鐵道客車客技站車輛車號(hào)采集及定位系統(tǒng)研究

基金項(xiàng)目：2021年度柳州市職業(yè)教育立項(xiàng)項(xiàng)目“基于南寧局“2+1”校企雙元育人模式下鐵道機(jī)車車輛專業(yè)群建設(shè)研究與實(shí)踐”（編號(hào)：LZZJS2021C028）；2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（編號(hào)：2022KY1401）

作者簡(jiǎn)介：

謝新民（1982—），碩士，高級(jí)工程師，研究方向：鐵道機(jī)車車輛制造與維護(hù)。

摘要：文章基于鐵道客車客技站車輛車號(hào)圖像采集與識(shí)別、車輛定位技術(shù)和作業(yè)線路比對(duì)技術(shù)開發(fā)了車輛車號(hào)采集模塊、車輛精準(zhǔn)定位模塊、標(biāo)準(zhǔn)檢查線路比對(duì)模塊，解決了客技站檢修過(guò)程中的車輛車號(hào)智能識(shí)別、車輛準(zhǔn)確定位和檢修作業(yè)路線精確比對(duì)等難題，實(shí)現(xiàn)了車輛精準(zhǔn)定位、作業(yè)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化識(shí)別及危險(xiǎn)因素預(yù)警等功能，有效提升了客車車輛檢修的能力和效率。

關(guān)鍵詞：客車檢修；車號(hào)采集；車輛定位；線路比對(duì)

0 引言

2021年12月，國(guó)家鐵路局發(fā)布的《“十四五”鐵路科技創(chuàng)新規(guī)劃》（國(guó)鐵科法〔2021〕45號(hào)）文件明確提出，到2025年，智能鐵路成套技術(shù)體系不斷完善，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）、人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)在鐵路實(shí)現(xiàn)更廣泛、成體系應(yīng)用，各種交通方式信息共享水平明顯增強(qiáng)^［1］。鐵道和車輛的檢修和維護(hù)，是鐵路安全保障的重要環(huán)節(jié)^［2］。但目前客車在檢修過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)問(wèn)題：每日車輛停靠臺(tái)位需要調(diào)度員現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，車輛來(lái)回調(diào)動(dòng)后?？康奈恢们闆r不清楚；檢修重點(diǎn)流程質(zhì)量時(shí)有漏項(xiàng)，驗(yàn)收質(zhì)量不高；人員檢查列車固定線路有漏車及部位情況發(fā)生；調(diào)出過(guò)程中常發(fā)生侵限等危及安全事件發(fā)生^［3］。為了進(jìn)一步提升鐵路創(chuàng)新能力和科技實(shí)力，要使用技術(shù)裝備更加先進(jìn)和工程建造技術(shù)領(lǐng)先的維護(hù)系統(tǒng)，為此提出使用鐵道客車客技站檢修安全預(yù)警平臺(tái)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)^［4］，其可以有效避免上述問(wèn)題的發(fā)生。該技術(shù)的應(yīng)用，可以使運(yùn)輸服務(wù)技術(shù)水平顯著增強(qiáng)，智能鐵路技術(shù)全面突破，安全保障技術(shù)明顯提升^［5］。

1 鐵道客車客技站車輛車號(hào)采集及定位設(shè)計(jì)原理

鐵道車輛車號(hào)采集及定位原理設(shè)計(jì)應(yīng)該從實(shí)際需求出發(fā)，使其符合鐵道客車定位準(zhǔn)確度的要求^［6］、鐵道客車故障修復(fù)智能判定的要求^［7］、鐵道客車檢查線路完整度自動(dòng)判定的要求、鐵道客車啟動(dòng)和停車過(guò)程中防侵限的安全要求^［8］。其中，通過(guò)對(duì)客車客技站車輛車號(hào)的準(zhǔn)確采集和識(shí)別，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行車輛定位是滿足鐵路客車檢修要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

