摘" 要：目前，鐵路系統(tǒng)已經(jīng)全面應(yīng)用貨車故障軌旁圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TFDS）采集車輛底部和側(cè)面圖像。針對(duì)TFDS系統(tǒng)只能獲取列車移動(dòng)時(shí)圖像而無(wú)法獲取靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)圖像的問(wèn)題，以RGV移動(dòng)機(jī)器人為載體，搭配移動(dòng)Dalsa線陣工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像采集；利用TCP/IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)到服務(wù)端的圖像傳輸。研究結(jié)果表明，RGV移動(dòng)機(jī)器人能夠搭載Dalsa相機(jī)以3 m/s的速度在特定軌道上穩(wěn)定行走，Dalsa線陣工業(yè)相機(jī)能夠穩(wěn)定連續(xù)地采集照片；通過(guò)建立TCP連接，實(shí)現(xiàn)圖像發(fā)送、接收和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，保證圖像按類歸檔。研究結(jié)果推進(jìn)鐵路貨車始發(fā)列檢由人檢向智能檢測(cè)的轉(zhuǎn)變，為下一步人工智能自動(dòng)識(shí)別鐵路貨車底盤故障缺陷積累圖像數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：貨車故障軌旁圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TFDS）；RGV；圖像采集；圖像傳輸；鐵路系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U226""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""""""" 文章編號(hào)：2095-2945（2025）04-0123-04

Abstract： At present， the railway system has fully applied the Trouble of Moving Freight Car Detection System （TFDS） to collect vehicle bottom and side images. In view of the problem that the TFDS system can only obtain images when the train is moving but cannot obtain images when it is still， the RGV mobile robot is used as the carrier and combined with a mobile Dalsa linear array industrial camera to realize image acquisition; the TCP/IP communication protocol is used to realize image transmission from the acquisition system to the server. The research results show that the RGV mobile robot can carry a Dalsa camera and walk stably on a specific track at a speed of 3m/s， and the Dalsa linear array industrial camera can collect photos stably and continuously; by establishing a TCP connection， image transmission， reception and real-time storage are realized to ensure that images are archived according to categories. The research results have promoted the transformation from human inspection to intelligent inspection at the departure of railway freight cars， and accumulated image data for the next step of artificial intelligence to automatically identify railway freight car chassis faults and defects.

Keywords： Trouble of Moving Freight Car Detection System （TFDS）; RGV; image acquisition; image transmission; railway system

截至2020年底，我國(guó)高速鐵路通車?yán)锍踢_(dá)到3.8萬(wàn)公里，居世界首位[1]。目前國(guó)內(nèi)、外現(xiàn)有TFDS圖像信息采集系統(tǒng)，已經(jīng)應(yīng)用于鐵路普速、高速運(yùn)行列車的圖像采集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)到達(dá)列車技術(shù)作業(yè)由人檢向人工智能檢測(cè)方向的轉(zhuǎn)化[2-4]。但始發(fā)列檢作業(yè)場(chǎng)的列車技術(shù)作業(yè)還完全依賴人工檢查，該種作業(yè)方式檢查時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)要求高。而且疲勞作業(yè)、責(zé)任心、情緒等因素對(duì)檢查質(zhì)量影響很大，天氣和晝夜的變化對(duì)檢查質(zhì)量影響也很大，并且存在較大的人身安全隱患[5-6]。

綜上所述，研制一套全自動(dòng)智能貨車底部檢測(cè)系統(tǒng)（RGV），結(jié)合新一代圖像采集、信息處理、人工智能和移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)新，解決始發(fā)列檢人工檢車作業(yè)存在的問(wèn)題，降低職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高效率，迫在眉睫。

