鐵路大型養路機械特種視頻監控系統研究

翟仕樂

（中國神華軌道機械化維護分公司肅寧工務機械段，河北滄州 062350）

鐵路大型養路機械特種視頻監控系統研究

翟仕樂

（中國神華軌道機械化維護分公司肅寧工務機械段，河北滄州 062350）

大型養路機械是現代鐵路維護的重要設備，目前在我國鐵路線路維修中得到廣泛應用，為進一步提升大型養路機械工作的質量和效率，研究開發在大型養路機械上安裝監控系統，隨時掌握機械車周圍動態情況，更有利于安全生產。根據作業施工現場實際情況，分析了監控系統具有的功能和特點，并在此基礎上設計了現場操作子系統和數據中心子系統，進行了實驗室試驗和工況試驗，試驗表明所開發的系統實時性好，圖像清晰，具有較好的適應惡劣工作環境的能力。

鐵路養路機械；特種監控系統；現場子系統

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.52

0 緒論

隨著鐵路行業的蓬勃發展，鐵路線路維護與質量保障顯得尤為重要。引入大型養路機械極大地減小了養路工人的勞動強度，鐵路線路的維護自動化程度越來越高并日漸規范。但是大型養路機作業現場條件惡劣，作業中工作裝置振動大、噪聲高，車內操作工與車外指揮和質量監視人員溝通不方便。為了保障大型養路機械施工質量，操作人員需要對大型養路機械工作裝置進行實時監控。為此，設計了特種監控系統，用于實時監測各工位工況。同時，為提高對大型養路機械的管理水平，建立了遠程監控數據中心，數據中心可以調出工作現場的圖像。

神維公司的大型養路機械設備主要有清篩機、搗固車、穩定車、配碴車等。搗固車是公司大型養路機械中的重要車型之一，用于神華鐵路線路的維修，對鐵路軌道進行起、撥道和抄平作業，使鐵路軌道的方向、水平以及前后高低，全部達到線路要求的維修標準。搗固車的運用提高了道床石碴的密實性，增加了軌道的穩定性，確保列車安全運行。搗固車在公司大型養路機械設備中數量最多、使用率最高。因此，首先在搗固車上安裝了視頻監控系統。本文以大型養路機械中的搗固車為例，表述相關研究成果。

1 特種監控系統框架

安裝在搗固車上的特種視頻監控系統，分為現場操作監控子系統與數據中心子系統兩部分，現場操作監控子系統用于監測記錄各工作裝置工況情況，數據中心子系統用于調控現場工況的實時數據流。采用了6組紅外攝像機監測搗固車左搗固頭、右搗固頭、左夾鉗、右夾鉗、前端、后端等位置，在作業操作位置，前、后端司機室均可實時查看，即在子系統實現了多路監控。各子系統把視頻主機的信息及采集到的視頻流數據，經數據調制形成統一數據格式，經4G網絡傳輸至數據中心。數據中心將數據解調成一般數據供計算機使用，計算機具有添加注冊、注銷各子系統ID、讀取、記錄、視頻等功能。特種監控系統框架如圖1所示。

2 現場操作子系統

2.1 現場操作子系統功能與性能要求

在大型養路機械上安裝圖像監控系統，大型養路機械的操作人員作業中能隨時看到車輛周圍的狀況，在施工過程中能在確保施工安全的前提下，提高大型養路機械的使用效率和作業質量。由于大型養路機械施工作業環境非常差，所以對大型養路機械監控系統適應環境的能力提出了更高要求。現場組成操作子系統的所有元件應具有6方面性能。

