一種脫掛索道安全運(yùn)行保護(hù)系統(tǒng)

賈睿璽 段 琰 鄭 泓

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

0 引言

脫掛索道是客運(yùn)索道的一種，因其自動(dòng)化水平較高、運(yùn)量大、上下車(chē)便捷、快速等優(yōu)點(diǎn)而廣泛被市場(chǎng)青睞，是目前公認(rèn)的主流索道。該索道通過(guò)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(qū)動(dòng)輪和迂回輪之間的封閉鋼絲繩上，鋼絲繩以固定速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

索道運(yùn)行期間，當(dāng)?shù)鯉M(jìn)站時(shí)，脫掛抱索器的脫壓輪通過(guò)站內(nèi)脫開(kāi)裝置，抱索器打開(kāi)，使抱索器與鋼絲繩分離，抱索器通過(guò)行走輪沿站內(nèi)軌道運(yùn)行；當(dāng)?shù)鯉稣緯r(shí)，脫掛抱索器的脫壓輪通過(guò)站內(nèi)掛結(jié)裝置，抱索器與鋼絲繩咬合，抱索器隨鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣即可實(shí)現(xiàn)吊廂在站內(nèi)低速、在線路上高速的循環(huán)往復(fù)運(yùn)行，圖1所示為脫掛抱索器實(shí)物圖。

圖1 脫掛抱索器實(shí)物圖

在脫掛抱索器進(jìn)行脫開(kāi)和掛結(jié)的過(guò)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(yùn)行，造成安全事故。為了保證脫掛抱索器的位置準(zhǔn)確，達(dá)到脫開(kāi)到位和掛結(jié)到位的效果，脫掛索道通常在站內(nèi)抱索器運(yùn)動(dòng)路徑上安裝了多個(gè)限位開(kāi)關(guān)，一旦抱索器位置異常，便會(huì)觸碰就近的限位開(kāi)關(guān)，索道立即停止運(yùn)行。如果限位開(kāi)關(guān)由于自身內(nèi)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(kāi)關(guān)，也無(wú)法使索道停止運(yùn)行，索道安全事故依然存在，故單一的限位開(kāi)關(guān)不能完全消除脫掛抱索器在站內(nèi)位置異常而造成的安全隱患。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析，縱觀近年來(lái)所發(fā)生的安全生產(chǎn)事故，雖然限位開(kāi)關(guān)內(nèi)部接觸不良是小概率事件，但是許多事故發(fā)生概率往往落在小概率區(qū)間內(nèi)，小概率事件不可被忽略。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于圖像處理技術(shù)的脫掛索道安全運(yùn)行保護(hù)系統(tǒng)，聯(lián)合限位開(kāi)關(guān)的檢測(cè)能力，以期為脫掛索道安全運(yùn)行提供雙重保障。

1 安全保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為安全保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)主要由限位開(kāi)關(guān)、攝像頭、錄像機(jī)、PC控制中心、上位機(jī)、PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成，其中PLC控制系統(tǒng)主要包括制動(dòng)系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)。

圖2 安全保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

POE攝像頭不需要每個(gè)電源模塊單獨(dú)供電，而是通過(guò)POE網(wǎng)線與多路NVR錄像機(jī)連接，基于以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)架構(gòu)，在保證網(wǎng)絡(luò)攝像頭數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸同時(shí)，還能由NVR錄像機(jī)為攝像頭統(tǒng)一提供直流電源，安全性、防雷性、節(jié)能性較好；方便快捷，省去了電纜布線的工作量。

每一個(gè)POE攝像頭對(duì)應(yīng)1個(gè)限位開(kāi)關(guān)，在POE攝像頭固定好并取得合適的場(chǎng)景之后，NVR錄像機(jī)將攝像頭獲取的影像進(jìn)行存儲(chǔ)，攝像頭需具備以下特性：

