視頻技術在鐵路線路動態檢查儀中的應用研究

吉 克

(中國鐵路太原局集團有限公司，山西 太原 030013)

1 研究背景

近幾年來，鐵路線路的大規模開通運營，行車速度不斷提高，對軌道的平順性要求也越來越嚴格。軌道平順性不良，將直接引起列車運行過程中的車體晃動，輪軌之間作用力增大，嚴重危害軌道和機車車輛部件，甚至引發安全事故，危及行車安全。便攜式線路檢查儀作為添乘人員上車添乘的輔助工具，雖能夠動態檢測并記錄線路病害，但在發現路外情況及其他問題時，無法直觀準確的記錄添乘過程，不能顯示問題的具體情況。因此，急需在現有便攜式線路檢查儀的基礎上，進一步加強人工添乘輔助功能，降低添乘人員的工作強度，提高添乘記錄的準確性。在添乘過程中引入視頻監控，通過添乘標記與視頻錄像的結合，準確直觀的記錄添乘過程，同時將視頻錄像與線路里程等信息疊加匹配，便于添乘后的添乘記錄回放、分析和對添乘問題進行有針對性的補充完善。

2 系統組成

檢查儀由兩部分構成：硬件部分包括主機、GPS天線、高清攝像頭、微型熱敏打印機、充電器及配套數據線，供工務人員上車添乘線路使用。軟件部分包括固化軟件、客戶端軟件(PC機安裝)。

2.1 線路檢查儀硬件組成

線路檢查儀的硬件設備包括：SY-6主機、GPS天線、高清攝像頭、微型熱敏打印機、充電器及配套數據線等。

2.2 軟件組成

軟件分為固化軟件和客戶端軟件兩部分。

2.2.1固化軟件

固化軟件主要實現上車添乘的相關功能，包括：

1)實時數據采集。

實時數據包括視頻數據、線路信息及病害數據、GPS坐標數據等數據的采集。

2)數據處理存儲。

線路病害數據采用FIR數字濾波和峰值檢測等算法進行降噪提取提高測量精度和準確度，并與位置、速度等信息組成病害信息數據；視頻數據使用H.264視頻編碼算法，在保證視頻質量的前提下完成視頻圖像的壓縮和存儲，并將線路病害和位置信息疊加在視頻上便于查找和檢索。

3)界面操作顯示。

配合電容觸摸屏采用Qt平臺，界面和操作更加人性化和用戶友好，可以方便快速的完成添乘前、添乘中和添乘后的相關操作及添乘數據的顯示、查詢和打印等操作。

2.2.2客戶端軟件

安裝在PC機上。主要實現對設備之間的參數設置和下發，以及接受設備的添乘數據并配合視頻文件對添乘數據的查詢、分析和統計。客戶端軟件的主要功能模塊有：

1)GPS坐標和參數設置。

用于設備與電腦之間上傳和下載GPS坐標和相關添乘參數。包括：車型、線名與線號對應表、單位與編號對應表、門限設定、管界信息、單位及線名信息等。

2)數據處理和視頻回放。

用于接收、整合設備的添乘數據，導入數據文件，數據格式轉換等功能。結合視頻錄像和超限數據，快速定位并回放相關段落的錄像，清楚直觀的顯示問題情況，并具有調整播放速度、快進、快退、單幀播放等功能，便于進一步分析。

3)查詢分析。

對添乘數據統計分析、查詢。包括超限數據查詢、重復病害查詢、同期數據橫向比對等。

3 技術原理

在充分考慮了項目要求和產品的可用性、可靠性及可擴展能力的前提下，結合了新型數字技術解決了以下幾個問題：

1)如何進一步提高線路數據的準確度和處理速度；

2)如何進行高清視頻的采集、編碼和處理；

3)如何進行海量數據的高速存儲。

3.1 FPGA和數字濾波器的應用

3.1.1數字濾波器設計

機車高速運行過程中，軌道不平順產生的高頻振動會因為機車自身減震作用被衰減，因此病害分析中主要以低頻信號為主。FIR濾波器因為在可以保證任意幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性，在模式識別和信號處理中有著廣泛的應用，具有穩定性高、精度高、設計靈活等特點，避免了模擬濾波器的電壓偏移、溫漂和噪聲等問題。

3.1.2FPGA在數字濾波器的應用

FPGA，即現場可編程邏輯門陣列，與傳統的邏輯電路相比其內部使用了查找表和觸發器結構驅動其他邏輯電路和IO管腳，構成了可以通過加載編程數據來實現預定的功能。與采用馮諾依曼結構的CPU等通用處理器只能順序執行程序不同，FPGA內部是數字電路，其可并行，可配置性和靈活性是傳統方式無法相比的，適用于復雜的數據處理。

FIR濾波器的數學形式如下：

使用傳統方法設計FIR濾波器，需要先根據目標計算理想濾波器的單位沖激響應：

為了能使濾波器的性能接近理想濾波器，選擇合適的窗函數：

其中,N為窗函數的長度，N值越大，性能越接近理想濾波器。

并根據實際情況移動窗函數位置可以得到相應的濾波器參數。

可以看出使用傳統的設計方法非常繁瑣，計算量大。借助于電子計算機的計算能力的提高，QuartusII提供了基于FPGA的FIR設計工具，可以直觀高效的在FPGA上設計出相應的濾波器。通過多次添乘測試和儀器測量，發現因軌道不平順產生的晃車振動在0 Hz～20 Hz頻率范圍內最為集中，因此確定了濾波器的設計參數。

