張藝凡，程一飛，陳紅霞

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信信號(hào)學(xué)院，江蘇 南京210031）

截止2020年底，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程已突破14萬(wàn)公里，其中高速鐵路營(yíng)業(yè)里程已達(dá)到3.79萬(wàn)公里。近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，行車密度不斷提高，為了確保行車安全，對(duì)道岔的使用質(zhì)量和工作狀態(tài)的穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求。道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備長(zhǎng)期處在自然環(huán)境中，風(fēng)吹日曬且承受著列車不同幅度的碾壓振動(dòng)、道床爬行等影響，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備故障率占信號(hào)設(shè)備故障的40%以上。同時(shí)，隨著新高速干線的不斷開通及逐步實(shí)現(xiàn)信號(hào)“天窗修”，加大了缺口檢查與維修工作的矛盾，因此對(duì)道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的提高有極大需求，從而延長(zhǎng)道岔使用壽命，保障列車行駛的安全。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出現(xiàn)的大部分缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要么是機(jī)械觸電式的，要么是光電探測(cè)式的，由于轉(zhuǎn)轍機(jī)是室外設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境復(fù)雜，常出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常使用，進(jìn)而影響行車效率和安全。

本文將利用圖像處理技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合傳感器和視頻技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。將傳感器和視頻得到的兩種信息進(jìn)行對(duì)比輸出，降低誤報(bào)率，在道岔轉(zhuǎn)換有故障趨勢(shì)或發(fā)生故障未對(duì)行車造成影響前發(fā)出警示消除隱患。除了可以對(duì)缺口進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還可以對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部實(shí)時(shí)溫度、濕度、狀態(tài)等常規(guī)的信息實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，適應(yīng)高低溫、雷電沖擊、電磁兼容等環(huán)境，同時(shí)使用成熟的圖像采集技術(shù)，記錄道岔工作狀態(tài)，具有回放功能。

1 轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

研究轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的是將傳感器技術(shù)、視頻處理技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于各種類型轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)上。根據(jù)現(xiàn)有資料和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)設(shè)備特征參數(shù)形成標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，借助儀器設(shè)備的可靠性和精確性，利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)和預(yù)警，克服人工測(cè)量帶來(lái)的誤差，降低維修成本，大幅度提高轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備的可靠性，確保出現(xiàn)故障及時(shí)預(yù)警，保證列車的安全運(yùn)行。

轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心是處理分析各類傳感器采集到的轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)行的各類參數(shù)，傳感器的質(zhì)量直接影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能。轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口的監(jiān)測(cè)設(shè)備主要表現(xiàn)在電壓、電流、溫度、濕度、轉(zhuǎn)換力、運(yùn)行視頻等，針對(duì)不同的指標(biāo)國(guó)內(nèi)研究人員已經(jīng)有了大量的研究，但是目前很難有一款能夠滿足在不同轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部采集有不同需要視頻參數(shù)的圖像采集設(shè)備，但是采集監(jiān)測(cè)區(qū)域的圖像參數(shù)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要過(guò)程。

根據(jù)傳感器的安裝方式，通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)主要有兩種來(lái)源，分別是直接測(cè)量和間接測(cè)量，傳感器直接安裝在缺口處進(jìn)行監(jiān)測(cè)稱為直接測(cè)量，這種方式測(cè)試精確但安裝復(fù)雜，測(cè)量數(shù)據(jù)直接反映被測(cè)間隙的大??；若直接測(cè)量設(shè)備的安裝有一定難度，且不同轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口特點(diǎn)不同，用間接測(cè)量選擇合適的測(cè)量值，仔細(xì)調(diào)整基準(zhǔn)位置，使測(cè)量間接值能夠準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口間隙的大小。

2 目前轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題

2.1 光電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

光電缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理是利用感光器接收光信號(hào)，通過(guò)接收光信號(hào)量間接反映缺口間隙的大小，采集記錄道岔轉(zhuǎn)換過(guò)程、車通過(guò)時(shí)的震動(dòng)視頻，還要記錄并存儲(chǔ)轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口值、振動(dòng)強(qiáng)度和溫度、濕度等數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)生成監(jiān)測(cè)曲線，反映轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口狀態(tài)的變化過(guò)程。光電缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，不需要對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行改造，也不需要鋪設(shè)新的電纜，精確度也比較高，但是采集器容易出現(xiàn)故障，如通訊故障，接觸不良，且由于轉(zhuǎn)轍機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致采集器、感光器和相關(guān)線路發(fā)生故障導(dǎo)致無(wú)視頻監(jiān)測(cè)信號(hào)。

