（信号与信息处理专业论文）道岔安全实时检测系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 道岔作为车道转换装置是铁路和城市轻轨行车的一项重要环节， 它的故障将直接导致列车挤岔掉道，甚至颠覆、误道相撞等重大事故。 道岔运用安全是一个复杂的系统工程，它包括机械、电气以及控制电 路部分的合理设计和工艺完善，同时也包括利用信息技术进行实时检 测。现有的铁路微机监测系统包括信号机、轨道电路及道岔状态检测 三大内容，前两者现己得到解决，而后者仍面临严峻的考验。 本课题得到铁道部科技研究开发计划项目道岔安全实时检测系 统的研究与实施的支持。本论文所描述的道岔安全实时检测系统利 用电动转辙机内部表示杆的刚性特点，采用数字摄像头采集表示杆特 定位置的检测标记图像，在嵌入式终端进行图像处理和提取特征参 数，从而实现了表示杆缺口的精确定位，利用自主开发的通信协议， 将检测结果以电力载波方式上传至主机端，实现了对道岔转辙机表示 杆的缺口状态在线检测。 作者的主要工作包括参与论证了缺口检测原理并明确了系统的 基本功能，提出总体方案，设计并具体实现了其三个子系统。 在信息采集及前端处理子系统中，根据其组成结构，实现了图像 预处理方法，提出并实现了改进的二值化方法、改进的形态边缘滤波 算法和特征值提取算法，并在嵌入式系统下实现了p e g 压缩算法。 在信息传输子系统中，作者根据现场存在的困难及对传输系统的 要求，进行了解决方案的选取工作，构建了该子系统的组成框架，设 计并实现了通信模块、控制模块和电源模块，最后讨论了传输帧结构 的设计。 在后台状态处理子系统中，实现了其图像显示等基本功能以及报 警后的图像比较功能。 关键词：道岔。电动转辙机，实时检测，嵌入式系统 a b s t r a c t a b s t r a c t r a i l w a yc r o s s i n g s a ss w i t c h i n gd e v i c e sa r es i g n i f i c a n tp a r t so f r a i l w a y a n d c i t yl i g h tr a i l t h es e c u r i t yd e v i c eo fr a i l w a yc r o s s i n g sc o n s i s t so ft h e r e a s o n a b l ed e s i g no fm e c h a n i c a le l e c t r i cp a r t sa n dc o n t r 0 1c i r c u i t s a n d r e a lt i m ed e t e c t i o nu s i n gi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t b ec u r r e n t r a i l w a y m i c r o c o m p u t e r d e t e c ts y s t e ms h o u l di n c l u d es i g n a l r a i l w a vc i r c u i ta n dt h e s i t u a t i o nd e t e c t i o no f r a i l w a yc r o s s i n g s n o w a d a y s ，t h ef i r s tt w oa s p e c t s h a v eb e e ns o l v e db e t t e r h o w e v e r , t h el a s to n ei ss t i l la c h a l l e n g e t h et h e s i si s s u p p o r t e db ym i n i s t r y o f r a i l w a y s r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp l a n n e dp r o j e c t t h e r e s e a r c ha n di m p l e m e n to fr a i l w a y c r o s s i n g ss e c u r i t yr e a l t i m ed e t e c t s y s t e m ”o u rs y s t e mi nt h i sp a p e r ， u t i l i z e df i g i d i t yo ft h eg a po fi n d i c a t i o nb a ri ne l e c t r i cs w i t c h ，c o l l e c t e di t s i m a g e d a t a u s i n gd i g i t a lc a m e r a ，t h e np r o c e s s e d a n da b s t r a c t e d c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si ne m b e d d e ds y s t e m s or