一種脫掛索道安全運行保護系統

賈睿璽 段 琰 鄭 泓

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

脫掛索道是客運索道的一種，因其自動化水平較高、運量大、上下車便捷、快速等優點而廣泛被市場青睞，是目前公認的主流索道。該索道通過特殊的脫掛抱索器將若干吊廂等間距的固定于1根套在驅動輪和迂回輪之間的封閉鋼絲繩上，鋼絲繩以固定速度運轉。

索道運行期間，當吊廂進站時，脫掛抱索器的脫壓輪通過站內脫開裝置，抱索器打開，使抱索器與鋼絲繩分離，抱索器通過行走輪沿站內軌道運行；當吊廂出站時，脫掛抱索器的脫壓輪通過站內掛結裝置，抱索器與鋼絲繩咬合，抱索器隨鋼絲繩運轉。這樣即可實現吊廂在站內低速、在線路上高速的循環往復運行，圖1所示為脫掛抱索器實物圖。

圖1 脫掛抱索器實物圖

在脫掛抱索器進行脫開和掛結的過程中，如果抱索器位置不到位，極有可能使吊廂偏離鋼絲繩運行，造成安全事故。為了保證脫掛抱索器的位置準確，達到脫開到位和掛結到位的效果，脫掛索道通常在站內抱索器運動路徑上安裝了多個限位開關，一旦抱索器位置異常，便會觸碰就近的限位開關，索道立即停止運行。如果限位開關由于自身內部接觸不良等原因失效，即使抱索器因位置不佳而觸碰了開關，也無法使索道停止運行，索道安全事故依然存在，故單一的限位開關不能完全消除脫掛抱索器在站內位置異常而造成的安全隱患。從統計學角度分析，縱觀近年來所發生的安全生產事故，雖然限位開關內部接觸不良是小概率事件，但是許多事故發生概率往往落在小概率區間內，小概率事件不可被忽略。

針對上述問題，設計了一種基于圖像處理技術的脫掛索道安全運行保護系統，聯合限位開關的檢測能力，以期為脫掛索道安全運行提供雙重保障。

1 安全保護系統結構

圖2為安全保護系統結構圖。該系統主要由限位開關、攝像頭、錄像機、PC控制中心、上位機、PLC控制系統構成，其中PLC控制系統主要包括制動系統、報警系統、人機交互系統。

圖2 安全保護系統結構示意圖

POE攝像頭不需要每個電源模塊單獨供電，而是通過POE網線與多路NVR錄像機連接，基于以太網Cat.5布線基礎架構，在保證網絡攝像頭數據信號傳輸同時，還能由NVR錄像機為攝像頭統一提供直流電源，安全性、防雷性、節能性較好；方便快捷，省去了電纜布線的工作量。

每一個POE攝像頭對應1個限位開關，在POE攝像頭固定好并取得合適的場景之后，NVR錄像機將攝像頭獲取的影像進行存儲，攝像頭需具備以下特性：

1)抗振性強 脫掛索道在高速或低速運行時，站內設備、檢測開關容易產生共振現象，故攝像頭需具備較強的抗振性，消除振動帶來的干擾。

2)靈敏度高 雖然多數形位開關體積較大，易于捕捉，但是對于形位開關位置微小的變化要求攝像頭能夠在一定程度上對此變化進行有效、清晰地識別。

在索道運行過程中，PC控制中心讀取NVR錄像機中各個POE攝像頭的影像信息，實時監測限位開關位置狀態。PC控制中心通過上位機與PLC控制系統進行通信。如果有1個限位開關位置異常，上位機受控于PC控制中心，向PLC控制系統發出限位開關位置異常指令信息，PLC控制系統接收到上位機傳來的信息后，立即觸發索道制動系統、報警系統、人機交互系統。制動系統控制索道高速閘、低速閘依次落下，索道根據制動曲線逐漸停止運行；報警系統控制報警裝置向索道相關人員發出報警提示；人機交互系統顯示具體報警信息和索道實時運行參數，例如運行電流、運行速度、制動時間、設備運行工況信息等。

2 PC控制中心圖像處理流程

PC控制中心從NVR錄像機中獲取限位開關圖像后，圖像處理流程如圖3所示，包括限位開關檢測、圖像鎖定、圖像特征處理、圖像后期處理、限位開關跟隨、限位開關感知預警6步，其中，限位開關檢測、圖像鎖定、圖像特征處理、圖像后期處理歸類為靜態檢測，限位開關跟隨和限位開關感知預警歸類為動態監測。

