黃治華，卿粼波，王正勇，何小海

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064)

0 引言

鐵路貨車故障軌邊檢測(cè)系統(tǒng)(TFDS)是我國(guó)自主研發(fā)的針對(duì)傳統(tǒng)人工巡檢模式檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、效率低、不滿足鐵路運(yùn)輸安全需求等問(wèn)題的一套安全預(yù)警系統(tǒng)。武漢鐵路局于 2001年首先就TFDS系統(tǒng)做了試用測(cè)試并投入使用，在實(shí)踐中證明了這套系統(tǒng)能克服傳統(tǒng)列檢的局限性，很快推廣到六大干線中[1]。TFDS系統(tǒng)從提出到現(xiàn)在經(jīng)歷了多次升級(jí)改進(jìn)，有許多高校和科研單位參與研究，并取得了一些成果。陳保平提出在硬件結(jié)構(gòu)上采用FPGA+ARM+網(wǎng)絡(luò)控制器的組合方式，提供高速數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸能力，節(jié)省了空間和維護(hù)成本[2]；袁潔提出貨車關(guān)鍵零件轉(zhuǎn)向架故障診斷方法，結(jié)合視覺(jué)特征精準(zhǔn)定位故障區(qū)域，最后根據(jù)轉(zhuǎn)向架的直觀特性和峰值特性來(lái)對(duì)故障進(jìn)行診斷[3]。隨著市場(chǎng)上的硬件設(shè)備的不斷更新，有必要針對(duì)具體的應(yīng)用需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善和改進(jìn)。例如，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)使用多路高速線陣相機(jī)進(jìn)行并行圖像采集的時(shí)候?qū)?dǎo)致計(jì)算機(jī)CPU高速運(yùn)轉(zhuǎn)，內(nèi)存持續(xù)增長(zhǎng)，頻繁讀寫硬盤數(shù)據(jù)，甚至?xí)斐呻娔X宕機(jī)，這類情況對(duì)計(jì)算機(jī)性能有較高的要求。當(dāng)計(jì)算機(jī)性能不足時(shí)，用戶往往需要因?yàn)閿z像機(jī)的增加而添置一整套設(shè)備。為此本文在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種主輔機(jī)采集模式，利用Socket TCP協(xié)議進(jìn)行主輔機(jī)的信息交互和圖像傳輸，增加了通信異常重發(fā)的防護(hù)機(jī)制，確保了數(shù)據(jù)正確穩(wěn)定傳輸?shù)耐瑫r(shí)使得系統(tǒng)可以根據(jù)計(jì)算機(jī)性能靈活配置相機(jī)，減少不必要的開(kāi)銷，提高了TFDS系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)鐵路行業(yè)中TFDS系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用系統(tǒng)的功能需求，TFDS系統(tǒng)通過(guò)磁鋼處理器的TTL信號(hào)獲取貨車車速，同時(shí)通過(guò)串口發(fā)送指令控制外圍硬件打開(kāi)補(bǔ)償光源、打開(kāi)相機(jī)保護(hù)門以及獲取每節(jié)車廂車號(hào)信息，然后要求多個(gè)工業(yè)相機(jī)同時(shí)開(kāi)始采集貨車圖像，如圖1所示。待圖像采集完畢后，通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器對(duì)圖像進(jìn)行分析。列檢員可以通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)器中的貨車信息，進(jìn)行人工復(fù)檢。

圖1 多路相機(jī)采集示意圖

但是若將這若干相機(jī)同時(shí)掛載在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上采集圖像，由于每個(gè)相機(jī)的內(nèi)存有限，為了確保圖像完整不丟失，需要實(shí)時(shí)將圖像從緩沖區(qū)中拷貝到硬盤中處理，對(duì)單臺(tái)計(jì)算機(jī)的負(fù)荷過(guò)大。由此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主輔機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，主輔機(jī)采用Socket連接，當(dāng)主機(jī)獲取到磁鋼信號(hào)并且判定為貨車時(shí)，除了啟動(dòng)自身兩個(gè)相機(jī)的拍攝，還通過(guò)TCP協(xié)議和輔機(jī)通信發(fā)送控制信號(hào)，讓輔機(jī)上的兩個(gè)相機(jī)開(kāi)始拍攝，最終將采集圖像回傳給主機(jī)，由主機(jī)統(tǒng)一打包車輛數(shù)據(jù)和車輛圖片上傳至服務(wù)器。該主輔機(jī)模式很容易可以擴(kuò)展成一個(gè)主機(jī)多個(gè)輔機(jī)的模式，使用的相機(jī)也可以在4～8個(gè)范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。

