铁路货车装载安全监控系统

铁路货车装载安全监控系统陈兆竣;吕亮亮【摘要】铁路货车装载安全监控系统，利用高清晰数字成像技术和计算机智能识别技术，通过图像采集设备，对出站或进站货车进行多个侧面高清图像采集，通过计算机智能图像识别、对比技术对货车图像进行分割,并与数据库中标准货车图片进行比对，识别货车车厢或装载质量问题,在监控终端进行显示及声光报警.【期刊名称】《中国铁路》【年（卷），期】2012（000）005【总页数】4页（P98-101）【关键词】铁路货运;货车装载;安全监控【作者】陈兆竣;吕亮亮【作者单位】北京佳讯飞鸿电气股份有限公司，北京,100095;北京佳讯飞鸿电气股份有限公司，北京,100095【正文语种】中文1概述随着我国铁路向高速、重载、长编组、长交路快速发展，对目前货车检修作业模式提出了挑战。在铁路配货和运输过程中，货车及货物装载状态存在各类异常情况：（1）车厢异常，如车门（中门、小门）未关闭、松动等；（2） 车厢内装载货物异常，如超高、超宽、偏载等；（3） 车辆行走中车轮等关键部件异常，如松动或脱落、与钢轨产生火花等；（4） 苫盖篷布货车异常，如搭扣松开、被风刮起等；（5） 车尾标志异常，如丢失、脱落等。目前这些异常情况需要车辆人员或站台值班员进行例行检查，工作量巨大，长时间人工作业检查很容易疲劳，工作效率降低，甚至造成漏检，导致发生行车安全事故。因此，如何自动识别并处理上述货运异常状况，是铁路货运安全的一个挑战，也是铁路信息化的新课题。铁路货车装载安全监控系统（简称系统）利用高分辨率线扫描视频采集技术、高性能存储技术、基于静止图像的视频智能分析技术、红外探测技术、雷达测速技术和计算机网络技术，对铁路货运车辆状态、货物装载状态、货车行走状态和车尾标志实时监控；对触发报警规则的可疑情况做出反应，并通过声光报警等手段通知值班人员及时处理；同时给操作人员提供高清事故车厢图像进行确认，通过自动分析和人工分析结合的模式进行分析，极大提高了货运检查工作效率，降低了劳动强度，实现铁路货运安全高速发展。2系统架构系统基于光机电一体化技术、自动化控制、视频智能分析等技术，通过阵列扫描方式获取高清晰的货车左、右、顶3侧扫描图像，在远程监控中心，货检员能看到货车通过检测设备时高清扫描图像，并通过专用的智能图像分析软件对铁路货车装载状态违章图像进行自动比对及报警提示，实现货检由人工化向自动化过渡。系统组网逻辑架构（见图1）一般是倒树形三级结构，监控中心部署在铁路局或车务段，车站分中心部署于车站机械室，采集点部署于车站上行或下行的咽喉区。图1系统组网逻辑架构（1）图像分析服务器（PPMS）由服务器硬件、图像采集设备、图像分析软件模块组成。接收来自图像采集系统的图像，根据图像判别车型，并与相应车型的预采集图像进行比对分析，判断车厢是否处于某种异常状态。对状态信息进行处理后按照既定的通信方式发送给存储分发节点图像存储服务器（PVMS）。PPMS的图像可以在列车通过后，PPMS把采集的整列车图像作为一个文件发送给PVMS，也可以在车辆通过过程中，把采集到的〃扫描线”逐条发送给PVMS。前者的缺点是监视终端（LST）显示车辆通过图像的延时较长，后者的缺点是PVMS和LST的处理稍显复杂。（2） PVMS接收来自PPMS的图像和状态信息，图像存储在本地磁盘，按照时间、车次等组织存储层次，并把车厢状态、采集站点、时间、存储位置等信息进行关联，存入数据库。（3） LST根据用户权限，向PVMS订阅状态信息和车辆图像信息。当PVMS接收到来自PPMS的图像和状态信息后，对每一信息分别查阅相应的订阅列表，并向订阅列表中的客户逐一发送。LST接到信息后，按照需求的显示方式显示。（4） 中心管理服务器（CMS）为综合产品的统一管理模块，负责全网用户数据库管理及授权认证审计等，管理货运装载系统各模块。（5） 采集接入点由室外高清摄像机、轨旁数据采集设备、测速设备、照明设备、触发设备等组成。原则上，图像采集点位于每个车站的咽喉区，可以在1个咽喉区同时部署上行货车和下行货车的采集设备，也可以在2个咽喉区分别部署1个采集点设备，这需要根据现场的安装环境和用户的要求确定。（6） 车站分中心由图像分析服务器、存储服务器、本地监视终端等组成，集成本车站所有采集点高清图像的视频分析、存储、视频呈现、报警等功能。本地监视终端分为工作监视终端和普通监视终端。工作监视终端使用者是货检员，普通监视终端使用者是管理者或相关人员。（7） 监控中心由图像存储分发服务器、普通监视终端等组成，根据需要可接入铁路综合视频监控平台。