轉轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)研究*

張藝凡，程一飛，陳紅霞

（南京鐵道職業(yè)技術學院 通信信號學院，江蘇 南京210031）

截止2020年底，我國鐵路營業(yè)里程已突破14萬公里，其中高速鐵路營業(yè)里程已達到3.79萬公里。近年來，我國高速鐵路的快速發(fā)展，行車密度不斷提高，為了確保行車安全，對道岔的使用質量和工作狀態(tài)的穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。道岔轉換設備長期處在自然環(huán)境中，風吹日曬且承受著列車不同幅度的碾壓振動、道床爬行等影響，據(jù)不完全統(tǒng)計，道岔轉換設備故障率占信號設備故障的40%以上。同時，隨著新高速干線的不斷開通及逐步實現(xiàn)信號“天窗修”，加大了缺口檢查與維修工作的矛盾，因此對道岔監(jiān)測系統(tǒng)的提高有極大需求，從而延長道岔使用壽命，保障列車行駛的安全。目前，國內市場上出現(xiàn)的大部分缺口監(jiān)測系統(tǒng)要么是機械觸電式的，要么是光電探測式的，由于轉轍機是室外設備，現(xiàn)場使用環(huán)境復雜，常出現(xiàn)誤報、漏報等問題，嚴重影響設備的正常使用，進而影響行車效率和安全。

本文將利用圖像處理技術對轉轍機缺口狀態(tài)進行監(jiān)測，結合傳感器和視頻技術分別實現(xiàn)監(jiān)測。將傳感器和視頻得到的兩種信息進行對比輸出，降低誤報率，在道岔轉換有故障趨勢或發(fā)生故障未對行車造成影響前發(fā)出警示消除隱患。除了可以對缺口進行監(jiān)測外，還可以對轉轍機內部實時溫度、濕度、狀態(tài)等常規(guī)的信息實時進行監(jiān)測，適應高低溫、雷電沖擊、電磁兼容等環(huán)境，同時使用成熟的圖像采集技術，記錄道岔工作狀態(tài)，具有回放功能。

1 轉轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)介紹

研究轉轍機監(jiān)測系統(tǒng)的目的是將傳感器技術、視頻處理技術和大數(shù)據(jù)處理等先進技術應用于各種類型轉轍機設備的故障監(jiān)測上。根據(jù)現(xiàn)有資料和現(xiàn)場經(jīng)驗總結，對設備特征參數(shù)形成標準依據(jù)，借助儀器設備的可靠性和精確性，利用大數(shù)據(jù)處理技術和傳感器采集數(shù)據(jù)進行分析，結合標準依據(jù)對設備進行故障監(jiān)測和預警，克服人工測量帶來的誤差，降低維修成本，大幅度提高轉轍機設備的可靠性，確保出現(xiàn)故障及時預警，保證列車的安全運行。

轉轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)的核心是處理分析各類傳感器采集到的轉轍機運行的各類參數(shù)，傳感器的質量直接影響監(jiān)測系統(tǒng)的性能。轉轍機缺口的監(jiān)測設備主要表現(xiàn)在電壓、電流、溫度、濕度、轉換力、運行視頻等，針對不同的指標國內研究人員已經(jīng)有了大量的研究，但是目前很難有一款能夠滿足在不同轉轍機內部采集有不同需要視頻參數(shù)的圖像采集設備，但是采集監(jiān)測區(qū)域的圖像參數(shù)是監(jiān)測系統(tǒng)的重要過程。

根據(jù)傳感器的安裝方式，通過傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要有兩種來源，分別是直接測量和間接測量，傳感器直接安裝在缺口處進行監(jiān)測稱為直接測量，這種方式測試精確但安裝復雜，測量數(shù)據(jù)直接反映被測間隙的大??；若直接測量設備的安裝有一定難度，且不同轉轍機缺口特點不同，用間接測量選擇合適的測量值，仔細調整基準位置，使測量間接值能夠準確反映轉轍機缺口間隙的大小。

2 目前轉轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題

2.1 光電監(jiān)測系統(tǒng)

光電缺口監(jiān)測系統(tǒng)的原理是利用感光器接收光信號，通過接收光信號量間接反映缺口間隙的大小，采集記錄道岔轉換過程、車通過時的震動視頻，還要記錄并存儲轉轍機缺口值、振動強度和溫度、濕度等數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)生成監(jiān)測曲線，反映轉轍機缺口狀態(tài)的變化過程。光電缺口監(jiān)測系統(tǒng)安裝簡單，不需要對轉轍機進行改造，也不需要鋪設新的電纜，精確度也比較高，但是采集器容易出現(xiàn)故障，如通訊故障，接觸不良，且由于轉轍機振動導致采集器、感光器和相關線路發(fā)生故障導致無視頻監(jiān)測信號。

