基于視頻監控的轉轍機缺口監測系統設計

楊振

【摘 要】轉轍機作為鐵路道岔閉合與分離的動力設備，主要通過改變鐵軌上道岔的閉合方向實現火車的換軌，當道岔尖軌與鐵軌閉合時，能夠將道岔尖端鎖閉在規定的軌道上，實現兩條軌道的閉合，同時也能反映道岔的位置狀態。轉轍機工作時是否將鐵軌閉合到位，會影響到火車運行的安全。因此本文在計算機技術、圖像識別算法、現代檢測技術等多種技術的基礎上研究并設計了基于視頻監控的轉轍機缺口監測系統。

【關鍵詞】視頻監控；道岔位置；轉轍機缺口監測系統；設計

引言：轉轍機是改變道岔開通方向的動力設備，能使火車通過道岔從一股軌道駛入另一股不同方向的軌道，達到換軌的目的。由于轉轍機的工作環境大部分處于室外，自然環境十分惡劣，晝夜溫差和天氣變化都會影響轉轍機中的正常工作，故需對轉轍機的工作狀態進行檢測，保證轉轍機出現故障時能及時得到維修，確保鐵路安全運行。隨著我國高鐵和動車技術的快速發展，高鐵的運行的速度越來越快，對轉轍機的安全運轉提出了更高的要求。根據鐵道部運輸部頒布的《鐵路信號集中監測系統的安全要求》，必須安裝一定的設備，通過實時監測轉轍機運行狀態，確保轉轍機正常工作。

1、轉轍機缺口監測系統的總體設計

1.1系統設計的需求分析

轉轍機缺口監測系統通過攝像頭和各類傳感器實時監測轉轍機的工作狀態，攝像頭將采集的缺口圖像上傳給監測主機得出缺口值的大小，從而判斷鐵路道岔尖端是否貼合緊密，通過電能傳感器得出轉轍機工作的電壓與電流值，推算出電機的輸出扭矩來判斷扳動道岔的的阻力大小，預防道岔扳動不到位的現象發生。轉轍機是鐵路系統運行過程中不可或缺的一個重要設備，絲毫的閃失都會釀成重大事故，是鐵路系統安全生產管理中的重中之重，所以這套監測系統也是鐵路行車安全的重要保障之一。該系統的設計需要達到鐵道部運輸部相關文件的技術要求如下：

（1）缺口距離測量精度0.1mm。

（2）工作溫度的范圍為：-40C0～60C0。

（3）視頻和圖片采集要求有補光燈，并且補光燈亮度可調。

（4）具備溫度、濕度、電流、電壓、震動采集端口。

（5）能夠錄制視頻片段，錄制時長能設定，視頻壓縮編碼格式為H.264，分辨率大小為640*480。

（6）具備滿足帶寬的通訊能力，能夠實時查看轉轍機的工作狀態。傳輸方式：電力載波和以太網通訊相結合。

（7）能夠根據要求輸出實時數字視頻，不需要采集聲音。

（8）三種觸發方式：通訊端口命令、震動、電流。當任何一個觸發條件成立時都應該啟動工作，工作結束后自動進入休眠狀態。

1.2系統的總體設計

轉轍機缺口監測系統主要由下位機信號的采集、傳輸線路和監測主機三個部分組成。信號先由安裝在轉轍機內的信號傳感器進行采集，然后由采集器對采集到的信號進行編碼和存儲。編碼后，監控室內的缺口監測分機通過輪詢呼叫機制，經由室外電纜對采集器中的數據進行傳輸。然后缺口監測分機將接收的信號通過以太網傳輸給監測主機，監測主機軟件對采集的的數據進行分析和處理，將處理結果反饋給工作人員并進行存儲。轉轍機缺口監測系統的整體結構圖如圖1所示。

該系統可以通過攝像頭對轉轍機的工作狀況進行實時的監控。監控信號先由信號采集模塊進行采集，然后經由通信線路傳輸到監控室，最終傳輸到微機監測系統的主機。圖中主要模塊和設備的功能如下：

（1）傳感器模塊：傳感器包括 COMS 攝像頭、電壓電流傳感器、溫濕度傳感器、震動加速度傳感器。采集轉轍機的工作時的各項數據。

（2）數據采集模塊：主要是缺口視頻和圖像的采集、編碼和存儲；其他傳感器數據的采集、處理和存儲；與通訊分機通訊，根據接收到的指令執行相應的操作[1]。電力載波模塊將采集的信息調制成可以在電力線上傳輸的信號，在電力線上進行傳輸。

（3）缺口監測分機：缺口監測分機主要功能，一是把從通訊主機接收到的電力載波信號分離出來，把分離出來的數據發給監測主機，二是把從監測主機收到的數據調制成電力載波信號發送給數據采集模塊。

（4）監測主機：主要是負責下位機設備的管理、信息的采集與處理、設備故障報警，監測主機的工作機制是定時向各個通訊分機發送輪詢指令，接收各個缺口監測分機的應答，根據應答從缺口監測分機讀取數據。

2、硬件系統的溫濕度、振動和阻力采集模塊

對轉轍機的監控還需要采集轉轍機的溫濕度、振動、阻力等參數，因此硬件系統還需要集成溫濕度傳感器和振動加速度傳感器，而且這兩款傳感器技術成熟，有多種方案可以選擇，但是轉轍機阻力沒有辦法直接測量，需要通過電能傳感器采集轉轍機的電壓和電流的大小，通過計算得出轉轍機的阻力值[2]。

2.1溫濕度、振動傳感器

轉轍機周圍的溫度變化比較緩慢，采用溫濕度一體化的數字傳感器DHT21能實現溫濕度的精確采集。轉轍機的振動可以采用振動加速度傳感器測量轉轍機振動的加速度與頻率，然后通過微處理器計算得出位移大小，即可以得出振動源的振幅和頻率。

2.2阻力采集模塊及阻力測量方法

直接測量轉轍機的阻力十分不方便，可以通過間接測量轉轍機電機的做功來推導出道岔轉換時的阻力大小。由于鐵路在換軌的時候轉轍機電機克服道岔阻力做功，因此可以推斷出道岔轉換阻力與電機做功有必然的聯系，轉轍機電機的實時功率可以通過電機的電氣參數進行計算。轉轍機是封裝好的產品，無法改動內部電路，傳統測量電壓電流的方式無法實現電壓電流的測量，霍爾傳感器能在不改變和破壞轉轍機現有電路的情況下對轉轍機電機的電壓和電流進行測量，因此本系統采用霍爾傳感器測量轉轍機電機的電壓電流，然后電機的電氣參數計算出電機做功與鐵軌阻力的關系，從而得到阻力值。

結束語

傳統的轉轍機監測方法是鐵路工人日常的巡視檢查，或者采取在轉轍機內部安裝機械傳感器和光電傳感器來判斷轉轍機的工作狀態，這些方法受環境和人的影響很大，存在不同程度的缺陷。而隨著計算機科學和數字圖像處理技術的發展，已經能實現實時的遠距離監測。依據圖像處理來測量轉轍機缺口具有非接觸、實時性、效率高、便捷直觀等優點。因此，根據圖像傳感技術和圖像處理技術設計開發一個系統對轉轍機缺口進行實時監控具有重要的實際意義。

參考文獻：

[1]金銳.圖像式轉轍機缺口監測在現場中的應用及維護[J].科技創新與應用，2017（2）：166-166.

[2]魯磊.轉轍機缺口監測主機軟件的設計和實現[J].鐵道通信信號，2016，52（7）：42-46.

（作者單位：成都地鐵運營有限公司）