1)抗振性強(qiáng) 脫掛索道在高速或低速運(yùn)行時(shí)，站內(nèi)設(shè)備、檢測(cè)開(kāi)關(guān)容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，故攝像頭需具備較強(qiáng)的抗振性，消除振動(dòng)帶來(lái)的干擾。

2)靈敏度高 雖然多數(shù)形位開(kāi)關(guān)體積較大，易于捕捉，但是對(duì)于形位開(kāi)關(guān)位置微小的變化要求攝像頭能夠在一定程度上對(duì)此變化進(jìn)行有效、清晰地識(shí)別。

在索道運(yùn)行過(guò)程中，PC控制中心讀取NVR錄像機(jī)中各個(gè)POE攝像頭的影像信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)限位開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)。PC控制中心通過(guò)上位機(jī)與PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。如果有1個(gè)限位開(kāi)關(guān)位置異常，上位機(jī)受控于PC控制中心，向PLC控制系統(tǒng)發(fā)出限位開(kāi)關(guān)位置異常指令信息，PLC控制系統(tǒng)接收到上位機(jī)傳來(lái)的信息后，立即觸發(fā)索道制動(dòng)系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)控制索道高速閘、低速閘依次落下，索道根據(jù)制動(dòng)曲線逐漸停止運(yùn)行；報(bào)警系統(tǒng)控制報(bào)警裝置向索道相關(guān)人員發(fā)出報(bào)警提示；人機(jī)交互系統(tǒng)顯示具體報(bào)警信息和索道實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，例如運(yùn)行電流、運(yùn)行速度、制動(dòng)時(shí)間、設(shè)備運(yùn)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(jī)中獲取限位開(kāi)關(guān)圖像后，圖像處理流程如圖3所示，包括限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)、圖像鎖定、圖像特征處理、圖像后期處理、限位開(kāi)關(guān)跟隨、限位開(kāi)關(guān)感知預(yù)警6步，其中，限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)、圖像鎖定、圖像特征處理、圖像后期處理歸類(lèi)為靜態(tài)檢測(cè)，限位開(kāi)關(guān)跟隨和限位開(kāi)關(guān)感知預(yù)警歸類(lèi)為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖3 限位開(kāi)關(guān)圖像處理流程圖

1）限位開(kāi)關(guān)檢測(cè) 提取攝像頭采集的圖像，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，去除圖像中無(wú)關(guān)信息，通過(guò)降維等操作簡(jiǎn)化信息所攜帶的數(shù)據(jù)，最大限度增強(qiáng)相關(guān)信息的實(shí)用性，包括圖像去噪、圖像增強(qiáng)、色彩空間轉(zhuǎn)換。為了提高運(yùn)算速度，節(jié)約存儲(chǔ)空間，灰度化是圖像預(yù)處理中關(guān)鍵步驟，即將彩色圖像轉(zhuǎn)為黑白圖像，灰度圖像是色彩圖像的一種表現(xiàn)形式。彩色圖像每個(gè)像素點(diǎn)顏色由R、G、B 3個(gè)變量決定，每個(gè)變量的范圍為0～255，1個(gè)像素點(diǎn)顏色變化就有2 563種；而灰度圖像1個(gè)像素點(diǎn)變化范圍只有256種。灰度化處理方法一般有分量發(fā)、最大值法、平均值法和加權(quán)平均法。

2）圖像鎖定 在預(yù)處理后的圖像中確定1個(gè)窗口，該窗口可滑動(dòng)，鎖定窗口內(nèi)部的部分子圖像，作為圖像候選區(qū)。

3）圖像特征處理 將圖像轉(zhuǎn)為PC控制中心可識(shí)別的信息，從圖像中提取非圖像描述，例如符號(hào)、向量、數(shù)值等，使圖像信息具有真正意義的視覺(jué)載體。在鎖定的圖像候選區(qū)中提取特征向量，然后選取特定的向量并降低向量維數(shù)，最后利用分類(lèi)器將特征進(jìn)行分類(lèi)，使得候選區(qū)包含檢測(cè)目標(biāo)。

