鐵路信號機房智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計

王堅強，陳祥龍，曾科智，范 婷

（1. 中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都 610031；2. 中國鐵路成都局集團公司，成都 610031）

鐵路信號系統(tǒng)作為保障列車運行安全的核心裝備，包括室外的信號機、軌道電路及轉(zhuǎn)轍機，以及室內(nèi)的繼電器、發(fā)碼設(shè)備及計算機設(shè)備等，室內(nèi)設(shè)備集中安裝在鐵路信號機房內(nèi)。鐵路信號機房對整個信號系統(tǒng)的正常運行存在直接影響，其日常巡檢工作必須嚴(yán)格按規(guī)范執(zhí)行。鐵路信號機房分布較為分散，日常巡檢工作主要采用人工方式，作業(yè)效率較低且難以保證質(zhì)量，加之運維人力不足，導(dǎo)致有時信號系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)備異常狀態(tài)不能被及時發(fā)現(xiàn)，成為嚴(yán)重影響行車安全的隱患。

智能巡檢系統(tǒng)是自動進行設(shè)備設(shè)施及安防巡回檢查的智能系統(tǒng)，自動化巡檢設(shè)備沿著預(yù)設(shè)巡檢路線，自動傳輸設(shè)備檢測數(shù)值，發(fā)現(xiàn)異常自動上報，確保巡檢作業(yè)規(guī)范到位，還可實現(xiàn)巡檢全過程可視化[1]。智能巡檢系統(tǒng)在各行業(yè)已得到廣泛運用，例如電力行業(yè)的電力巡檢機器人能夠進行各類電力巡檢作業(yè)，通過其自身攜帶的各類傳感器、高清視頻采集器、GPS定位儀、無線遠程通信設(shè)備等，對電力線路及電力設(shè)備進行檢測，同時通過數(shù)據(jù)庫和控制基站進行數(shù)據(jù)交互[2]。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)、通信、視頻監(jiān)控等技術(shù)的發(fā)展，鐵路信號系統(tǒng)已逐步開展自動化和智能化建設(shè)和應(yīng)用[3]。在鐵路信號設(shè)備智能巡檢領(lǐng)域，相關(guān)廠家基于機器視覺進行了鐵路信號機房巡檢機器人柔順控制方法的研究，但目前尚無成功應(yīng)用實例。

為此，本文依據(jù)鐵路室內(nèi)信號設(shè)備維修規(guī)程，針對信號機房日常巡檢工作的實際需要，設(shè)計了鐵路信號機房智能巡檢系統(tǒng)（簡稱：智能巡檢系統(tǒng)），運用自動化、智能化等技術(shù)，實現(xiàn)機房設(shè)備無人化巡檢、遠程監(jiān)測與告警，方便信號維護單位及時發(fā)現(xiàn)信號機房內(nèi)設(shè)備的異常狀態(tài)，快捷完成設(shè)備狀態(tài)檢查和故障排除，實現(xiàn)鐵路信號機房智能化管理和維護，夯實鐵路行車安全基礎(chǔ)。

1 鐵路信號機房日常運維工作及存在問題

1.1 鐵路信號機房日常運維工作

鐵路信號機房是安裝和維護鐵路信號系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)備的場所，主要包括微機室和機械室；微機室主要放置計算機聯(lián)鎖、列控和微機監(jiān)測等信號設(shè)備，而機械室主要有組合架、軌道柜和分線柜等[4]。按照鐵路相關(guān)要求，鐵路信號機房日常運維工作主要包括：

