转辙机缺口监测系统研究*

2021-08-23张艺凡程一飞陈红霞

科技创新与应用 2021年22期

张艺凡，程一飞，陈红霞

（南京铁道职业技术学院通信信号学院，江苏南京210031）

截止2020年底，我国铁路营业里程已突破14万公里，其中高速铁路营业里程已达到3.79万公里。近年来，我国高速铁路的快速发展，行车密度不断提高，为了确保行车安全，对道岔的使用质量和工作状态的稳定性提出了越来越高的要求。道岔转换设备长期处在自然环境中，风吹日晒且承受着列车不同幅度的碾压振动、道床爬行等影响，据不完全统计，道岔转换设备故障率占信号设备故障的40%以上。同时，随着新高速干线的不断开通及逐步实现信号“天窗修”，加大了缺口检查与维修工作的矛盾，因此对道岔监测系统的提高有极大需求，从而延长道岔使用寿命，保障列车行驶的安全。目前，国内市场上出现的大部分缺口监测系统要么是机械触电式的，要么是光电探测式的，由于转辙机是室外设备，现场使用环境复杂，常出现误报、漏报等问题，严重影响设备的正常使用，进而影响行车效率和安全。

本文将利用图像处理技术对转辙机缺口状态进行监测，结合传感器和视频技术分别实现监测。将传感器和视频得到的两种信息进行对比输出，降低误报率，在道岔转换有故障趋势或发生故障未对行车造成影响前发出警示消除隐患。除了可以对缺口进行监测外，还可以对转辙机内部实时温度、湿度、状态等常规的信息实时进行监测，适应高低温、雷电冲击、电磁兼容等环境，同时使用成熟的图像采集技术，记录道岔工作状态，具有回放功能。

1 转辙机缺口监测系统介绍

研究转辙机监测系统的目的是将传感器技术、视频处理技术和大数据处理等先进技术应用于各种类型转辙机设备的故障监测上。根据现有资料和现场经验总结，对设备特征参数形成标准依据，借助仪器设备的可靠性和精确性，利用大数据处理技术和传感器采集数据进行分析，结合标准依据对设备进行故障监测和预警，克服人工测量带来的误差，降低维修成本，大幅度提高转辙机设备的可靠性，确保出现故障及时预警，保证列车的安全运行。

转辙机缺口监测系统的核心是处理分析各类传感器采集到的转辙机运行的各类参数，传感器的质量直接影响监测系统的性能。转辙机缺口的监测设备主要表现在电压、电流、温度、湿度、转换力、运行视频等，针对不同的指标国内研究人员已经有了大量的研究，但是目前很难有一款能够满足在不同转辙机内部采集有不同需要视频参数的图像采集设备，但是采集监测区域的图像参数是监测系统的重要过程。

根据传感器的安装方式，通过传感器监测的数据主要有两种来源，分别是直接测量和间接测量，传感器直接安装在缺口处进行监测称为直接测量，这种方式测试精确但安装复杂，测量数据直接反映被测间隙的大小；若直接测量设备的安装有一定难度，且不同转辙机缺口特点不同，用间接测量选择合适的测量值，仔细调整基准位置，使测量间接值能够准确反映转辙机缺口间隙的大小。

2 目前转辙机缺口监测系统存在的问题

2.1 光电监测系统

光电缺口监测系统的原理是利用感光器接收光信号，通过接收光信号量间接反映缺口间隙的大小，采集记录道岔转换过程、车通过时的震动视频，还要记录并存储转辙机缺口值、振动强度和温度、湿度等数据，利用这些数据生成监测曲线，反映转辙机缺口状态的变化过程。光电缺口监测系统安装简单，不需要对转辙机进行改造，也不需要铺设新的电缆，精确度也比较高，但是采集器容易出现故障，如通讯故障，接触不良，且由于转辙机振动导致采集器、感光器和相关线路发生故障导致无视频监测信号。

2.2 机械触点式监测系统

机械触点式转辙机缺口监测系统的原理是通过表示杆的缺口和检查柱之间的距离来判断缺口大小的，当转辙机在正常的工作状态时，表示杆缺口边缘与检查柱距离大于定值，为断开状态；当表示杆缺口边缘与检查柱距离小于定值，开关闭合，给出报警。机械触点式监测系统容易受到振动、雨水渗透、机械生锈失灵等影响，出现误报漏报现象。

当前转辙机监测系统存在的主要问题是缺口监测系统无法精确计算转辙机运行中缺口值的变化情况，只能对转辙机运行状态进行定性分析，不能定量分析，且大部分都是触点式监测系统，不同的传感器针对不同的转辙机，开发成本高、系统升级难度大。虽然目前普遍使用摄像头监测，能够及时发现隐患，但是安装成本高维护复杂，故障多发，且国内少部分新建线路的转辙机安装有道岔缺口监测系统，具有局限性，需要对当前监测方式升级，相关文献表明很多专家提出了基于视频的监测方法，本文针对基于图像处理的监测系统进行了研究，优点如下：