2.2 機械觸點式監(jiān)測系統(tǒng)

機械觸點式轉轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)的原理是通過表示桿的缺口和檢查柱之間的距離來判斷缺口大小的，當轉轍機在正常的工作狀態(tài)時，表示桿缺口邊緣與檢查柱距離大于定值，為斷開狀態(tài)；當表示桿缺口邊緣與檢查柱距離小于定值，開關閉合，給出報警。機械觸點式監(jiān)測系統(tǒng)容易受到振動、雨水滲透、機械生銹失靈等影響，出現(xiàn)誤報漏報現(xiàn)象。

當前轉轍機監(jiān)測系統(tǒng)存在的主要問題是缺口監(jiān)測系統(tǒng)無法精確計算轉轍機運行中缺口值的變化情況，只能對轉轍機運行狀態(tài)進行定性分析，不能定量分析，且大部分都是觸點式監(jiān)測系統(tǒng)，不同的傳感器針對不同的轉轍機，開發(fā)成本高、系統(tǒng)升級難度大。雖然目前普遍使用攝像頭監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)隱患，但是安裝成本高維護復雜，故障多發(fā)，且國內少部分新建線路的轉轍機安裝有道岔缺口監(jiān)測系統(tǒng)，具有局限性，需要對當前監(jiān)測方式升級，相關文獻表明很多專家提出了基于視頻的監(jiān)測方法，本文針對基于圖像處理的監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究，優(yōu)點如下：

（1）基于圖像處理監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器采集的數(shù)據(jù)為數(shù)字圖像，經(jīng)過圖像處理分析能夠形成缺口值的變化曲線。

（2）除了能夠形成缺口值的變化曲線，還可以監(jiān)測轉轍機內部環(huán)境，如測量溫濕度，轉化力等信息。

（3）傳感器采集的數(shù)據(jù)，視頻可以存儲在數(shù)據(jù)庫中，具有回放功能，通過數(shù)字圖像的處理分析對道岔狀態(tài)進行預判。

（4）缺口監(jiān)測值的精確度極高，避免光線、轉轍機振動對鏡頭的影響，使圖像更清晰，識別度更高，同時改善了通訊中斷，監(jiān)測系統(tǒng)停止工作導致監(jiān)測空缺的現(xiàn)象。

（5）基于圖像處理監(jiān)測系統(tǒng)抗干擾性強，靈活性高的特點，能夠適應高低溫，雷電沖擊等環(huán)境。

3 基于圖像處理的轉轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)總體結構

基于圖像處理的轉轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)由圖像采集單元、圖像處理單元、CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡和室內服務器上的監(jiān)測系統(tǒng)組成。圖像采集單元采集轉轍機的缺口狀態(tài)將數(shù)據(jù)發(fā)送到圖像處理單元，圖像處理單元對收到的圖像數(shù)據(jù)進行處理分析，確定缺口的位置信息并計算缺口值，最后對監(jiān)測到的相關數(shù)據(jù)通過CAN總線傳給服務器。室內服務器上的監(jiān)測系統(tǒng)將完成傳遞的數(shù)據(jù)分類入庫，并提供人機交互系統(tǒng)的接口，使工作人員實時監(jiān)測轉轍機運行狀況和歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

現(xiàn)場監(jiān)測箱由供電單元和通信單元組成，完成圖像處理器的供電傳輸，與車站分機完成信息交互。車站分機由防雷供電設備、服務器（上位機）監(jiān)測系統(tǒng)工控機組成，通過信號集中監(jiān)測界面顯示轉轍機狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)原理

圖像采集單元采集轉轍機內監(jiān)測區(qū)域的圖像，按照所需的視頻格式發(fā)送到圖像處理單元，圖像處理單元對接收到的圖像數(shù)據(jù)進行處理分析，然后利用數(shù)字圖像處理方法對轉轍機缺口進行邊緣歸一化處理，得到監(jiān)測區(qū)域圖像的缺口值，根據(jù)這一缺口值的大小，確定上傳法案。當缺口值在標準范圍內時，只需上傳缺口值；當缺口值不在標準范圍內而在預警值內時，需要上傳缺口值與對應的視頻；當缺口值超出預警值時，立即報警，需要上傳對應時間段的缺口值和視頻。為了以防萬一，出現(xiàn)道岔轉換不到位，但是缺口值在標準范圍內的情況，雖然該異常情況較少，至傳送缺口值數(shù)據(jù)較少，道岔問題不能及時發(fā)現(xiàn)，因此，不管缺口值是否正常，都需要周期性巡檢上傳缺口值及對應的視頻，對轉轍機的運行狀態(tài)進行采樣。

