張翼

（中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081）

0 引言

在接觸網檢測監(jiān)測系統(tǒng)（6C系統(tǒng)）中，接觸網視頻與幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)既是高速接觸網綜合檢測裝置（1C裝置），也是接觸網懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測裝置（4C裝置）的重要組成部分。接觸網視頻系統(tǒng)相機靶面拍攝受電弓、接觸網及幾何參數(shù)測量系統(tǒng)測量面等區(qū)域，實時監(jiān)測接觸網動態(tài)作用關系以及部分接觸網零部件的工作狀態(tài)，當檢測系統(tǒng)排查出缺陷數(shù)據(jù)時，用于比對缺陷數(shù)據(jù)出現(xiàn)位置所對應的外部設備實際工作環(huán)境。接觸網幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)測量接觸線的導高、拉出值和雙支接觸線相互位置等參數(shù)［1-5］，既可運用于新建接觸網工程聯(lián)調聯(lián)試中，測試靜態(tài)幾何參數(shù)和平順性參數(shù)，也可應用于運營接觸網設施周期性動態(tài)檢測中，測試運營狀態(tài)下的接觸線動態(tài)幾何參數(shù)。

針對接觸網視頻與幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)進行同步檢測技術研究，設計全新的系統(tǒng)架構，發(fā)掘兩檢測系統(tǒng)的關聯(lián)性，研制同步設備，并進行實驗室測試，實現(xiàn)幾何參數(shù)每1組測量數(shù)據(jù)均能關聯(lián)到線路實際位置的視頻圖像，方便判斷超限數(shù)據(jù)形成原因，進一步完善檢測系統(tǒng)功能。

1 檢測系統(tǒng)架構

現(xiàn)有檢測系統(tǒng)架構見圖1。里程定位服務器接收編碼器脈沖后，每隔固定時間通過局域網發(fā)送里程定位信息至接觸網視頻與幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)，接觸網視頻系統(tǒng)采用等時采樣方式采集網口相機發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，幾何參數(shù)檢測系統(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)將定位信息與檢測數(shù)據(jù)疊加后發(fā)送至數(shù)據(jù)處理服務器進行數(shù)據(jù)對齊，該方法實施簡單、可行性強，但兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式不同、信息量不對等，且里程定位服務器等時發(fā)送的定位信息密度較低，不足以覆蓋檢測系統(tǒng)每1幀的數(shù)據(jù)，網絡系統(tǒng)本身也會產生延時，導致兩系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對齊誤差較大。

圖1 現(xiàn)有檢測系統(tǒng)架構

在現(xiàn)有接觸網視頻與幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)間增加視頻采集板，替換視頻采集工控機，新架構為保證系統(tǒng)的同步觸發(fā)特性，將編碼器脈沖接入幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡統(tǒng)一進行分頻處理，分頻后脈沖分別發(fā)送至幾何參數(shù)攝像組件及網口相機進行觸發(fā)拍攝。幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)增加422串口卡，將觸發(fā)時刻的檢測數(shù)據(jù)通過控制器局域網絡（CAN）總線發(fā)送至數(shù)據(jù)處理服務器。接觸網視頻采集板同時接收觸發(fā)時刻的網口相機數(shù)據(jù)與幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)發(fā)送的同步信息。數(shù)據(jù)處理服務器通過比對兩系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的同步信息，將同一觸發(fā)脈沖時刻的視頻圖片與接觸網幾何參數(shù)一一對應起來，解決了原系統(tǒng)數(shù)據(jù)對齊誤差較大的弊端。更新后系統(tǒng)架構見圖2。

圖2 更新后系統(tǒng)架構

2 視頻采集板

檢測系統(tǒng)接口統(tǒng)計見表1。針對種類繁多的檢測系統(tǒng)接口，要求搭載平臺具有相當?shù)拈_發(fā)靈活性，以適應不同設備對平臺提出的需求?，F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）芯片由可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊隨機存儲器（RAM）、豐富的布線資源（時鐘/長線/短線）、底層嵌入功能單元、內嵌專用硬核等組成，具備性能強、開發(fā)靈活性高、成本低、周期短等優(yōu)勢，借助FPGA芯片為核心，并搭載相關外圍接口電路研制視頻采集板［6］。