e a l i z e di t sa c c u r a t e o r i e n t a t i o n ，u t i l i z i n g c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sd e v e l o p e db yo u r s e l v e s ， t r a n s m i t t e dt h ef i n a lr e s u l t st ot h eh o s tb ye l e c t r i cp o w e rc a r r i e rw a v es o r a i l w a yc r o s s i n g sg r o u p s d e t e c t e do n l i n eh a sb e e nr e a l i z e d m y w o r km a i n l yc o n s i s t so ft a k i n gp a r ti nt h ea r g u m e n t a t i o no ft h e g a pd e t e c t i o nt h e o r y , d e s i g n i n g t h ew h o l es c h e m eo ft h e s y s t e ma n d r e a l i z i n g i t st h r e e s u b s y s t e m s i n t h e i n f o i t n a t i o nc o l l e c t i o na n d p r e t r e a t m e n ts u b s y s t e m ，t h ec o n f i g u r a t i o n o f i m a g e c o l l e c t i o na n d p r o c e s s i o ni ss h o w e ds i m p l y t h ep r e t r e a t m e n to fi m a g e t h ea l g o r i t h m so f i m p r o v e db i n a r i z a t i o na n dm o r p h o l o g i cf i l t e ra r ep r o p o s e di nd e t a i l t h e a l g o r i t h mo f c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa b s t r a c t i o na n dj p e ga l g o r i t h mi s i m p l e m e n t e d i ne m b e d d e ds y s t e m i n i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n s u b s y s t e m ，a c c o r d i n g 的t h e l o c a l d i m c u l t i e sa n dd e m a n d s ，t h ep r e f e rs c h e m ei sc h o s e n ，t h e nt h ew h o l e d e s i g no ft h es c h e m ei sp r o p o s e da n dt l l ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h e c o n t r o lm o d u l ea n dp o w e rs u p p l ym o d u l ea r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ， f i n a l l yt h ec o n s t r u c t i o no f t r a n s m i s s i o nf r a m ei sd e s i g n e d i nb a c k g r o u n dp r o c e s s i o ns u b s y s t e m t h eb a s i ca n d 出ec o m p a r i s o i l f u n c t i o n sb e t w e e nn o r m a la n da l a r m i n gi m a g e sa r ei m p l e m e n t e d k e y w o r d s ：r a i l w a yc r o s s i n g s ，e l e c t r i cs w i t c h ，r e a lt i m es u p e r v i s i o n ， e m b e d d e ds y s t e m 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是我个人在导师指导 下进行的研究工作及取得的研究成果。