2.2 機(jī)械觸點(diǎn)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

機(jī)械觸點(diǎn)式轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理是通過(guò)表示桿的缺口和檢查柱之間的距離來(lái)判斷缺口大小的，當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)在正常的工作狀態(tài)時(shí)，表示桿缺口邊緣與檢查柱距離大于定值，為斷開狀態(tài)；當(dāng)表示桿缺口邊緣與檢查柱距離小于定值，開關(guān)閉合，給出報(bào)警。機(jī)械觸點(diǎn)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)容易受到振動(dòng)、雨水滲透、機(jī)械生銹失靈等影響，出現(xiàn)誤報(bào)漏報(bào)現(xiàn)象。

當(dāng)前轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題是缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法精確計(jì)算轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)行中缺口值的變化情況，只能對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定性分析，不能定量分析，且大部分都是觸點(diǎn)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不同的傳感器針對(duì)不同的轉(zhuǎn)轍機(jī)，開發(fā)成本高、系統(tǒng)升級(jí)難度大。雖然目前普遍使用攝像頭監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，但是安裝成本高維護(hù)復(fù)雜，故障多發(fā)，且國(guó)內(nèi)少部分新建線路的轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝有道岔缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有局限性，需要對(duì)當(dāng)前監(jiān)測(cè)方式升級(jí)，相關(guān)文獻(xiàn)表明很多專家提出了基于視頻的監(jiān)測(cè)方法，本文針對(duì)基于圖像處理的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）基于圖像處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器采集的數(shù)據(jù)為數(shù)字圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理分析能夠形成缺口值的變化曲線。

（2）除了能夠形成缺口值的變化曲線，還可以監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部環(huán)境，如測(cè)量溫濕度，轉(zhuǎn)化力等信息。

（3）傳感器采集的數(shù)據(jù)，視頻可以存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，具有回放功能，通過(guò)數(shù)字圖像的處理分析對(duì)道岔狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判。

（4）缺口監(jiān)測(cè)值的精確度極高，避免光線、轉(zhuǎn)轍機(jī)振動(dòng)對(duì)鏡頭的影響，使圖像更清晰，識(shí)別度更高，同時(shí)改善了通訊中斷，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)停止工作導(dǎo)致監(jiān)測(cè)空缺的現(xiàn)象。

（5）基于圖像處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)，靈活性高的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)高低溫，雷電沖擊等環(huán)境。

3 基于圖像處理的轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于圖像處理的轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由圖像采集單元、圖像處理單元、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)和室內(nèi)服務(wù)器上的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。圖像采集單元采集轉(zhuǎn)轍機(jī)的缺口狀態(tài)將數(shù)據(jù)發(fā)送到圖像處理單元，圖像處理單元對(duì)收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，確定缺口的位置信息并計(jì)算缺口值，最后對(duì)監(jiān)測(cè)到的相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳給服務(wù)器。室內(nèi)服務(wù)器上的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將完成傳遞的數(shù)據(jù)分類入庫(kù)，并提供人機(jī)交互系統(tǒng)的接口，使工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)行狀況和歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)箱由供電單元和通信單元組成，完成圖像處理器的供電傳輸，與車站分機(jī)完成信息交互。車站分機(jī)由防雷供電設(shè)備、服務(wù)器（上位機(jī)）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工控機(jī)組成，通過(guò)信號(hào)集中監(jiān)測(cè)界面顯示轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)原理

圖像采集單元采集轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)監(jiān)測(cè)區(qū)域的圖像，按照所需的視頻格式發(fā)送到圖像處理單元，圖像處理單元對(duì)接收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，然后利用數(shù)字圖像處理方法對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口進(jìn)行邊緣歸一化處理，得到監(jiān)測(cè)區(qū)域圖像的缺口值，根據(jù)這一缺口值的大小，確定上傳法案。當(dāng)缺口值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí)，只需上傳缺口值；當(dāng)缺口值不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)而在預(yù)警值內(nèi)時(shí)，需要上傳缺口值與對(duì)應(yīng)的視頻；當(dāng)缺口值超出預(yù)警值時(shí)，立即報(bào)警，需要上傳對(duì)應(yīng)時(shí)間段的缺口值和視頻。為了以防萬(wàn)一，出現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換不到位，但是缺口值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的情況，雖然該異常情況較少，至傳送缺口值數(shù)據(jù)較少，道岔問(wèn)題不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因此，不管缺口值是否正常，都需要周期性巡檢上傳缺口值及對(duì)應(yīng)的視頻，對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采樣。

服務(wù)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收?qǐng)D像處理單元處理分析后的圖像數(shù)據(jù)，并分類入庫(kù)，便于工作人員直接查詢調(diào)用某轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和歷史信息查詢。同時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以控制圖像處理單元的運(yùn)行，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)上傳，減少冗余信息的傳輸，避免傳輸通道堵塞。

