接觸網(wǎng)視頻與幾何參數(shù)同步檢測(cè)技術(shù)

張翼

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

0 引言

在接觸網(wǎng)檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（6C系統(tǒng)）中，接觸網(wǎng)視頻與幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)既是高速接觸網(wǎng)綜合檢測(cè)裝置（1C裝置），也是接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置（4C裝置）的重要組成部分。接觸網(wǎng)視頻系統(tǒng)相機(jī)靶面拍攝受電弓、接觸網(wǎng)及幾何參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量面等區(qū)域，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)作用關(guān)系以及部分接觸網(wǎng)零部件的工作狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)排查出缺陷數(shù)據(jù)時(shí)，用于比對(duì)缺陷數(shù)據(jù)出現(xiàn)位置所對(duì)應(yīng)的外部設(shè)備實(shí)際工作環(huán)境。接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量接觸線的導(dǎo)高、拉出值和雙支接觸線相互位置等參數(shù)［1-5］，既可運(yùn)用于新建接觸網(wǎng)工程聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，測(cè)試靜態(tài)幾何參數(shù)和平順性參數(shù)，也可應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)接觸網(wǎng)設(shè)施周期性動(dòng)態(tài)檢測(cè)中，測(cè)試運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的接觸線動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)。

針對(duì)接觸網(wǎng)視頻與幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行同步檢測(cè)技術(shù)研究，設(shè)計(jì)全新的系統(tǒng)架構(gòu)，發(fā)掘兩檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性，研制同步設(shè)備，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，實(shí)現(xiàn)幾何參數(shù)每1組測(cè)量數(shù)據(jù)均能關(guān)聯(lián)到線路實(shí)際位置的視頻圖像，方便判斷超限數(shù)據(jù)形成原因，進(jìn)一步完善檢測(cè)系統(tǒng)功能。

1 檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)有檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。里程定位服務(wù)器接收編碼器脈沖后，每隔固定時(shí)間通過(guò)局域網(wǎng)發(fā)送里程定位信息至接觸網(wǎng)視頻與幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，接觸網(wǎng)視頻系統(tǒng)采用等時(shí)采樣方式采集網(wǎng)口相機(jī)發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)接收編碼器脈沖，采用等距采樣方式接收攝像組件數(shù)據(jù)，兩系統(tǒng)將定位信息與檢測(cè)數(shù)據(jù)疊加后發(fā)送至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊，該方法實(shí)施簡(jiǎn)單、可行性強(qiáng)，但兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式不同、信息量不對(duì)等，且里程定位服務(wù)器等時(shí)發(fā)送的定位信息密度較低，不足以覆蓋檢測(cè)系統(tǒng)每1幀的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身也會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，導(dǎo)致兩系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)齊誤差較大。

圖1 現(xiàn)有檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

在現(xiàn)有接觸網(wǎng)視頻與幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)間增加視頻采集板，替換視頻采集工控機(jī)，新架構(gòu)為保證系統(tǒng)的同步觸發(fā)特性，將編碼器脈沖接入幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡統(tǒng)一進(jìn)行分頻處理，分頻后脈沖分別發(fā)送至幾何參數(shù)攝像組件及網(wǎng)口相機(jī)進(jìn)行觸發(fā)拍攝。幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)增加422串口卡，將觸發(fā)時(shí)刻的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線發(fā)送至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。接觸網(wǎng)視頻采集板同時(shí)接收觸發(fā)時(shí)刻的網(wǎng)口相機(jī)數(shù)據(jù)與幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的同步信息。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器通過(guò)比對(duì)兩系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的同步信息，將同一觸發(fā)脈沖時(shí)刻的視頻圖片與接觸網(wǎng)幾何參數(shù)一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，解決了原系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)齊誤差較大的弊端。更新后系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 更新后系統(tǒng)架構(gòu)

2 視頻采集板

檢測(cè)系統(tǒng)接口統(tǒng)計(jì)見表1。針對(duì)種類繁多的檢測(cè)系統(tǒng)接口，要求搭載平臺(tái)具有相當(dāng)?shù)拈_發(fā)靈活性，以適應(yīng)不同設(shè)備對(duì)平臺(tái)提出的需求?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）芯片由可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、豐富的布線資源（時(shí)鐘/長(zhǎng)線/短線）、底層嵌入功能單元、內(nèi)嵌專用硬核等組成，具備性能強(qiáng)、開發(fā)靈活性高、成本低、周期短等優(yōu)勢(shì)，借助FPGA芯片為核心，并搭載相關(guān)外圍接口電路研制視頻采集板［6］。

表1 檢測(cè)系統(tǒng)接口統(tǒng)計(jì)

