電液轉轍機油壓油位及視頻缺口監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

鄭九方

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司線路檢測與救援中心，河北肅寧 062350）

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電液轉轍機油壓油位及視頻缺口監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

鄭九方

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司線路檢測與救援中心，河北肅寧 062350）

摘要：利用各種傳感器采集轉轍機表示缺口圖像（靜態(tài)）、視頻（動態(tài)）、轉轍機動作電流、轉轍機內(nèi)環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、電液轉轍機液壓系統(tǒng)油缸壓力、液壓油液位等信息。通過監(jiān)測軟件對收到的圖像、數(shù)據(jù)等進行保存、識別、分析并記錄，一旦發(fā)現(xiàn)異常可自動給出告警信息，還可在監(jiān)測系統(tǒng)測試終端機（即工控機）顯示相應的油壓、油位、轉轍機機內(nèi)溫度、濕度、動作電流等數(shù)據(jù)。

關鍵詞：電液轉轍機；油壓油位；視頻缺口監(jiān)測

Abstract:The paper introduces a monitoring system using various sensors to collect information of the switch machine such as indication gap image (static), video (dynamic), action current, temperature, humidity, cylinder pressure and hydraulic oil level of electrohydraulic switch machines. Through saving, identifying, analyzing and recording the images and data received by monitoring software, the monitoring system will automatically give alarm information in case of fi nding abnormal conditions, it also can display the relevant oil level, oil pressure, the temperature, humidity, action current of the switch machine on the testing terminal.

Keywords:electrichydraulic switch machine; hydraulic oil level; video monitoring of gaps

電動（電液）轉轍機（以下簡稱“轉轍機”）是車站聯(lián)鎖系統(tǒng)中的一項重要基礎設備，也是道岔轉換系統(tǒng)中的一個重要設備。隨著列車運行速度的不斷提高，載重增加、密度加大，道岔在不斷發(fā)展。這些變化也帶來道岔轉換系統(tǒng)技術的發(fā)展，但道岔密貼檢查卻仍沿用人工定期巡檢、依靠目測判定、調(diào)整檢查柱檢測面與表示桿缺口間隙的老方法。對電液型轉轍設備的油壓油位檢測仍需在現(xiàn)場目測或要點搬動試驗，既不方便又不安全。如何能自動地對道岔密貼強度進行動態(tài)監(jiān)測、及時掌握缺口間隙變化信息；自動監(jiān)測電液轉轍機的油壓油位，一直是保證鐵路運輸安全的重要課題。

1　系統(tǒng)工作原理

電動轉轍機油壓油位及視頻缺口監(jiān)測系統(tǒng)是利用微型攝像頭、電流傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器等各種傳感器（隨著發(fā)展還將采用更多傳感器采集更多的數(shù)據(jù)）采集轉轍機表示缺口圖像（靜態(tài)）、視頻（動態(tài)）、轉轍機動作電流、轉轍機內(nèi)環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、電液轉轍機液壓系統(tǒng)油缸壓力、液壓油液位等。拍攝轉轍機表示缺口圖片（靜態(tài)）或視頻（動態(tài)）經(jīng)壓縮編碼后，再通過既有信號電纜以數(shù)字總線形式傳輸?shù)绞覂?nèi)信號機械室的轉轍機表示缺口視頻監(jiān)測系統(tǒng)主機。轉轍機表示缺口視頻監(jiān)測系統(tǒng)主機內(nèi)含的通信協(xié)議轉換器把數(shù)據(jù)總線協(xié)議轉換后，將前端各種傳感器采集的并作預處理的相關信息傳給監(jiān)測系統(tǒng)測試終端機（即工控機）中的監(jiān)測軟件。隨后，監(jiān)測軟件對收到的圖像、數(shù)據(jù)等進行保存、識別、分析，并記錄每個轉轍機表示缺口的間隙值，一旦發(fā)現(xiàn)該間隙值大于預設間隙值可自動給出告警信息，還可對每臺轉轍機表示缺口各時間段的間隙值進行列表、統(tǒng)計分析、圖片保存、缺口間隙變化的曲線圖提供給信號維護人員，作為轉轍機維修、缺口調(diào)整的參考數(shù)據(jù)。還可在監(jiān)測系統(tǒng)測試終端機（即工控機）顯示相應的油壓、油位、轉轍機機內(nèi)溫度、濕度、動作電流等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

2　系統(tǒng)總體架構

2.1CAN方式系統(tǒng)架構

該監(jiān)測系統(tǒng)基本運行模式是采用CAN通信的四線制模式，它支持監(jiān)測缺口的靜態(tài)圖像、液壓型轉轍機(主機)的油壓油位和轉轍機箱內(nèi)的溫濕度等各種模擬及開關量信息。

