會車圖像采集技術在鐵路貨車裝載視頻監視系統中的應用

何 姍

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，武漢 430074）

1 概述

鐵路貨車裝載視頻監視系統是以貨車裝載圖像設備、車號識別設備等為基礎，采用先進的計算機網絡技術及信息處理與集成技術，實現貨物裝載狀態高清圖像信息的自動收集、檢測監控和集中管理，為各級貨運管理部門和作業部門提供清晰、直觀的貨車裝載信息[1]。

鐵路貨車裝載視頻監視系統主要應用在鐵路貨運作業管理上，利用安裝在鐵路貨運站出入口處的采集裝置，對通過的車輛進行監測并自動錄像，按車次、車號記錄，保存列車出入時間、列車裝載狀態等信息，從而通過拍攝的圖片及時了解進出車輛貨物的裝載情況，以便對存在安全隱患的貨車進行處理。貨車圖像資料可以實現自動存檔，圖像資料可以作為貨車使用和裝載狀態的交接依據，便于與站間、段間、局間交接的劃責和處理，還可作為歷史記錄，隨時調用查看[2]。

2 現狀分析

2.1 需求分析

1）采集系統建設需求

在原系統門架安裝位置向站外方向延伸約1 km（具體距離依據每站最長列車換長長度確定）處安裝高清視頻監視采集設備（兩處距離大于列車的長度，選擇平直線路處，避開彎道及坡道）。實時采集通過上行線和下行線列車的兩側圖像。采集后的兩側圖像作為原系統門架處同時錯車時丟失一側圖像的補充。

2）數據接入與整合需求

由于線間補強系統數據與原有系統數據的施工單位和建設時間不同，且數據格式存在兼容問題，需要補強系統對數據進行統一處理，實現數據的規范存儲、集中管理，形成統一數據資源池，并在此基礎上對數據進行歸類、整合，實現數據的標準化、集中化。

3）業務應用需求

針對列車交錯時丟失圖像采集的實際問題，升級或者重新設計各類抽取、整合、匹配手段，滿足不同數據的整合、匹配及實時更新需求，構建統一的基礎信息庫，對原有系統的錯誤圖像進行糾錯處理，補齊貨車裝載狀態圖像信息。

2.2 存在的問題

鐵路貨車裝載視頻監視系統大多采用線陣相機作為圖像采集設備。線陣相機其像元是一維線狀排列的，每次采集一列圖像數據，常用于被測物連續運動且運動速度恒定，分辨率要求較高的場景。該系統前端采集設備常布置在貨場、編組場、專用線、貨檢站等進出口以及主要貨運干線咽喉位置[3]。

當系統前端采集設備安裝在多線并行且線間距不滿足限界要求(依據客貨鐵路（v≤160 km/h）建筑限界2.44 m)時，線間無法立柱安裝采集設備，造成列車交錯時中間圖像被遮擋的現象，需再次進行人工現場檢測，貨檢作業量大且耗時長，使貨檢作業效率低下且存在車輛漏檢的安全隱患[4]，如圖1所示。

圖1 會車狀態采集圖像問題點Fig.1 Problems in collecting images of wagons meeting

3 既有鐵路貨車裝載視頻監視系統方案研究

3.1 系統結構及主要功能

既有鐵路貨車裝載視頻監視系統結構如圖2所示。

圖2 既有鐵路貨車裝載視頻監視系統結構Fig.2 Structure diagram of video monitoring system for the existing wagon loading status

鐵路貨車裝載視頻監視系統采用基于高清彩色線陣攝像機和200萬像素彩色攝像機自動監控目標引入的識別方法，利用視頻圖像壓縮技術實現對鐵路貨車裝載狀態環境監測功能；通過線陣掃描的方式獲取高清晰的貨車掃描圖像[5]；采用激光傳感器技術實現列車超限貨物的檢測，利用車位系統實現超限物在狀態錄像上的同步、定位和報警；為實現超限動態檢測，在貨車途徑的到達場、出發場或編發場建立一個測量視場，將激光預判裝置安放在設備安裝支架上，兩側形成監測視場[6]。

當貨車經過既有龍門架時，車位系統根據貨車車輪滑過情況觸發檢測設備工作，既有3臺高清彩色線陣相機從貨車的頂部及左右兩側3個角度對通過貨車裝載狀態進行實時掃描，提供列車兩側和頂部車況的高清晰掃描圖像, 實現一輛車左、右、頂狀態各采集一整幅圖片，可清晰看清車廂門窗的完好程度和平板車端板關閉狀態，識別篷布、頂蓋及繩索的完整和捆綁狀態，同時也為貨車裝載狀態自動識別系統提供基礎數據。

既有激光雷達設置于既有龍門架的立柱側面，形成封閉橫斷面，兩臺激光雷達對貨車的中心高度、左右寬度及斜高進行實時掃描，根據預設的測量算法，計算機實時解算處理，并在貨車通過既有龍門架將檢測結果傳送到數據處理計算機中，以供工作人員分析超限數據及超限貨物的圖像。

既有頂部彩色面陣高清相機（200萬像素彩色攝像機），是對貨車的車廂頂部狀態進行實時抓拍，實現環境監測和預警功能，可實現監控目標侵入、現場遺留物的自動檢測。同時可實現系統設備看護報警功能，其狀態圖像傳送到系統數據服務器中進行信息保存，通過硬件解碼器進行實時監控和大屏展示。工作人員可以實時監視3個角度的貨車狀態，也可以在服務器中調取相應錄像信息進行回放，重點確認。高清線陣相機和激光預判組合可以更加方便的查詢出超限車輛的錄像和圖片，并且獲得了更加清晰的效果。

