李晏良

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

截至2020年底，我國高速鐵路營業(yè)里程3.8萬公里，國家鐵路客車擁有量為7.5萬輛，其中動車組3 828標準組、30 620輛[1]。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，動車組已經(jīng)成我國客運車輛的主力軍。早期運營的動車組已經(jīng)超過10年，動車組的運營維護技術(shù)逐步成為研究的重點方向之一。研究高速動車組車號識別技術(shù)，能夠滿足車外應(yīng)用系統(tǒng)對動車組基礎(chǔ)信息的需求，將豐富各類數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景，進一步提高動車組運營管理水平和運輸組織效率。因此，有必要研發(fā)適應(yīng)高速動車組技術(shù)特點和應(yīng)用環(huán)境的高速動車組車號識別技術(shù)。

1 列車車號識別類型

目前，國內(nèi)外對列車車號識別主要通過2種方式實現(xiàn)：基于RFID技術(shù)的車號識別、基于圖像處理技術(shù)的車號識別。

1.1 基于RFID技術(shù)的車號識別

無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)[2-4]，是指利用無線射頻方式，在閱讀器和標簽之間進行非接觸式數(shù)據(jù)通信，從而通過射頻信號自動識別帶有標簽的對象，實時有效獲取目標信息。

列車車號自動識別有多種實現(xiàn)方式，最成熟的技術(shù)為鐵路車號自動識別系統(tǒng)(ATIS)[5-7]。該系統(tǒng)是基于RFID技術(shù)來實現(xiàn)車號的自動識別。在目標機車、貨車上安裝電子標簽，在地面安裝識別系統(tǒng)，當列車通過時，地面識別系統(tǒng)自動讀取通過列車的電子標簽信息，獲取通過列車的車號。ATIS最大的優(yōu)勢是能夠?qū)λ邪惭b了電子標簽的列車車號進行快速、準確的識別，缺點是配套設(shè)備復雜，所有被測車輛均需安裝電子標簽，電子標簽易損壞、丟失，對其運行環(huán)境及設(shè)備維護要求較高。目前，尚未對所有車輛安裝電子標簽，ATIS不適用于高速動車組車號自動識別。

1.2 基于圖像處理技術(shù)的車號識別

圖像識別，是指利用計算機對圖像進行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標和對象的技術(shù)。傳統(tǒng)的圖像識別流程分為以下4個步驟：圖像采集、圖像預處理、特征提取和圖像識別。

近年來，國內(nèi)外應(yīng)用圖形圖像處理技術(shù)在人工智能等方面進行了廣泛研究，特別是在人臉識別和商品識別方面，甚至應(yīng)用了減少人工干預的深度學習方法[8]。在交通領(lǐng)域，圖像處理技術(shù)主要應(yīng)用于車號定位和車號識別方面，在汽車車號識別方面應(yīng)用較多，鐵路方面也開展了大量的研究[9-13]，在車號識別方面主要采用了傳統(tǒng)的光學字符識別(OCR)方法，該方法分為車號定位、圖像分割和字符提取等，并通過字符特征來進行識別。

2 高速鐵路動車組車號自動識別關(guān)鍵技術(shù)

在動車組高速運行的工況下，實現(xiàn)高速動車組車號自動識別主要有以下關(guān)鍵技術(shù)需要解決：獲取穩(wěn)定、高精度的圖像，低延遲的自動觸發(fā)，圖像識別率及識別精度。

2.1 高精度圖像獲取技術(shù)

基于圖像識別技術(shù)的高速動車組車號自動識別能夠?qū)崿F(xiàn)的前提是獲取連續(xù)穩(wěn)定清晰的圖像。由于高速動車組車號自動識別系統(tǒng)運用環(huán)境為野外，動車組處于高速運行狀態(tài)，制約清晰圖片獲取的因素主要包括以下方面：一是動車組高速運行，由于動車組高速通過測點位置，使系統(tǒng)獲取圖片的時間很短，傳統(tǒng)相機基本無法實現(xiàn)；二是光線的干擾，陰雨天氣、白天黑夜、日出日落等導致光線不均勻，不同時段圖像的明暗差別過大。上述因素都將嚴重影響獲取穩(wěn)定清晰的圖片。