（1）定期巡視室內(nèi)設(shè)備狀態(tài)，在巡視記錄本中記錄；

（2）監(jiān)測設(shè)備告警后，分析、確認(rèn)及處理故障；

（3）登記進入機房的人員；

（4）采用視頻方式記錄機房施工和維修過程；

（5）重啟集中監(jiān)測系統(tǒng)工作站；

（6）機房設(shè)備除塵等。

1.2 存在問題

目前，鐵路信號機房日常運維工作主要采用人工方式，存在以下問題：

（1）人工巡檢作業(yè)效率低，人力資源浪費嚴(yán)重：信號機房設(shè)置比較分散，機房內(nèi)設(shè)備數(shù)量較多、類型多樣，設(shè)備之間連接復(fù)雜，人工巡視周期較長，不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常狀態(tài)，不利于防范設(shè)備故障。為保證巡檢工作的規(guī)范性，巡檢任務(wù)往往會安排多人協(xié)同作業(yè)，并由其中1人手持?jǐn)z像機視頻記錄作業(yè)過程，作為事后監(jiān)控的手段，造成人力資源浪費嚴(yán)重。

（2）設(shè)備異常狀態(tài)判別準(zhǔn)確性難以保證，且故障處理效率低：信號設(shè)備故障類型復(fù)雜多樣，在傳統(tǒng)人工定期巡檢作業(yè)方式下，設(shè)備異常和故障判斷的準(zhǔn)確性依賴于信號檢修人員的專業(yè)技能和工作態(tài)度。

（3）現(xiàn)場作業(yè)人員與綜合維修車間溝通效率低，現(xiàn)場作業(yè)人員在處理故障時缺乏強有力的技術(shù)支持：在處理信號機房設(shè)備故障的過程中，現(xiàn)場作業(yè)人員和綜合維修車間管理人員主要通過電話了解現(xiàn)場情況，不利于故障判斷、處理和應(yīng)急指揮[5]。

（4）缺乏有效控制進入機房作業(yè)人員的身份和行為的手段：信號機房是安全生產(chǎn)關(guān)鍵場所，缺乏對現(xiàn)場作業(yè)人員有效控制會帶來一定的安全隱患，存在影響信號設(shè)備運行穩(wěn)定性和安全性的人為因素[6]。

2 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

本文提出一種高效、實用的鐵路信號機房智能巡檢系統(tǒng)方案，為鐵路信號維護部門提供自動化作業(yè)裝備和信息化維修管理工具，保證巡檢作業(yè)質(zhì)量，提高鐵路信號機房維護管理水平。

（1）實現(xiàn)機房日常巡檢作業(yè)無人化：采用機房巡檢自動化技術(shù)，代替人工完成鐵路信號機房設(shè)備的日常巡檢作業(yè)，嚴(yán)格按規(guī)范執(zhí)行巡檢作業(yè)，大幅減輕鐵路信號機房日常維護工作量，達到減員增效的目的。

（2）實現(xiàn)設(shè)備異常自動識別與告警：運用智能化技術(shù)，通過分析處理巡檢數(shù)據(jù)，自動識別信號設(shè)備的異常狀態(tài)，準(zhǔn)確定位異常設(shè)備位置，并及時將設(shè)備異常告警反饋至綜合維修車間。

（3）支持現(xiàn)場人員快速處理設(shè)備故障：借助遠程視頻監(jiān)控技術(shù)，方便綜合維修車間維修管理人員實時掌握機房設(shè)備狀況及現(xiàn)場作業(yè)人員作業(yè)情況，為雙方建立便捷的溝通渠道，通過雙方高效協(xié)作實現(xiàn)故障快速處理。

（4）增強信號機房作業(yè)人員安全管控：通過身份驗證、作業(yè)過程遠程監(jiān)控和設(shè)置安全防護邊界等手段，保障機房作業(yè)生產(chǎn)安全。

3 系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

鐵路信號機房智能巡檢系統(tǒng)主要由機房智能巡檢設(shè)備、數(shù)據(jù)中心設(shè)備和維修終端設(shè)備構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 鐵路信號機房智能巡檢系統(tǒng)構(gòu)成示意