3.2 存在的問題

由于部分鐵路貨檢站的到達場、出發場或編發場存在兩條股道間距不滿足限界要求，無法在股道中間立柱安裝采集設備，當同時過車時，列車之間會互相造成遮擋，致使靠線路內側的貨車側面變成盲區，無法檢測到貨車側面的裝載狀態，造成同時過車會丟失列車一側的圖像數據。

4 優化方案設計

4.1 系統邏輯架構設計

基于鐵路貨車裝載視頻監視系統，會車圖像采集技術邏輯上分為數據源、數據層、服務層、應用層和用戶層5個層級[7]。系統邏輯架構如圖3所示。

圖3 系統邏輯架構Fig.3 System logical architecture

1）數據源

數據源是系統的數據來源。包含原系統的圖像數據、車號數據、車位數據及時間數據；補強系統的圖像數據、車號數據、車位數據及時間數據。

2） 數據層

數據層完成數據的采集、融合、計算、分析、匹配等，是整個系統的核心基礎模塊，由存儲、計算、數據庫組成。

a.存儲計算

提供系統數據的數據存儲、計算功能，是系統軟件和硬件的核心模塊，支持橫向擴展、高可用、高性能要求。

硬件提供數據的存儲和計算資源。在存儲資源和計算資源緊張時，易于橫向擴展添加資源。硬件環境主要有服務器、核心交換機、存儲設備等資源。

b.核心組件

數據處理采用流行的Hadoop作為數據存儲、管理核心組件，提供極強的橫向擴展和高可用能力；采用MapReduce、SPARK[8]作為整個數據加工、整合、分析計算引擎，提供高可用、易擴展的內存和批量計算能力；采用Elasticsearch和Mongo提供各類數據全文檢索能力和快速精確批量查詢能力[9]。

c. 數據庫

數據庫包含基礎庫、專題庫、配置庫等。基礎庫是整個系統的數據基礎，也是一切數據共享和數據分析的主要源頭。按照統一的數據規范或標準，整合不同系統的基礎數據，按照數據主題分類對數據進行統一歸類、加工，形成系統的數據中心。在此基礎上，根據業務需要形成各類專題庫：圖像庫、預警信息庫、綜合分析庫等。配置庫包含配置信息和日志信息兩大部分數據，用于存儲系統中的配置信息和產生的日志信息。

3）服務層

服務層是應用層和數據層的鏈接橋梁，將各類分析加工的數據按照應用需要，進行接口開發及訪問封裝，對各類應用提供支持。服務層與應用層前后臺分離，便于擴展。

4）應用層

應用層包括實時預覽、錄像回放、綜合檢索、圖像測量標注等應用服務，提供松耦合、高可用、安全可靠的服務支撐；各項基礎管控業務應用、安全防范工作，也在應用服務層實現。

5）用戶層

用戶層通過綜合門戶體現數據資源服務體系建設成效，提供基礎資源服務、數據服務、應用服務入口，實現各類應用功能的導航，通過建立貨運工作門戶，適用于不同角色用戶的工作需要。

4.2 會車圖像采集技術應用

如圖4所示，根據上述現狀分析及3.2中提到的存在問題，本次研究采用會車圖像采集技術，將其應用在鐵路貨車裝載視頻監視系統中，通過新設的前端采集設備高清線陣相機，實時采集通過上行線和下行線列車的兩側圖像，采集后的兩側圖像作為門架處同時過車丟失一側圖像的補充。當列車在既有門架處出現會車時，采用新的前端會車判別裝置采集會車數據后傳輸至后端的新設列車交會狀態檢測裝置，經新設的系統軟件進行分析，得知會車現象，并確認丟失圖像的車輛信息。系統軟件經過車輛信息對比后把新設采集設備立柱處采集到的一側圖像替換掉既有門架處相應側采集的錯誤圖像，從而保證左、右、頂三側圖像的正確性，并保存在存儲設備內，很好的解決了多線并行區域且線間距不滿足限界要求不能在線間立柱安裝采集設備，造成列車交錯運行時中間圖像被遮擋的現象引起車輛漏檢風險的問題。

4.3 前端采集設備優化方案

如圖5、6所示，在多線并行的既有門架安裝位置向外方向延伸約1 km（具體距離依據每站最長列車換長長度確定）處安裝高清監視采集設備（兩處距離大于列車的長度，選擇平直線路處，避開彎道及坡道），設備采用立柱方式安裝，實時采集通過上行線和下行線列車的兩側圖像。

圖5 前端補強采集設備安裝位置平面示意Fig.5 Schematic diagram of installation position of the front-end enhanced acquisition equipment

圖6 前端補強采集設備安裝立面示意Fig.6 Schematic diagram of installation elevation of front-end enhanced acquisition equipment

5 技術效果

本技術適用于鐵路多線并行且線間距不滿足限界要求（依據客貨鐵路（v≤ 160 km/h）建筑限界2.44 m）時，線間無法立柱安裝采集設備的鐵路貨車裝載視頻監視系統，通過會車圖像采集技術，系統采集的圖像能夠更準確、更實時的反映鐵路貨車的裝載狀態信息，提升了采集鐵路貨車裝載狀態信息數據的準確率，且大大減少了現場作業人員的工作量，使得檢測過程更加便捷，大幅提高貨檢作業的工作效率和準確率。