尽本人所知，除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北 京交通大学或其他教学机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名： 日期：年一月一日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论 文中所有创新和成果归北京交通大学计算机与信息技 术学院所有。未经许可，任何单位和个人不得拷贝。版 权所有，违者必究。 本人签名： 导师签名： 日期：年一月一日 综述 第一章综述 1 。1 选题戆背豢和意义 1 i i 铁路中道岔检修的现存问题 铁潞凌我蓠的改辇帮发震中扮演若举是轻蘩鹣建色。透年来，陡 着国民经济的迅猛发殿，对铁路的运输造成了极大的压力。方面是 由于公路和航空运输炊浆不断壮大，对铁路的潮肖运输市场形成了很 大静分漉，另一方嚣剃楚由于铁路簸发震云经甓鼗建滞盖予经济改革 发展的需要。在改革筇代，铁路的发展已不能简单地理解为彩修新线 和投入熬金对既有线路的运输装餐进行技术改遗，更为重要熬是铁路 系统懿衙盔现莓技术装备静条释下，依靠技术割新，充分发撵彳亍韭的 既有优辫。 信号系统作为铁路运输系统的整要分支，掇受若行车指撵设鍪的 运营和维护管理工镩。停随着铁路的发展，铁路信号已经胰譬期的手 信号、螨烛灯逐步发展成为今天包括调度、闭爨、联锁、自控等专业 技术装备在内麴庞大的练合系统；其功能也由单纯熬指挥列车送行或 停车，发震成力保障行车安全和掇篱运输效率所不可缺少的技术行 业，并成为铁路现代化的重要标志之。 尽裁，世界各国铁鼹所采取的磺擐雩亍车安垒设备，大致肖戳下凡 类：一楚溉保证彳亍车安全又提高暹i 逢能力的设备，懿鑫动阕漠、电气 集中、机车信号等；二是监督工作人员，防止道艇技术规程的设备， 如自动捧车、速度篮磐等；三是技术诊断设鍪，防止设备故障，翅信 号设备颤动硷测系统、轴温探测等；匿是改善救援设备和数缓组织工 北京交通大学硕士学位论文 作。以上四类中有三类与信号设备直接有关，因此不难看出信号设各 在铁路安全生产中担当着何等重要的角色。 z d 6 型系列电动转辙机“1 是我国铁路电气集中车站广泛使用的主 要信号设备之一，具有数量大、处所分散、动作频繁等特点。电动转 辙机除了要完成道岔转换和机械锁闭任务外，还要利用其表示杆和自 动开闭器等部件，实现对道岔密贴状态的检查，并通过有关信号电路 实现对道岔的电气锁闭，构成信号电路的联锁条件，因此道岔表示杆 对确保行车安全起着举足轻重的作用。由于电动转辙机工作环境非常 恶劣，加之频繁的动作和道岔线路整修、道岔杆件磨耗旷动等，使得 表示杆状态会经常发生变化，现场维修人员必须经常通过检查缺口对 表示杆状态进行检查，对杆件进行消旷处理，并对超标缺口进行调整， 以确保转辙机的正常工作。 当前信号系统的中心工作是在确保行车设备安全运用的基础上， 不断深化信号维修体制改革。改革的重点一方面是抓好以“天窗修” 为主要内容的维修管理工作，另一方面就是大力发展以电气集中微机 监测为核心设备的信号检测和故障诊断设备，使信号维修工作逐步由 计划修、分散修向实行状态修过渡。其目的之一就是要争取最大限度 地延长设备无故障工作时间和压缩故障恢复时间，同时减少检修作业 的次数和时间，降低人为违章而造成行车事故的概率。为适应这种维 修战略的变化，近年来对电动转辙机进行了一系列技术改造，如采用 自适应式摩擦联结器、使用金属摩擦带、采用新型开闭器接点组等措 施，使得影响延长电动转辙机检修周期的因素逐步减少。然而现有的 微机监测系统还没能实现对诸如道岔表示杆缺口变化等现场维修工 作中的重点内容，落后的检查方式成为制约我们对道岔设备维修体制 综述 进行改革的瓶颈嘲。因此，解决这一薄弱环节成为摆在我们面前的紧 追需要。 1 1 2 缺口检测问题的产生及现状 “缺口”一词实际上是现场对表示杆位移量检查的一种形象称呼。 根据信号维规“3 规定，z d 6 型系列电动转辙机的检查柱落入表示 杆检查块缺口内时，距离缺口两侧间隙应保持在1 5 to 5 毫米。 如图1 1 ，日常所说的“缺口”实际是图中的“间隙”，而且通常 是指其中能用眼睛观察到的一侧“间隙”，对应于道岔的主、副表示 秆共有两个缺口即主杆缺口和副杆缺口。由于道岔尖轨的位置是通过 表示杆在转辙机内的相对位置间接反映出来的，每一个缺口都对应于 转辙机的一种状态，即定位状态或反位状态。正常情况下，当表示杆 通过道岔带动到位后，自动开闭器上的检查柱能够准确地插入到表示 杆相应的缺口中，并通过接点组接通相应的表示电路条件，从而反映 出道岔的相应位置。当道岔转换到位但不密贴时( z 2 r a m ) ，检查柱会 由于表示杆缺口的位置错位而不能落入缺口内，此时表示电路的接点 条件也不能沟通，实现了对道岔密贴程度的间接检查。对于现场维修 而言，表示杆的实际位置能够通过可观测到的缺口间隙( 以下简称缺 口) 的大小直接反映出来，只要保证了缺口的大小符合部颁标准就能 够保证道岔尖轨的密贴状态，确保道岔的安全运用，因此对缺口的检 查和调整是转辙机日常维修中的重点工作内容。 在目前的技术条件下，对缺口检查最常见的方法主要有以下几种： ( 1 ) 打开转辙机箱盖，用肉眼进行观察，缺口大小的标准凭经验 掌握。 北京交通大举壤学位论文 图1 - 1 电动转辙机表示杆缺口示意图 ( 2 ) 抒署转辙凝簇差，霉专震熬塞援捶入欢目孛进簿溅豢，确定 缺口的标准数值。 ( 3 ) 不用开盖，在表示杆表谳粘贴检查标尺，同时在机藕外安装 检查塞，逶蓬捡壹中谗录标尺在稔套塞中鲍霞爨寒确定浚霹戆大小。 以上三种方法的共同之处就怒人工对缺口滋行检查，不假结果不 易准确嫩握，而且由于维修方式的制约( 如只允许每月或每零开盖检 壹一次) 氇不姥建辩遴霉亍，造藏了维修与安垒瓣矛霪卡努癸嵩，特爨 是近年来，由于维修体制改革进稷的加快，要求少动甚至不动设备， 并且邋步实现了信母的“天窗修”，从而使缺翻检查与维修工作的矛 露雯热突壅，嚣魏露遮藏懿遭岔鼗薄氇霹有发黧。第三穆方法虽然簿 决了开凝与缺口检裔的矛盾，但融于其标尺稽贝占工艺的问题和标尺精 度的限制，指示的谈麓很大，维修人员仍很难掌握缺口的实际状态。 萎然，袭蜀状态弱久工检查，实行袋目集中捡溅势在努行。虽然 解决信母状态修主翼内容之一的道彷缺口自动梭测问题是当务之急， 但它同时也是多年来在信号系统中未曾解决的个难题。 4 综述 由于缺口的重要性，在1 9 8 6 年信号维修制度改革初期，为避免信 号工频繁开盖检查缺口给设备带来的不利影响，铁道部在目巡视内容 中规定了“应检查表示杆缺口标记有无变化”，实际上是最早明确提 出了对缺口进行人工检测。1 9 8 8 年初，郑州局电务处在全局电务工作 会议上提出“应该发展表示杆缺口自动检测技术，解决缺口开箱检查 的问题”的设想。1 9 9 0 年后，陆续有了路内一些单位开始有关研究的 消息，但时至今日仍未见到成熟产品在路内推广应用。1 。 近年来，在信号系统科技人员的不懈努力下，对缺口检测系统的 研究已经取得了一些进展，积累了许多宝贵的经验，其中有成功的经 验也有失败的经验，从而使我们对缺口检测问题有了越来越多的了 解，解决问题的思路也逐渐清晰。 目前实现缺口检测主要有以下几种考虑方案，一是开盖直观检查， 包括用塞尺等手段进行人工测量；二是通过特殊的媒介将缺口的状态 间接显示出来，如在表示杆上加标尺、用微型摄像机记录并传输图像 和用位移传感器进行模拟量测试等，此时只给维修人员提供出缺口的 实际变化情况，再由人根据所掌握的设备标准做出具体判断，其中有 分散显示和集中显示两种；三是根据所指定的设备标准使用专门的缺 口状态传感器，直接给维修人员提供缺口报警信号，而不需要由人再 来对缺口标准进行判断“1 。 总体来说，我国铁路对遵岔缺口检测的研究从2 0 世纪8 0 年代末 发展至今经过了三个阶段。第一阶段( 1 9 8 6 1 9 9 2 年) 是以采用表示 杆粘贴检查标尺同时加装检查窗的人工分散检查方式。第二阶段 ( 1 9 9 3 1 9 9 6 年) 是以改装转辙机内检查柱作为缺口传感器为主要内 容的集中或分散检测报警方式。传感器的类型有电触点型和光电型两 北京交通大学硕士学位论文 种，集中报警是利用道岔既有电缆芯线或专门敷设的电缆将报警信号 传入信号机械室集中报警；分散报警则是在每个转辙机内利用声光信 号进行报警。第三阶段( 1 9 9 7 年一至今) ，是以研究表示杆位移传感 器为核心内容，并主要利用专门敷设的电缆或既有道岔电缆各用芯线 作缺口信号传输通道，同时采用微机技术或结合电气集中微机监测系 统构成集中报警和记录。可以看出，道岔缺口检测系统研究的着眼点 随着信号维修制度改革的进程和计算机技术在铁路信号系统的迅速 推广在逐步转变，既由分散集中一自动。 1 1 3 研究现状及其他方案的简介与分析 1 1 3 1 方案简介 以下技术方案是根据已经通过局级以上有权单位鉴定或专利授 权后所公开的技术资料和国内公开发表的资料查询所得。据了解，实 际上还有大量的技术方案尚在研究或试验当中，因此下列只是较具有 代表性的技术方案。另外，为了更加真实准确地了解既有方案的结构 原理，特将所检索到的专利方案【说明书摘要】和【权利】原文摘录 如下。 方案：陕西方案”：系统示意图见图1 2 。 【说明书摘要】本实用新型涉及一种用于指示电动转辙机表示杆槽偏 移量的检测装置，特别适用于对铁路系统电动转辙机表示杆槽偏移量 的检测，它包括检查柱，其结构特征是在检查柱底部，对称开有两个 槽，在该槽内装有与检查柱保持绝缘的两个传感器，所述的传感器通 过导线与报警装置电连接，本实用新型适用性强、可靠性高，能够准 确及时地反映出检查柱底部两侧与表示杆槽两侧的间隙情况，从而提 综述 1 5 v 5 v 图1 2 陕西方案结构示意图 醒信号值班员排除故障隐患，避免运输不安全事故发生。 【权利要求】一种用于指示电动转辙机表示杆槽偏移量的检测装 置，它包括检查柱，其结构特征是在检查柱底部，对称开有两个槽， 在该槽内装有与检查柱保持绝缘的两个传感器，所述的传感器通过导 线与报警装置电连接。 方案二：济南方案： 【说明书摘要】本实用新型公开了一种铁路电动转辙机表示杆缺 口光电检测报警探头，是在电动转辙机上的副表示杆的端部定位带有 凸壁的探头框，在凸壁上开有台阶式通孔，并在该通孔中定位有光电 接收二极管，在该通孔处的凸壁上定位有光缝板，在基座上定位有光 缝架，光缝架上二端开有光缝，在光缝处的光缝架上定位有光缝调节 北京交通大学硕士学位论文 板并在其调节板上定位有带有台阶式通孔的定位块，在该通孔中定位 有红外光发射二极管。具有制造成本低、检测精度高、稳定可靠、易 于安装在转辙机外部的特点。 