（1）基于图像处理监测系统中传感器采集的数据为数字图像，经过图像处理分析能够形成缺口值的变化曲线。

（2）除了能够形成缺口值的变化曲线，还可以监测转辙机内部环境，如测量温湿度，转化力等信息。

（3）传感器采集的数据，视频可以存储在数据库中，具有回放功能，通过数字图像的处理分析对道岔状态进行预判。

（4）缺口监测值的精确度极高，避免光线、转辙机振动对镜头的影响，使图像更清晰，识别度更高，同时改善了通讯中断，监测系统停止工作导致监测空缺的现象。

（5）基于图像处理监测系统抗干扰性强，灵活性高的特点，能够适应高低温，雷电冲击等环境。

3 基于图像处理的转辙机缺口监测系统

3.1 系统总体结构

基于图像处理的转辙机缺口监测系统由图像采集单元、图像处理单元、CAN现场总线网络和室内服务器上的监测系统组成。图像采集单元采集转辙机的缺口状态将数据发送到图像处理单元，图像处理单元对收到的图像数据进行处理分析，确定缺口的位置信息并计算缺口值，最后对监测到的相关数据通过CAN总线传给服务器。室内服务器上的监测系统将完成传递的数据分类入库，并提供人机交互系统的接口，使工作人员实时监测转辙机运行状况和历史数据。系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

现场监测箱由供电单元和通信单元组成，完成图像处理器的供电传输，与车站分机完成信息交互。车站分机由防雷供电设备、服务器（上位机）监测系统工控机组成，通过信号集中监测界面显示转辙机状态。

3.2 系统原理

图像采集单元采集转辙机内监测区域的图像，按照所需的视频格式发送到图像处理单元，图像处理单元对接收到的图像数据进行处理分析，然后利用数字图像处理方法对转辙机缺口进行边缘归一化处理，得到监测区域图像的缺口值，根据这一缺口值的大小，确定上传法案。当缺口值在标准范围内时，只需上传缺口值；当缺口值不在标准范围内而在预警值内时，需要上传缺口值与对应的视频；当缺口值超出预警值时，立即报警，需要上传对应时间段的缺口值和视频。为了以防万一，出现道岔转换不到位，但是缺口值在标准范围内的情况，虽然该异常情况较少，至传送缺口值数据较少，道岔问题不能及时发现，因此，不管缺口值是否正常，都需要周期性巡检上传缺口值及对应的视频，对转辙机的运行状态进行采样。

服务器监测系统接收图像处理单元处理分析后的图像数据，并分类入库，便于工作人员直接查询调用某转辙机运行状态，实时监测和历史信息查询。同时，监测系统可以控制图像处理单元的运行，协调数据上传，减少冗余信息的传输，避免传输通道堵塞。

本系统图像采集、处理单元和服务器监测系统的功能互补，图像采集处理单元准确定位缺口边缘，确定缺口值，将图像数据周期性上传，精准可靠，而服务器监测系统将收到的数据分类存储，并控制图像处理单元的运行，实时查询视频及数据，方便快捷。系统工作原理如图2所示。

图2 系统工作原理图

4 基于图像处理的转辙机缺口监测系统硬件实现

4.1 采集模块

图像采集模块主要由微型摄像机、电源接口、传输接口图采集单元组成，微型摄像机采用CCD图像传感器，是一种可以将光学影像转化为数字信号的转换器。要想精确地找到缺口边缘的位置信息，需要通过位置检测传感器实现，比如光电式、电容式、传统感应式的位置传感器或者电位计等。电位计成本低、精度高，但是易损耗、耐振动性差，不适合温差大的环境；光电式传感器俗称编码器，易受油污烟尘等外来物影响，造成测量有误；电容式传感器虽然结构简单，低功耗，但对温湿度和安装公差要求较高，不适用监测转辙机内部状态；对于传统感应式位置传感器虽使用广泛，精度高，适合苛刻环境，但体积大承办高，因此选择CCD图像传感器，与传统运用的图像处理系统相比，更注重速度和精度，具有时效性，体积小，重量轻，不受电磁干扰，具有抗震性。

4.2 图像处理单元

图像处理单元采用成熟、专业的达芬奇TMS320DM3 65视频处理器完成压缩、解码、传输通信，它是典型的嵌入式处理器，具有多种编解码功能，可以提供多高清通道功能，可实现音频、语音以及其他高清视频信息处理，具有更高的灵活性与更低的设计复杂性。由于列车碾压轨道线路、转辙机转换动作引起的振动和油污尘土的污染造成图像边缘模糊，出现误测。因此，首先运用去模糊化、直方图均衡化处理图像，然后对处理完的图像进行边缘检测，确定边缘位置并归一化计算缺口值。

4.3 通信网络

CAN总线网络是ISO国际化标准的串行通信协议，能够实现分布式实时控制，完成多个缺口通信处理单元信息的传输与服务器监测系统的信息交换。CAN现场总线上的节点按照协议规定的帧格式设置好后，就可以发送信息，网络上任意一个节点都可以向网络上的其他节点发送信息，并且节点无需另外配置地址等信息。该方法使用方法灵活，如线路上新增的转辙机缺口检测系统可以直接在CAN总线上挂载不需另外配置网络。

4.4 服务器监测系统

服务器监测系统将完成传递的数据分类入库，并提供人机交互系统的接口，记录每个转辙机的运行信息，使工作人员实时监测转辙机运行状况，转辙机的历史数据工作人员也可以随时利用日期进行查询，另外监测系统对图像处理单元的运行进行控制，协调数据上传，统计转辙机缺口值，方便工作人员宏观掌握转辙机运行状态。服务器监测系统使用B/S架构，相较于C/S架构，其共享性强灵活性高，随时随地查询信息，数据可以永远存储在服务器中不会丢失，而且只需要对服务器端进行维护和升级，系统即可同步更新。