葉 斌，楊云國

轉(zhuǎn)轍機是道岔轉(zhuǎn)換的驅(qū)動設(shè)備，轉(zhuǎn)轍機鎖閉柱落入鎖閉桿后缺口的間隙（寬度）過大或者過小，都會影響轉(zhuǎn)轍機的正常鎖閉，從而導(dǎo)致道岔無法轉(zhuǎn)換到位，影響運輸安全。因此必須對轉(zhuǎn)轍機表示缺口的變化進行全程的在線檢測。

目前已經(jīng)上道使用的轉(zhuǎn)轍機表示缺口檢測系統(tǒng)大多是在轉(zhuǎn)轍機內(nèi)安裝圖像傳感器，將采集到的圖像壓縮后，通過電力載波傳輸至機械室內(nèi)的上位機，采用智能圖像處理、數(shù)據(jù)分析、多特征模板匹配等算法和技術(shù)，檢測轉(zhuǎn)轍機的表示缺口［1］。這種方式是將所有傳感器采集到的圖像都傳輸?shù)綑C械室的監(jiān)測站機進行集中統(tǒng)一計算，對現(xiàn)場通道帶寬和監(jiān)測站機的計算能力要求較高。由于現(xiàn)場通道資源緊張，在轉(zhuǎn)轍機較多且轉(zhuǎn)換頻繁的大站，往往會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失情況；而站機要完成全部轉(zhuǎn)轍機缺口的圖像識別和實時視頻的存儲、展示，也會造成系統(tǒng)的實時性降低。為此，具備分布式計算能力就成為今后缺口監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）具有block RAM，支持實現(xiàn)流水線運算，可以直接與圖像傳感器芯片連接，將圖像傳感器采集到的圖像數(shù)據(jù)流送入內(nèi)部的block RAM進行緩存。由于block RAM是完全可控的，可實現(xiàn)各種靈活的運算，包括對圖像進行實時處理，可以一邊流入數(shù)據(jù)，一邊處理數(shù)據(jù)，無需送入DDR緩存處理［2］，極大地壓縮了從采集到處理的延遲。因此，本文給出了基于FPGA的轉(zhuǎn)轍機表示缺口檢測模塊設(shè)計［3］，采用中值濾波技術(shù)和Sobel邊緣檢測算子等，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)轍機表示缺口圖像的快速采集和實時圖像處理，具有速度快、精度高的特點，且支持實現(xiàn)分布式計算。

1 模塊結(jié)構(gòu)

基于FPGA的轉(zhuǎn)轍機缺口檢測模塊由缺口采集單元、缺口圖像處理單元、顯示單元及通信單元等組成，結(jié)構(gòu)框圖見圖1。缺口采集單元實時采集轉(zhuǎn)轍機表示缺口的圖像，先經(jīng)過缺口圖像處理單元對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行處理，包括圖像裁剪、圖像轉(zhuǎn)換、圖像濾波、邊緣檢測等，識別出鎖閉柱及鎖閉桿缺口邊緣；再計算邊緣之間像素差，即可得到缺口間隙大小；最后將處理后的表示缺口間隙值和原始圖像數(shù)據(jù)經(jīng)通信單元上傳給上位機，同時在顯示單元顯示實時的缺口值。根據(jù)轉(zhuǎn)轍機的型號采用不同的安裝方式，可在轉(zhuǎn)轍機內(nèi)獲得拍攝到缺口的合適位置。

圖1 檢測模塊結(jié)構(gòu)

1.1 缺口采集單元

缺口采集單元負責(zé)采集轉(zhuǎn)轍機表示缺口處的圖像。圖像傳感器選用OV5640芯片，其最大感光陣列高達2 592×1 944（約500萬）像素，能實現(xiàn)VGA分辨率90 fps的圖像采集。同時傳感器集成了自動曝光控制、自動白平衡等功能，支持LED補光、MIPI接口和DVP接口方式。Artix-7系列FPGA支持OV5640芯片的驅(qū)動，根據(jù)現(xiàn)場需求，可支持VGA、XGA及SXGA等分辨率的配置。圖像采集單元具備2顆高亮度LED，在圖像拍攝時，既可對圖像傳感器進行補光，也可在人工巡檢轉(zhuǎn)轍機時提供照明。

1.2 缺口圖像處理單元

缺口圖像處理單元基于Artix-7系列FPGA開發(fā)，在Vivado平臺上開發(fā)軟件程序，通過Verilog HDL語言進行邏輯編碼與算法實現(xiàn)，經(jīng)硬件平臺與軟件算法的處理后，最終實現(xiàn)對缺口間隙的檢測。作為檢測模塊的核心，該處理單元主要負責(zé)驅(qū)動控制圖像傳感器，對采集的圖像/錄像等數(shù)據(jù)進行存儲、識別分析、數(shù)據(jù)上傳、驅(qū)動顯示等。具體包括驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、DDR3存儲器及網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