（1）機房智能巡檢設(shè)備：采用軌道式巡檢機器人[7]，主要由軌道、視頻/圖像采集裝置（高清攝像機）、懸掛行走裝置、雷達探測器、拍攝臂（可90度旋轉(zhuǎn)）、無線通信模塊及天線、升降旋轉(zhuǎn)電機控制模塊等組成；此外，可視實際需要，選配溫濕度傳感器，以及用于監(jiān)視關(guān)鍵設(shè)備線路和部件的溫度變化的紅外熱成像儀；通過可編程的升降旋轉(zhuǎn)電機控制模塊，按照設(shè)置好的預(yù)置位參數(shù)，運行至各巡檢位置，拍攝機房設(shè)備的視頻/圖像，探測設(shè)備溫度；實時將視頻/圖像及設(shè)備溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心設(shè)備，實現(xiàn)對信號機房的遠程巡檢。

（2）數(shù)據(jù)中心設(shè)備： 通常設(shè)置在信號一體化綜合維修車間信息機房內(nèi)，主要包括綜合應(yīng)用服務(wù)器、視頻/圖像存儲器和智能分析服務(wù)器；其中，綜合應(yīng)用服務(wù)器自動下達巡檢指令，存儲基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、巡檢計劃、監(jiān)測數(shù)據(jù)及設(shè)備異常告警數(shù)據(jù)，為維修車間終端設(shè)備提供信號機房運維管理應(yīng)用服務(wù)；視頻/圖像存儲器集中存儲和管理所管轄的信號機房內(nèi)各種巡檢視頻/圖像，提供視頻/圖像數(shù)據(jù)訪問服務(wù)；智能分析服務(wù)器完成設(shè)備巡檢視頻/圖像的智能分析[7]。

（3） 維修車間終端設(shè)備 ：包括調(diào)度監(jiān)控終端和維修管理終端；調(diào)度監(jiān)控終端設(shè)置在綜合維修車間調(diào)度室，主要由調(diào)度監(jiān)控終端和聲光報警裝置等組成[8]，為調(diào)度員提供信號機房運行監(jiān)控界面和異常告警提醒；維護管理終端通常設(shè)置在綜合維修車間信號工區(qū)，主要為信號維護人員提供查看信號機房巡檢信息和遠程作業(yè)指導(dǎo)的操作界面。

3.2 主要工作流程

系統(tǒng)主要工作流程如圖2所示。

圖2 鐵路信號機房智能巡檢系統(tǒng)主要工作流程示意

（1）調(diào)度員根據(jù)室內(nèi)信號設(shè)備維修規(guī)程要求，使用調(diào)度監(jiān)控終端編制信號機房巡檢計劃，并保存在綜合運用服務(wù)器中。

（2）綜合應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)巡檢計劃，自動生成各機房巡檢指令，通過通信網(wǎng)絡(luò)下達給機房智能巡檢設(shè)備。

（3）機房智能巡檢設(shè)備通過無線通信模塊接收巡檢指令，驅(qū)動電機沿著軌道運行，雷達探測運行前方是否有障礙物，視頻/圖像采集裝置定點采集設(shè)備巡檢視頻/圖像，紅外熱成像儀采集設(shè)備外溫或重點部位溫度，將視頻/圖像和溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)分別實時傳輸至視頻/圖像存儲器和綜合應(yīng)用服務(wù)器。

（4）智能分析服務(wù)器從圖像存儲器中讀取巡檢視頻/圖像進行處理，基于智能圖像分析算法，確定組合架架號及層號、綜合柜架號及層號和其他機柜柜號及層號等設(shè)備位置信息；結(jié)合機房設(shè)備位置表，自動識別設(shè)備指示燈。

（5）綜合應(yīng)用服務(wù)器接收到智能分析服務(wù)器識別的設(shè)備指示燈信息，結(jié)合設(shè)備指示燈狀態(tài)表基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備是否出現(xiàn)異常狀態(tài)。

（6）識別到設(shè)備異常時，調(diào)度監(jiān)控終端及聲光報警器立即發(fā)出報警，提醒調(diào)度員予以關(guān)注；調(diào)度員可使用調(diào)度監(jiān)控終端監(jiān)視綜合維修車間負(fù)責(zé)維護的所有信號機房設(shè)備狀態(tài)，查看巡檢視頻及記錄。