【权利要求】 l 、 一种铁路电动转辙机表示杆缺口光电检测报警探头，包括电 动转辙机、探头框、光缝架、报警控制电路，其特征在于： 在电动转辙机上的副表示杆的端部定位有在其上部的右侧 带有凸壁的探头框，在该凸壁上开有在其内定位有光电接收 二极管的台阶式通孔，在该台阶式通孔处的凸壁上定位有光 缝板，在定位于电动转辙机箱体上的基座上定位有座落在凸 壁左侧的探头框上的光缝架，在对应于凸壁一端的光缝架上 开有反位光缝且在该反位光缝处的光缝架的左侧面上定位 有反位光缝调节板，在反位光缝调节板上定位有带有台阶式 通孔的定位块，在该定位块上的台阶式通孔中定位有一红外 光发射二极管，在光缝架的另一端开有定位光缝，在该定 位光缝处的光缝架上定位有光缝调节板，在该定位光缝调节 板上定位有带有台阶式通孔的定位块，在该定位块的台阶式 通孔中定位有一红外光发射二极管。 2 、 根据权利要求1 所述的铁路电动转辙机表示杆缺口光电检 测报警探头，其特征在于所述的两红外发射二极管和光电接 收二极管分蹦通过连接线与定侥在基座上的报警信号电路 板相连接。 方案三：兰州方案”1 ：系统示意图见图1 - 3 。 综述 图l _ 3 兰州方案结构示意图 【说明书摘要】本实用新型公开了一种电动转辙机缺口位移检测 装置，包括传感器、转辙机表示杆，其特征在于它还包括一带有滑槽 的支架，支架上设有滑块和传感器，表示杆上与支架对应处设有一检 查片，检查片中央开有一宽2 m m 、深4 m m 的缺口。本实用新型对转 辙机结构和零部件无任何工艺加工，安装调整简单、方便，无机械磨 损，测量精度高，能准确表示道岔定位、反位实际位置，在转辙机检 查柱、检查块缺口位移1 2 m m 一1 3 m m 时给出报警信息。维修人员根 据检测信息可提前调整，避免缺口卡阻，使道岔保持良好状态。 【权利要求】 1 、 一种电动转辙机缺口位移检测装置，包括传感器、转辙机表 示杆，其特征在于它还包括一带有滑槽的支架( 1 ) ，支架( 1 ) 上设有滑块( 2 ) 和传感器( 3 ) ，表示杆( 5 1 ) 、( 5 2 ) 上与 支架( 1 ) 对应处设有一检查片( 4 ) 。 2 、根据权利要求l 所述的一种电动转辙机缺口位移检测装置， 其特征在于所述检查片( 4 ) 中央开有一宽2 m m 、深4 m m 的缺口。 方案四：上海方案“： 北京交通大学硕士学位论文 【说明书摘要】本实用新型涉及铁路交通管理类，特别涉及种 道岔电动转辙机表示杆缺口检测装置。该装置主要由主机、从机、传 感器以及电动转辙机组成，其中主机通过总线系统通讯接口与从机的 通讯接口连接，从机与传感器相连，传感器固定在电动转辙机表示杆 的导向套筒上。其特点是，可以对表示杆缺口状态实施动、静态连续 跟踪观察，做到故障提前反映，及时处理，系统装置使用准确性、可 靠性强。 【权利要求】 i 、一种道岔电动转辙机表示杆缺口检测装置。该装置主要由主机、 从机、传感器以及电动转辙机组成，其中主机通过总线系统通讯接口 与从机的通讯接口连接，从机与传感器相连，传感器固定在电动转辙 机上。 2 、根据权利要求l 所述的一种道岔电动转辙机表示杆缺口检测装 置，其特征在于所述的传感器固定在电动转辙机上是指将传感器固定 安装在电动转辙机表示杆的导向套筒上。 3 、根据权利要求l 所述的一种道岔电动转辙机表示杆缺口检测装 置，其特征在于所述的传感器上连有检测杆。 4 、根据权利要求1 、2 或3 所述的一种道岔电动转辙机表示杆缺 口检测装置，其特征在于所述的检测杆与电动转辙机上的表示杆固定 连接。 5 、根据权利要求l 所述的一种道岔电动转辙机表示杆缺口检测装 置，其特征在于所述的传感器是霍尔集成电路传感器。 1 1 3 2 技术方案综合分析 从以上方案的摘要说明可以看出，陕西方案的主要问题是：系统 综述 检测精度较低，误报率高，单纯依靠本系统的灯光信号报警，并未接 入微机监测系统；济南方案的主要缺点是：安装在转辙机的外部，受 外界影响大，系统结果复杂，稳定性差；兰州方案也是使用了光电转 换的原理，利用红外线传感器的发射和接收来确定位移是否超限，传 感器的检测精度由加工工艺决定，不易校准。上海方案是一套完整的 检测、控制方案，但由于霍尔集成电路传感器易于受到强电磁干扰的 影响造成本方案的稳定性较差，不能达到实用的标准。 通过对以上技术方案的比较可以看出，现有的缺口检测系统方案 虽多，但大都未能以成熟的技术在现场推广使用，分析原因主要有一 些三个方面： 第一、方案本身的技术问题 ( i )传感器的设计结构不尽合理，造成缺口检测误差较大，误 报率较高，影响整个系统现场作用的正常发挥。 ( 2 )采用在用设备电缆的方案时，由于对原道岔表示电路的电 气特征指标影响较大，对设备安全运用带来隐患。 ( 3 )对系统现场安装问题考虑不周，有些需要更换电动转辙机 或自动开闭器，有些需要对检查柱或表示杆进行加工，大 批量换装时要点困难很大，有些只能随信号中修周期( 5 年) 进行，限制了其发展空间。 第二、系统可靠性和维修性问题 对于将传感器设于检查柱内的方案来说，因现场无法对其检查 和维护，发生误报时也无法进行调整，故难以保证其长期可靠工作。 对于采用室内集中检测机的系统，由于对计算机控制技术的开发多为 自行研发而未采用专业化开发手段，故水平处在相对较低的技术层 北京交通大学硕士学位论文 面，其本身的现场适用性较差，对可靠性和维修性指标在系统设计中 也考虑甚少。 