動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行下車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)研究

李晏良

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

截至2020年底，我國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程3.8萬(wàn)公里，國(guó)家鐵路客車(chē)擁有量為7.5萬(wàn)輛，其中動(dòng)車(chē)組3 828標(biāo)準(zhǔn)組、30 620輛[1]。隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，動(dòng)車(chē)組已經(jīng)成我國(guó)客運(yùn)車(chē)輛的主力軍。早期運(yùn)營(yíng)的動(dòng)車(chē)組已經(jīng)超過(guò)10年，動(dòng)車(chē)組的運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)逐步成為研究的重點(diǎn)方向之一。研究高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)識(shí)別技術(shù)，能夠滿足車(chē)外應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)動(dòng)車(chē)組基礎(chǔ)信息的需求，將豐富各類(lèi)數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)一步提高動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)管理水平和運(yùn)輸組織效率。因此，有必要研發(fā)適應(yīng)高速動(dòng)車(chē)組技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境的高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)識(shí)別技術(shù)。

1 列車(chē)車(chē)號(hào)識(shí)別類(lèi)型

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)列車(chē)車(chē)號(hào)識(shí)別主要通過(guò)2種方式實(shí)現(xiàn)：基于RFID技術(shù)的車(chē)號(hào)識(shí)別、基于圖像處理技術(shù)的車(chē)號(hào)識(shí)別。

1.1 基于RFID技術(shù)的車(chē)號(hào)識(shí)別

無(wú)線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)[2-4]，是指利用無(wú)線射頻方式，在閱讀器和標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸式數(shù)據(jù)通信，從而通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別帶有標(biāo)簽的對(duì)象，實(shí)時(shí)有效獲取目標(biāo)信息。

列車(chē)車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別有多種實(shí)現(xiàn)方式，最成熟的技術(shù)為鐵路車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(ATIS)[5-7]。該系統(tǒng)是基于RFID技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)號(hào)的自動(dòng)識(shí)別。在目標(biāo)機(jī)車(chē)、貨車(chē)上安裝電子標(biāo)簽，在地面安裝識(shí)別系統(tǒng)，當(dāng)列車(chē)通過(guò)時(shí)，地面識(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)讀取通過(guò)列車(chē)的電子標(biāo)簽信息，獲取通過(guò)列車(chē)的車(chē)號(hào)。ATIS最大的優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)λ邪惭b了電子標(biāo)簽的列車(chē)車(chē)號(hào)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的識(shí)別，缺點(diǎn)是配套設(shè)備復(fù)雜，所有被測(cè)車(chē)輛均需安裝電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽易損壞、丟失，對(duì)其運(yùn)行環(huán)境及設(shè)備維護(hù)要求較高。目前，尚未對(duì)所有車(chē)輛安裝電子標(biāo)簽，ATIS不適用于高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別。

1.2 基于圖像處理技術(shù)的車(chē)號(hào)識(shí)別

圖像識(shí)別，是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識(shí)別各種不同模式的目標(biāo)和對(duì)象的技術(shù)。傳統(tǒng)的圖像識(shí)別流程分為以下4個(gè)步驟：圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取和圖像識(shí)別。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用圖形圖像處理技術(shù)在人工智能等方面進(jìn)行了廣泛研究，特別是在人臉識(shí)別和商品識(shí)別方面，甚至應(yīng)用了減少人工干預(yù)的深度學(xué)習(xí)方法[8]。在交通領(lǐng)域，圖像處理技術(shù)主要應(yīng)用于車(chē)號(hào)定位和車(chē)號(hào)識(shí)別方面，在汽車(chē)車(chē)號(hào)識(shí)別方面應(yīng)用較多，鐵路方面也開(kāi)展了大量的研究[9-13]，在車(chē)號(hào)識(shí)別方面主要采用了傳統(tǒng)的光學(xué)字符識(shí)別(OCR)方法，該方法分為車(chē)號(hào)定位、圖像分割和字符提取等，并通過(guò)字符特征來(lái)進(jìn)行識(shí)別。

2 高速鐵路動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)

在動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行的工況下，實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別主要有以下關(guān)鍵技術(shù)需要解決：獲取穩(wěn)定、高精度的圖像，低延遲的自動(dòng)觸發(fā)，圖像識(shí)別率及識(shí)別精度。

2.1 高精度圖像獲取技術(shù)