1" 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1" 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鐵路貨車始發(fā)列檢機(jī)檢替代人檢技術(shù)是研制一套全自動(dòng)智能檢車系統(tǒng)，由RGV機(jī)器人、線路間專用軌道、端部車庫(kù)、通信系統(tǒng)、軌邊信息處理服務(wù)器系統(tǒng)和圖片編輯處理系統(tǒng)等組成。RGV車體采用鋁鎂合金型材組合體，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，兼顧防水功能；在RGV軌道機(jī)器人上，集成了2K CCD線陣攝像機(jī)、紅外光源、電池和車載計(jì)算機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)車列底部圖像的采集；動(dòng)力系統(tǒng)為直流伺服電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)，用車載工業(yè)計(jì)算機(jī)控制，電源用鉛酸鐵鋰電池；專用軌道鋪設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)軌中間，為RGV在車列底部運(yùn)行提供支撐；端部車庫(kù)為RGV駐車使用，在車庫(kù)內(nèi)配備充電和通信插座，RGV入庫(kù)后可為車載電池充電、車載計(jì)算機(jī)所采集的圖像信息傳送到軌邊服務(wù)器，數(shù)據(jù)傳輸采用有線傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠度。圖片編輯系統(tǒng)安裝在軌邊服務(wù)器中，對(duì)RGV傳來(lái)的圖片信息進(jìn)行編輯和預(yù)處理，并將編輯好的圖庫(kù)信息傳送到5T檢測(cè)中心TFDS作業(yè)平臺(tái)，由5T檢車員對(duì)車輛進(jìn)行檢查；對(duì)發(fā)現(xiàn)的故障，再返回現(xiàn)場(chǎng)，由檢車員確認(rèn)并處理。同時(shí)結(jié)合圖像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，為下一步人工智能系統(tǒng)的GPU服務(wù)器提供調(diào)度協(xié)調(diào)功能。

1.2" 圖像處理系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于RGV小車的列車底盤圖像采集傳輸系統(tǒng)主要包括線性相機(jī)采集模塊和圖像傳輸模塊。其中線陣相機(jī)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)了相機(jī)配置文件自動(dòng)導(dǎo)入、相機(jī)初始化、圖像連續(xù)采集、圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)以及基于TwinCAT的指令交互等功能。圖像傳輸模塊包括服務(wù)器端和客戶機(jī)端2個(gè)子模塊，兩部分相互協(xié)調(diào)工作，分別調(diào)用各自對(duì)應(yīng)的部分，共同完成圖像發(fā)送和圖像接收任務(wù)，實(shí)現(xiàn)圖像歸檔和重復(fù)查詢。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3" 圖像處理系統(tǒng)流程分析

基于RGV小車的列車底盤圖像采集傳輸系統(tǒng)流程如圖2所示。首先，圖像采集系統(tǒng)等待外觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)RGV小車進(jìn)入車底后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送外觸發(fā)信號(hào)命令相機(jī)開(kāi)始進(jìn)行圖像采集。接下來(lái)，判斷圖像采集是否完成，若圖像采集未完成，則繼續(xù)進(jìn)行圖像采集任務(wù)；若圖像采集完成，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將采集到的圖像發(fā)送至服務(wù)器。最后，判斷圖像是否發(fā)送完畢，若圖像未發(fā)送完畢，則繼續(xù)執(zhí)行圖像發(fā)送任務(wù)；若圖像發(fā)送完畢，則服務(wù)器開(kāi)始接收?qǐng)D像并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。此時(shí)，基于RGV小車的列車底盤圖像采集傳輸系統(tǒng)完成了本輪圖像采集及圖像傳輸任務(wù)。

1.4" 圖像處理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

基于RGV小車的列車底盤圖像采集傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)要求，開(kāi)發(fā)環(huán)境主要運(yùn)用：

1）Windows 10 64位操作系統(tǒng)，Microsoft.NET Framework 4.6.1。

2）Microsoft Visual Vtudio 2019。

3）DALSA.SaperaLT.SapClassBasic、TwinCAT.Ads、halcondotnet等輔助開(kāi)發(fā)工具包。

2" RGV移動(dòng)小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

RGV通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶輪的方式，帶動(dòng)車軸車輪在特定的軌道上行駛。底部帶有限位導(dǎo)向的滾輪，以保證RGV小車在軌道上穩(wěn)定的行駛[7]。采用車載計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)在軌運(yùn)行、自動(dòng)充電、自動(dòng)信息傳輸。車載傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)軌道障礙物，對(duì)RGV運(yùn)行安全進(jìn)行自我保護(hù)，實(shí)現(xiàn)車輛計(jì)數(shù)、輪對(duì)計(jì)數(shù)功能。

