基于視頻監控技術的轉轍機缺口監測系統研究

龍 彬， 尚春陽， 張 丹

（西安交通大學 機械工程學院，西安 710049）

道岔是鐵路線路中至關重要的設備，而轉轍機作為鐵路道岔的牽引設備，能否可靠工作直接關系到鐵路列車的安全運行[1]。由于列車在使用過程中的振動、磨耗等，會造成道岔尖軌與基本軌之間有縫隙，導致轉轍機缺口位置產生變化，造成設備故障，影響行車安全。因此，轉轍機缺口位置調整是電務維護的重要工作。本文設計了一種轉轍機缺口實時在線監測系統，并在ZD9型轉轍機上完成實驗驗證，通過了現場線路傳輸測試。該系統可以直接查看缺口視頻，并通過圖像處理技術實現缺口大小判斷，幫助維修人員及時發現故障，提前進行維修，對確保鐵路運輸安全具有極其重要的意義[2]。

1 系統組成

該系統主要由缺口圖像采集裝置、數據傳輸模塊、監測站機幾部分組成，其結構框圖如圖1所示。系統主要采用CCD數字圖像傳感器采集缺口圖像，將圖像壓縮處理后傳送到監控室主機，通過上位機軟件對圖像進行處理，得出缺口位置狀態。同時，電務人員也可以實時查看缺口視頻，做出進一步的判定。

系統主要工作過程為：室外圖像傳感器采集轉轍機缺口狀態信息，通過220 V電力線路將缺口圖像數據實時傳輸到數據集中器，然后采用ADSL數據傳輸方式，將視頻信號傳輸到通信主機，與現有鐵路信號微機系統并網連接，在室內上位機實現各個缺口狀態的實時監測顯示，通過圖像處理技術計算缺口位置大小，并實時顯示和報警。

2 硬件實現

2.1 視頻采集裝置

視頻采集前端的核心部件是電荷耦合器件（CCD）數字圖像傳感器，位置檢測傳感器通常有機械式、光電式、電感式、圖像式等。由于光電式傳感器易受灰塵影響，機械式傳感器易受機械振動和磨損的影響，電感式位移傳感器受溫度的影響很大，易出現誤報警情況，綜合考慮穩定性、可靠性等因素，最終選用CCD數字圖像傳感器[3]。由于轉轍機內部封閉，無光源，需要在每個傳感器的周圍安裝多個直接明場正照明白光LED，使缺口圖像邊緣輪廓在視頻圖像中清晰可見。視頻模擬數據經過專用視頻解碼芯片TVP5146轉換成數字視頻信號，再送到視頻處理模塊的TMS320DM 365處理器進一步處理。

圖 1 監測系統結構框圖

視頻處理模塊采用新型TM S320DM 365[4]數字媒體處理器完成視頻的壓縮、編碼、傳輸通信。DM 365 高度集成了眾多組件，包括一顆ARM 926EJ-S 內核，一個H.264 高清編解碼協處理器HDV ICP 和一個mPEG-4/JPEG高清編解碼協處理器mJCP，可滿足智能視頻處理功能的集成影像信號處理解決方案，以及一系列板載外設等。 另外，由于每個轉轍機對應2種狀態：定、反位，因此需要添加一個視頻切換電路，實現定、反位狀態之間的視頻切換。視頻采集前端把對應數字視頻數據輸出給DM 365，其對視頻數據進行H.264 壓縮，并實現噪聲過濾、視頻穩定以及邊緣增強等功能[5]，由主控系統完成封裝發給電力載波擴頻通信（PLC）芯片，PLC芯片再封裝成PLC數據幀發送到電力線上進行傳輸。視頻采集模塊組成框圖如圖2所示。

圖2 視頻采集模塊組成框圖

2.2 數據集中器

在鐵路站點包括的道岔和轉轍機數量從幾十到幾百不等，因此需要將不同監測終端采集到的視頻圖像壓縮處理后封裝成PLC數據幀傳送到數據集中點進行統一傳輸，這樣節省了大量鋪設專用通信電纜的成本。本設計將不同終端的采集信號通過電力載波通信技術集中到數據集中點，再利用ADSL數據傳輸方式將數據信號傳送到監控主機，實現監控室實時監測缺口位置狀態。

所謂電力載波通信技術是指利用專用調制解調器把信號調制到一定的頻率范圍內，然后把信號加載到現有電力線或配電網線路中，實現高速數據、話音、圖像等多媒體業務信號同時傳輸的一種通信方式[6]。電力載波通信使用頻分技術，實現電源和數據的共線傳輸。實驗證明，電力載波通信技術工作穩定、通信可靠。該系統調制解調器選用INT6400與INT1400芯片組[7]，主芯片INT6400內核為ARM 926EJ-S處理器，它采用OFDM調制模式，其物理層傳輸速率可達200 mbps，MAC層工作模式為CSMA/CA。當視頻采集模塊的數字信號通過mII接口傳輸至INT6400，經過INT1400AFE模擬前端變為模擬信號，經過放大電路放大后由耦合器耦合到電力線上。在數據集中器B處電力載波接收部分是一個LC的帶通濾波器，經過帶通濾波電路出來的信號送到INT1400模擬前端并轉化為數字信號，通過mII接口送至輸出網口。