基于圖像識(shí)別技術(shù)的高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別能夠?qū)崿F(xiàn)的前提是獲取連續(xù)穩(wěn)定清晰的圖像。由于高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)用環(huán)境為野外，動(dòng)車(chē)組處于高速運(yùn)行狀態(tài)，制約清晰圖片獲取的因素主要包括以下方面：一是動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行，由于動(dòng)車(chē)組高速通過(guò)測(cè)點(diǎn)位置，使系統(tǒng)獲取圖片的時(shí)間很短，傳統(tǒng)相機(jī)基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)；二是光線的干擾，陰雨天氣、白天黑夜、日出日落等導(dǎo)致光線不均勻，不同時(shí)段圖像的明暗差別過(guò)大。上述因素都將嚴(yán)重影響獲取穩(wěn)定清晰的圖片。

為了解決高速工況下獲取問(wèn)題，應(yīng)采用高像素、低延遲的相機(jī)。目前，市場(chǎng)上的相機(jī)主要分為面陣相機(jī)和線陣相機(jī)兩類(lèi)，兩者都可以實(shí)現(xiàn)上述要求。但是，由于高速動(dòng)車(chē)組速度高，要求相機(jī)曝光時(shí)間短，需光亮量大，從而導(dǎo)致用電量也大；而線陣相機(jī)對(duì)單行進(jìn)行掃描，其光亮需求比面陣相機(jī)小，更適合野外供電量受限的工況下使用。

為了解決光線的干擾，可通過(guò)在相機(jī)鏡頭前加“濾光片+補(bǔ)光光源”的方式實(shí)現(xiàn)。濾光片的作用是過(guò)濾自然光的干擾，從而使任何時(shí)間點(diǎn)的圖像光線均勻，不會(huì)圖像明暗不均、光斑或畸變等。補(bǔ)光光源，由于其穩(wěn)定的光亮度，使任何時(shí)間點(diǎn)獲得的圖像基本一致，為車(chē)號(hào)的自動(dòng)識(shí)別提供了穩(wěn)定的圖像；同時(shí)，夜間和陰雨天也能正常獲取圖像，增加了系統(tǒng)應(yīng)用效率。

2.2 自動(dòng)觸發(fā)技術(shù)

自動(dòng)觸發(fā)是實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)識(shí)別的關(guān)鍵因素之一。為保障設(shè)備能夠準(zhǔn)確自動(dòng)觸發(fā)，觸發(fā)信號(hào)的選擇尤為重要。理論上，有3種方式可以獲得列車(chē)車(chē)速和觸發(fā)信號(hào)：在鋼軌上安裝磁鋼、利用通過(guò)列車(chē)噪聲振動(dòng)信號(hào)和在線路外側(cè)安裝非接觸式光學(xué)傳感器。3種不同觸發(fā)方式的優(yōu)缺點(diǎn)如下。

（1）磁鋼觸發(fā)。此方案的優(yōu)點(diǎn)是傳感器價(jià)格便宜、安裝簡(jiǎn)單、觸發(fā)和測(cè)速精確；缺點(diǎn)是被測(cè)高速鐵路線路是運(yùn)營(yíng)線路，在鋼軌或軌道板等位置安裝觸發(fā)傳感器存在安全隱患，實(shí)現(xiàn)難度較大。

（2）噪聲觸發(fā)。此方案的優(yōu)點(diǎn)是利用噪聲傳感器，無(wú)需額外的觸發(fā)傳感器；缺點(diǎn)是環(huán)境干擾大，容易造成誤觸發(fā)且無(wú)法測(cè)速，無(wú)法精確定位車(chē)頭位置。

（3）激光觸發(fā)。此方案的優(yōu)點(diǎn)是能夠精確觸發(fā)，同時(shí)傳感器可安裝在距離近側(cè)線路中心線10 m以上的位置，消除了安全隱患，實(shí)施困難較小，并且可以利用其信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)速；缺點(diǎn)是傳感器價(jià)格較貴、安裝調(diào)試復(fù)雜。

基于以上各因素綜合考慮，采用受環(huán)境干擾少、觸發(fā)準(zhǔn)確率高的激光傳感器作為信號(hào)觸發(fā)傳感器。當(dāng)動(dòng)車(chē)組通過(guò)時(shí)，激光傳感器接收到I/O信號(hào)，并將I/O信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸給整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車(chē)組自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的觸發(fā)，并同步進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的分析。目前，我國(guó)動(dòng)車(chē)組最高運(yùn)營(yíng)速度達(dá)到350 km/h，規(guī)劃中有400 km/h的線路，因而在激光傳感器選擇時(shí)，應(yīng)選用高精度、高靈敏度的中遠(yuǎn)距離激光傳感器，其輸出時(shí)間不得大于10 ms，在配合其他系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，其精度需求可能更高。

2.3 圖像識(shí)別技術(shù)

