鐵路大型養(yǎng)路機械特種視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究

翟仕樂

（中國神華軌道機械化維護分公司肅寧工務機械段，河北滄州 062350）

鐵路大型養(yǎng)路機械特種視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究

翟仕樂

（中國神華軌道機械化維護分公司肅寧工務機械段，河北滄州 062350）

大型養(yǎng)路機械是現(xiàn)代鐵路維護的重要設備，目前在我國鐵路線路維修中得到廣泛應用，為進一步提升大型養(yǎng)路機械工作的質(zhì)量和效率，研究開發(fā)在大型養(yǎng)路機械上安裝監(jiān)控系統(tǒng)，隨時掌握機械車周圍動態(tài)情況，更有利于安全生產(chǎn)。根據(jù)作業(yè)施工現(xiàn)場實際情況，分析了監(jiān)控系統(tǒng)具有的功能和特點，并在此基礎上設計了現(xiàn)場操作子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)，進行了實驗室試驗和工況試驗，試驗表明所開發(fā)的系統(tǒng)實時性好，圖像清晰，具有較好的適應惡劣工作環(huán)境的能力。

鐵路養(yǎng)路機械；特種監(jiān)控系統(tǒng)；現(xiàn)場子系統(tǒng)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.52

0 緒論

隨著鐵路行業(yè)的蓬勃發(fā)展，鐵路線路維護與質(zhì)量保障顯得尤為重要。引入大型養(yǎng)路機械極大地減小了養(yǎng)路工人的勞動強度，鐵路線路的維護自動化程度越來越高并日漸規(guī)范。但是大型養(yǎng)路機作業(yè)現(xiàn)場條件惡劣，作業(yè)中工作裝置振動大、噪聲高，車內(nèi)操作工與車外指揮和質(zhì)量監(jiān)視人員溝通不方便。為了保障大型養(yǎng)路機械施工質(zhì)量，操作人員需要對大型養(yǎng)路機械工作裝置進行實時監(jiān)控。為此，設計了特種監(jiān)控系統(tǒng)，用于實時監(jiān)測各工位工況。同時，為提高對大型養(yǎng)路機械的管理水平，建立了遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心可以調(diào)出工作現(xiàn)場的圖像。

神維公司的大型養(yǎng)路機械設備主要有清篩機、搗固車、穩(wěn)定車、配碴車等。搗固車是公司大型養(yǎng)路機械中的重要車型之一，用于神華鐵路線路的維修，對鐵路軌道進行起、撥道和抄平作業(yè)，使鐵路軌道的方向、水平以及前后高低，全部達到線路要求的維修標準。搗固車的運用提高了道床石碴的密實性，增加了軌道的穩(wěn)定性，確保列車安全運行。搗固車在公司大型養(yǎng)路機械設備中數(shù)量最多、使用率最高。因此，首先在搗固車上安裝了視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本文以大型養(yǎng)路機械中的搗固車為例，表述相關研究成果。

1 特種監(jiān)控系統(tǒng)框架

安裝在搗固車上的特種視頻監(jiān)控系統(tǒng)，分為現(xiàn)場操作監(jiān)控子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)兩部分，現(xiàn)場操作監(jiān)控子系統(tǒng)用于監(jiān)測記錄各工作裝置工況情況，數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)用于調(diào)控現(xiàn)場工況的實時數(shù)據(jù)流。采用了6組紅外攝像機監(jiān)測搗固車左搗固頭、右搗固頭、左夾鉗、右夾鉗、前端、后端等位置，在作業(yè)操作位置，前、后端司機室均可實時查看，即在子系統(tǒng)實現(xiàn)了多路監(jiān)控。各子系統(tǒng)把視頻主機的信息及采集到的視頻流數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)制形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，經(jīng)4G網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心將數(shù)據(jù)解調(diào)成一般數(shù)據(jù)供計算機使用，計算機具有添加注冊、注銷各子系統(tǒng)ID、讀取、記錄、視頻等功能。特種監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 現(xiàn)場操作子系統(tǒng)

2.1 現(xiàn)場操作子系統(tǒng)功能與性能要求

在大型養(yǎng)路機械上安裝圖像監(jiān)控系統(tǒng)，大型養(yǎng)路機械的操作人員作業(yè)中能隨時看到車輛周圍的狀況，在施工過程中能在確保施工安全的前提下，提高大型養(yǎng)路機械的使用效率和作業(yè)質(zhì)量。由于大型養(yǎng)路機械施工作業(yè)環(huán)境非常差，所以對大型養(yǎng)路機械監(jiān)控系統(tǒng)適應環(huán)境的能力提出了更高要求?，F(xiàn)場組成操作子系統(tǒng)的所有元件應具有6方面性能。