將數字信號通過網口接入ADSL局端設備，進行現代分頻和編碼調制后，通過鐵路沿線備用電纜，將分頻調制后通過通信主機將視頻信號接入Internet，實現遠距離高速非對稱數據的可靠傳輸。

3 室內主機軟件實現

3.1 監控軟件設計

本設計上位機軟件是在VS2010下開發完成的。運行軟件，自動搜索各轉轍機設備指定IP，并將各缺口視頻在對應窗口顯示，如果窗口不能顯示，說明該報警系統出現線路故障，可嘗試重新連接。在所有設備連接成功后，進行自動報警參數設置，如缺口圖像循環處理的間隔時間，缺口額定報警值的大小等。設置完成后，進入自動循環監測報警模式，缺口示意圖如圖3所示。2側缺口位置變化范圍為0 mm～4 mm，當某一側缺口大小超過額定值時，發出聲光報警，并將錯誤信息保存。軟件工作流程如圖4所示。

圖 3 轉轍機缺口示意圖

3.2 圖像識別核心算法實現

該軟件集成了機器視覺軟件包HALCON[8]，它以最新的計算機圖像處理和計算機視覺技術為基礎，提供了功能最強大、最全面的圖像處理算法庫，具有極強的高效性、準確性、健壯性和靈活性。監控軟件采用HALCON和VC++混合編程方法實現圖像處理相關核心算法[9]，精確提取缺口邊緣輪廓，計算缺口間隙值，其算法實現流程如圖5所示。圖像處理具體算法如下。

3.2.1 截取感興趣區域（ROI）

圖 4 監控軟件工作流程圖

圖 5 圖像處理算法實現流程圖

在安裝圖像傳感器時不能保證傳感器與缺口垂直，而且傳感器與缺口間的距離很小，有較大的徑向畸變，因此必須進行攝像機標定并對圖像進行畸變矯正。原始圖像如圖6（a）所示，矯正后圖像如圖6（b）所示。對畸變矯正后的圖像截取感興趣區域（ROI），采用HALCON中提供的專用算子gen_rectangle1與reduce_domain實現，處理結果為圖6（c）中白色交集區域。這樣使得需要圖像處理的區域限定在缺口部位相關圖像區域，從而避免了其他不相關圖像區域對處理過程的影響。

3.2.2 圖像預處理

為了減少缺口圖像邊緣的毛刺和噪聲對處理結果的影響，在提取邊緣之前，需對截取出來的缺口部分Region進行高斯濾波與中值濾波，調用算子median_image和gauss_image。平滑濾波后的圖像如圖6（d）所示。

3.2.3 圖像分割

為將表示桿、檢查柱與缺口間隙區別開，需對平滑處理后的圖像進行閾值分割，調用threshold算子二值化缺口區域，使得檢查柱和表示桿灰度值為255，缺口間隙灰度值為0。然后調用connection算子連通每個區域，處理結果如圖6（e）所示。很明顯，中間檢查柱部分上下邊都有很多坑洞，為了便于缺口大小值的確定，需要將凹進去的部分灰度值填充為255。根據圖像處理形態學可知，利用凸殼原理可以實現相應功能。調用shape_trans算子，其轉化區域類型Type設置為'convex'，處理結果如圖6（f）所示。

圖 6 圖像處理流程結果

3.2.4 缺口大小確定

為了提高圖像處理精度，在將表示桿、檢查柱和缺口間隙分離開后，調用edges_sub_pix算子提取缺口邊緣亞像素精度輪廓，如圖6（g）所示。由于在不同高度處的缺口間隙值不同，因此遍歷多行不同高度的缺口值D1、D2，求取均值，以減小誤差。

4 試驗討論

試驗表明，缺口視頻顯示和間隙大小精度除受圖像識別算法的影響外， 還受攝像設備、轉轍機顫動等因素的影響。攝像設備徑向畸變越小、分辨率越高、LED燈光效果越好，則缺口圖像的識別精度越高。但是隨著分辨率的增加，傳輸數據量也大幅增加，導致數據傳輸延遲，綜合考慮后，系統選擇352×288 分辨率，能得到較高的精度， 同時又能保證系統的實時性。另外，由于轉轍機工作環境惡劣，需保證設備在各種極限條件下能穩定可靠的長時間工作，因此進行了部分特殊條件的測試。試驗表明，設備在75°C高溫，_ 40°C低溫、80%～85% RH濕度以及50 HZ高頻振動的環境下無異常，均能長時間穩定工作。

5 結束語

采用基于視頻監控技術的轉轍機缺口監測預警系統，安裝方便，易于維護，具有很高的安全性、穩定性、可靠性。實驗表明，本系統可以完全取代傳統的人工監測工作，使轉轍機缺口在事故發生前得到調整，提高了鐵路運輸的安全和效率。系統已在ZD9型轉轍機上進行了實驗驗證，具有廣闊的應用前景。

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