RGV檢車系統(tǒng)的性能參數(shù)如下。

1）RGV本體尺寸：1 642 mm×902 mm×207 mm。

2）RGV本體重量：約200 kg。

3）運(yùn)動(dòng)形式：直線軌道，往復(fù)運(yùn)行。

4）行駛速度：3 m/s。

5）電池容量：60 AH。

6）充電時(shí)間：1 h。

7）相機(jī)布置：雙相機(jī)斜視，可實(shí)現(xiàn)貨車底部全覆蓋

8）相機(jī)分辨率：2 048/4 096。

9）相機(jī)采集頻率：適用0～10 km/h車速。

10）圖像精度：高于1 pixel/mm。

3" 圖像處理系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖像采集傳輸系統(tǒng)最基本的功能就是控制相機(jī)來(lái)完成對(duì)列車底盤圖像的采集，并將采集到的圖像從計(jì)算機(jī)傳輸至服務(wù)端。本項(xiàng)目采用2部Dalsa線陣掃描工業(yè)相機(jī)用于圖像采集，計(jì)算機(jī)與2臺(tái)相機(jī)連接在同一局域網(wǎng)內(nèi)，每臺(tái)設(shè)備擁有獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)IP地址，這樣本系統(tǒng)在計(jì)算機(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，將采集到的列車底盤圖像傳輸至服務(wù)端，實(shí)現(xiàn)圖像歸檔和重復(fù)查詢。

3.1" 線陣相機(jī)采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Dalsa相機(jī)可以將標(biāo)準(zhǔn)千兆以太網(wǎng)技術(shù)與高可靠性成像觸發(fā)技術(shù)架構(gòu)相結(jié)合，是專為工業(yè)視覺(jué)領(lǐng)域設(shè)計(jì)的相機(jī)[8]。該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)相機(jī)的獨(dú)立圖像采集及與PC主機(jī)間圖像傳輸，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的PC機(jī)和服務(wù)器的以太網(wǎng)接口和硬件，幀率可達(dá)100幀/s以上，圖形穩(wěn)定性好，具有高傳輸能力和抗干擾能力，符合工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)要求[9]。

Dalsa線陣相機(jī)采集模塊功能如圖3所示，圖像采集模塊主要實(shí)現(xiàn)了配置文件自動(dòng)導(dǎo)入、相機(jī)初始化、圖像連續(xù)采集、圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)以及基于TwinCAT的指令交互等功能。

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）讀取并解析ccf相機(jī)配置文件，設(shè)置相機(jī)的相關(guān)配置參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行初始化。

2）定義一個(gè)回調(diào)函數(shù)XferCallback，該函數(shù)在捕獲一幀數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)采集緩沖區(qū)。

3）在完成上述采集圖像的準(zhǔn)備工作后，當(dāng)接到外觸發(fā)信號(hào)后，便通過(guò)SapTransfer的一系列函數(shù)進(jìn)行圖像的采集。定義2個(gè)指針p1和p2，其中p1指向采集緩沖區(qū)，p2指向圖像存儲(chǔ)空間。每采集一幀圖像數(shù)據(jù)，在通過(guò)回調(diào)函數(shù)中的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)制到圖像實(shí)際存儲(chǔ)空間中。

4）如果接到外觸發(fā)停止圖像采集的信號(hào)則停止圖像采集工作，釋放相關(guān)資源，將圖像存儲(chǔ)至本地文件夾，等待外觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行下一輪圖像采集；否則返回步驟3）繼續(xù)采集圖像。

3.2" 圖像傳輸模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

客戶端與服務(wù)端之間的通信可以選用TCP和UDP兩種通信協(xié)議。UDP是一種無(wú)連接的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，具有實(shí)時(shí)性好、傳輸效率高但是可靠性低的特點(diǎn)[10]。考慮到系統(tǒng)對(duì)安全可靠性要求較高，信道爭(zhēng)用較少，此處采用面向連接的TCP協(xié)議。TCP協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)之前必須確認(rèn)接收方已準(zhǔn)備就緒，確認(rèn)方式是發(fā)送方給接收方發(fā)送數(shù)據(jù)包，接收方在收到數(shù)據(jù)包的同時(shí)也會(huì)向發(fā)送方提供反饋，在確認(rèn)發(fā)送方與接收方通信暢通的情況下建立TCP連接，這樣的連接機(jī)制使得TCP協(xié)議提供了可靠的傳輸服務(wù)[11]。

