应用图像数据分析技术实现道岔转辙机运行状态远程监测

夏志梁

(中国铁路上海局集团有限公司上海电务段信号技术科，200434，上海∥工程师)

0 引言

道岔转辙机作为铁路信号联锁设备的重要组成设备，其运行工作状况直接影响到行车安全。运用道岔缺口监测技术，通过采集转辙机内表示杆缺口图像及转辙机内部温湿度等运行数据，分析转辙机运行状态及趋势变化，实现对道岔转辙机的远程监测，及时分析掌握转辙机运行状态，发现消除转辙机的故障隐患，切实提升铁路信号维护部门的专业维护水平。

电动转辙机表示杆缺口偏移监测技术是铁路安全运行的急切需求。道岔转辙机经常因表示杆缺口间隙偏移、检查柱受阻，导致接点无法闭合，产生断表示(俗称“卡缺口”)故障，影响列车运行次序。目前,原有缺口监测系统都不同程度地存在测量精度低、误报警率高、无现场调整指示、安装施工困难、监测设备自身维护复杂等问题。现场转辙机表示缺口的维修调整仍以传统手工调整、肉眼测量的方式为主,这种方式偏差大，对信号工技能要求高，检修作业时间长，影响维修工作效率。如何在较短的维修天窗时间内，简化调整维护工作、缩短作业时间、提高维护效率成为急需解决的课题。

中国铁路总公司运输局颁发的《道岔缺口监测系统技术规范》，明确了缺口监测的系统配置、基本功能、技术要求、使用条件，为道岔缺口监测技术的科学发展和运用指明了方向。道岔缺口监测系统为转辙机设备状态修提供科学的基础数据，是道岔维护管理工作的重要手段。通过电动转辙机表示杆缺口偏移数值的监测，转辙机内环境的监测，转辙机电机运行电压、电流、功率的监测，转辙机动作次数的统计，列车通过道岔区段缺口监测数据动、静态识别等综合分析判别功能，实现科学有效的转辙机智能综合监测。

1 转辙机智能综合监测系统

转辙机智能综合监测系统主要由缺口监测系统主机、通信控制主机、采集分机、传感器、电源设备等组成，该系统分别由室内、外设备组成，如图1所示。

1.1 转辙机表示缺口图像及数据的采集

安装于转辙机内的采集分机内设有缺口监测数据处理控制器，控制所连接的缺口监测图像传感器、转辙机箱内环境监测传感器、转辙机电机运行监测传感器，实现转辙机操动、表示杆缺口图像的拍摄、转辙机工作环境及位置的监测。获取的图像及数据经处理后由通信模块调制载波加载于信号控制电缆与室内通信控制主机进行组网通信。为适应现场夜间天窗施工、日常道岔缺口调整维护的需求，缺口监测采集分机设有LED(发光二极管)监测数据显示窗，可实时显示道岔缺口监测数值、道岔缺口偏移方向、温湿度数值、采集分机运行状态等监测数据，及时为现场维修作业提供帮助。

图1 转辙机智能综合监测系统室内外设备组成图

采集分机搭载振动加速度传感器，感知列车通过道岔的振动幅值，通过计算机判别得出列车通过道岔区段的时间段，分别获取转辙机动态、静态缺口监测数据，经筛选分别给出显示，避免因列车挤晃转辙机表示杆缺口形成超限数据，造成缺口监测数据误报警。

启动实时动态缺口监测功能，提供实时列车通过道岔的动态缺口监测图像、偏移数值，同步侦测记录振动加速度值，用于帮助分析辙岔区段转辙机设备运行是否正常。

1.2道岔缺口监测系统

车站信号机械室内设置道岔缺口监测专用控制机柜，柜内设备由缺口监测系统工控计算机(主机)、人机交互显示界面、通信控制主机、电源配电箱等部分组成。

通信控制主机的背板上设置有多个视频信号中继接入通道，根据每个车站信号控制电缆的走向及道岔转辙机的连接数量配置视频信号中继器的数量，完成视频及图像信息的通信，无需在室外额外增加箱盒安装，额外增加连接箱盒的供电分支电缆，优化了系统的施工安装，实现了道岔缺口图像、监测数据的远程高速传输。道岔缺口监测系统主机采用目前国内主流配置的研华系列工控计算机，安装有转辙机智能综合监测系统分析显示软件和人机交互操作界面。