4）圖像后期處理 將同一類(lèi)別的相交候選區(qū)進(jìn)行合并，計(jì)算出檢測(cè)目標(biāo)的邊界框，完成靜態(tài)檢測(cè)階段任務(wù)。

5）限位開(kāi)關(guān)跟隨 靜態(tài)檢測(cè)階段任務(wù)完成之后，PC控制中心便得到了每個(gè)限位開(kāi)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)圖像，不斷地與對(duì)應(yīng)的POE攝像頭實(shí)時(shí)獲取的圖像進(jìn)行對(duì)比。

6）限位開(kāi)關(guān)感知預(yù)警 如果某一個(gè)限位開(kāi)關(guān)實(shí)時(shí)圖像與其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖像相比有變化，則PC控制中心向上位機(jī)發(fā)出異常報(bào)警指令。

3 研究?jī)?nèi)容

1)圖像檢測(cè) 建立標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)簽，限位開(kāi)關(guān)與抱索器接觸的觸點(diǎn)體型較小，其位置一般在三維空間中X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)浮動(dòng)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(wú)法建立標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)。如圖4所示，為了能使抱索器在位置異常時(shí)與限位開(kāi)關(guān)有效接觸，脫掛索道一般在二者之間設(shè)計(jì)了規(guī)則的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)抱索器與限位開(kāi)關(guān)充分的一一對(duì)應(yīng)接觸。因此，攝像頭監(jiān)測(cè)該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作變化，即間接完成了對(duì)限位開(kāi)動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作的監(jiān)測(cè)。

圖4 限位開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

2)圖像跟隨 索道在運(yùn)行過(guò)程中，抱索器位置異常后，限位開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)有動(dòng)作變化，安全運(yùn)行保護(hù)裝置需與所建立的標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，快速識(shí)別并將異常信息發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)做出相應(yīng)報(bào)警響應(yīng)、制動(dòng)響應(yīng)。

3)與PLC控制系統(tǒng)對(duì)接標(biāo)準(zhǔn) 圖像處理一般在主機(jī)中處理完成后，處理結(jié)果以圖像形式展現(xiàn)；而PLC控制系統(tǒng)一般將模擬信號(hào)或數(shù)字量信號(hào)作為輸入信號(hào)。因此，需將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC控制系統(tǒng)可識(shí)別的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，建立有效的對(duì)接標(biāo)準(zhǔn)。

4)限位開(kāi)關(guān)三維視覺(jué)識(shí)別 二維圖像識(shí)別只能識(shí)別限位開(kāi)關(guān)在空間中的某個(gè)平面狀態(tài)，而實(shí)際情況中限位開(kāi)關(guān)動(dòng)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(kāi)關(guān)的準(zhǔn)確位置信息，需要通過(guò)三維視覺(jué)識(shí)別精準(zhǔn)定位限位開(kāi)關(guān)在空間中的精確位置，可有效避免開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作給索道造成的不必要的停車(chē)現(xiàn)象。

5)行走軌異物監(jiān)測(cè) 脫掛索道在運(yùn)行過(guò)程中，由于振動(dòng)、灰塵等客觀因素，索道長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之后，抱索器行走軌道可能會(huì)有異物出現(xiàn)，這些異物會(huì)造成抱索器脫軌，影響索道正常運(yùn)行。因此，通過(guò)視覺(jué)識(shí)別可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(guò)行走軌。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)安全是未來(lái)脫掛索道信息化、數(shù)字化、智能化發(fā)展的重要方向。本文論述的1種基于圖像處理技術(shù)的脫掛索道安全運(yùn)行保護(hù)系統(tǒng)，從機(jī)器視覺(jué)角度出發(fā)探索脫掛索道故障檢測(cè)與處理方法，以期為脫掛索道的安全運(yùn)行提供一定的借鑒。