第三、系统总体投资的问题 采用新敷设电缆或电缆备用芯线作为传输通道的系统，通道投资 往往占去了系统投资的大多数，使系统整体成本难以降低，大量推广 时现场难以承受，遏制了发展后劲。 1 2 论文研究的问题与主要工作 本论文主要描述了一种道岔表示杆缺口状态检测方法和该方法的 系统实现。本系统利用电动转辙机内部表示杆的刚性特点，通过数字 摄像头对表示杆特定位置检测标记的采集、处理和特征参数提取，实 现表示杆缺口的精确定位；并利用自主开发的通信协议，将处理结果 以电力载波方式上传至主机端。整个系统包括主机、转发器、嵌入式 终端和软件部分，以数字摄像头采集图像数据、嵌入式终端在现场远 端处理数据、电力载波传输数据为技术特色，可同时在线检测4 0 组 道岔转辙机的表示杆缺口状态。 具体而言，本论文做了以下的主要工作： 1 道岔安全实时检测系统总体方案的设计。在论证并分析缺口检 测原理的基础上，明确了道岔安全实时检测系统的基本功能及技术特 点，提出了道岔安全实时检测系统总体方案的设计，并具体阐述了信 息采集及前端处理子系统、信息传输子系统、后台状态处理子系统三 个子系统的方案设计。 2 信息采集及前端处理子系统的设计和实现。构建了该子系统的 组成框架，实现了图像预处理方法，提出并实现了改进的二值化方法、 综述 改进的形态边缘滤波算法和提取特征值的算法，在嵌入式系统下分析 并实现了j p e g 压缩算法。 3 信息传输子系统的设计和实现。根据现场存在的困难及对传输 系统的要求，进行了解决方案的选取工作，提出了传输方案的总体设 计，设计并实现了通信模块、控制模块和电源模块，讨论了传输帧结 构的设计。 4 后台状态处理子系统的设计和实现。实现了该子系统的基本 功能如图像显示等，并实现了报警后的图像比较功能。 1 3 论文的结构组成 第牵为综述部分，讨论了本深题的背景帮意义，通过对本行韭 诸多研究成果的比较和综合分析，确立了本课题的实现价值和意义。 第二摩在分析了姣叠检测骧壤，弗明确了邀岔安全实时稔操系统 的基本功能及技术特点后，提出了道岔安全实时检溯系统总体方案的 设计，弗就信息传输子系统、后台状态处理予系统的设计分别进行了 阐述。 第三章溺述了信息采集及葡端处理子系统的实现。首笼概括说明 了该子系统组成结构，然后具体说明了图像预处理方法的k e 较选取及 实现，羧送鹩二篷键方法窝彤态滤波算法鹄实骧，最磊阐述了撬取姆 征值的算法和实现以及在嵌入式系统下p e g 压缩算法的分析和实 现。 麓鲤掌阐述了髂惑转羧子系绞魏实瑷。壤撂瑷强存在舱瓣难及对 传输系统的要求，进行了解决方案的选取工作，然后提出了传输方案 的总体设计以及通信模块、控制模块和电源模块设计及实现，最后讨 乾索交逶大学矮学位论文 论了传输帧结构的设计。 繁聂章讨论了器台获态楚莲予系绞熬实鬣，包螽禹台凝态处理子 系统纂本功能的实现和图像显示以及报警后的图像比较功能的实现。 第六章是结束谬部分，对本文所做的工作和创新性进行了总结， 著镑黠一些薮窭褒熬| 蠢嚣对今慝熬工痒进行了餍望。 道岔安全实时检测系统的方案设计 第二章道岔安全实时检测系统的方 案设计 2 1 缺口检测原理 由前一章所述转辙机的构造可知，表示杆位于转辙机的内部，缺 口周围机械器件多，空间狭小，不便于传感设备的安装及数据传送， 很难直接实现对缺口数据的实时采集。考虑到表示杆本身的刚性特 点，我们设计了一种巧妙的方法，将待检测的缺口的偏移状况利用平 移的原理，转移到便于安装传感器的位置来进行采集，从而解决了缺 口数据的采集问题。同时此方案对转辙机的具体型号的依赖性小，具 有很好的通用性。下图( 图2 1 ) 为缺口数据采集的原理图示： 数字图像 隰、蕊蠢j 蒜。；、i 溉醚黧i 蕊黪，- 鸯1 j ! 芸瓣：毫急_ * 蕊譬、。1 艮_ 警 l 蔼簿鬣篷i 二i 薯鞭l 鬻鬻瓣群1 簿，? 。j 睡l 蕊i 鬻_ _ ：? “、一 改变后的位置ll 吣l h il 图2 一l 表示杆检测标记图示 如上图所示，我们在表示杆上刻了两个检测标记，分别用于定位 北京交通大学硕士学位论文 检测和反位检测。当转辙机在现场安装并调试达标后，说明表示杆缺 口这时处于标准状态，检测系统记录下此时标记的位置( 称为标准位 置) ；当道岔动作后，表示杆缺口的状态可能会发生微小的变化，这 时检测标记的位置也会发生等量的微小变化，嵌入式远端再记录下此 时的标记位置( 称为改变后的位置) ，将两者做比较，便可得到缺口 在这次道岔动作后的偏移量。 简单地看，l 的值可以通过比较初始标记的位置与当前标记的 位置来得到。但实际上，缺口的实际偏移和摄像头与表示杆的距离及 拍照角度有关。因此，在计算时，我们利用一个标准图像( 标准图像 即是表示杆上的红色标记_ ) 来辅助计算。计算原理如下图( 图2 2 ) 所示： 原始标记采集到的标记 鼻奇鼻 图2 2 标准图像变化示意图 图2 - 2 中，w 为原始标记的宽度2 4 m m ，w 为采集到的标记 宽度，w w 为缩放比例， 则：实际偏移：兰址( 2 一1 ) 1 9 1 6 道岔安全实时检测系统的方案设计 2 2 道岔安全实时检测系统的基本功能及技术特 点 能 占 基于上述原理，道岔安全实时检测系统设计并实现了以下基本功 1 、图像采集、处理并提取特征值。 2 、图像压缩并显示。 