4 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)用戶主要包括系統(tǒng)管理員、調(diào)度員和信號維護人員。系統(tǒng)管理員主要負(fù)責(zé)用戶管理，完成信號機房監(jiān)控設(shè)備參數(shù)的設(shè)置和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護。調(diào)度員主要負(fù)責(zé)編制信號機房巡檢計劃，掌握信號機房巡檢動態(tài)及設(shè)備工作狀態(tài)，及時響應(yīng)系統(tǒng)異常告警并進行處理。信號維護人員主要負(fù)責(zé)掌握信號機房巡檢情況，接收故障處理任務(wù)，并為現(xiàn)場作業(yè)人員提供遠程指導(dǎo)。系統(tǒng)主要功能如圖3所示。

圖3 鐵路信號機房智能巡檢系統(tǒng)功能

4.1 系統(tǒng)維護

為系統(tǒng)管理員提供用戶管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)字典維護等功能，方便系統(tǒng)運用管理。

（1）用戶管理：添加和刪除用戶，設(shè)置用戶操作權(quán)限，重置用戶密碼；驗證系統(tǒng)登錄用戶身份的合法性，僅允許用戶訪問授權(quán)功能。

（2）設(shè)備參數(shù)設(shè)置：根據(jù)信號機房室內(nèi)設(shè)備布置，設(shè)置各信號機房軌道式巡檢機器人的巡檢預(yù)置位參數(shù)。

（3）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護：完成機房設(shè)備位置表、設(shè)備指示燈狀態(tài)表、設(shè)備溫度表和設(shè)備圖像庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入和修改。

4.2 機房巡檢

調(diào)度員編制信號機房巡檢計劃，根據(jù)巡檢計劃下達各機房巡檢指令，機房智能巡檢設(shè)備自動執(zhí)行巡檢指令，完成巡檢數(shù)據(jù)的采集。

（1）計劃編制與下達：參照室內(nèi)信號設(shè)備維修規(guī)程要求，結(jié)合各信號機房實際情況，調(diào)度員完成信號機房巡檢計劃的編制；系統(tǒng)依據(jù)巡檢計劃自動生成各機房巡檢指令，并下達給機房智能巡檢設(shè)備。

（2）機房周期巡檢：機房智能巡檢設(shè)備依據(jù)巡檢指令，定時啟動工作，自動運行至各預(yù)置位，錄制巡檢視頻/圖像并上傳。

（3）設(shè)備異常識別：系統(tǒng)采用智能圖像分析技術(shù)，處理機房智能巡檢設(shè)備采集的信號設(shè)備視頻/圖像數(shù)據(jù)，自動檢測巡檢時信號設(shè)備指示燈狀態(tài)（例如：on/off、顏色、是否閃爍等），并與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中設(shè)備指示燈狀態(tài)表進行對比，完成信號設(shè)備異常狀態(tài)自動識別，若出現(xiàn)異常狀態(tài)立即報警。

（4）設(shè)備溫度監(jiān)測：通過紅外熱成像探頭，監(jiān)測機房設(shè)備的外溫或重點部位的溫度[9]，上傳設(shè)備溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)；當(dāng)設(shè)備溫度超限時立即報警。

（5）遠程定點檢查：調(diào)度員可視需要，遠程控制機房智能巡檢設(shè)備移動至重點關(guān)注位置，拍攝視頻/圖像、測溫并實時上傳檢查數(shù)據(jù)。

4.3 輔助故障處理

當(dāng)機房信號設(shè)備出現(xiàn)異常告警時，機房智能巡檢設(shè)備按要求拍攝和上傳故障設(shè)備的視頻/圖像，并為現(xiàn)場作業(yè)人員分析和排除故障提供遠程指導(dǎo)。