圖1 圖像監控系統框架

（1）系統可適應的環境溫度在-25～55℃，且具有較好的抗振性能。

（2）具備夜視功能，密封性能要好，具有防雨雪、防塵功能。

（3）系統工作電壓范圍廣，在6～36 V。

（4）在司機室和1#位能實時看到大型養路機前后、左右工作裝置的狀態，圖像要清晰。

（5）要求各位置的圖像能單獨顯示，也可以分割顯示，兩種狀態可以相互切換。

（6）系統具備大容量存儲圖像的功能。

2.2 現場操作子系統組成

現場操作子系統，主要功能是實現對大型養路機上的6路視頻監控圖像的實時采集，并通過網絡與后續的控制平臺進行高速數據流傳輸，保證系統對視頻數據的實時性要求。具體內容：6路CCD攝像機將采集到的視頻模擬信號傳輸給視頻采集電路，把色彩及明暗的光信號轉變成模擬的電信號，通過模數轉換變成符合標準的數字信號并傳送給數字信號處理器（DSP）。處理器中的數字信號，通過視頻編碼電路，經過數模轉換，再把數字信號轉換成模擬信號，傳輸到顯示器端，完成對現場的實時觀察。同時實現DSP對視頻數據的本地保存，網絡與后續控制計算機進行通信，計算機軟件進行切換回放操作。系統硬件的結構如圖2所示，

圖2 系統硬件結構

2.3 現場子系統主要硬件選型

2.2.1 電源模塊

大型養路機械的電源系統是+24 V，由于機械車啟動時電源電壓會被拉低，系統電池浮充時，電源電壓保持接近28 V。為避免系統由于供電浮動而產生的故障，采用9～36 V轉12 V電源模塊。電源模塊具有5個特征。

（1）高功率密度，超薄設計，超小體積。

（2）多重保護功能設計，采用基板工藝生產，加強了產品可靠性。

（3）加強電磁兼容設計，可在強電磁環境下工作，具有低EMC特性，已通過歐盟CE認證。

（4）一體化灌封，實現了防腐、防潮、防震性能。

（5）具有輸入過壓、欠壓、輸出過壓、過流、短路保護。

2.2.2 數字信號處理器（DSP）選型

運算速度是評價DSP性能最重要的指標之一，運算速度越快說明DSP處理數據的能力越強，是首選參數。同時，還要考慮芯片的其他硬件資源能否滿足現場的實際需要，比如：內存RAM和ROM存儲的大小，I/O接口的匹配等。另一方面，選擇DSP型號的芯片,還需要考慮開發工具的完善，不只需要提供軟件開發工具，還應有與之相適應的硬件。當設計DSP系統時，系統越是復雜開發工具越重要。沒有好的開發工具支撐，會增加系統開發的難度，更難提高系統的擴展性和可移植性。根據現場實際情況，綜合各方面考慮比較，最后選擇了TI公司生產的TMS320DM642芯片（簡稱DM642）。該芯片的工作頻率，是由芯片內部的PLL鎖相環進行設置的，設定的頻率可達到500 MHz，600 MHz，720 MHz，相應的每秒可執行的指令數是4000 MIPS，4800 MIPS和5760 MIPS。在多媒體數字信號的處理中，得到最廣泛的應用，是DSP系列產品中性價比較高、數字媒體解決方案的首選產品。該芯片除擁有高速控制器的操作靈活性，還具有陣列處理器的數字處理能力且芯片的外圍，設有完整的音頻、視頻和網絡通信接口。

主要參數：具有3個可配置的視頻端口（VPORT0-2），可以實現與通用的視頻編、解碼器無縫連接，并支持多種視頻分辨率和視頻標準，支持RAW視頻輸入/輸出，傳輸流模式。有1個10/100 Mb/s以太網接口（EMAC），符合IEEE 802.3標準。1個多通道具有緩沖音頻串行端口（McASP），支持 I2S，DIT，S/PDIF，IEC60958-1，AES-3，CP-430等音頻格式。2個多通道帶有緩沖串行端口（McBSP），并采用RS232電平驅動。1個VCXO內插控制單元（VIC），支持音/視頻同步。1個 32位、66 MHz，3.3 V 主/從PCI接口，執行PCI2.2規范。1個用戶可配置的16/32主機接口（HPI）。1個 16位通用輸入/輸出端口（GPIO）。1個 64位外部存儲器接口（EMIF），能夠與大多數異步存儲器（SRAM，EPROM）及同步存儲器如（SDRAM，SBSRAM，ZBT SRAM，FIFO）無縫連接，最大可尋址外部存儲器空間為1024 MB。1個具有64路獨立通道的增強型直接內存訪問控制器（EDMA）。1個數據管理輸入/輸出模塊（MDIO）。1個I2C總線模塊。3個32位通用定時器。1個符合IEEE 1149.1標準的JTAG接口及子板接口等。