3 、 从端的特征值数据及图像数据实时传送到主端。 4 、 多个从端在单对总线上互不干扰地收发数据并得到主端的 馈电。 5 、 主端数据、图像的存储及显示。 在实现以上基本功能的基础上，本系统还具有如下几个技术特 1 、 表示杆缺口数据采集方案受转辙机型号的影响小，具有较强 的通用性。 2 、 采用数字摄像头采集数据，抗干扰性能好，检测精度高，可 以达到0 0 3 m m 。 3 、 利用嵌入式系统的强大功能，现场处理数据，提取出最终参 数传给信号楼检测主机，大大减小了通信数据量和提高了系 统的实时性。 4 、 采用电力载波方式通信，实现了远端馈电及数据传输的双重 功能：f s k 调制方式，抗干扰性能好；稳定的通信速率为 9 6 k b p s ；通信距离远，可以达到7 k m 。 5 、 自行设计了简洁、完善的通信协议，具备超时重传，检错重 北京交逶大学硕士掌莅论文 发等功能，确保数据传输的可靠性。 6 、竣计了1 。5m r n 怒标擞警，著链麓涎将表示群实际鹜像土 传、显示，以供维修人员参考分析。 7 、采用中值滤波等多种手段，滤除粗大数据，避开歹哇车压轨和 道岔麓侉i 篷程中赘数器采集，藏，、谈擐。 8 、嵌入式远端系统软件具铸多重容错恢簸能力，并盥利用硬件 看门狗监视系统运行，舆有完善的自恢复能力，保诞系统在 各穆错误与外弄干撬下都艉长赣运行。 9 、电动转撤机日常维修调撼动程时，仪褥按一次复位镪即可同 步更新本系统的参考数摄，基本上实现了免维护。 1 0 、簌叠：渔溺烹槐提供多静澎式豹毒裰纯赛蟊，其有筑括蓝线、 列表、日志簿多种报表输出手段。 2 3 遵岔安全实对检测系统总体方案豹设计 为了实现上述的功能及特点，我们设计了一溪以转撤机液示杆精 确定搜建嚣振手段，戳嵌入式终端在远端瑗璐安慰采集著楚理塑像数 据为主婺技术核心，并辅以总线传输、数据存储显示等技术晌道岔运 用安全实时检测系统。其组成结构如下图( 图2 ，3 ) 所示： 在圈孛，缺霜梭溯囊冁窝嵌入式转发器位予售号楼，稳成零检测 系统酩烹机端。缺鞠检测主机上配置了自行开发的检测系统主端服务 软件，究成检测系统参数设置，电力载波通信协议控制，道德表示杆 缺叠数攒静渡集、鬟暴、存醣，戮发手动搡终努嚣等主要功怒；霹对， 它也越微机监测系统的数据采集枫，负责将表示杆缺口数据通遭c a n 总线向微机监测系统发送。嵌入式转发器上配罄有电力载波硬件模块 图2 3 道岔运用安全实时检测系统组成结构示意图 以及嵌入式转发软件，实现远端交流馈电、通信协议的物理层转换工办 能。 信号电缆利用的是铁路现场原有的一对通信电缆。由于这一对电 缆通过分岔的方式连接到了多组道岔，正好利于我们构成总线型网 络，利用这一对电缆同时完成多组( 最多可超过4 0 组) 转辙机缺口 舀 北京交通大学硕士学位论文 数据传送，以及对嵌入式远端的馈电功能。 嵌入式远端和摄像头、温度传感器位于道岔现场。其中嵌入式远 端安放于信号变压器箱内，可以满足防盗、防雨雪等要求。嵌入式远 端中配置有自行研发的u s b 主控制器驱动程序以及嵌入式处理软件， 可以实现图像数据的采集、处理、特征提取，温度数据采集，电力载 波通信等功能。另外，为了使嵌入式远端能在无人监控的恶劣环境下 长期运行，我们从软件和硬件上均设计了复杂完善的自恢复机制，使 系统在受到外界的重大干扰时，能自动恢复正常运行。 摄像头和温度传感器被安装于传感器盒内，整个传感器盒固定于 转辙机的侧壁上，用于采集表示杆上的标记图像，摄像头和温度传感 器都是数字输出的，抗干扰性能好。标记的设计与提取具有很强的通 用性，适用于多种型号的转辙机。 考虑到上述各部分的主要功能及核心部件的相互关系，本系统大 致可分为信息采集及前端处理子系统、信息传输子系统和后台状态处 理子系统三部分，下面将详细介绍各部分的软、硬件设计过程。 2 4 道岔安全实时检测系统的各部分方案设计 2 4 1 信息采集及前端处理子系统的设计 信息采集及前端处理子系统是道岔安全实时检测系统中最关键 的一环，要实现上节所述的功能及特点，就必须要求在现场的终端上 同时运行多个实时性很高的任务，通常的通过控制应用程序的流程来 进行任务间的调度的方法不可能达到系统的要求，只有运行特定的操 作系统才能支持多个任务的同步实时运行。这样，原何的以单片机为 道岔安全实时检测系统的方案设计 核心的开发平台已经不能适合这样的需要，所以决定了信息采集及前 端处理子系统的实现只能采用嵌入式系统。只有嵌入式系统才能满足 本项目中高运算速度、高可靠性、高集成度、极低功耗以及轻便性、 低成本等要求。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 。1 ”是后p c 时代的一个发展趋势。 简单的说，嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件 硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格 要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器，外围硬件设备， 嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对数 据和信息的复杂计算与处理以及对其他设备的控制、监视或管理等功 能。