圖1 圖像監(jiān)控系統(tǒng)框架

（1）系統(tǒng)可適應的環(huán)境溫度在-25～55℃，且具有較好的抗振性能。

（2）具備夜視功能，密封性能要好，具有防雨雪、防塵功能。

（3）系統(tǒng)工作電壓范圍廣，在6～36 V。

（4）在司機室和1#位能實時看到大型養(yǎng)路機前后、左右工作裝置的狀態(tài)，圖像要清晰。

（5）要求各位置的圖像能單獨顯示，也可以分割顯示，兩種狀態(tài)可以相互切換。

（6）系統(tǒng)具備大容量存儲圖像的功能。

2.2 現(xiàn)場操作子系統(tǒng)組成

現(xiàn)場操作子系統(tǒng)，主要功能是實現(xiàn)對大型養(yǎng)路機上的6路視頻監(jiān)控圖像的實時采集，并通過網(wǎng)絡與后續(xù)的控制平臺進行高速數(shù)據(jù)流傳輸，保證系統(tǒng)對視頻數(shù)據(jù)的實時性要求。具體內(nèi)容：6路CCD攝像機將采集到的視頻模擬信號傳輸給視頻采集電路，把色彩及明暗的光信號轉(zhuǎn)變成模擬的電信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換變成符合標準的數(shù)字信號并傳送給數(shù)字信號處理器（DSP）。處理器中的數(shù)字信號，通過視頻編碼電路，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，再把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，傳輸?shù)斤@示器端，完成對現(xiàn)場的實時觀察。同時實現(xiàn)DSP對視頻數(shù)據(jù)的本地保存，網(wǎng)絡與后續(xù)控制計算機進行通信，計算機軟件進行切換回放操作。系統(tǒng)硬件的結(jié)構如圖2所示，

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構

2.3 現(xiàn)場子系統(tǒng)主要硬件選型

2.2.1 電源模塊

大型養(yǎng)路機械的電源系統(tǒng)是+24 V，由于機械車啟動時電源電壓會被拉低，系統(tǒng)電池浮充時，電源電壓保持接近28 V。為避免系統(tǒng)由于供電浮動而產(chǎn)生的故障，采用9～36 V轉(zhuǎn)12 V電源模塊。電源模塊具有5個特征。

（1）高功率密度，超薄設計，超小體積。

（2）多重保護功能設計，采用基板工藝生產(chǎn)，加強了產(chǎn)品可靠性。

（3）加強電磁兼容設計，可在強電磁環(huán)境下工作，具有低EMC特性，已通過歐盟CE認證。

（4）一體化灌封，實現(xiàn)了防腐、防潮、防震性能。

（5）具有輸入過壓、欠壓、輸出過壓、過流、短路保護。

2.2.2 數(shù)字信號處理器（DSP）選型

運算速度是評價DSP性能最重要的指標之一，運算速度越快說明DSP處理數(shù)據(jù)的能力越強，是首選參數(shù)。同時，還要考慮芯片的其他硬件資源能否滿足現(xiàn)場的實際需要，比如：內(nèi)存RAM和ROM存儲的大小，I/O接口的匹配等。另一方面，選擇DSP型號的芯片,還需要考慮開發(fā)工具的完善，不只需要提供軟件開發(fā)工具，還應有與之相適應的硬件。當設計DSP系統(tǒng)時，系統(tǒng)越是復雜開發(fā)工具越重要。沒有好的開發(fā)工具支撐，會增加系統(tǒng)開發(fā)的難度，更難提高系統(tǒng)的擴展性和可移植性。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，綜合各方面考慮比較，最后選擇了TI公司生產(chǎn)的TMS320DM642芯片（簡稱DM642）。該芯片的工作頻率，是由芯片內(nèi)部的PLL鎖相環(huán)進行設置的，設定的頻率可達到500 MHz，600 MHz，720 MHz，相應的每秒可執(zhí)行的指令數(shù)是4000 MIPS，4800 MIPS和5760 MIPS。在多媒體數(shù)字信號的處理中，得到最廣泛的應用，是DSP系列產(chǎn)品中性價比較高、數(shù)字媒體解決方案的首選產(chǎn)品。該芯片除擁有高速控制器的操作靈活性，還具有陣列處理器的數(shù)字處理能力且芯片的外圍，設有完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡通信接口。

主要參數(shù)：具有3個可配置的視頻端口（VPORT0-2），可以實現(xiàn)與通用的視頻編、解碼器無縫連接，并支持多種視頻分辨率和視頻標準，支持RAW視頻輸入/輸出，傳輸流模式。有1個10/100 Mb/s以太網(wǎng)接口（EMAC），符合IEEE 802.3標準。1個多通道具有緩沖音頻串行端口（McASP），支持 I2S，DIT，S/PDIF，IEC60958-1，AES-3，CP-430等音頻格式。2個多通道帶有緩沖串行端口（McBSP），并采用RS232電平驅(qū)動。1個VCXO內(nèi)插控制單元（VIC），支持音/視頻同步。1個 32位、66 MHz，3.3 V 主/從PCI接口，執(zhí)行PCI2.2規(guī)范。1個用戶可配置的16/32主機接口（HPI）。1個 16位通用輸入/輸出端口（GPIO）。1個 64位外部存儲器接口（EMIF），能夠與大多數(shù)異步存儲器（SRAM，EPROM）及同步存儲器如（SDRAM，SBSRAM，ZBT SRAM，F(xiàn)IFO）無縫連接，最大可尋址外部存儲器空間為1024 MB。1個具有64路獨立通道的增強型直接內(nèi)存訪問控制器（EDMA）。1個數(shù)據(jù)管理輸入/輸出模塊（MDIO）。1個I2C總線模塊。3個32位通用定時器。1個符合IEEE 1149.1標準的JTAG接口及子板接口等。

