應用圖像數據分析技術實現道岔轉轍機運行狀態遠程監測

夏志梁

(中國鐵路上海局集團有限公司上海電務段信號技術科，200434，上海∥工程師)

0 引言

道岔轉轍機作為鐵路信號聯鎖設備的重要組成設備，其運行工作狀況直接影響到行車安全。運用道岔缺口監測技術，通過采集轉轍機內表示桿缺口圖像及轉轍機內部溫濕度等運行數據，分析轉轍機運行狀態及趨勢變化，實現對道岔轉轍機的遠程監測，及時分析掌握轉轍機運行狀態，發現消除轉轍機的故障隱患，切實提升鐵路信號維護部門的專業維護水平。

電動轉轍機表示桿缺口偏移監測技術是鐵路安全運行的急切需求。道岔轉轍機經常因表示桿缺口間隙偏移、檢查柱受阻，導致接點無法閉合，產生斷表示(俗稱“卡缺口”)故障，影響列車運行次序。目前,原有缺口監測系統都不同程度地存在測量精度低、誤報警率高、無現場調整指示、安裝施工困難、監測設備自身維護復雜等問題。現場轉轍機表示缺口的維修調整仍以傳統手工調整、肉眼測量的方式為主,這種方式偏差大，對信號工技能要求高，檢修作業時間長，影響維修工作效率。如何在較短的維修天窗時間內，簡化調整維護工作、縮短作業時間、提高維護效率成為急需解決的課題。

中國鐵路總公司運輸局頒發的《道岔缺口監測系統技術規范》，明確了缺口監測的系統配置、基本功能、技術要求、使用條件，為道岔缺口監測技術的科學發展和運用指明了方向。道岔缺口監測系統為轉轍機設備狀態修提供科學的基礎數據，是道岔維護管理工作的重要手段。通過電動轉轍機表示桿缺口偏移數值的監測，轉轍機內環境的監測，轉轍機電機運行電壓、電流、功率的監測，轉轍機動作次數的統計，列車通過道岔區段缺口監測數據動、靜態識別等綜合分析判別功能，實現科學有效的轉轍機智能綜合監測。

1 轉轍機智能綜合監測系統

轉轍機智能綜合監測系統主要由缺口監測系統主機、通信控制主機、采集分機、傳感器、電源設備等組成，該系統分別由室內、外設備組成，如圖1所示。

1.1 轉轍機表示缺口圖像及數據的采集

安裝于轉轍機內的采集分機內設有缺口監測數據處理控制器，控制所連接的缺口監測圖像傳感器、轉轍機箱內環境監測傳感器、轉轍機電機運行監測傳感器，實現轉轍機操動、表示桿缺口圖像的拍攝、轉轍機工作環境及位置的監測。獲取的圖像及數據經處理后由通信模塊調制載波加載于信號控制電纜與室內通信控制主機進行組網通信。為適應現場夜間天窗施工、日常道岔缺口調整維護的需求，缺口監測采集分機設有LED(發光二極管)監測數據顯示窗，可實時顯示道岔缺口監測數值、道岔缺口偏移方向、溫濕度數值、采集分機運行狀態等監測數據，及時為現場維修作業提供幫助。

圖1 轉轍機智能綜合監測系統室內外設備組成圖

采集分機搭載振動加速度傳感器，感知列車通過道岔的振動幅值，通過計算機判別得出列車通過道岔區段的時間段，分別獲取轉轍機動態、靜態缺口監測數據，經篩選分別給出顯示，避免因列車擠晃轉轍機表示桿缺口形成超限數據，造成缺口監測數據誤報警。

啟動實時動態缺口監測功能，提供實時列車通過道岔的動態缺口監測圖像、偏移數值，同步偵測記錄振動加速度值，用于幫助分析轍岔區段轉轍機設備運行是否正常。

1.2道岔缺口監測系統

車站信號機械室內設置道岔缺口監測專用控制機柜，柜內設備由缺口監測系統工控計算機(主機)、人機交互顯示界面、通信控制主機、電源配電箱等部分組成。

通信控制主機的背板上設置有多個視頻信號中繼接入通道，根據每個車站信號控制電纜的走向及道岔轉轍機的連接數量配置視頻信號中繼器的數量，完成視頻及圖像信息的通信，無需在室外額外增加箱盒安裝，額外增加連接箱盒的供電分支電纜，優化了系統的施工安裝，實現了道岔缺口圖像、監測數據的遠程高速傳輸。道岔缺口監測系統主機采用目前國內主流配置的研華系列工控計算機，安裝有轉轍機智能綜合監測系統分析顯示軟件和人機交互操作界面。