1.2.1 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊負責(zé)驅(qū)動CMOS傳感器，配置OV5640攝像頭的采集圖像分辨率，控制完成傳感器的初始化，并對采集圖像進行裁剪；將采集到的數(shù)據(jù)寫入DDR3控制器，完成數(shù)據(jù)的采集與緩存。驅(qū)動模塊的結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

為便于人工查詢?nèi)笨谖恢茫瑘D片分辨率配置為720×576；實際需要檢測的區(qū)域為鎖閉柱邊緣及鎖閉桿缺口位置，顯然拍攝的圖像中包含了大量背景元素。為了快速檢測缺口間隙及提高圖像識別精度，將原始圖像中像素點（150，50）和（400，300）范圍外的部分剪除，裁剪后的圖像數(shù)據(jù)僅占原始圖像的1/3［4］。將裁剪后圖像和原始圖像一并寫入緩存中，前者用于圖像識別，后者提供人工查看。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊選用XC7A35T-2FGG484I主控芯片，其內(nèi)部的邏輯單元達到33 280個，1.8 Mbit BRAM；支持從500 Mb/s到最大速率6.25 Gb/s的收發(fā)速度，同時采用流水線結(jié)構(gòu)和并行計算的方法，滿足快速實時處理的要求［5］。主要功能包括對采集的圖像進行缺口間隙大小識別，處理上位機發(fā)送的控制命令，將識別出的缺口間隙值和采集到的圖像及視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)通信模塊等。數(shù)據(jù)處理模塊處理邏輯見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)處理模塊處理邏輯

基于缺口圖像的特征，本設(shè)計采用邊緣檢測算法［6］進行圖像識別。圖像在邊界處一般有明顯的灰度變化，不同的圖像灰度變化不同，邊緣檢測即檢測出圖像灰度級或者結(jié)構(gòu)發(fā)生突變的像素區(qū)域。為滿足邊緣檢測的識別，需要對原始圖像進行轉(zhuǎn)換，主要包括以下幾步。

Step 1圖像格式轉(zhuǎn)換。由于原始采集的圖像為RGB格式，不便于對圖像邊緣進行提取，需將RGB的三原色色彩空間轉(zhuǎn)換為YCbCr格式。YCbCr是對YUV信號的發(fā)展和校正，主要應(yīng)用在數(shù)字視頻中的一種編碼方法［7］，表示亮度與色度的色彩空間模型。其中Y表示圖像的灰階值，Cb、Cr分別為藍色、紅色色度分量，為便于識別轉(zhuǎn)化后的圖像數(shù)據(jù)，只保留圖像的Y數(shù)據(jù)。

Step 2圖像濾波。轉(zhuǎn)轍機在扳動過程中，表示桿缺口內(nèi)可能會沾染油污斑點，這會影響圖像的識別。因此在圖像格式轉(zhuǎn)化后，需要對圖像進行濾波處理。采用中值濾波［8］處理改善圖像質(zhì)量，去除圖像中的高頻噪音點干擾，讓圖像更平滑，像素值更接近真實值。中值濾波采用非線性平滑計算方式，先將每一個像素點及該像素點的鄰域作為一個濾波模塊，計算出模板中所有像素點灰度值的中值，再用它代替模塊中心像素點的值。

Step 3邊緣檢測。表示缺口圖像經(jīng)過圖像轉(zhuǎn)化、濾波后，只剩下圖像的灰度數(shù)據(jù)。采用Sobel算子邊緣檢測技術(shù)［9］，通過計算圖像的梯度值來檢測圖像的邊緣。具體實現(xiàn)方式為：通過參數(shù)配置，設(shè)定每一臺轉(zhuǎn)轍機的識別閾值參數(shù)，將經(jīng)過處理后的灰度圖像理解為一個二維函數(shù)，圖像的一階導(dǎo)數(shù)可以用梯度表示，表示某一函數(shù)在某一點處的方向?qū)?shù)沿著該方向取得最大值。計算梯度的大小時，首先要計算梯度關(guān)于x、y方向的分量Gy和Gx，計算梯度偏導(dǎo)數(shù)采用Sobel算子，Sobel算子垂直方向和水平方向的模板選用最小的奇數(shù)3×3模板，見圖4。像素3×3區(qū)域的第3行與第1行的差近似為x方向的偏導(dǎo)數(shù)，第3列與第1列的差近似為y方向的偏導(dǎo)數(shù)。使用Sobel算子計算梯度分量的算術(shù)表達式為