服務器監(jiān)測系統(tǒng)接收圖像處理單元處理分析后的圖像數(shù)據(jù)，并分類入庫，便于工作人員直接查詢調用某轉轍機運行狀態(tài)，實時監(jiān)測和歷史信息查詢。同時，監(jiān)測系統(tǒng)可以控制圖像處理單元的運行，協(xié)調數(shù)據(jù)上傳，減少冗余信息的傳輸，避免傳輸通道堵塞。

本系統(tǒng)圖像采集、處理單元和服務器監(jiān)測系統(tǒng)的功能互補，圖像采集處理單元準確定位缺口邊緣，確定缺口值，將圖像數(shù)據(jù)周期性上傳，精準可靠，而服務器監(jiān)測系統(tǒng)將收到的數(shù)據(jù)分類存儲，并控制圖像處理單元的運行，實時查詢視頻及數(shù)據(jù)，方便快捷。系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

4 基于圖像處理的轉轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

4.1 采集模塊

圖像采集模塊主要由微型攝像機、電源接口、傳輸接口圖采集單元組成，微型攝像機采用CCD圖像傳感器，是一種可以將光學影像轉化為數(shù)字信號的轉換器。要想精確地找到缺口邊緣的位置信息，需要通過位置檢測傳感器實現(xiàn)，比如光電式、電容式、傳統(tǒng)感應式的位置傳感器或者電位計等。電位計成本低、精度高，但是易損耗、耐振動性差，不適合溫差大的環(huán)境；光電式傳感器俗稱編碼器，易受油污煙塵等外來物影響，造成測量有誤；電容式傳感器雖然結構簡單，低功耗，但對溫濕度和安裝公差要求較高，不適用監(jiān)測轉轍機內部狀態(tài)；對于傳統(tǒng)感應式位置傳感器雖使用廣泛，精度高，適合苛刻環(huán)境，但體積大承辦高，因此選擇CCD圖像傳感器，與傳統(tǒng)運用的圖像處理系統(tǒng)相比，更注重速度和精度，具有時效性，體積小，重量輕，不受電磁干擾，具有抗震性。

4.2 圖像處理單元

圖像處理單元采用成熟、專業(yè)的達芬奇TMS320DM3 65視頻處理器完成壓縮、解碼、傳輸通信，它是典型的嵌入式處理器，具有多種編解碼功能，可以提供多高清通道功能，可實現(xiàn)音頻、語音以及其他高清視頻信息處理，具有更高的靈活性與更低的設計復雜性。由于列車碾壓軌道線路、轉轍機轉換動作引起的振動和油污塵土的污染造成圖像邊緣模糊，出現(xiàn)誤測。因此，首先運用去模糊化、直方圖均衡化處理圖像，然后對處理完的圖像進行邊緣檢測，確定邊緣位置并歸一化計算缺口值。

4.3 通信網(wǎng)絡

CAN總線網(wǎng)絡是ISO國際化標準的串行通信協(xié)議，能夠實現(xiàn)分布式實時控制，完成多個缺口通信處理單元信息的傳輸與服務器監(jiān)測系統(tǒng)的信息交換。CAN現(xiàn)場總線上的節(jié)點按照協(xié)議規(guī)定的幀格式設置好后，就可以發(fā)送信息，網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點都可以向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，并且節(jié)點無需另外配置地址等信息。該方法使用方法靈活，如線路上新增的轉轍機缺口檢測系統(tǒng)可以直接在CAN總線上掛載不需另外配置網(wǎng)絡。

4.4 服務器監(jiān)測系統(tǒng)

服務器監(jiān)測系統(tǒng)將完成傳遞的數(shù)據(jù)分類入庫，并提供人機交互系統(tǒng)的接口，記錄每個轉轍機的運行信息，使工作人員實時監(jiān)測轉轍機運行狀況，轉轍機的歷史數(shù)據(jù)工作人員也可以隨時利用日期進行查詢，另外監(jiān)測系統(tǒng)對圖像處理單元的運行進行控制，協(xié)調數(shù)據(jù)上傳，統(tǒng)計轉轍機缺口值，方便工作人員宏觀掌握轉轍機運行狀態(tài)。服務器監(jiān)測系統(tǒng)使用B/S架構，相較于C/S架構，其共享性強靈活性高，隨時隨地查詢信息，數(shù)據(jù)可以永遠存儲在服務器中不會丟失，而且只需要對服務器端進行維護和升級，系統(tǒng)即可同步更新。

5 結束語

本文分析了目前轉轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)缺點，結合其優(yōu)點克服其缺陷，提出了基于圖像處理技術的轉轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能精確計算缺口值，還可以對轉轍機內部的溫濕度、狀態(tài)等常規(guī)地信息實時進行監(jiān)測，同時具有回放的功能，實現(xiàn)缺口的智能檢測監(jiān)測，對于同類鐵路基礎設備狀態(tài)的智能檢測與評價具有重要的參考價值。