李九靈， 馮 維， 孫國棟， 宋麗萍

(1 湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068； 2 南京普愛射線影像設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 211112)

由于傳統(tǒng)人工列檢方式越來越難以適應(yīng)新形勢下列車重載、高速、大密度運行的需要，貨車故障軌邊圖像檢測系統(tǒng)(TFDS)應(yīng)運而生[1]．該系統(tǒng)旨在消除人工檢測所帶來的不確定因素，提高故障識別的效率和可靠性，實現(xiàn)從故障人為檢測向機控自動檢測或人機結(jié)合檢測模式轉(zhuǎn)變，并最終完全實現(xiàn)機控自動檢測．它對于提高列檢作業(yè)質(zhì)量和運輸效率，保證運輸安全起到了重要作用．然而，列車車輛型號多，構(gòu)造復(fù)雜，過車時間短，TFDS作為一種全新檢測模式下的技術(shù)裝備，其故障自動識別功能較低，可識別故障類型不多，并存在漏檢現(xiàn)象[2-3]．另外，圖像識別速度成為制約TFDS高效檢測的瓶頸[4]．基于計算機視覺這一熱點研究方向，本文設(shè)計了一種基于OpenCV[5]的TFDS故障動態(tài)圖像識別系統(tǒng)，它對于進一步減輕檢車員勞動強度、提高列檢作業(yè)質(zhì)量與效率、保障鐵路安全運營具有十分重要的意義．

1 工作原理

貨車故障軌邊圖像檢測系統(tǒng)(TFDS)是“5T”系統(tǒng)的重要組成部分，它是應(yīng)用計算機、網(wǎng)絡(luò)通訊、自動控制和圖像采集處理技術(shù)并引進科學(xué)的管理方法和系統(tǒng)化的開發(fā)方法，為鐵路貨車運行故障檢測提供故障圖片信息動態(tài)收集、存儲、傳輸及預(yù)警服務(wù)，提高列檢作業(yè)質(zhì)量、效率和車輛安全防范的水平，加強貨車運用中故障基礎(chǔ)信息收集、管理的人機系統(tǒng)．其原理圖如圖1所示．

圖 1 貨運列車故障軌邊圖像檢測系統(tǒng)原理圖

它利用軌邊高速攝像技術(shù)，拍攝途經(jīng)貨車的轉(zhuǎn)向架、制動裝置、車鉤緩沖裝置、車底架以及車體兩側(cè)等關(guān)鍵部位的動態(tài)圖像，圖像直接傳至列檢檢測中心，采取人機結(jié)合方式進行故障的判別，并及時通知室外檢車人員進行處理，可實現(xiàn)對車輛底架、轉(zhuǎn)向架、車鉤等關(guān)鍵部位自動檢測、監(jiān)控，可代替檢車人員對部分車輛部件的檢查，減輕了檢車員的勞動強度，可預(yù)防車鉤分離、制動閘件脫落、搖枕、側(cè)架、基礎(chǔ)制動裝置出現(xiàn)斷裂等危及行車安全的故障，縮短了技檢時間，提高了車輛的檢修質(zhì)量，為貨物列車的安全運行提供了保障．

2 系統(tǒng)硬件

目前，貨運列車故障軌邊圖像檢測系統(tǒng)的硬件由高速千兆網(wǎng)卡相機、LED頻閃燈、磁鋼組、車號天線、圖像采集器、圖像存儲服務(wù)器、其他輸入輸出設(shè)備以及相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置組成(圖2)．

圖 2 TFDS結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)通過布置于鋼軌之間的高速相機陣列(圖3a)，拍攝途經(jīng)列車車輛的關(guān)鍵部位圖像，用圖像采集器將列車車號及圖像等數(shù)據(jù)處理后傳輸給圖像存儲服務(wù)器(圖3b)，由圖像存儲服務(wù)器將圖像經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至列檢中心服務(wù)器，并交由本文設(shè)計的TFDS故障動態(tài)圖像識別系統(tǒng)進行處理．