2.2.3 模塊FPGA的選型

首先根據(jù)系統(tǒng)的需求，對現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field-Programmable Gate Array），模塊的工作頻率以及資源等多個方面，綜合考慮選擇相匹配的器件型號。要兼顧接口標準以及開發(fā)工具的支持情況。

經(jīng)過充分的市場調(diào)研，賽靈思在FPGA技術方面優(yōu)勢明顯，產(chǎn)品類型多，而且技術支持全面。最終選擇賽靈思公司的產(chǎn)品XC3S500E-4FGG320C芯片，芯片特點：實現(xiàn)90 nm工藝，320腳FBGA封裝，20個乘法器，10476個等效邏輯單元，4個時鐘管理模塊，可支持232個用戶I/O端口，模塊性能和資源能夠滿足現(xiàn)場設計的需求。

2.2.4 攝像機選型

攝像機是現(xiàn)場監(jiān)測子系統(tǒng)的視頻原件，關系到系統(tǒng)抗振性能、畫面清晰度、可靠度、穩(wěn)定性。因此選擇了符合系統(tǒng)的彩色紅外防水半球防爆攝像機。具體參數(shù)：采用高性能SONY CCD，分辨率700 TVL,圖像清晰、細膩。低照度，0.001 Lux（F1.2,AGC ON），支持自動彩轉(zhuǎn)黑功能,實現(xiàn)晝夜監(jiān)控。支持數(shù)字降噪功能，數(shù)字寬動態(tài)功能。支持強光逆轉(zhuǎn)功能。防暴等級超過IK10，符合IP66級防水設計,可靠性高。

2.4 現(xiàn)場子系統(tǒng)軟件

現(xiàn)場子系統(tǒng)，選用客戶/服務器模型。數(shù)字主機作為服務器，把攝像頭采集到的視頻信號進行壓縮處理，同時提供網(wǎng)絡傳輸任務，提供相應的視頻信號。主機客戶端向服務器端發(fā)出請求，接收傳來的視頻信號，并進行相應處理。視頻監(jiān)控系統(tǒng)客戶端的用戶登錄模塊、視頻預覽模塊、回放下載模塊要獨立設置。在現(xiàn)場要達到操作方便、圖像清晰穩(wěn)定。軟件流程見圖3。

3 數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)是公司內(nèi)部設立的用于監(jiān)測現(xiàn)場工作狀況的專用區(qū)域，管理人員可以根據(jù)生產(chǎn)任務，隨時抽調(diào)施工現(xiàn)場機械車工況，加強安全管理。

圖3 現(xiàn)場子系統(tǒng)軟件流程

3.1 數(shù)據(jù)中心組成

數(shù)據(jù)中心包含廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)接收設備、數(shù)據(jù)解調(diào)設備、計算機及軟件等，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)中心設備組成

3.2 數(shù)據(jù)中心軟件

數(shù)據(jù)中心軟件是遠程監(jiān)控的核心部分。計算機將得到的遠程數(shù)據(jù)解調(diào)為監(jiān)控數(shù)據(jù)與視頻流，分別以界面的形式呈現(xiàn)給管理層，更好掌控現(xiàn)場工作。數(shù)據(jù)中心計算機也兼?zhèn)浯鎯δ芰?，記錄故障時刻，更好的明確故障類型與故障原因。其流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)中心軟件流程

4 大型養(yǎng)路機械特種監(jiān)控實驗

4.1 實驗室運行中的檢測結(jié)果（表1）

4.2 現(xiàn)場作業(yè)實況

依據(jù)國家規(guī)定標準，將所開發(fā)的大型養(yǎng)路機械特種監(jiān)控系統(tǒng)在實驗室調(diào)整運行正常后，安裝在搗固車上進行裝車試驗、驗收。圖6為搗固車操作位顯示器和數(shù)據(jù)中心同時檢測到的左夾鉗實時圖像，圖像清晰、效果性好，滿足現(xiàn)場施工需要。

表1 檢測結(jié)果

圖6 現(xiàn)場操作子系統(tǒng)左夾鉗

5 結(jié)論

大型養(yǎng)路機械的施工現(xiàn)場振動、噪聲大，環(huán)境惡劣，施工人員在車上、車下溝通不暢，影響施工效率并存在施工安全隱患，為大型養(yǎng)路機械安裝特種監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。根據(jù)現(xiàn)場實際需求，本文提出了在大型養(yǎng)路機械安裝監(jiān)控系統(tǒng)的必要性和應具有的功能。并根據(jù)功能的實現(xiàn)，設計了現(xiàn)場操作子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)并分別設計了相應軟件。經(jīng)實驗室和現(xiàn)場工況試驗：圖像清晰、實時性好，操作號位能實時掌控現(xiàn)場情況，工作效率提高，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)，達到設計的目標。

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〔編輯 利 文〕