（1）設(shè)備故障復(fù)查：當(dāng)系統(tǒng)檢測到設(shè)備故障時，調(diào)度員可在調(diào)度監(jiān)控終端上選擇故障設(shè)備，向機房智能巡檢設(shè)備下達設(shè)備故障復(fù)查指令，機房智能巡檢設(shè)備快速移動到故障設(shè)備所在位置，完成故障設(shè)備復(fù)查視頻/圖像拍攝和測溫，并上傳數(shù)據(jù)。

（2）故障檢查遙控：當(dāng)設(shè)備檢測到設(shè)備故障時，綜合維修車間信號維護人員可在維修管理終端上查看機房巡檢和故障復(fù)查視頻/圖像，必要時遠程控制機房智能巡檢設(shè)備移動到故障設(shè)備位置拍攝視頻/圖像，以查看故障設(shè)備當(dāng)前運行狀態(tài)。

（3）遠程作業(yè)指導(dǎo)：現(xiàn)場作業(yè)人員在信號機房處理故障的過程中，信號維護人員可在維修管理終端上，通過機房智能巡檢設(shè)備提供的遠程視頻監(jiān)控和語音通話功能，向信號機房內(nèi)現(xiàn)場作業(yè)人員提供作業(yè)指導(dǎo)。

4.4 現(xiàn)場人員管控

遠程監(jiān)督現(xiàn)場作業(yè)人員，確保作業(yè)規(guī)范達標(biāo)；防止現(xiàn)場作業(yè)人員進入防護區(qū)域，保障信號機房現(xiàn)場作業(yè)安全。

（1）人員識別與驗證：通過機房智能巡檢設(shè)備的攝像機采集機房內(nèi)現(xiàn)場人員的人臉信息，并與作業(yè)單上的照片進行比對，不一致時報警。

（2）作業(yè)遠程監(jiān)控：通過機房智能巡檢設(shè)備的攝像機，拍攝現(xiàn)場作業(yè)過程的視頻錄像，遠程監(jiān)督現(xiàn)場作業(yè)過程。

（3）安防侵入報警（可選）：為機房危險區(qū)域設(shè)置智能防護邊界，檢測到人員越界時立即報警。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 可視化監(jiān)控技術(shù)

可視化監(jiān)控技術(shù)采用動態(tài)圖形靈活定制監(jiān)控對象，可綜合展示被監(jiān)控資源的工作狀態(tài)、關(guān)鍵性能指標(biāo)及附屬信息，將大量枯燥、繁瑣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為易被感知和理解的圖形或圖像元素，幫助用戶快速感知變化，掌握被監(jiān)控資源整體狀況；用戶通過點選操實現(xiàn)快捷的信息交互，輕松管理不斷增多的資源。為方便用戶使用，采用電子地圖和三維虛擬展示技術(shù)實現(xiàn)可視化管理界面。

5.1.1 信號機房分布電子地圖

信號綜合維修車間通常負(fù)責(zé)十多個信號機房的維護，這些機房分布較為分散。以信號機房分布電子地圖作為可視化管理界面，可動態(tài)電子地圖監(jiān)控畫面疊加多維度信息，全面掌握所轄區(qū)域內(nèi)所有信號機房巡檢計劃執(zhí)行情況、巡檢結(jié)果及異常告警。同時，信號機房分布電子地圖可實現(xiàn)與三維虛擬信號機房直接鏈接，用戶通過鼠標(biāo)點選操作，即可快速查看信號機房內(nèi)部設(shè)備巡檢詳情。

5.1.2 三維虛擬信號機房

基于信號機房及機房設(shè)備圖像，采用虛擬仿真技術(shù)生成逼真的虛擬信號機房環(huán)境，用戶可通過鼠標(biāo)操作，從各個角度和位置查看機房設(shè)備。三維虛擬信號機房能夠與視頻監(jiān)控緊密結(jié)合，實現(xiàn)三維虛擬場景與二維視頻監(jiān)控的無縫鏈接，使用戶可以在虛擬信號機房畫面上通過鼠標(biāo)操作，直接查看該設(shè)備相關(guān)的巡檢視頻、監(jiān)測數(shù)據(jù)和異常狀態(tài)，使系統(tǒng)具備強大的二維、三維可視化集成監(jiān)控能力。