圖4 Sobel算子

式中：Gx、Gy分別為經(jīng)橫向和縱向邊緣檢測的圖像灰度值；G為該像表的圖像灰度值。將G與參數(shù)配置中的閾值進行比較，大于閾值則表示該像表點的邊緣，將計算出的所有邊緣點坐標(biāo)數(shù)據(jù)放入緩存。

Step 4間隙計算。對圖像邊緣檢測處理后，從所得到的邊緣點數(shù)據(jù)中提取鎖閉塊的下邊沿和表示桿缺口邊沿的像素坐標(biāo)，這二者的像素坐標(biāo)相減的絕對值，即為缺口間隙大小的像素值。該像素值乘以每一個像素點代表的實際尺寸，就得出表示缺口間隙的實際大小。在實際處理中，邊緣的像素點可能是2個以上。經(jīng)過實際測量，對于鎖閉塊的下邊沿和表示桿缺口邊沿僅取第2排的像素點作為計算的像素邊緣。

1.3 顯示單元

顯示單元負責(zé)實時顯示識別后的缺口間隙、模塊配置參數(shù)及模塊狀態(tài)等信息，缺口間隙可顯示到小數(shù)點后2位。顯示單元自帶選擇按鈕，可在顯示信息、手動測量以及修改模塊配置等功能間循環(huán)切換。顯示單元采用4位8段數(shù)碼管，基于FPGA運算速度高的特點，采用動態(tài)驅(qū)動的方式，每隔1～2 ms驅(qū)動點亮每位數(shù)碼管。

1.4 通信單元

通信單元包括PLC通信模塊和電源模塊，負責(zé)將接收到的圖像/視頻等數(shù)據(jù)，以電力載波通信（PLC）方式上傳至室內(nèi)站機，同時將PLC通信模塊接收的命令信息下發(fā)給缺口圖像處理單元。電源模塊為整個檢測模塊提供電源，負責(zé)將AC220 V轉(zhuǎn)換為各單元使用的DC12 V。PLC通信模塊利用2芯備用芯線作為電力線，通過載波方式實現(xiàn)供電和數(shù)據(jù)傳輸功能［10］。采用OFDM技術(shù)，可在既有信號電纜上傳輸信息，傳輸距離不大于1 km，既可解決現(xiàn)場備用芯線不足的情況，同時通信速率高達2 Mbit/s，完全可以滿足視頻/圖像等數(shù)據(jù)的傳輸，提高了產(chǎn)品在現(xiàn)場的可用性。

2 試驗驗證

灰度變化明顯是邊緣點的特征。通過邊緣點的檢測，能有效檢測出圖像中對象的邊緣，而只保留邊界信息在很大程度上能減少待處理的數(shù)據(jù)量，可有效簡化圖像的分析。圖5展示了設(shè)計的缺口檢測模塊安裝在ZYJ7型轉(zhuǎn)轍機內(nèi)，對表示桿缺口進行實時采集檢測的過程。圖5（a）為圖像采集單元采集到的原始圖片，圖5（b）為經(jīng)圖像處理單元裁剪后的缺口特征部位圖片，圖5（c）為將裁剪后的圖片進行轉(zhuǎn)換和濾波后得到的圖。再通過邊緣檢測得到上邊緣（綠線）、下邊緣（藍線）；綠線和藍線之間的像素值乘以每一個像素點代表的實際距離，即為缺口間隙的實際大小數(shù)值，即2.1 mm。

圖5 圖片處理結(jié)果對比

3 結(jié)論

基于FPGA的轉(zhuǎn)轍機缺口檢測模塊已在昆明局馬龍站得到了試用。全站合計安裝了63臺ZYJ7型轉(zhuǎn)轍機表示缺口檢測模塊。

1）維護人員在本地的顯示單元就能看到當(dāng)前缺口大小，實現(xiàn)了根據(jù)數(shù)值調(diào)整表示桿，交互性好，大大提高了現(xiàn)場維護效率。

2）可根據(jù)需要只傳檢測結(jié)果到缺口監(jiān)測站機（在通道有限、帶寬受限時），降低了對現(xiàn)場通道帶寬的要求。

3）當(dāng)有多個轉(zhuǎn)轍機同時轉(zhuǎn)動時，每個檢測模塊可同步采集和處理數(shù)據(jù)，減少了對站機計算能力的依賴，實現(xiàn)了分布式計算，提高了全站缺口監(jiān)測站機系統(tǒng)的可靠性和可用性。