鐵道客車定位準(zhǔn)確度的要求方面：鐵道客車客技站是客車技術(shù)狀態(tài)檢修基地，也就是車庫(kù)，其負(fù)責(zé)終到進(jìn)庫(kù)列車的檢修、試風(fēng)，對(duì)運(yùn)行途中及庫(kù)內(nèi)出現(xiàn)的故障進(jìn)行到庫(kù)檢修，對(duì)到期庫(kù)內(nèi)檢修車輛進(jìn)行定期保養(yǎng)，對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行處置。鐵道客車進(jìn)入客技站后，經(jīng)常因?yàn)檐囕v編組、存放、故障修理及生產(chǎn)條件限制等因素進(jìn)行調(diào)動(dòng)更換存放股道，一般的客技站較大，客車停靠位置較多，大部分客技站有20多條股道，每條股道可存放21輛車輛。每日作業(yè)完畢后，值班員需要步行確認(rèn)車輛存放與實(shí)際任務(wù)單的差異，工作量較大；同時(shí)，值班員來(lái)回穿梭在股道中間，存在一定的安全隱患。因此，鐵道客車定位的準(zhǔn)確度有直接的、迫切的要求。

鐵道客車故障修復(fù)智能判定方面：對(duì)故障修復(fù)智能化判定識(shí)別傳輸，可讓值班員快速掌握現(xiàn)場(chǎng)故障修復(fù)進(jìn)程，提高故障修復(fù)交車率。因此，鐵道客車故障修復(fù)智能判定對(duì)車輛質(zhì)量的卡控有效率化的需求。

鐵道客車檢查線路完整度自動(dòng)判定方面：每日列車進(jìn)庫(kù)后，每列一般編組19輛，由8人進(jìn)行分車檢查（有的客技站采取4人檢查），每人需要對(duì)大約5輛車的前后左右側(cè)端進(jìn)行檢查，在檢查過(guò)程中靠個(gè)人主觀判斷。鐵道客車檢查線路完整度自動(dòng)判定可及時(shí)提醒工作人員檢查線路的完整性要求，并對(duì)易漏部位進(jìn)行預(yù)警提示。因此，鐵道客車檢查線路完整度自動(dòng)判定具有工作崗位職責(zé)的強(qiáng)烈需求。

鐵道車輛車號(hào)采集及定位原理與技術(shù)主要包括車輛車號(hào)采集技術(shù)與車輛定位技術(shù)。鐵道車輛車號(hào)采集技術(shù)主要是通過(guò)車輛車號(hào)采集模塊，并輔助測(cè)量、控制、顯示等設(shè)備終端構(gòu)建車輛車號(hào)采集系統(tǒng)，對(duì)車輛車號(hào)采集系統(tǒng)采集的車輛車號(hào)圖像進(jìn)行數(shù)字圖像處理和識(shí)別，得到準(zhǔn)確的車輛車號(hào)。車輛定位技術(shù)主要是在車輛車號(hào)識(shí)別技術(shù)基礎(chǔ)上，利用藍(lán)牙無(wú)線傳輸及定位功能構(gòu)建車輛定位模塊，從而對(duì)車輛在股道中的位置進(jìn)行識(shí)別，以此準(zhǔn)確進(jìn)行車輛定位。

2 車輛車號(hào)采集及定位系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)車輛車號(hào)采集及定位技術(shù)的分析表明，車輛車號(hào)采集及定位系統(tǒng)主要由3個(gè)模塊組成：車輛車號(hào)采集模塊、車輛定位模塊、構(gòu)建人員作業(yè)線路比對(duì)系統(tǒng)模塊。其中，車輛車號(hào)采集模塊主要用于對(duì)進(jìn)入檢修線路的車輛車號(hào)等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行車輛信息識(shí)別；在完成車輛車號(hào)采集及識(shí)別后，車輛定位模塊對(duì)車輛在股道的停放位置進(jìn)行精確定位；基于對(duì)車輛信息的采集和準(zhǔn)確識(shí)別以及車輛位置的精確定位，通過(guò)人員作業(yè)線路對(duì)比模塊完成列車車輛的智能化檢修。

2.1 車輛車號(hào)采集模塊的實(shí)現(xiàn)

在道岔后靠近檢修線處設(shè)置采集通過(guò)車輛車號(hào)的工業(yè)用相機(jī)、頻閃燈、圖像采集卡、車輛感應(yīng)傳感器、傳輸線路、車號(hào)識(shí)別服務(wù)器、大屏終端。

列車進(jìn)入客技站過(guò)道岔后，在靠近客技站一側(cè)燈橋（或相同部位，不侵行車地面設(shè)施建筑物限界情況下）設(shè)置車號(hào)采集系統(tǒng)（圖1），車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，觸發(fā)感應(yīng)傳感器，啟動(dòng)頻閃燈和工業(yè)相機(jī)，對(duì)車號(hào)進(jìn)行拍照。對(duì)不需要的背景進(jìn)行灰度處理（例如天空、車身及其他干擾的背景），對(duì)車輛車號(hào)去噪后，在服務(wù)器終端進(jìn)行圖像復(fù)原，確保車號(hào)清晰，最后將采集到的信息傳輸?shù)杰囕v定位系統(tǒng)。