圖2 主輔機(jī)模式

鐵路貨車故障檢測(cè)圖像傳輸系統(tǒng)流程活動(dòng)圖如圖3所示。采集子系統(tǒng)首先處于待機(jī)狀態(tài)，并判斷當(dāng)前列車是否為貨車，一經(jīng)檢測(cè)確認(rèn)是貨車就啟動(dòng)采集系統(tǒng)采集車輛圖像和信息數(shù)據(jù)，采集完畢后輔機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，主機(jī)接收完數(shù)據(jù)之后判斷數(shù)據(jù)是否完整，并將其打包上傳至服務(wù)器。服務(wù)器端收到數(shù)據(jù)之后建立“一車一檔”數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鐵路貨車運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最基本的功能就是控制相機(jī)來(lái)完成鐵路貨車圖像的采集顯示。采用Dalsa公司的LA-GM-02K08A高速線陣掃描工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像采集，計(jì)算機(jī)和多臺(tái)相機(jī)通過(guò)交換機(jī)連接處在同一局域網(wǎng)內(nèi)，各個(gè)設(shè)備擁有獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)IP地址，這樣本系統(tǒng)在主輔機(jī)之間，主機(jī)與服務(wù)器之間通過(guò)一個(gè)雙向的通信連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2.1 線陣相機(jī)采集模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Teledyne DALSA新發(fā)布的Linea系列Teledyne Dalsa Linea LA-GM-02K08A 高端線陣相機(jī)采用基于最先進(jìn)CMOS線掃描技術(shù)的單線感光單元，像素尺寸為 7.04 μm×7.04 μm，基于TurboDriveTM技術(shù)能夠使相機(jī)達(dá)到80 kHz的最大行頻。該款相機(jī)的數(shù)據(jù)接口為GigE Vision接口，該類型接口與標(biāo)準(zhǔn)千兆以太網(wǎng)接口在硬件架構(gòu)上基本一樣，但在底層驅(qū)動(dòng)中改進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)千兆網(wǎng)傳輸效率較低以及CPU占用率過(guò)高的不足[4]。軟件流程如圖4所示，根據(jù)流程示意圖，本文設(shè)計(jì)的相機(jī)采集控制過(guò)程可以分為如下幾個(gè)步驟：

(1)解析ccf相機(jī)配置文件，對(duì)相機(jī)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和相關(guān)資源的初始化。

(2)定義一個(gè)回調(diào)函數(shù)XferCallback，該函數(shù)在抓取完一幀數(shù)據(jù)后，便對(duì)采集緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

(3)在完成上述采集圖像的準(zhǔn)備工作后，便通過(guò)SapTransfer的一系列類函數(shù)進(jìn)行圖像的抓取。定義兩個(gè)指針p1和p2，其中p1指向采集緩沖區(qū)，p2指向圖片內(nèi)存空間。每抓取完一幀圖像數(shù)據(jù)，在回調(diào)函數(shù)中通過(guò)p1指針和p2指針完成當(dāng)前幀圖像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，將采集緩沖區(qū)數(shù)據(jù)復(fù)制到圖片實(shí)際內(nèi)存空間中。

(4)在圖片內(nèi)存空間中每完成了一幀圖像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，便在軟件界面中進(jìn)行顯示，同時(shí)檢查是否采集完畢，如果采集完畢則釋放相關(guān)資源，否則返回步驟(3)繼續(xù)采集圖像。

圖4 Dalsa相機(jī)采集控制流程圖

2.2 通信和傳輸通道的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

主輔機(jī)之間的通信可以選用兩種方式即TCP和UDP兩種通信協(xié)議。UDP對(duì)應(yīng)于無(wú)連接的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、發(fā)送效率高但是可靠性差[5]。鑒于系統(tǒng)對(duì)安全性可靠性要求較高而且通道爭(zhēng)用的情況較少，這里采用面向連接的TCP協(xié)議。TCP協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)之前必須確認(rèn)接收方的存在，在接收方通信可用的情況下建立連接，同時(shí)接收方在收到數(shù)據(jù)包后也會(huì)向發(fā)送方提供反饋，這樣的機(jī)制使得TCP提供了可靠的運(yùn)輸服務(wù)[6]。本系統(tǒng)通過(guò)MFC中CSocket類來(lái)創(chuàng)建、管理和使用套接字。同時(shí)，基于Socket的圖像傳輸其實(shí)是對(duì)文件的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流進(jìn)行操作。將圖片用文件流形式讀取到計(jì)算機(jī)內(nèi)存當(dāng)中，再分片打包發(fā)送。這里利用C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)中的FILE類實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的數(shù)據(jù)流處理，循環(huán)讀取圖片的文件流，通過(guò)SOCKET套接字發(fā)送到通信網(wǎng)絡(luò)中。在接收端同樣建立一個(gè)空文件，然后將接收到的文件流寫入文件，以此來(lái)還原圖片。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信異常重傳機(jī)制