為了解決高速工況下獲取問題，應(yīng)采用高像素、低延遲的相機。目前，市場上的相機主要分為面陣相機和線陣相機兩類，兩者都可以實現(xiàn)上述要求。但是，由于高速動車組速度高，要求相機曝光時間短，需光亮量大，從而導致用電量也大；而線陣相機對單行進行掃描，其光亮需求比面陣相機小，更適合野外供電量受限的工況下使用。

為了解決光線的干擾，可通過在相機鏡頭前加“濾光片+補光光源”的方式實現(xiàn)。濾光片的作用是過濾自然光的干擾，從而使任何時間點的圖像光線均勻，不會圖像明暗不均、光斑或畸變等。補光光源，由于其穩(wěn)定的光亮度，使任何時間點獲得的圖像基本一致，為車號的自動識別提供了穩(wěn)定的圖像；同時，夜間和陰雨天也能正常獲取圖像，增加了系統(tǒng)應(yīng)用效率。

2.2 自動觸發(fā)技術(shù)

自動觸發(fā)是實現(xiàn)高速動車組車號識別的關(guān)鍵因素之一。為保障設(shè)備能夠準確自動觸發(fā)，觸發(fā)信號的選擇尤為重要。理論上，有3種方式可以獲得列車車速和觸發(fā)信號：在鋼軌上安裝磁鋼、利用通過列車噪聲振動信號和在線路外側(cè)安裝非接觸式光學傳感器。3種不同觸發(fā)方式的優(yōu)缺點如下。

（1）磁鋼觸發(fā)。此方案的優(yōu)點是傳感器價格便宜、安裝簡單、觸發(fā)和測速精確；缺點是被測高速鐵路線路是運營線路，在鋼軌或軌道板等位置安裝觸發(fā)傳感器存在安全隱患，實現(xiàn)難度較大。

（2）噪聲觸發(fā)。此方案的優(yōu)點是利用噪聲傳感器，無需額外的觸發(fā)傳感器；缺點是環(huán)境干擾大，容易造成誤觸發(fā)且無法測速，無法精確定位車頭位置。

（3）激光觸發(fā)。此方案的優(yōu)點是能夠精確觸發(fā)，同時傳感器可安裝在距離近側(cè)線路中心線10 m以上的位置，消除了安全隱患，實施困難較小，并且可以利用其信號進行精確測速；缺點是傳感器價格較貴、安裝調(diào)試復雜。

基于以上各因素綜合考慮，采用受環(huán)境干擾少、觸發(fā)準確率高的激光傳感器作為信號觸發(fā)傳感器。當動車組通過時，激光傳感器接收到I/O信號，并將I/O信號實時傳輸給整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實現(xiàn)高速動車組自動識別系統(tǒng)的觸發(fā)，并同步進行圖像數(shù)據(jù)的分析。目前，我國動車組最高運營速度達到350 km/h，規(guī)劃中有400 km/h的線路，因而在激光傳感器選擇時，應(yīng)選用高精度、高靈敏度的中遠距離激光傳感器，其輸出時間不得大于10 ms，在配合其他系統(tǒng)應(yīng)用時，其精度需求可能更高。

2.3 圖像識別技術(shù)

因動車組車號特征較單一，車號識別主要采用傳統(tǒng)的OCR方法，包括圖像預處理、車號區(qū)域確定、字符分割和字符識別等步驟。圖像預處理是為了獲得質(zhì)量更好的圖像，包括圖像灰度變換、圖像去噪、圖像增強。車號區(qū)域確定是將圖像中含有車號的區(qū)域從整幅圖像中提取出來，在車號識別中非常重要，區(qū)域內(nèi)應(yīng)包含完整的車號字符信息，同時不受其他非字符區(qū)域的影響。字符分割是基于圖像二值化技術(shù)，將每個字符分割以利于之后的圖像識別，包括基于顏色的分割、基于特征的分割和基于模板的分割等方法。字符識別是指識別分割后的單個字符，同時按照原來順序重新組合，形成完整的動車組車號。