轉轍機表示缺口視頻監(jiān)測及油壓油路監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測終端(工控機)、監(jiān)測系統(tǒng)主機（視頻通信服務器)和圖像采集器(簡稱采集器或采集終端)等三大主體部件。除了這三大主體部件外，構建一個完整的系統(tǒng)，還需要若干個CAN路由器(按需選配)、一臺ADSL局端接入設備(按需選配)和一些傳感器(電液型轉轍機主機選配，包括啟動電流傳感器、左右油壓傳感器、油位傳感器及溫濕度傳感器等)。它們分別完成主體功能、通信匯接和前端圖像及數(shù)據(jù)采集的任務。系統(tǒng)框架如圖2所示。

CAN路由器提供1路高速率的合并通道與3路低速率的路由通道間的CAN數(shù)據(jù)互相轉發(fā)，CAN合并通道的數(shù)據(jù)線接入通信服務器的CAN通信口，每個CAN路由通道的數(shù)據(jù)線對應一對用作CAN通信線的干線信號線， 以達到改變現(xiàn)場CAN總線的拓撲結構，消除不同CAN通信總線間數(shù)據(jù)干擾的效果。

手持機單片機選用與電子鐵鞋完全相同的C8051F023，其作用是通過無線收發(fā)模塊實現(xiàn)對電子鐵鞋上、下道信息的登記和報警信息的接收和顯示等功能。

2.2ADSL方式的系統(tǒng)架構

該系統(tǒng)還可以采取支持ADSL通信的四線制應用模式，它除了包含以上CAN通信模式具有的監(jiān)控功能外，還可以支持連續(xù)視頻方式監(jiān)測缺口運行情況。

上述兩種應用模式，除了CAN路由器和ADSL局端接入設備分別應用在不同模式外；通信服務器可以實現(xiàn)兼容；圖像采集器外形完全和接線完全一致，內(nèi)部略有區(qū)別。只要CAN總線和ADSL總線分別采用不同的信號電纜，同一個監(jiān)測系統(tǒng)允許混裝兩種應用模式。

2.3系統(tǒng)工作過程描述

1）圖像采集器在監(jiān)測軟件的控制下，定期采集各個轉轍機內(nèi)表示缺口的靜態(tài)圖像或動態(tài)視頻，再依次通過數(shù)據(jù)總線(普通信號電纜)傳輸?shù)皆O備機房內(nèi)的通信服務器(CAN應用模式)或ADSL局端接入設備(ADSL應用模式)，然后這些數(shù)據(jù)又轉發(fā)到工控機上的監(jiān)測軟件，監(jiān)測軟件接收、保存圖像數(shù)據(jù)，并識別、分析每個轉轍機當前表示缺口的間隙值，一旦發(fā)現(xiàn)該間隙值大于預設間隙值可給出預警信息；另外，監(jiān)測軟件還可對每臺轉轍機表示缺口的歷史間隙值進行統(tǒng)計分析，并圖示各缺口間隙變化曲線，供信號維護人員參考。

2）圖像采集器通過監(jiān)測啟動電流傳感器，一旦發(fā)現(xiàn)轉轍機開始動作，就采集記錄左右油缸的轉換油壓曲線，并在轉換完成后，啟動拍照，記錄扳道后第一張未受力的缺口圖像。圖像采集器完成曲線采集和照片拍照后，通過CAN總線(CAN應用模式)或電源總線(ADSL應用模式)通知監(jiān)測軟件。監(jiān)測軟件據(jù)此及時讀取有關圖像采集器采集的油壓曲線和轉換后第一張未受力的缺口圖像，進行后續(xù)分析。

3　系統(tǒng)監(jiān)測軟件

系統(tǒng)監(jiān)測軟件接收、處理來自各圖像采集器的缺口靜態(tài)圖像、缺口連續(xù)視頻、油位油壓曲線數(shù)據(jù)和箱內(nèi)溫濕度等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)包括缺口圖像識別、繪制缺口變化曲線、圖示轉換油壓曲線及轉換時間、顯示當前油位信息和記錄箱內(nèi)溫濕度等功能，而且還可以根據(jù)需要提供缺口過大、油壓過高時的預警等信息，也提供系統(tǒng)通道的故障情況。

監(jiān)測軟件為信號維護人員提供良好的人機操作界面，提供包括站場設置，人工獲取缺口圖片、視頻，查詢歷史圖片、錄像，查詢?nèi)笨诓▌忧€，查詢動作曲線(左右油壓、啟動電流)等。