3.2 視頻編碼技術和應用

3.2.1H.264視頻編碼技術

通過在添乘時配合視頻監控技術，可以準確直觀的記錄添乘過程，并可以保存為視頻錄像在以后的分析中反復查看。為了在不損失畫面清晰度的情況下減小視頻文件的體積，使用了數字視頻壓縮格式H.264。

3.2.2ARM架構在視頻編碼處理的應用

Cortex-A9多核處理器結合了Cortex應用級架構以及用于可擴展性能，包含ARM特定應用架構擴展集，包括DSP和SIMD擴展集、TrustZone安全訪問區域、智能功耗管理等技術，提供浮點運算單元FPU可以完成高性能的雙精度浮點指令運算，集成NEON媒體處理引擎和Mali圖形處理單元，同時在優秀的功耗控制的前提下將處理器的主頻提升到1.8 GHz以上。

3.3 高速大容量存儲設備的應用

即使使用H.264的高壓縮編碼技術，錄制長時間的視頻文件的體積仍然較大，傳統的存儲芯片存儲時間短，也不便于容量上的升級。因此需要使用大容量的存儲設備保存視頻和其他數據文件，同時又要滿足尺寸小，速度快，便于更換等特點。

3.4 硬件抗干擾設計

硬件抗干擾主要從兩方面設計，一方面是優化印刷電路板的硬件布局，另一方面增加屏蔽措施。

印刷電路板采用分隔數字地、模擬地和電源地，確保地平面之間連接可靠，降低地平面噪聲串擾；對于關鍵的信號走線如視頻線、高速信號線等采用差分等長走線，遵循3W原則，并用地平面隔離不同類型的走線，抑制共模噪聲，防止信號之間的相互干擾；采用獨立的模塊化供電方式，使用大容量濾波電容，進一步提升電源的純凈度。

屏蔽層接地處理，各個功能模塊嚴格按照EMC規范設計，有效降低自身對外部的電磁輻射，同時可以屏蔽掉外來的電磁干擾。

3.5 軟件抗干擾設計

軟件采用冗余CRC校驗方式，保證數據的準確性和完整性；對保存在Flash上的重要數據使用“讀—修改—寫—讀”，保證數據能夠正確的寫入。

4 功能及性能特點

4.1 功能特點

1)實時動態監測線路情況，采用FPGA高速處理加速度數據。

2)GPS定位，自動識別線路、行別及管界等線路信息，并能根據定位信息自動校正里程誤差。

3)實時視頻采集和存儲，并在錄像上自動疊加相關的速度、里程、線路、管界等線路信息和實時加速度信息，方便回放檢索和查看定位。

4)自動根據車型、速度等選擇晃車門限，自動根據超限數據實時報警并打印超限信息。

5)大容量數據存儲。

6)實時振動波形和相關信息顯示。

7)采用7寸電容觸摸屏，界面友好。

8)USB2.0接口，高速數據傳輸。

9)工作時間不小于15 h。

10)藍牙通信，可以與車載式線路檢查儀實現數據共享。

11)微型熱敏打印，快速、低功耗。

4.2 性能特點

1)采用FPGA組成的高性能數字處理模塊，對線路不平順引起的低頻晃車更加敏感，反映線路實際情況更準確，極大提高了線路檢測的一致性。

2)采用ARM Cortex-A9架構處理器，極大的提高了系統的采樣速度和處理速度，減少病害漏報。

3)數據處理采用了數字濾波器和峰值檢測等新型算法，有效消除各種干擾，降低誤報率。

4)實時視頻的采集、處理和儲存，視頻錄像上疊加里程、速度和線路信息與線路晃動數據信息，便于視頻回放檢索和查找添乘問題。

5)使用新型GPS模塊，能夠實現準確定位、快速搜星、自動識別線路名稱、行別和所屬管界信息等。

6)應用藍牙通訊技術實現與機車數據共享，有效解決隧道內沒有GPS無法定位問題，同時增強了系統的擴展功能。

7)滿足各類型機車使用，可根據線路情況和車輛情況調整使用門限。

8)便攜式熱敏微型打印機，快速、低功耗、高質量打印。

9)完善的軟件分析處理功能，可以多種數據分析和處理，結合視頻錄像，快速定位超限數據的位置。

5 結語

SY-6型便攜式線路檢查儀的研制開發并投入使用，使便攜式線路檢查儀整體性能上升了一個新臺階，極大提高了既有線路以及高鐵、客運專線的動態檢測數據的一致性。

視頻監控在便攜式線路檢查儀中的應用，為日后添乘數據的記錄、分析提供了便利。客戶端軟件將儀器檢測數據與人工添乘記錄同時入庫，進行對比、查詢、統計，為提高線路檢測的精準度創造了條件。