3系统实现功能系统实现对运行中的货运列车车体外观的图像采集、车体特征分析、存储等功能，实时呈现报警信息，实现货物货车装载质量的动态监视，辅助货检作业中的预检，提高复检的针对性，为异常情况的事后查询、分析提供依据。主要功能包括：提供整车高清晰图像，单节车厢图像分辨率可达2048x7000,货车两侧各种细微状况清晰呈现；自动识别货车两侧货物装载状态；自动识别车厢门窗、平车端板关闭状态；自动识别篷布、顶盖及绳索的完整、捆绑状态，高清晰图像具有自动存储，快捷查询、回放功能；自动分析货车图像，标识图像问题点并进行语音提示；具备联网、信息远程传输功能；(7)具有报警功能(见表1)。表1系统报警功能运行中的货车车门、车体外观车门未关闭、门口松动、车厢变形货物装载状态货物超高、超宽苫盖篷布车辆苫盖篷布刮起车辆走行部车辆走行部关键器件松动，如端部紧固螺栓松动、走行部冒火花等地点、时间、类型、车厢序号货车尾部标志货车尾部车厢无标志，货车所有车厢不完整4系统关键技术4.1图像高清扫描技术为满足后端智能分析特征提取和比对要求，对高速运行货车每节车厢视频采集成像达1400万像素，才能全面呈现每节车厢的细节特征。系统采用工业级线速扫描高清摄像机(见表2)。与普通视频监控系统中用到的面状摄像机不同，线速扫描高清摄像机每次曝光后只输出1行图像，即1xN像素。对应到系统的应用时，曝光行是货车车厢高度方向的1列。表2工业级线速扫描高清摄像机参数指标指标参数单节货车图像最高分辨率2048x7000信噪比/dB>64镜头焦距/mm14~20最大光圈f2.8支持自动曝光高清线阵相机采集速度/（次・s-1）280004.2测速技术摄像机拍摄清晰图像的前提是需要知道货车的通过速度，因此，准确测定货车的通过速度是其中关键因素之一。测速有多种方式，系统只讨论目前通用的雷达测速方案和TFDS中用到的车轮传感器测速方案。货车运行过程中不可能一直保持恒速，特别是在进入车站时更是如此。因此，选用的雷达测速仪必须具备实时输出数据的能力，即按照一定的时间间隔输出被测物体的移动速度。雷达测速和磁钢测速都可以达到测速目标。雷达测速仪是成品，可以直接使用；车轮传感器需要自行设计板卡实现，测试精度和数据输出频率更为灵活。（1）测速精度要求。线速扫描主要适用于高速运动的物体成像，一般情况下要求不低于5km/h。在摄像机线速扫描频率恒定的前提下，像素代表物体的变化（扩展或缩小）取决于雷达测试的输出精度，从图像模式匹配分析的角度偏移不大于±5%，对应的速度精度是0.25km/h。（2）数据输出频率要求。按照车速80km/h（换算后为22m/s），现场调研得知货车车门的尺寸是80cmx80cm。为保证每次分析区域图像的一致性，维持—致性区域的长度是车门宽度的2.5倍，即2m。在22m/s车速条件下，维持0.1s即可满足要求，对应的测速雷达数据输出频率为10次/s。4.3车厢图像分割模块设计摄像机输出的是一幅整列车的图片，在进行图像模式分析前需要将每节车厢图片从整幅图片中分离出来。车厢图像分割模块有2种设计方案。4.3.1硬件方案利用硬件触发信号给出一系列货车车厢分割标记，标明2节车厢之间的分割点，以便PPMS切割整幅货车图像。计轴磁钢输出模拟信号给数据采集板，在数据采集板上通过A/D转换、计数、错误纠正等运算后，得到1节车厢的轴数，正确数应是2个轴。红外对射输出模拟信号给数据采集板，通过判定算法得出车厢间隔的标记数据；标记数据是速度、时间、红外对射数据的函数，标记数据和轴数共同给出车厢分割标记。车厢分割标记是时间、车速的函数。也可采用车轮传感器采集的来去车方向给出的信号计算出车厢分割标记。但需要注意的是，若1列货车由不同类型的车厢组成，车厢之间的换长是不同的。4.3.2软件算法方案在系统PPMS数据库中预先收集、存储不同类型货车车体和机车样板，前端采集的行驶中货车高清图像与数据库中已有各类车型匹配，采用智能算法完成对车厢图像的分割。软件算法方案不会因硬件设备故障或不稳定影响图像分割，可操作性强，投资及维护成本低，减小了对硬件的依赖，是今后货车运行安全监控的发展趋势。但需要在使用中根据货运系统增加新的车型和载货形态，不断完善数据库，进行算法调整，以提升车厢特征呈现的完整性，便于管理人员调用检查和视频对比分析。车厢图像分割效果见图2。图2车厢图像分割效果4.4图像分析技术PPMS图像分析软件通过对采集的高清货车图像进行预处理，进行图像增强、图像分割、纹理分析、特征提取、特征匹配等一系列分析，对行进中的货车自动分析其车体是否正常、装载有无问题等安全隐患，如中门异常、小门异常、绳索脱落、