3.1運行環(huán)境

1）網(wǎng)絡環(huán)境：10 M/100 M局域網(wǎng)及2 M以上廣域網(wǎng)，主流防火墻、路由器、交換機等網(wǎng)絡設備。

2）工控機：Windows XP操作系統(tǒng)、100 M網(wǎng)卡、1個串口、256 M以上內(nèi)存、60 G以上硬盤。

3）數(shù)據(jù)庫：Access。

3.2功能架構

軟件結構采用模塊化設計，功能架構如圖3所示。

3.3軟件設計

1）圖像監(jiān)測原理

由于轉轍機內(nèi)部缺口位置的原因，無法通過攝像頭直接拍攝缺口圖片，所以采取缺口外延的方式，即在和缺口同一個表示桿上做標記線，由于缺口和標記線距離是固定的，所以監(jiān)測標記線的位置變化，就反映了缺口的變化。

2）圖像識別技術

由于要求識別的精度在0.1 mm，而實際獲取的圖片因為光線反光、表示桿上有油污，而且無法獲知圖片的定反位信息，所以如何正確、精確識別是軟件的核心部分，主要原理和解決方法如下：

缺口外延：由于實際的缺口無法監(jiān)測，所以采取在表示桿上做標記線的方式。

安裝標尺：由于攝像頭的焦距、安裝位置都會有變化，所以不同轉轍機上獲取的圖片每個像素點代表的實際距離是不同的，所以通過安裝高精度標尺，并且對標尺的精確識別，獲取圖像中每個像素點代表的精確距離。

圖像處理：由于采集的圖片有油污、反光、標志線淺、模糊等一系列問題，所以通過對大量實際采集的圖片分析后進行各種圖像的前期處理，做到正確、精確的圖像識別。

3）采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理

傳統(tǒng)意義上對轉轍機缺口的監(jiān)測還停留在看扳道后缺口大小來判斷是否要調(diào)整，而通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯總可以分析轉轍機趨勢性、統(tǒng)計性的狀態(tài)，比如通過日曲線、每日統(tǒng)計曲線可以分析，轉轍機在一段時間內(nèi)缺口是比較平穩(wěn)的，還是波動比較大；有沒有缺口變大或變小的趨勢等。這些信息的提供遠比缺口報警更有實際意義。

記錄轉轍機動作過程中油壓的變化曲線，通過曲線可以分析轉轍機動作過程中是否存在阻力異常，如果油壓過大或者動作時間過長，都警示轉轍機可能存在異常。

采集到的數(shù)據(jù)做成圖表，根據(jù)圖表的形狀、趨勢來判斷轉轍機是否存在問題。

a.轉轍機道岔搬動后的曲線反映了轉轍機在不受力情況下，缺口是否調(diào)整到位，是否有波動，波動的趨勢如何；如果趨勢變大、變小或者波動加大，這時即使沒有報警，也要及時實地觀察調(diào)整轉轍機。

b.轉轍機隨機圖像曲線反映轉轍機在可能受力情況下缺口的變化情況，這時的曲線波動會比較大，主要觀察長期曲線的變化情況。如果發(fā)現(xiàn)趨勢變大、變小或者波動加大，這時候即使沒有報警，也要及時實地觀察調(diào)整轉轍機。

c.油壓曲線：油壓曲線分為解鎖、動作、鎖閉3個過程，在3個過程中若發(fā)現(xiàn)時間過長、油壓過高，則需要及時進行調(diào)整。

4　結束語

系統(tǒng)建成并投入正常運用后，將直接或間接地為企業(yè)帶來很好的經(jīng)濟效益，其預期效果主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）安全方面

通過系統(tǒng)全天候自動對道岔設備進行巡檢，減少了信號維護人員日常巡檢所必須的上道時間，尤其是避免了惡劣天氣下室外工作的不利因素，降低了信號作業(yè)人員上道作業(yè)的人身傷亡風險。

2）工作效率方面

該系統(tǒng)能自動地記錄轉轍機運行中的各種參數(shù)，采集的數(shù)據(jù)量比人工采集方式不僅多且全面，而且更加節(jié)約時間。能顯著的提高日常巡檢效率。

3）設備維修方面

該系統(tǒng)自動分析轉轍機缺口變化趨勢、采集的轉轍機扳動時油壓變動曲線，能真實有效地反映轉轍機的狀態(tài)，為實現(xiàn)轉轍機狀態(tài)修提供了技術手段和科學依據(jù)。同時，在提高設備運用率、運用質(zhì)量方面也大有益處。

（4） 管理方面

借助該系統(tǒng)，工區(qū)可以針對性的安排轉轍機的維護工作，節(jié)約了很多管理成本和無謂的消耗。

參考文獻

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[2]中華人民共和國鐵道部.TB10006-2005 鐵道運輸通信設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

國外簡訊

收稿日期：（2015-01-06）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.013