圖像傳輸模塊采用C/S傳輸模式（客戶端/服務(wù)器），C/S模式由客戶端應(yīng)用程序和服務(wù)器端應(yīng)用程序兩部分構(gòu)成，二者共同完成工作。服務(wù)器負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)資源用戶和數(shù)據(jù)，交互則由客戶端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。客戶端應(yīng)用軟件主要用于圖像發(fā)送和發(fā)送完成后的圖像刪除，服務(wù)端應(yīng)用軟件則主要用于圖像接收和圖像存儲(chǔ)，二者相互配合，共同實(shí)現(xiàn)圖像傳輸功能。

圖像傳輸模塊的核心功能是基于TCP/IP協(xié)議，將客戶機(jī)上的圖像及其所在的文件夾名稱傳輸至服務(wù)器端，服務(wù)端建立與客戶端文件夾名稱相同的文件夾對(duì)每一張圖片進(jìn)行分別保存，保證傳輸后的圖像順序不被打亂。

根據(jù)C/S網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，圖像傳輸模塊應(yīng)該包括服務(wù)器端和客戶機(jī)端2個(gè)子模塊，兩部分相互協(xié)調(diào)工作，分別調(diào)用各自對(duì)應(yīng)的部分，共同完成圖像傳輸任務(wù)。此模式將任務(wù)分給服務(wù)器端和客戶機(jī)端，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理能力。

圖像傳輸模塊功能如圖5所示，客戶機(jī)端子模塊主要實(shí)現(xiàn)了建立TCP連接、圖像發(fā)送、圖像發(fā)送完成后的圖像刪除、當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢查、指令交互等功能。服務(wù)器端子模塊主要實(shí)現(xiàn)了建立TCP連接、圖像接收、圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等功能。

軟件流程如圖6所示，根據(jù)流程示意圖，本文設(shè)計(jì)的圖像傳輸過(guò)程可以分為如下幾個(gè)步驟。

客戶端：

1）與倍福控制器建立連接，進(jìn)行基于TwinCAT的指令交互，讀取名字為“Ready_to_upload”變量的值，若“Ready_to_upload”變量值為1，則客戶端和服務(wù)端建立TCP連接；否則重復(fù)執(zhí)行步驟1）。與此同時(shí)，另起線程每秒檢查一次網(wǎng)絡(luò)連接。

2）若TCP連接建立成功，則開(kāi)始進(jìn)行圖像傳輸；否則返回步驟1），重新讀取“Ready_to_upload”變量的值。

3）圖像傳輸完成后，再次進(jìn)行基于TwinCAT的指令交互，將名字為“Send_ compelete”布爾變量的值置為True，同時(shí)“Ready_to_upload”變量值將會(huì)被置為2。

4）為避免客戶端存儲(chǔ)大量圖像造成磁盤空間不足，將傳送至客戶端的圖像刪除。

5）每輪圖像傳輸完成后，返回步驟1），重新讀取“Ready_to_upload”變量的值，等待其值變?yōu)?后進(jìn)行下一輪的圖像傳輸。

服務(wù)端：

1）持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)，若接收到客戶端建立TCP連接請(qǐng)求，則與客戶端建立TCP連接；否則重復(fù)執(zhí)行步驟1），進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)。

2）TCP連接建立成功，開(kāi)始進(jìn)行圖像接收，同時(shí)將接收到的圖像存儲(chǔ)至本地文件夾。

4" 結(jié)論

基于鐵路貨車始發(fā)列檢的相關(guān)需求，完成了全自動(dòng)智能檢車系統(tǒng)（RGV）產(chǎn)品的研發(fā)。該產(chǎn)品通過(guò)安裝兩部Dalsa線陣相機(jī)實(shí)現(xiàn)了列車底部圖像采集功能，利用TCP/IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)到服務(wù)端的圖像傳輸。基于TCP/IP協(xié)議來(lái)編寫(xiě)服務(wù)端和客戶端應(yīng)用程序。用戶僅需在首次使用相機(jī)時(shí)進(jìn)行相機(jī)參數(shù)配置，并將配置文件存放在指定文件夾下即可，后續(xù)相機(jī)使用時(shí)將自動(dòng)調(diào)用之前存儲(chǔ)好的配置文件，無(wú)需每次使用前都進(jìn)行相機(jī)配置。每次圖像采集完成后圖像將自動(dòng)上傳服務(wù)端，并存儲(chǔ)至以當(dāng)前日期和時(shí)間命名的本地文件夾中，方便用戶進(jìn)行圖像查找及圖像分析。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該套圖像處理系統(tǒng)滿足鐵路貨車始發(fā)列檢的檢測(cè)要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

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