嵌入式系统可广泛应用于p d a 、掌上电脑、手机、信息家电( 网 络冰箱机顶盒) 等嵌入式设备，无论在工业自动化领域、手持设备 领域、数据通信领域、信息家电领域等，都必须以嵌入式技术为基础。 在嵌入式系统的四个组成部分中，嵌入式微处理器和嵌入式操作系统 无疑是软、硬件方面最重要的部分，它们构成了整套系统的平台，下 面就本系统中可以选择使用的各种嵌入式平台作一些比较，并确定合 适的方案。 2 4 1 1 嵌入式微处理器的选择 嵌入式处理器选择的原则： 1 ) 技术因素的考虑： 低功耗。 速度( 够用就行，不追求高速) 。 外围接口设备的丰富程度。 北京交通大学硕士学位论文 2 ) 非技术因素的考虑： 刚好适用，不盲目追求速度，力求芯片成本与功耗、功能 的最佳匹配。 供货稳定持久，不能因为经常升级换代而导致停产。 系列化、家族化，以减轻处理器升级换代带来的开发负担。 3 2 位嵌入式处理器大多是一个片上系统( s o c ) ，s o c 的目标是 更专用的，而不是通用的。它要求刚刚合用、更低的成本、最高的集 成度。以它为核心的产品将因此能够更快上市、成本更低、功能更丰 富、体积更小、功耗更低。 目前在嵌入式领域有以下几种主流的处理器“： m i p sg o r o 微处理器 特点：高速，已经进入了6 4 位时代，多核集成。 应用领域：用于高端路由器，局域网交换机等通信领域。 a r mc o r e 微处理器 特点：低功耗，为j a v a 技术提供了j a v a b y t e 支持。 应用领域：无线局域网，3 g ，手机终端，手持车载终端，多媒体 处理终端等。 i n t e l 公司s t r o n g a r m x s c a l e 微处理器作为立足于a r mc o r e 的两个系列处理器除了具有a r m 的低功耗特睦外，还集成了多 媒体指令特性，乃至网络处理器特性，并且速度也有很大提升。 a r m 因为其低功耗的突出有点以及快速发展的内核和丰富的接 口特性等，取得了在手持设备领域的绝对领导地位。 s t r o n g a r m x s c a l e 更是取得了巨大的成功。 p o w e r p cg o r e 处理器 道岔安全实时检测系统的方案设计 特点：高速与低功耗之间作了妥协，并集成了极其丰富的外围接 口 应用领域：通信领域应用最广泛的处理器内核。该内核被m o t o r o l a 公司设计到s o c 芯片中形成了一个巨大的嵌入式处理器家族。 6 8 k c o l d f ir ec o r q 处理器 特点：低成本，外围接口丰富。 应用领域：工业控制、机器人研究、家电控制等领域。 对比以上几种处理器系列，并且考虑到本系统图像处理方面应用 的需要，我们选择了h l t e l 公司生产的s t r o n g a r m 系列的嵌入式处理 器s t r o n g a r m l l l o ( s a l l l o ) 。这是一款功能强大的r i s c 微处理器。时 钟频率高达2 0 6 m h z ，每秒能执行2 5 0 个百万条指令( m i p s ) ，体积小， 功耗低( 本系统内整板功耗约为1 0 0 m w 2 0 0 m w ) ，性能稳定，比较 适合工控领域使用。如下图( 图2 - 4 ) 所示： 图2 4 嵌入式处理器s t r o n g a r m l l l o 内部结构示意图 北京交通大学硕士学位论文 s a l l l 0 有丰富的外设接口，包括i r d a 口，串口，u s b 接口，以太 网接口等，另外还有2 8 个可随意编程控制的g p i o 口，可以方便的编 程作为输入、输出，甚至中断源使用。在本系统中，采用了3 2 m 字节 三星s d r a m 内存和1 6 m 字节的应用i m e l 快速页面读取模式的 s t r a t a f l a s h 内存，做为存储介质。在外设方面，包括了两个串行接口， 一个1 0b i t s4 通道的a d 转换接e l ，以及d c d c 高效率的电源转换 芯片，y o 扩展接e l ( i s a 兼容) ，u s b ( s l a v e ) 接口，j t a g 接口， 多个l e d 指示灯等等。 2 4 1 2 嵌入式操作系统的选择 在选择操作系统时，需要考虑到操作系统的目标和功能。 目标： 方便：操作系统要能够使计算机更易于使用 有效：操作系统允许以更有效的方式使用计算机系统资源。 扩展的能力：在构造操作系统时，应该允许在不妨碍服务的前提 下有效地开发、测试和引进新的系统功能。 功能： 操作系统是用户和计算机的接口：能够提供程序开发、程序运行、 访问i o 设备、控制访问文件、系统访问、错误检测以及响应和统计 功能。 操作系统是资源管理器：操作系统要管理一个计算机系统的各种 资源，包括内存管理，输入输出管理，外部设备管理，文件系统管理 和处理器资源的分配。 操作系统的易扩展性：能够适应硬件升级和新硬件出现的需要， 道岔安全实时检测系统的方案设计 新的服务出现的需求，能够纠正错误。 嵌入式操作系统是一类特殊的操作系统，它有不同于通用操作系 统的特点，以适应于嵌入式系统硬件的要求。嵌入式处理器的迅速发 展对软件提出了更高的要求，需要运行一定的操作系