本系統(tǒng)圖像采集、處理單元和服務(wù)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能互補(bǔ)，圖像采集處理單元準(zhǔn)確定位缺口邊緣，確定缺口值，將圖像數(shù)據(jù)周期性上傳，精準(zhǔn)可靠，而服務(wù)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將收到的數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)，并控制圖像處理單元的運(yùn)行，實(shí)時(shí)查詢視頻及數(shù)據(jù)，方便快捷。系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

4 基于圖像處理的轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

4.1 采集模塊

圖像采集模塊主要由微型攝像機(jī)、電源接口、傳輸接口圖采集單元組成，微型攝像機(jī)采用CCD圖像傳感器，是一種可以將光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。要想精確地找到缺口邊緣的位置信息，需要通過(guò)位置檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)，比如光電式、電容式、傳統(tǒng)感應(yīng)式的位置傳感器或者電位計(jì)等。電位計(jì)成本低、精度高，但是易損耗、耐振動(dòng)性差，不適合溫差大的環(huán)境；光電式傳感器俗稱編碼器，易受油污煙塵等外來(lái)物影響，造成測(cè)量有誤；電容式傳感器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低功耗，但對(duì)溫濕度和安裝公差要求較高，不適用監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部狀態(tài)；對(duì)于傳統(tǒng)感應(yīng)式位置傳感器雖使用廣泛，精度高，適合苛刻環(huán)境，但體積大承辦高，因此選擇CCD圖像傳感器，與傳統(tǒng)運(yùn)用的圖像處理系統(tǒng)相比，更注重速度和精度，具有時(shí)效性，體積小，重量輕，不受電磁干擾，具有抗震性。

4.2 圖像處理單元

圖像處理單元采用成熟、專業(yè)的達(dá)芬奇TMS320DM3 65視頻處理器完成壓縮、解碼、傳輸通信，它是典型的嵌入式處理器，具有多種編解碼功能，可以提供多高清通道功能，可實(shí)現(xiàn)音頻、語(yǔ)音以及其他高清視頻信息處理，具有更高的靈活性與更低的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。由于列車碾壓軌道線路、轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換動(dòng)作引起的振動(dòng)和油污塵土的污染造成圖像邊緣模糊，出現(xiàn)誤測(cè)。因此，首先運(yùn)用去模糊化、直方圖均衡化處理圖像，然后對(duì)處理完的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，確定邊緣位置并歸一化計(jì)算缺口值。

4.3 通信網(wǎng)絡(luò)

CAN總線網(wǎng)絡(luò)是ISO國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)的串行通信協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式實(shí)時(shí)控制，完成多個(gè)缺口通信處理單元信息的傳輸與服務(wù)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息交換。CAN現(xiàn)場(chǎng)總線上的節(jié)點(diǎn)按照協(xié)議規(guī)定的幀格式設(shè)置好后，就可以發(fā)送信息，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，并且節(jié)點(diǎn)無(wú)需另外配置地址等信息。該方法使用方法靈活，如線路上新增的轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口檢測(cè)系統(tǒng)可以直接在CAN總線上掛載不需另外配置網(wǎng)絡(luò)。

4.4 服務(wù)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

服務(wù)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將完成傳遞的數(shù)據(jù)分類入庫(kù)，并提供人機(jī)交互系統(tǒng)的接口，記錄每個(gè)轉(zhuǎn)轍機(jī)的運(yùn)行信息，使工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)行狀況，轉(zhuǎn)轍機(jī)的歷史數(shù)據(jù)工作人員也可以隨時(shí)利用日期進(jìn)行查詢，另外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)圖像處理單元的運(yùn)行進(jìn)行控制，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)上傳，統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口值，方便工作人員宏觀掌握轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。服務(wù)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用B/S架構(gòu)，相較于C/S架構(gòu)，其共享性強(qiáng)靈活性高，隨時(shí)隨地查詢信息，數(shù)據(jù)可以永遠(yuǎn)存儲(chǔ)在服務(wù)器中不會(huì)丟失，而且只需要對(duì)服務(wù)器端進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)，系統(tǒng)即可同步更新。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了目前轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合其優(yōu)點(diǎn)克服其缺陷，提出了基于圖像處理技術(shù)的轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能精確計(jì)算缺口值，還可以對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的溫濕度、狀態(tài)等常規(guī)地信息實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)具有回放的功能，實(shí)現(xiàn)缺口的智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)，對(duì)于同類鐵路基礎(chǔ)設(shè)備狀態(tài)的智能檢測(cè)與評(píng)價(jià)具有重要的參考價(jià)值。