3 高速動車組車號自動識別技術(shù)應(yīng)用

為了驗證高速動車組車號自動識別技術(shù)的有效性，在關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上開發(fā)了高速動車組車號自動識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以單獨使用，也可以嵌入其他應(yīng)用系統(tǒng)，如高速鐵路噪聲振動監(jiān)測系統(tǒng)或5T系統(tǒng)等，為其他系統(tǒng)實時提供通過列車車號信息。

3.1 系統(tǒng)組成

高速動車組車號自動識別系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊(濾光片、相機和數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成)、信號觸發(fā)模塊、補光光源模塊、數(shù)據(jù)綜合分析模塊和供電模塊等組成。

數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備、線陣相機和濾光片，線陣相機通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備與數(shù)據(jù)綜合分析模塊連接；數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過線陣相機采集原始圖像數(shù)據(jù)，并將原始圖像數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)綜合分析模塊的硬盤中；濾光片位于相機鏡頭前方，過濾普通日光。

信號觸發(fā)模塊包括1個激光觸發(fā)器，激光觸發(fā)器安裝在線路外側(cè)的支架上，通過信號線與相機、補光光源模塊連接；以激光作為補光光源，列車通過時開始工作，通過后進入待機狀態(tài)，其主要作用為相機拍照進行補光。

供電模塊為蓄電池、太陽能電池、風力發(fā)電機或市電。

數(shù)據(jù)綜合分析模塊內(nèi)置數(shù)據(jù)分析存儲軟件，對圖像數(shù)據(jù)進行OCR分析，得到通過列車的時刻、車組號碼，并存儲于硬盤中。

高速動車組車號自動識別系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 高速動車組車號自動識別系統(tǒng)

3.2 拓展應(yīng)用

在高速鐵路噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)中[14]，需要準確掌握每一列通過動車組的列車運行輻射噪聲并與列車車號匹配，因而在高速鐵路噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)中，嵌入了高速動車組車號自動識別系統(tǒng)。在系統(tǒng)應(yīng)用中，采用了2K線陣掃描相機和激光補光光源作為圖像采集設(shè)備。基于我國高速列車的實際車速為200～350 km/h，主要對線陣相機的行頻和曝光時間等參數(shù)進行設(shè)置：行頻為23 000 Hz，曝光時間12μs。該系統(tǒng)應(yīng)用如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)在獲取動車組圖像數(shù)據(jù)后，使用光學字符識別(OCR)算法，提取前端配置后的自定義興趣區(qū)域(Region of Interest，ROI)區(qū)域，以及預先設(shè)定好的現(xiàn)場字庫數(shù)據(jù)庫，集成OCR+ROI技術(shù)快速對圖像進行識別，獲得通過動車組的車號。圖3為該系統(tǒng)的車號識別界面，當動車組通過后，右側(cè)顯示有動車組車號的圖像，左側(cè)顯示實時顯示該動車組車號。

圖3 車號自動識別界面

4 結(jié)束語

在實際需求的基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)實應(yīng)用環(huán)境研究了高速動車組車號識別關(guān)鍵技術(shù)并在高速鐵路噪聲監(jiān)測系統(tǒng)中開展了應(yīng)用，方案通過了現(xiàn)場調(diào)試及運行考核，各項指標均滿足技術(shù)要求，實現(xiàn)了高速動車組車號實時在線獲取，滿足了高速鐵路噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)對動車組信息的需求，提高了高速鐵路噪聲監(jiān)測效率，豐富了高速鐵路噪聲應(yīng)用的場景。同時，高速動車組車號自動識別技術(shù)也可以應(yīng)用于動車組狀態(tài)監(jiān)測和動車組運維工作，以提高動車組的運輸組織效率。