2 道岔缺口監測圖像數據分析

根據技術規范，道岔缺口間隙監測需滿足精度±0.1 mm的監測要求，每幅數字圖像每英寸像素數(PPI)沿表示桿方向應當≥254個像素點，即每個像素點≤0.1 mm的分辨率；同時，為滿足在普通信號電纜線進行視頻信息的通信傳輸，每幅數字圖像的容量不能超過60 KB。為實現以上技術要求，可供道岔缺口監測選用的有多種技術分類的圖像傳感器，經過現場使用情況比對分析，確定選用具有“機器視覺技術”功能的CMOS感光傳感器解決缺口偏移測量需要低照度、高精度的拍攝要求。機器視覺就是采用圖像傳感器代替人眼來做測量和判斷。圖像傳感器根據轉轍機智能綜合監測系統主機的控制指令獲取轉轍機的操動時序信息。缺口監測的拍攝目標位于轉轍機密閉空間內，需先完成對拍攝目標進行補光等操作后，才啟動拍攝程序。被攝取的轉轍機缺口圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統；得到被攝目標的形態信息后，根據像素分布、亮度、顏色等信息，將其轉變成數字信息；通過轉轍機內的缺口監測采集分機的通信傳輸模塊，加載到信號控制電纜上，完成與車站信號機械室內缺口監測專用機柜內的通信控制主機的通信；通信控制主機對圖像、數據信息解調后送交缺口監測系統計算機，解讀分析軟件對這些圖像數字信號進行各種運算來抽取目標的特征及位移數值，進而根據判別的結果來給出轉轍機表示桿缺口間隙的圖像、數值、偏移方向，并根據時間坐標描繪該臺轉轍機在監測周期內表示桿缺口數據變化的曲線。當監測數據超出預、報警數值時，則自動根據轉轍機缺口所處的位置(定位或反位)給出預、報警顯示，提醒信號人員及時進行處置。如對缺口監測數值存有疑惑，可選用實時道岔轉轍機缺口監測功能，通過點擊站場平面圖上需要重新監測確認的道岔，即可實時獲取該道岔的缺口監測圖像、數值。

為方便現場維修人員對轉轍機運用周期內圖像、數據的分析，判定轉轍機缺口間隙的運用狀況，道岔缺口監測系統所有監測圖像、數據的保存時間不少于3個月，預、報警的圖像和數據保存不少于1年，根據分析監控時段內道岔表示桿缺口數值變化的趨勢，提前制定切實可行的維修計劃。同時所有監測圖像及數據均可導出至移動存儲設備，便于專業人員進行異地協助分析解讀。

3 轉轍機遠程監測

目前，車站信號設備均已配置信號集中監測系統并專網連接，實現段、車間、工區三級聯網。中國鐵路總公司315號文件技術規范明確規定：“缺口監測是信號集中監測系統的子系統。缺口監測與信號集中監測系統原則上采用RJ45物理接口，并采用TCP/IP通信協議，將處理過的圖像、數據、報警等信息上傳至信號集中監測系統。”道岔缺口監測按技術規范要求接入信號集中監測網絡，信號維修人員不僅可以通過信號機械室的道岔轉轍機缺口監測系統實現對本站的道岔轉轍機運行狀態的全程監測，還可以通過信號集中監測系統的網絡各終端遠程查看管內各站道岔轉轍機缺口圖像、數據、機箱環境，以及轉轍機運行狀態、變化趨勢等基礎數據。

下一步，計劃將通過對道岔缺口監測獲取的大量轉轍機運行數據納入道岔綜合監測系統數據庫，引入人工智能分析及專家診斷系統對監測大數據進行分析，對各類運行趨勢變化曲線進行判別，逐步實現道岔故障應急診斷和健康度預測評估。此項功能實現主要基于研發大數據分析處理軟件運行模塊，待軟件運行成熟后，可嵌入到道岔轉轍機智能缺口監測系統中運行，實現系統自動輸出設備預防性維修指導建議，提高道岔轉轍機運維水平。