子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信都是通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸?shù)?，?dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的異常對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性會(huì)造成影響，因此檢測(cè)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和發(fā)生異常情況下保證數(shù)據(jù)完整性的重傳機(jī)制就非常重要。

在TCP協(xié)議里是通過(guò)心跳包機(jī)制來(lái)確認(rèn)客戶端和服務(wù)器的連接是否存在，心跳包就是客戶端按照預(yù)定時(shí)間向服務(wù)器發(fā)送固定內(nèi)容來(lái)通知服務(wù)器自己的存在，編程中通過(guò)設(shè)置SO_KEEPALIVE選項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)[7]。但是這樣的機(jī)制還不足以應(yīng)對(duì)電腦故障、網(wǎng)線異常和防火墻攔截造成的斷線情況，所以在整個(gè)系統(tǒng)中做了通信異常的檢測(cè)和重發(fā)的防護(hù)機(jī)制，以此來(lái)確保數(shù)據(jù)的完整性。本系統(tǒng)中重寫了新的Socket類，繼承自CSocket類，在通信過(guò)程中，如果發(fā)生斷線或者發(fā)送/接收端程序異常時(shí)，Receive和Send會(huì)發(fā)生阻塞或者返回失敗。當(dāng)Receive和Send函數(shù)操作發(fā)生阻塞超時(shí)或者返回失敗時(shí)，定時(shí)器會(huì)觸發(fā)標(biāo)志位置為FALSE。這樣客戶端或者服務(wù)器都可以通過(guò)在發(fā)送、接收循環(huán)中檢測(cè)CTimeOutSocket類的Isabnormal標(biāo)志位來(lái)判斷是否發(fā)送、接收異常。當(dāng)檢測(cè)到通信異常時(shí)，客戶機(jī)會(huì)在數(shù)據(jù)庫(kù)中將本次要發(fā)送的數(shù)據(jù)的狀態(tài)記錄下來(lái)，并且不斷嘗試重新連接，當(dāng)連接成功后進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)遍歷搜索到未發(fā)送的記錄進(jìn)行重傳。數(shù)據(jù)庫(kù)中定義了一個(gè)記錄類型TrainDataBase，表1說(shuō)明了其內(nèi)容格式。

表1 TrainDataBase數(shù)據(jù)表

3 系統(tǒng)測(cè)試

針對(duì)本文實(shí)現(xiàn)的圖像傳輸做了性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)將各個(gè)小模塊作為整體系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，測(cè)試環(huán)境圖像采集計(jì)算機(jī)、服務(wù)器的配置如表2所示。測(cè)試過(guò)程使用TFDS模擬信號(hào)發(fā)生器模擬接車，連續(xù)模擬過(guò)車40列，每列56輛，其中模擬列車速度分別為5 km/h、20 km/h、40 km/h、80 km/h各10列。測(cè)試采用2臺(tái)圖像采集計(jì)算機(jī)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)連接2部線陣相機(jī)，其中一臺(tái)作為主機(jī)，數(shù)據(jù)大小為一臺(tái)計(jì)算機(jī)2部相機(jī)拍攝圖像的總大小，圖片為jpg格式。

表2 測(cè)試環(huán)境

表3為測(cè)試結(jié)果的平均值，從表3中的測(cè)試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)性能經(jīng)過(guò)測(cè)試后均與預(yù)期結(jié)果一致，在疲勞測(cè)試中也保持較穩(wěn)定的性能，結(jié)果符合預(yù)期效果，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)可以在TFDS系統(tǒng)中為后續(xù)的檢測(cè)提供穩(wěn)定的圖像采集和傳輸服務(wù)。

表3 系統(tǒng)性能測(cè)試信息

4 結(jié)論

本文針對(duì)實(shí)際項(xiàng)目需求，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，采用主輔機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)工業(yè)相機(jī)同時(shí)采集圖像的功能，通過(guò)Socket TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)到服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸?；赟ocket來(lái)編寫應(yīng)用程序，服務(wù)器方和客戶方應(yīng)用程序都要進(jìn)行初始化處理，指定連接的端口和IP地址。利用CSocket類可以依據(jù)流式套接字的編程模式，方便地實(shí)現(xiàn)TCP通信協(xié)議，用戶不必再去處理字節(jié)順序等問(wèn)題，只需要應(yīng)對(duì)通信連接失敗時(shí)系統(tǒng)可靠性的問(wèn)題。該圖像采集傳輸及控制系統(tǒng)的方法目前已經(jīng)成功應(yīng)用在TFDS項(xiàng)目系統(tǒng)當(dāng)中。實(shí)踐表明，該方法能很好地滿足用戶需求，采集相機(jī)可在4～8個(gè)范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，同時(shí)在通信出現(xiàn)異常的情況下也能很好地保存數(shù)據(jù)，等待通信恢復(fù)繼續(xù)傳輸。