圖3 限位開關圖像處理流程圖

1）限位開關檢測 提取攝像頭采集的圖像，對圖像進行預處理，去除圖像中無關信息，通過降維等操作簡化信息所攜帶的數據，最大限度增強相關信息的實用性，包括圖像去噪、圖像增強、色彩空間轉換。為了提高運算速度，節約存儲空間，灰度化是圖像預處理中關鍵步驟，即將彩色圖像轉為黑白圖像，灰度圖像是色彩圖像的一種表現形式。彩色圖像每個像素點顏色由R、G、B 3個變量決定，每個變量的范圍為0～255，1個像素點顏色變化就有2 563種；而灰度圖像1個像素點變化范圍只有256種。灰度化處理方法一般有分量發、最大值法、平均值法和加權平均法。

2）圖像鎖定 在預處理后的圖像中確定1個窗口，該窗口可滑動，鎖定窗口內部的部分子圖像，作為圖像候選區。

3）圖像特征處理 將圖像轉為PC控制中心可識別的信息，從圖像中提取非圖像描述，例如符號、向量、數值等，使圖像信息具有真正意義的視覺載體。在鎖定的圖像候選區中提取特征向量，然后選取特定的向量并降低向量維數，最后利用分類器將特征進行分類，使得候選區包含檢測目標。

4）圖像后期處理 將同一類別的相交候選區進行合并，計算出檢測目標的邊界框，完成靜態檢測階段任務。

5）限位開關跟隨 靜態檢測階段任務完成之后，PC控制中心便得到了每個限位開關的標準圖像，不斷地與對應的POE攝像頭實時獲取的圖像進行對比。

6）限位開關感知預警 如果某一個限位開關實時圖像與其對應的標準圖像相比有變化，則PC控制中心向上位機發出異常報警指令。

3 研究內容

1)圖像檢測 建立標準圖像數據庫標簽，限位開關與抱索器接觸的觸點體型較小，其位置一般在三維空間中X、Y、Z軸運動浮動范圍變化微小，受安裝角度和安裝位置影響，攝像頭很難捕捉，即使捕捉到，由于攝像頭分辨率有限、圖像效果欠佳，無法建立標準圖像數據庫。如圖4所示，為了能使抱索器在位置異常時與限位開關有效接觸，脫掛索道一般在二者之間設計了規則的傳動機構，通過該傳動機構可實現抱索器與限位開關充分的一一對應接觸。因此，攝像頭監測該傳動機構動作變化，即間接完成了對限位開動觸點動作的監測。

圖4 限位開關觸點與傳動機構示意圖

2)圖像跟隨 索道在運行過程中，抱索器位置異常后，限位開關觸點有動作變化，安全運行保護裝置需與所建立的標準圖像數據庫進行對比，快速識別并將異常信息發送給PLC控制系統做出相應報警響應、制動響應。

3)與PLC控制系統對接標準 圖像處理一般在主機中處理完成后，處理結果以圖像形式展現；而PLC控制系統一般將模擬信號或數字量信號作為輸入信號。因此，需將圖像信號轉換為PLC控制系統可識別的模擬信號或數字信號，建立有效的對接標準。

4)限位開關三維視覺識別 二維圖像識別只能識別限位開關在空間中的某個平面狀態，而實際情況中限位開關動作有可能不是抱索器位置異常造成的，二維圖像不能完全反映限位開關的準確位置信息，需要通過三維視覺識別精準定位限位開關在空間中的精確位置，可有效避免開關誤動作給索道造成的不必要的停車現象。

5)行走軌異物監測 脫掛索道在運行過程中，由于振動、灰塵等客觀因素，索道長時間運行之后，抱索器行走軌道可能會有異物出現，這些異物會造成抱索器脫軌，影響索道正常運行。因此，通過視覺識別可實時監測行走軌道中是否有明顯的、外形較大的異物，保證抱索器行走輪安全、順利通過行走軌。

4 結語

數據驅動運行與數據驅動安全是未來脫掛索道信息化、數字化、智能化發展的重要方向。本文論述的1種基于圖像處理技術的脫掛索道安全運行保護系統，從機器視覺角度出發探索脫掛索道故障檢測與處理方法，以期為脫掛索道的安全運行提供一定的借鑒。