2.2 車輛定位模塊的實(shí)現(xiàn)

車輛經(jīng)過(guò)車號(hào)采集系統(tǒng)后，進(jìn)入相應(yīng)的停放股道。在股道旁邊的柱子或者地面上（有頂棚的可以設(shè)置在頂棚），設(shè)置藍(lán)牙定位標(biāo)識(shí)，如圖2所示。目前大部分車庫(kù)存放車輛按照20輛存放，如果股道長(zhǎng)度在20輛車的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)，則相應(yīng)增加藍(lán)牙定位標(biāo)識(shí)。

每輛車根據(jù)已經(jīng)安裝在車輛底部的電子標(biāo)簽，正常?？繒r(shí)，P₀（X₀，Y₀）對(duì)應(yīng)P_L0（X_L0，Y_LO），P₁（X₁，Y₁）對(duì)應(yīng)P_L1（X_L1，Y_L1），位置信息為P_N（X_N，Y_N）對(duì)應(yīng)P_LN（X_LN，Y_LN），P₂₀對(duì)應(yīng)P_L20。

（1）當(dāng)編組車輛有序停放后，藍(lán)牙0號(hào)車位對(duì)應(yīng)存放第0號(hào)車，也就是端頭車輛，滿足式（1）、（2）和（3）。

|X₀-X_LO|lt;26 m，|Y₀-Y_LO|=T""" （1）

|X₁-X_L1|lt;26 m，|Y₁-Y_L1|=T""" （2）

|X_N-X_LN|lt;26 m，|Y_N-Y_LN|=T""" （3）

其中假定車輛換長(zhǎng)固定為26 m，股道中心線與藍(lán)牙定位標(biāo)識(shí)縱向距離為固定值T。判定車輛分別?？吭趯?duì)應(yīng)的位置分別為0、1、2、3…N。

（2）當(dāng)編組車輛進(jìn)入股道后，未嚴(yán)格按照第一輛車存到最端頭，或者中間車輛未連掛到一起時(shí)，P₀（X₀，Y₀）無(wú)對(duì)應(yīng)車輛，P₁（X₁，Y₁）對(duì)應(yīng)第一輛車P_L1（X_L1，Y_L1），P_N（X_N，Y_N）對(duì)應(yīng)P_LN（X_LN，Y_LN）。如圖3所示。

假定車輛P_L對(duì)應(yīng)P_N，即P_L位于第N個(gè)車位，相關(guān)坐標(biāo)值需滿足式（4）～（6）：

|X_N-X_LN|lt;26 m，|Y_N-Y_LN|=T""" （4）

|X_（N+1）-X_LN|gt;26 m，|Y_（N+1）-Y_LN|=T""" （5）

|X_（N-1）-X_LN|gt;26 m，|Y_（N-1）-Y_LN|=T""" （6）

當(dāng)股道存放車輛電子標(biāo)簽與藍(lán)牙定位橫向距離＜26 m時(shí)，股道中心線與藍(lán)牙定位標(biāo)識(shí)縱向距離為固定值T，判定車輛停靠位置為第N個(gè)車位。

每條股道存放車輛定位形成后，構(gòu)成車輛存放定位基本信息。相關(guān)信息通過(guò)無(wú)線載波通信傳輸?shù)街笓]中心服務(wù)器，形成車輛定位系統(tǒng)，將車輛存放信息以圖像形式展現(xiàn)在大屏上。例如，車輛N1、車輛N2到車輛NN的信息存放在N道車輛，之后將1～N道車輛存放的信息傳輸?shù)杰囕v信息處理模塊，對(duì)收集到的車輛信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)街笓]中心服務(wù)器后對(duì)車輛信息以圖像的方式進(jìn)行復(fù)原，顯示在大屏上，由大屏分股道顯示不同車號(hào)的信息。如圖4所示。

當(dāng)車輛進(jìn)行更換股道存放時(shí)，調(diào)車經(jīng)過(guò)道岔前進(jìn)行車號(hào)采集傳輸和車輛定位，判定車輛存放位置。在車輛定位模塊中，定位基準(zhǔn)芯片的位置對(duì)信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確率有很大的影響。