因動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)特征較單一，車(chē)號(hào)識(shí)別主要采用傳統(tǒng)的OCR方法，包括圖像預(yù)處理、車(chē)號(hào)區(qū)域確定、字符分割和字符識(shí)別等步驟。圖像預(yù)處理是為了獲得質(zhì)量更好的圖像，包括圖像灰度變換、圖像去噪、圖像增強(qiáng)。車(chē)號(hào)區(qū)域確定是將圖像中含有車(chē)號(hào)的區(qū)域從整幅圖像中提取出來(lái)，在車(chē)號(hào)識(shí)別中非常重要，區(qū)域內(nèi)應(yīng)包含完整的車(chē)號(hào)字符信息，同時(shí)不受其他非字符區(qū)域的影響。字符分割是基于圖像二值化技術(shù)，將每個(gè)字符分割以利于之后的圖像識(shí)別，包括基于顏色的分割、基于特征的分割和基于模板的分割等方法。字符識(shí)別是指識(shí)別分割后的單個(gè)字符，同時(shí)按照原來(lái)順序重新組合，形成完整的動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)。

3 高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用

為了驗(yàn)證高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的有效性，在關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以單獨(dú)使用，也可以嵌入其他應(yīng)用系統(tǒng)，如高速鐵路噪聲振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或5T系統(tǒng)等，為其他系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供通過(guò)列車(chē)車(chē)號(hào)信息。

3.1 系統(tǒng)組成

高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊(濾光片、相機(jī)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成)、信號(hào)觸發(fā)模塊、補(bǔ)光光源模塊、數(shù)據(jù)綜合分析模塊和供電模塊等組成。

數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備、線陣相機(jī)和濾光片，線陣相機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備與數(shù)據(jù)綜合分析模塊連接；數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過(guò)線陣相機(jī)采集原始圖像數(shù)據(jù)，并將原始圖像數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)綜合分析模塊的硬盤(pán)中；濾光片位于相機(jī)鏡頭前方，過(guò)濾普通日光。

信號(hào)觸發(fā)模塊包括1個(gè)激光觸發(fā)器，激光觸發(fā)器安裝在線路外側(cè)的支架上，通過(guò)信號(hào)線與相機(jī)、補(bǔ)光光源模塊連接；以激光作為補(bǔ)光光源，列車(chē)通過(guò)時(shí)開(kāi)始工作，通過(guò)后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，其主要作用為相機(jī)拍照進(jìn)行補(bǔ)光。

供電模塊為蓄電池、太陽(yáng)能電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)或市電。

數(shù)據(jù)綜合分析模塊內(nèi)置數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)軟件，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行OCR分析，得到通過(guò)列車(chē)的時(shí)刻、車(chē)組號(hào)碼，并存儲(chǔ)于硬盤(pán)中。

高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

3.2 拓展應(yīng)用

在高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中[14]，需要準(zhǔn)確掌握每一列通過(guò)動(dòng)車(chē)組的列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲并與列車(chē)車(chē)號(hào)匹配，因而在高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，嵌入了高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。在系統(tǒng)應(yīng)用中，采用了2K線陣掃描相機(jī)和激光補(bǔ)光光源作為圖像采集設(shè)備。基于我國(guó)高速列車(chē)的實(shí)際車(chē)速為200～350 km/h，主要對(duì)線陣相機(jī)的行頻和曝光時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：行頻為23 000 Hz，曝光時(shí)間12μs。該系統(tǒng)應(yīng)用如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)在獲取動(dòng)車(chē)組圖像數(shù)據(jù)后，使用光學(xué)字符識(shí)別(OCR)算法，提取前端配置后的自定義興趣區(qū)域(Region of Interest，ROI)區(qū)域，以及預(yù)先設(shè)定好的現(xiàn)場(chǎng)字庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)，集成OCR+ROI技術(shù)快速對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，獲得通過(guò)動(dòng)車(chē)組的車(chē)號(hào)。圖3為該系統(tǒng)的車(chē)號(hào)識(shí)別界面，當(dāng)動(dòng)車(chē)組通過(guò)后，右側(cè)顯示有動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)的圖像，左側(cè)顯示實(shí)時(shí)顯示該動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)。

圖3 車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別界面

4 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用環(huán)境研究了高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)并在高速鐵路噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中開(kāi)展了應(yīng)用，方案通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及運(yùn)行考核，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)實(shí)時(shí)在線獲取，滿足了高速鐵路噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)車(chē)組信息的需求，提高了高速鐵路噪聲監(jiān)測(cè)效率，豐富了高速鐵路噪聲應(yīng)用的場(chǎng)景。同時(shí)，高速動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)也可以應(yīng)用于動(dòng)車(chē)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和動(dòng)車(chē)組運(yùn)維工作，以提高動(dòng)車(chē)組的運(yùn)輸組織效率。