視頻采集板內(nèi)部數(shù)據(jù)流程見圖3，其中外部的50 MHz及200 MHz時(shí)鐘源為FPGA內(nèi)部邏輯處理提供時(shí)鐘信號(hào)，422接口芯片接收外部控制信號(hào)及外部觸發(fā)時(shí)刻信息，分別用于設(shè)定采集板工作模式以及為視頻圖像疊加標(biāo)志信息。外部數(shù)據(jù)接口部分設(shè)有2路千兆網(wǎng)GIGE接收模塊，可接收網(wǎng)口相機(jī)發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，并通過(guò)GIGE并行數(shù)據(jù)接口芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA數(shù)據(jù)接口模塊，F(xiàn)PGA內(nèi)部在控制邏輯的協(xié)調(diào)下，圖像數(shù)據(jù)完成緩存、直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（DMA）傳輸、疊加觸發(fā)時(shí)刻信息、打包等流程后，發(fā)送至FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，并通過(guò)GIGE并行數(shù)據(jù)接口芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送至GIGE發(fā)送模塊，GIGE發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)GIGE通信協(xié)議的形式發(fā)送至后端數(shù)據(jù)處理服務(wù)器［7］。

圖3 視頻采集板內(nèi)部數(shù)據(jù)流程

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證視頻采集板的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境見圖4，其中信號(hào)發(fā)生器用于模擬列車編碼器脈沖，通過(guò)端子板與幾何參數(shù)工控機(jī)采集卡建立連接，幾何參數(shù)工控機(jī)分別將分頻后的脈沖及同步數(shù)據(jù)發(fā)送至視頻相機(jī)與視頻采集板，視頻相機(jī)接收到觸發(fā)信號(hào)后拍攝幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量區(qū)域并傳遞圖像數(shù)據(jù)至視頻采集板，視頻采集板完成圖像與同步數(shù)據(jù)的疊加后，將圖像發(fā)送至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接收到觸發(fā)時(shí)刻的視頻圖像與幾何數(shù)據(jù)后，比對(duì)同步信息，實(shí)現(xiàn)圖像與數(shù)據(jù)的一一對(duì)應(yīng)［8-9］。

對(duì)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器中疊加有同步信息的幾何參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)和視頻圖像進(jìn)行關(guān)聯(lián)（見表2），圖片ID號(hào)為視頻相機(jī)拍攝圖片序號(hào)，相鄰2幀圖片之間序號(hào)差值為5，因此隨著拍攝進(jìn)行圖片ID號(hào)遞增累加，同步信息為同一觸發(fā)脈沖下幾何參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)與視頻圖片的標(biāo)志信息，其代表數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)刻的觸發(fā)脈沖計(jì)數(shù)。圖片ID號(hào)和同步信息值換算關(guān)系如下：

式中：D為圖片ID號(hào)；T為同步信息值；i為兩系統(tǒng)觸發(fā)拍攝和采集時(shí)所得到的數(shù)據(jù)幀號(hào)；F為分頻系數(shù)；n為自然數(shù)。

為驗(yàn)證系統(tǒng)的同步準(zhǔn)確性，隨機(jī)在兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中挑選15組數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)5個(gè)幾何參數(shù)標(biāo)定架位置，每個(gè)位置都挑選3張視頻圖片（見圖5）和3組幾何參數(shù)測(cè)量值。通過(guò)觀察表2中數(shù)據(jù)，可驗(yàn)證圖片ID號(hào)與同步信息值符合式（1）中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)序關(guān)系正確。通過(guò)觀察15張視頻圖片中的標(biāo)定架設(shè)定值與相同同步信息所對(duì)應(yīng)的15組幾何參數(shù)導(dǎo)高、拉出值，可驗(yàn)證接觸網(wǎng)視頻與幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)在相同觸發(fā)脈沖下一一對(duì)應(yīng)，達(dá)到同步檢測(cè)需求［10］。

圖4 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境布置

表2 檢測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)情況

4 結(jié)束語(yǔ)

基于自主研制的接觸網(wǎng)視頻采集板，對(duì)弓網(wǎng)視頻與幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)同步檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行論證及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出檢測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)，確定兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)間的同步方式、時(shí)序關(guān)系及關(guān)聯(lián)標(biāo)記。對(duì)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表明檢測(cè)系統(tǒng)不僅在硬件和軟件層面，也在數(shù)據(jù)層面實(shí)現(xiàn)了一一對(duì)應(yīng)，真正做到“所檢即所見”，為后續(xù)軟件調(diào)取任意采樣點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)與同步視頻圖片提供可能性，便于檢測(cè)數(shù)據(jù)的超限判斷和綜合分析。該同步檢測(cè)裝置可應(yīng)用于新建及現(xiàn)有高速、普速鐵路的接觸網(wǎng)設(shè)備檢測(cè)，能夠減少線路天窗時(shí)間、節(jié)省人工成本，為高速高效完成接觸網(wǎng)供電設(shè)備的檢測(cè)和維護(hù)工作提供技術(shù)支持。

圖5 檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的視頻截圖