以南寧鐵路局北湖客技站為例，其客技站股道設(shè)置的基準(zhǔn)芯片上覆蓋的土層厚度不同對(duì)信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確率如圖5所示?？梢钥闯鲈跓o(wú)覆蓋物時(shí)準(zhǔn)確率接近100%，當(dāng)土層厚度增加準(zhǔn)確率大大下降，在土層厚度為100 cm時(shí)，準(zhǔn)確率＜10%。因此，定位基準(zhǔn)芯片應(yīng)盡量無(wú)覆蓋，并將其設(shè)置在無(wú)障礙物或者頂棚焊接處。

2.3 構(gòu)建人員作業(yè)線路比對(duì)模塊

對(duì)應(yīng)固定停放編組列車，以有地溝為例，檢查人員需要從兩側(cè)檢查后進(jìn)入地溝檢查，檢查線路是固定的，如圖6所示。起點(diǎn)1從地溝線一側(cè)的外側(cè)出發(fā)進(jìn)行檢查，走到地溝線盡頭后從內(nèi)側(cè)返回到終點(diǎn)1，起點(diǎn)1和終點(diǎn)1相重合，檢測(cè)路線形成一個(gè)閉合的圓環(huán)，防止漏檢；起點(diǎn)2從地溝線另一側(cè)的外側(cè)出發(fā)進(jìn)行檢查，走到地溝線盡頭后從內(nèi)側(cè)返回到終點(diǎn)2，也形成一個(gè)閉合的圓環(huán)。

因作業(yè)人員責(zé)任心或技術(shù)限制，人員檢查時(shí)經(jīng)常發(fā)生漏檢某個(gè)車輛或漏檢車輛某側(cè)某端，造成檢修漏項(xiàng)。構(gòu)建人員作業(yè)線路比對(duì)系統(tǒng)，主要是在作業(yè)人員的作業(yè)工具或個(gè)人工作銘牌內(nèi)，設(shè)置定位標(biāo)簽，經(jīng)定位系統(tǒng)服務(wù)器自動(dòng)勾勒作業(yè)人員具體檢查路線，并與標(biāo)準(zhǔn)檢查路線進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)存在漏項(xiàng)，例如漏檢個(gè)別車輛、漏檢查地溝線內(nèi)車輛狀況時(shí)，其能指揮中心人員進(jìn)行干預(yù)，確保作業(yè)人員對(duì)列車的檢查線路按照標(biāo)準(zhǔn)線路。在檢查人員胸牌或檢查工具內(nèi)置芯片，芯片圖像矩形擬合時(shí)，需對(duì)應(yīng)客車車輛的6個(gè)檢查點(diǎn)，6個(gè)點(diǎn)越精確，矩形擬合精度越高。在獲取邊緣坐標(biāo)后，分別以6個(gè)定點(diǎn)為起點(diǎn)坐標(biāo)，逐行掃描，直至找到第一個(gè)邊緣像素點(diǎn)，分別將6個(gè)近似頂點(diǎn)記為C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆，如圖7所示。

C₁C₂對(duì)應(yīng)點(diǎn)集如式（7）所示：

W₁=x₁₁，y₁₁，x₁₂，y₁₂，…x_1n1，y_1n1""" （7）

C₂C₃對(duì)應(yīng)點(diǎn)集如式（8）所示：

W₂=x₂₁，y₂₁，x₂₂，y₂₂，…x_2n1，y_2n1（8）

C₃C₄對(duì)應(yīng)點(diǎn)集如式（9）所示：

W₃=x₃₁，y₃₁，x₃₂，y₃₂，…x_3n1，y_3n1（9）

C₄C₅對(duì)應(yīng)點(diǎn)集如式（10）所示：

W₄=x₄₁，y₄₁，x₄₂，y₄₂，…x_4n1，y_4n1（10）

C₅C₆對(duì)應(yīng)點(diǎn)集如式（11）所示：

W₅=x₅₁，y₅₁，x₅₂，y₅₂，…x_5n1，y_5n1（11）

C₆C₁對(duì)應(yīng)點(diǎn)集如式（12）所示：

W₆=x₆₁，y₆₁，x₆₂，y₆₂，…x_6n1，y_6n1（12）

式（7）～（12）中的各點(diǎn)表示車輛位置，每一個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)集共有n₁個(gè)數(shù)據(jù)。矩形擬合時(shí)，根據(jù)矩形的幾何特征，即對(duì)邊平行和鄰邊垂直，可知矩形四邊所在直線方程如式（13）所示，其中a、b、c₁～c₆為待求未知數(shù)。