2 道岔缺口监测图像数据分析

根据技术规范，道岔缺口间隙监测需满足精度±0.1 mm的监测要求，每幅数字图像每英寸像素数(PPI)沿表示杆方向应当≥254个像素点，即每个像素点≤0.1 mm的分辨率；同时，为满足在普通信号电缆线进行视频信息的通信传输，每幅数字图像的容量不能超过60 KB。为实现以上技术要求，可供道岔缺口监测选用的有多种技术分类的图像传感器，经过现场使用情况比对分析，确定选用具有“机器视觉技术”功能的CMOS感光传感器解决缺口偏移测量需要低照度、高精度的拍摄要求。机器视觉就是采用图像传感器代替人眼来做测量和判断。图像传感器根据转辙机智能综合监测系统主机的控制指令获取转辙机的操动时序信息。缺口监测的拍摄目标位于转辙机密闭空间内，需先完成对拍摄目标进行补光等操作后，才启动拍摄程序。被摄取的转辙机缺口图像信号，传送给专用的图像处理系统；得到被摄目标的形态信息后，根据像素分布、亮度、颜色等信息，将其转变成数字信息；通过转辙机内的缺口监测采集分机的通信传输模块，加载到信号控制电缆上，完成与车站信号机械室内缺口监测专用机柜内的通信控制主机的通信；通信控制主机对图像、数据信息解调后送交缺口监测系统计算机，解读分析软件对这些图像数字信号进行各种运算来抽取目标的特征及位移数值，进而根据判别的结果来给出转辙机表示杆缺口间隙的图像、数值、偏移方向，并根据时间坐标描绘该台转辙机在监测周期内表示杆缺口数据变化的曲线。当监测数据超出预、报警数值时，则自动根据转辙机缺口所处的位置(定位或反位)给出预、报警显示，提醒信号人员及时进行处置。如对缺口监测数值存有疑惑，可选用实时道岔转辙机缺口监测功能，通过点击站场平面图上需要重新监测确认的道岔，即可实时获取该道岔的缺口监测图像、数值。

为方便现场维修人员对转辙机运用周期内图像、数据的分析，判定转辙机缺口间隙的运用状况，道岔缺口监测系统所有监测图像、数据的保存时间不少于3个月，预、报警的图像和数据保存不少于1年，根据分析监控时段内道岔表示杆缺口数值变化的趋势，提前制定切实可行的维修计划。同时所有监测图像及数据均可导出至移动存储设备，便于专业人员进行异地协助分析解读。

3 转辙机远程监测

目前，车站信号设备均已配置信号集中监测系统并专网连接，实现段、车间、工区三级联网。中国铁路总公司315号文件技术规范明确规定：“缺口监测是信号集中监测系统的子系统。缺口监测与信号集中监测系统原则上采用RJ45物理接口，并采用TCP/IP通信协议，将处理过的图像、数据、报警等信息上传至信号集中监测系统。”道岔缺口监测按技术规范要求接入信号集中监测网络，信号维修人员不仅可以通过信号机械室的道岔转辙机缺口监测系统实现对本站的道岔转辙机运行状态的全程监测，还可以通过信号集中监测系统的网络各终端远程查看管内各站道岔转辙机缺口图像、数据、机箱环境，以及转辙机运行状态、变化趋势等基础数据。

下一步，计划将通过对道岔缺口监测获取的大量转辙机运行数据纳入道岔综合监测系统数据库，引入人工智能分析及专家诊断系统对监测大数据进行分析，对各类运行趋势变化曲线进行判别，逐步实现道岔故障应急诊断和健康度预测评估。此项功能实现主要基于研发大数据分析处理软件运行模块，待软件运行成熟后，可嵌入到道岔转辙机智能缺口监测系统中运行，实现系统自动输出设备预防性维修指导建议，提高道岔转辙机运维水平。