圖 3 硬件部分結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)軟件由一系列耦合性較弱的功能模塊構(gòu)成，包括圖像導(dǎo)入模塊、機器學(xué)習模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、預(yù)處理模塊、區(qū)域快速標定模塊，故障自動識別模塊、報表生成模塊等7個部分．這些功能模塊之間具有較強的獨立性，相互關(guān)聯(lián)的模塊之間接口一致．本軟件系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示．

從宏觀上來說，TFDS故障動態(tài)圖像識別的過程可這樣描述：高速攝像機采集的圖像被圖像采集器接收，并存儲于圖像存儲服務(wù)器，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至列檢所的圖像識別服務(wù)器．首先，本軟件通過幾幅故障圖像進行學(xué)習(人為干預(yù)以獲得最佳效果)完成最佳參數(shù)的設(shè)置；接著，本軟件正式進入自動識別階段，將采集到的圖像傳遞給圖像導(dǎo)入模塊，圖像導(dǎo)入模塊將批量圖像傳輸至預(yù)處理模塊，預(yù)處理模塊然后將輸出結(jié)果傳輸給區(qū)域快速標定模塊，隨后依次是故障自動識別模塊和報表生成模塊，最后由服務(wù)器完成數(shù)據(jù)接收等任務(wù)．系統(tǒng)處理流程如圖5所示．

圖 4 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

圖 5 TFDS故障動態(tài)圖像處理流程

3.2 檢測軟件

本程序采用Visual Studio平臺下的Visual C++作為編程工具，編制完成了主程序界面、圖像處理模塊、圖像導(dǎo)入模塊、圖形輸出模塊、在線識別模塊、故障報表模塊等，并以SQL Server 2000為后臺支撐環(huán)境，完成中間值和結(jié)果數(shù)據(jù)的存儲與處理等相關(guān)編程．本檢測軟件界面如圖6所示．

本軟件可將TFDS采集的圖像實時顯示在顯示終端上，同時，在故障報表欄中報告該圖像位置及故障狀態(tài)．若識別到故障的存在，顯示終端將會實時標定故障位置；當識別完成后，可在故障報表中重新查看故障圖像的相關(guān)信息，亦可在離線狀態(tài)下完成該操作．

圖 6 系統(tǒng)主界面

3.3 列車故障圖像識別流程

完成TFDS故障動態(tài)圖像識別包括運行TFDS系統(tǒng)、打開識別軟件、離線識別、調(diào)整配置文件、設(shè)置待識別圖像目錄、自動識別、退出識別軟件、關(guān)閉TFDS系統(tǒng)等．用戶操作流程如圖7所示．

圖 7 用戶操作流程

4 結(jié)論

TFDS故障動態(tài)圖像識別系統(tǒng)針對貨運列車典型故障動態(tài)圖像進行在線識別，識別結(jié)果可以實時顯示在故障報表模塊中，且列檢員可實時查詢故障圖像以及時對故障進行確認與修復(fù)．該系統(tǒng)適用于多種型號鐵路列車的典型故障在線識別，實用簡單，識別效率高，可靠性好，已取得良好的實驗效果．

[參考文獻]

[1] 劉瑞揚，王毓民. 鐵路貨車運行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M]. 北京：中國鐵道出版社，2005.

[2] 齊 輝. 對TFDS貨車運行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)運用情況的初步探索[J]. 鐵道機車車輛, 2007, 27(04): 51-54.

[3] 王榮勝，陳 巖，謝 偉. TFDS的使用效果分析及改進措施[J]. 鐵道車輛，2006，44(12): 38-40.

[4] 陳保平，吳 楠. 應(yīng)用于TFDS的以太網(wǎng)高速數(shù)采系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微計算機信息，2009，25(4-1): 106-107.

[5] 劉瑞禎，于仕琪. OpenCV教程(基礎(chǔ)篇)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.