因?yàn)橛姓詈拓?fù)偏差，所以求和時(shí)正負(fù)偏差能相互抵消，因此結(jié)合矩形的幾何特性，即鄰邊斜率互倒、對(duì)邊斜率相等，則矩形擬合方程D如式（14）所示：

式中：n₁，n₂，n₃，n₄，n₅，n₆對(duì)應(yīng)于目標(biāo)輪廓4邊所包含點(diǎn)的個(gè)數(shù)。對(duì)a、b、c₁、c₂、c₃、c₄、c₅、c₆求偏導(dǎo)數(shù)，分別如式（15）～（22）所示：

最終得到對(duì)應(yīng)于每條邊的直線方程，將其代入上式中可以得出6個(gè)交點(diǎn)：

A（x_A，y_A），B（x_B，y_B），C（x_C，y_C），

D（x_D，y_D），E（x_E，y_E），F(xiàn)（x_F，y_F）

位置參數(shù)點(diǎn)（x₀，y₀）如式（23）所示：

通過(guò)對(duì)芯片內(nèi)的坐標(biāo)與客車的6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)比對(duì)坐標(biāo)一致時(shí)，說(shuō)明檢查人員嚴(yán)格按照設(shè)定的檢查線路作業(yè)。該系統(tǒng)將檢查線路對(duì)比程序內(nèi)置于芯片的胸牌，檢修人員佩戴胸牌按照作業(yè)線路進(jìn)行檢修，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)檢查人員的檢查路線進(jìn)行判定。為了得到準(zhǔn)確的坐標(biāo)，需要高精度的定位芯片以滿足測(cè)量需求。

為了研究系統(tǒng)的精確度，利用該系統(tǒng)對(duì)人員作業(yè)線路設(shè)計(jì)線路對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)線路對(duì)比精度的仿真分析。檢查人員配帶內(nèi)置芯片的胸牌，分別距列車不同距離進(jìn)行測(cè)量。內(nèi)置芯片的測(cè)量距離和實(shí)際測(cè)量距離如圖8所示。

由圖8可知，兩者的誤差范圍＜0.1 cm，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)距離測(cè)量的精度要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于鐵道客車客技站車輛車號(hào)圖像采集與識(shí)別、車輛定位技術(shù)和作業(yè)線路比對(duì)技術(shù)開發(fā)了車輛車號(hào)采集模塊、車輛精準(zhǔn)定位模塊、標(biāo)準(zhǔn)檢查線路比對(duì)模塊，解決了客技站檢修過(guò)程中的車輛車號(hào)智能識(shí)別、車輛準(zhǔn)確定位和檢修作業(yè)路線精確比對(duì)等難題，實(shí)現(xiàn)了車輛精準(zhǔn)定位、作業(yè)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化識(shí)別及危險(xiǎn)因素預(yù)警等功能，有效提升了客車車輛檢修的智能化水平。

參考文獻(xiàn)

［1］鐵路局.國(guó)家鐵路局關(guān)于印發(fā)《“十四五”鐵路科技創(chuàng)新規(guī)劃》的通知［EB/OL］.http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-12/24/content_5664357.htm，2021-12-14.

［2］黃煥寧.鐵路貨車檢修過(guò)程與質(zhì)量控制［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2020，48（6）：33-37.

［3］劉 濤.基于信息技術(shù)的鐵路車輛安全監(jiān)控體系及關(guān)鍵技術(shù)探究［J］.信息記錄材料，2019，20（12）：42-43.

［4］苗昕存，劉乃麗.標(biāo)準(zhǔn)圖像比對(duì)技術(shù)在線上監(jiān)考系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.信息與電腦，2022（2）：87-89.

［5］趙芷嫣，孫維維.虛擬電子圍欄在危貨港口安防中的應(yīng)用［J］.水運(yùn)發(fā)展與專業(yè)研討，2021（6）：12-15.

［6］張曉利，曹 寧，任 杰.基于圖像處理的列車車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)研究［J］.探索與觀察，2020（11）：59-60.

［7］周 哲，胡釗政，李 娜，等.面向智能車的地下停車場(chǎng)環(huán)視特征地圖構(gòu)建與定位［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2021（11）：1 574-1 584.

［8］王 興.停車場(chǎng)室內(nèi)定位導(dǎo)航設(shè)計(jì)［J］.城市建設(shè)，2022（1）：16-18.

收稿日期：2023-05-20