2.2.3 模塊FPGA的選型

首先根據系統的需求，對現場可編程門陣列FPGA（Field-Programmable Gate Array），模塊的工作頻率以及資源等多個方面，綜合考慮選擇相匹配的器件型號。要兼顧接口標準以及開發工具的支持情況。

經過充分的市場調研，賽靈思在FPGA技術方面優勢明顯，產品類型多，而且技術支持全面。最終選擇賽靈思公司的產品XC3S500E-4FGG320C芯片，芯片特點：實現90 nm工藝，320腳FBGA封裝，20個乘法器，10476個等效邏輯單元，4個時鐘管理模塊，可支持232個用戶I/O端口，模塊性能和資源能夠滿足現場設計的需求。

2.2.4 攝像機選型

攝像機是現場監測子系統的視頻原件，關系到系統抗振性能、畫面清晰度、可靠度、穩定性。因此選擇了符合系統的彩色紅外防水半球防爆攝像機。具體參數：采用高性能SONY CCD，分辨率700 TVL,圖像清晰、細膩。低照度，0.001 Lux（F1.2,AGC ON），支持自動彩轉黑功能,實現晝夜監控。支持數字降噪功能，數字寬動態功能。支持強光逆轉功能。防暴等級超過IK10，符合IP66級防水設計,可靠性高。

2.4 現場子系統軟件

現場子系統，選用客戶/服務器模型。數字主機作為服務器，把攝像頭采集到的視頻信號進行壓縮處理，同時提供網絡傳輸任務，提供相應的視頻信號。主機客戶端向服務器端發出請求，接收傳來的視頻信號，并進行相應處理。視頻監控系統客戶端的用戶登錄模塊、視頻預覽模塊、回放下載模塊要獨立設置。在現場要達到操作方便、圖像清晰穩定。軟件流程見圖3。

3 數據中心子系統

數據中心子系統是公司內部設立的用于監測現場工作狀況的專用區域，管理人員可以根據生產任務，隨時抽調施工現場機械車工況，加強安全管理。

圖3 現場子系統軟件流程

3.1 數據中心組成

數據中心包含廣域網數據接收設備、數據解調設備、計算機及軟件等，如圖4所示。

圖4 數據中心設備組成

3.2 數據中心軟件

數據中心軟件是遠程監控的核心部分。計算機將得到的遠程數據解調為監控數據與視頻流，分別以界面的形式呈現給管理層，更好掌控現場工作。數據中心計算機也兼備存儲能力，記錄故障時刻，更好的明確故障類型與故障原因。其流程如圖5所示。

圖5 數據中心軟件流程

4 大型養路機械特種監控實驗

4.1 實驗室運行中的檢測結果（表1）

4.2 現場作業實況

依據國家規定標準，將所開發的大型養路機械特種監控系統在實驗室調整運行正常后，安裝在搗固車上進行裝車試驗、驗收。圖6為搗固車操作位顯示器和數據中心同時檢測到的左夾鉗實時圖像，圖像清晰、效果性好，滿足現場施工需要。

表1 檢測結果

圖6 現場操作子系統左夾鉗

5 結論

大型養路機械的施工現場振動、噪聲大，環境惡劣，施工人員在車上、車下溝通不暢，影響施工效率并存在施工安全隱患，為大型養路機械安裝特種監控系統十分必要。根據現場實際需求，本文提出了在大型養路機械安裝監控系統的必要性和應具有的功能。并根據功能的實現，設計了現場操作子系統、數據中心子系統并分別設計了相應軟件。經實驗室和現場工況試驗：圖像清晰、實時性好，操作號位能實時掌控現場情況，工作效率提高，實現了安全生產，達到設計的目標。

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［3］薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE 9.X FPGA/CPLD設計指南［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

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［5］王丹，弓怡龍.探索高清監控的解決方案［J］.智能建筑與城市信息，2009（8）：90～92.

U216.68

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〔編輯 利 文〕