(jù)編輯好的采集系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)綜合線路圖進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集線路圖所需時(shí)間縮短至15 min 左右。

通過(guò)表1 的結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確率較人工數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確率提高了25%,系統(tǒng)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集的時(shí)間較人工數(shù)據(jù)采集的時(shí)間縮短了30 min。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab. 1 Comparison of experimental results

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于MATLAB 軟件中豐富的圖像處理函數(shù)和GUI 人機(jī)友好交互的特性,設(shè)計(jì)出城市軌道車輛綜合線路圖處理系統(tǒng),系統(tǒng)可以對(duì)上傳的城市軌道車輛綜合線路圖圖片進(jìn)行快速、有選擇的智能處理,為后續(xù)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性提供保證。 系統(tǒng)的反饋模塊可以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及維護(hù)優(yōu)化,給予系統(tǒng)較大的完善空間。 當(dāng)前,地鐵綜合線路圖的數(shù)據(jù)采集以人工為主,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展,綜合線路圖的數(shù)據(jù)采集將由人工采集轉(zhuǎn)化為電腦智能采集,本系統(tǒng)進(jìn)一步的改善和更新,確保長(zhǎng)期使用。