5.2 智能圖像分析技術(shù)

智能圖像分析技術(shù)是一種基于目標(biāo)行為的智能圖像處理技術(shù)，可將場景中的目標(biāo)與背景相分離，去除背景干擾，識別出目標(biāo)，進而分析、追蹤出現(xiàn)在攝像機場景內(nèi)目標(biāo)的行為。一旦目標(biāo)在場景中出現(xiàn)了違反預(yù)定義規(guī)則的行為，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警[10]。本系統(tǒng)采用智能圖像分析技術(shù)主要識別信號設(shè)備標(biāo)識，以及設(shè)備指示燈狀態(tài)。

5.2.1 信號設(shè)備標(biāo)識識別

信號設(shè)備標(biāo)識識別基于圖像分析，通過對機房圖像顏色特征分析，提取組合架、綜合柜和軌道柜邊緣，根據(jù)投影和左邊變換進行傾斜矯正，然后根據(jù)垂直投影進行字符切割，識別組合架、綜合柜和軌道柜銘牌，確定柜/架號及層號；查詢基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信號設(shè)備位置表，獲取柜/架內(nèi)設(shè)備編號及類型信息，在設(shè)備圖像庫中提取機房圖像特定位置設(shè)備圖像的特征信息，與設(shè)備圖像的特征信息進行比較，再次核對該位置設(shè)備類型。

5.2.2 設(shè)備指示燈識別

信號設(shè)備指示燈狀態(tài)主要包括常亮綠燈（如正常工作狀態(tài)、區(qū)段空閑狀態(tài)等）、常亮紅燈（如故障狀態(tài)、區(qū)段占用狀態(tài)等）、閃燈和滅燈狀態(tài)。指示燈狀態(tài)的準(zhǔn)確識別，需要對一段時間內(nèi)多幀圖像進行連續(xù)處理。通過設(shè)備類型獲得設(shè)備指示燈設(shè)置及位置特征信息，再通過提取每一幀圖像中特定位置設(shè)備圖像的特征信息，識別各指示燈顯示顏色，根據(jù)指示燈逐幀顯示的顏色，判定指示燈狀態(tài)。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套功能較為完善的鐵路信號機房智能巡檢系統(tǒng)，可將調(diào)度員編制的巡檢計劃自動轉(zhuǎn)換為巡檢作業(yè)指令，下達給機房智能巡檢設(shè)備，完成設(shè)備視頻/圖像及溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集；采用智能圖像分析技術(shù)，自動識別設(shè)備指示燈，據(jù)此判斷設(shè)備是否出現(xiàn)異常；當(dāng)檢測到設(shè)備異常時，立即向調(diào)度員報警，及時安排維修人員進行處理。此外，借助軌道式巡檢機器人的視頻監(jiān)控和語音通話功能，可輔助現(xiàn)場作業(yè)人員處理故障，強化現(xiàn)場作業(yè)安全管控。該系統(tǒng)可代替人工完成機房設(shè)備的大部分日常巡檢作業(yè)，大幅減輕日常維護工作量，達到減員增效、保障現(xiàn)場作業(yè)安全的目的。

目前僅考慮通過設(shè)備指示燈識別來判斷設(shè)備異常/故障。后續(xù)可考慮線纜連接頭脫落、連接線纜破損等常見故障的智能識別，完善設(shè)備異常/故障識別能力。此外，實現(xiàn)與信號機房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，能夠自動采集機房環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、煙霧（火災(zāi)）、門窗開閉、照明等，將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)備視頻/圖像及設(shè)備溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù)相融合，自動生成完整的信號機房巡檢記錄，滿足信號維護管理需要。