表1 檢測系統(tǒng)接口統(tǒng)計

視頻采集板內部數(shù)據(jù)流程見圖3，其中外部的50 MHz及200 MHz時鐘源為FPGA內部邏輯處理提供時鐘信號，422接口芯片接收外部控制信號及外部觸發(fā)時刻信息，分別用于設定采集板工作模式以及為視頻圖像疊加標志信息。外部數(shù)據(jù)接口部分設有2路千兆網GIGE接收模塊，可接收網口相機發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，并通過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內部在控制邏輯的協(xié)調下，圖像數(shù)據(jù)完成緩存、直接存儲器訪問（DMA）傳輸、疊加觸發(fā)時刻信息、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)以標準GIGE通信協(xié)議的形式發(fā)送至后端數(shù)據(jù)處理服務器［7］。

圖3 視頻采集板內部數(shù)據(jù)流程

3 實驗驗證

驗證視頻采集板的實驗室測試環(huán)境見圖4，其中信號發(fā)生器用于模擬列車編碼器脈沖，通過端子板與幾何參數(shù)工控機采集卡建立連接，幾何參數(shù)工控機分別將分頻后的脈沖及同步數(shù)據(jù)發(fā)送至視頻相機與視頻采集板，視頻相機接收到觸發(fā)信號后拍攝幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)測量區(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)處理服務器。數(shù)據(jù)處理服務器接收到觸發(fā)時刻的視頻圖像與幾何數(shù)據(jù)后，比對同步信息，實現(xiàn)圖像與數(shù)據(jù)的一一對應［8-9］。

對數(shù)據(jù)處理服務器中疊加有同步信息的幾何參數(shù)測量數(shù)據(jù)和視頻圖像進行關聯(lián)（見表2），圖片ID號為視頻相機拍攝圖片序號，相鄰2幀圖片之間序號差值為5，因此隨著拍攝進行圖片ID號遞增累加，同步信息為同一觸發(fā)脈沖下幾何參數(shù)檢測數(shù)據(jù)與視頻圖片的標志信息，其代表數(shù)據(jù)產生時刻的觸發(fā)脈沖計數(shù)。圖片ID號和同步信息值換算關系如下：

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

為驗證系統(tǒng)的同步準確性，隨機在兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中挑選15組數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分別對應5個幾何參數(shù)標定架位置，每個位置都挑選3張視頻圖片（見圖5）和3組幾何參數(shù)測量值。通過觀察表2中數(shù)據(jù)，可驗證圖片ID號與同步信息值符合式（1）中的對應關系，兩檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)時序關系正確。通過觀察15張視頻圖片中的標定架設定值與相同同步信息所對應的15組幾何參數(shù)導高、拉出值，可驗證接觸網視頻與幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)在相同觸發(fā)脈沖下一一對應，達到同步檢測需求［10］。

圖4 實驗室測試環(huán)境布置

表2 檢測數(shù)據(jù)關聯(lián)情況

4 結束語

基于自主研制的接觸網視頻采集板，對弓網視頻與幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)同步檢測技術進行論證及實驗驗證，提出檢測系統(tǒng)整體架構，確定兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)間的同步方式、時序關系及關聯(lián)標記。對實驗室數(shù)據(jù)進行分析，表明檢測系統(tǒng)不僅在硬件和軟件層面，也在數(shù)據(jù)層面實現(xiàn)了一一對應，真正做到“所檢即所見”，為后續(xù)軟件調取任意采樣點的檢測數(shù)據(jù)與同步視頻圖片提供可能性，便于檢測數(shù)據(jù)的超限判斷和綜合分析。該同步檢測裝置可應用于新建及現(xiàn)有高速、普速鐵路的接觸網設備檢測，能夠減少線路天窗時間、節(jié)省人工成本，為高速高效完成接觸網供電設備的檢測和維護工作提供技術支持。

圖5 檢測數(shù)據(jù)對應的視頻截圖