基于视频监控的转辙机缺口监测系统设计

杨振

【摘 要】转辙机作为铁路道岔闭合与分离的动力设备，主要通过改变铁轨上道岔的闭合方向实现火车的换轨，当道岔尖轨与铁轨闭合时，能够将道岔尖端锁闭在规定的轨道上，实现两条轨道的闭合，同时也能反映道岔的位置状态。转辙机工作时是否将铁轨闭合到位，会影响到火车运行的安全。因此本文在计算机技术、图像识别算法、现代检测技术等多种技术的基础上研究并设计了基于视频监控的转辙机缺口监测系统。

【关键词】视频监控；道岔位置；转辙机缺口监测系统；设计

引言：转辙机是改变道岔开通方向的动力设备，能使火车通过道岔从一股轨道驶入另一股不同方向的轨道，达到换轨的目的。由于转辙机的工作环境大部分处于室外，自然环境十分恶劣，昼夜温差和天气变化都会影响转辙机中的正常工作，故需对转辙机的工作状态进行检测，保证转辙机出现故障时能及时得到维修，确保铁路安全运行。随着我国高铁和动车技术的快速发展，高铁的运行的速度越来越快，对转辙机的安全运转提出了更高的要求。根据铁道部运输部颁布的《铁路信号集中监测系统的安全要求》，必须安装一定的设备，通过实时监测转辙机运行状态，确保转辙机正常工作。

1、转辙机缺口监测系统的总体设计

1.1系统设计的需求分析

转辙机缺口监测系统通过摄像头和各类传感器实时监测转辙机的工作状态，摄像头将采集的缺口图像上传给监测主机得出缺口值的大小，从而判断铁路道岔尖端是否贴合紧密，通过电能传感器得出转辙机工作的电压与电流值，推算出电机的输出扭矩来判断扳动道岔的的阻力大小，预防道岔扳动不到位的现象发生。转辙机是铁路系统运行过程中不可或缺的一个重要设备，丝毫的闪失都会酿成重大事故，是铁路系统安全生产管理中的重中之重，所以这套监测系统也是铁路行车安全的重要保障之一。该系统的设计需要达到铁道部运输部相关文件的技术要求如下：

（1）缺口距离测量精度0.1mm。

（2）工作温度的范围为：-40C0～60C0。

（3）视频和图片采集要求有补光灯，并且补光灯亮度可调。

（4）具备温度、湿度、电流、电压、震动采集端口。

（5）能够录制视频片段，录制时长能设定，视频压缩编码格式为H.264，分辨率大小为640*480。

（6）具备满足带宽的通讯能力，能够实时查看转辙机的工作状态。传输方式：电力载波和以太网通讯相结合。

（7）能够根据要求输出实时数字视频，不需要采集声音。

（8）三种触发方式：通讯端口命令、震动、电流。当任何一个触发条件成立时都应该启动工作，工作结束后自动进入休眠状态。

1.2系统的总体设计

转辙机缺口监测系统主要由下位机信号的采集、传输线路和监测主机三个部分组成。信号先由安装在转辙机内的信号传感器进行采集，然后由采集器对采集到的信号进行编码和存储。编码后，监控室内的缺口监测分机通过轮询呼叫机制，经由室外电缆对采集器中的数据进行传输。然后缺口监测分机将接收的信号通过以太网传输给监测主机，监测主机软件对采集的的数据进行分析和处理，将处理结果反馈给工作人员并进行存储。转辙机缺口监测系统的整体结构图如图1所示。

该系统可以通过摄像头对转辙机的工作状况进行实时的监控。监控信号先由信号采集模块进行采集，然后经由通信线路传输到监控室，最终传输到微机监测系统的主机。图中主要模块和设备的功能如下：

（1）传感器模块：传感器包括 COMS 摄像头、电压电流传感器、温湿度传感器、震动加速度传感器。采集转辙机的工作时的各项数据。

（2）数据采集模块：主要是缺口视频和图像的采集、编码和存储；其他传感器数据的采集、处理和存储；与通讯分机通讯，根据接收到的指令执行相应的操作[1]。电力载波模块将采集的信息调制成可以在电力线上传输的信号，在电力线上进行传输。

（3）缺口监测分机：缺口监测分机主要功能，一是把从通讯主机接收到的电力载波信号分离出来，把分离出来的数据发给监测主机，二是把从监测主机收到的数据调制成电力载波信号发送给数据采集模块。

（4）监测主机：主要是负责下位机设备的管理、信息的采集与处理、设备故障报警，监测主机的工作机制是定时向各个通讯分机发送轮询指令，接收各个缺口监测分机的应答，根据应答从缺口监测分机读取数据。

2、硬件系统的温湿度、振动和阻力采集模块

对转辙机的监控还需要采集转辙机的温湿度、振动、阻力等参数，因此硬件系統还需要集成温湿度传感器和振动加速度传感器，而且这两款传感器技术成熟，有多种方案可以选择，但是转辙机阻力没有办法直接测量，需要通过电能传感器采集转辙机的电压和电流的大小，通过计算得出转辙机的阻力值[2]。

2.1温湿度、振动传感器

转辙机周围的温度变化比较缓慢，采用温湿度一体化的数字传感器DHT21能实现温湿度的精确采集。转辙机的振动可以采用振动加速度传感器测量转辙机振动的加速度与频率，然后通过微处理器计算得出位移大小，即可以得出振动源的振幅和频率。

2.2阻力采集模块及阻力测量方法

直接测量转辙机的阻力十分不方便，可以通过间接测量转辙机电机的做功来推导出道岔转换时的阻力大小。由于铁路在换轨的时候转辙机电机克服道岔阻力做功，因此可以推断出道岔转换阻力与电机做功有必然的联系，转辙机电机的实时功率可以通过电机的电气参数进行计算。转辙机是封装好的产品，无法改动内部电路，传统测量电压电流的方式无法实现电压电流的测量，霍尔传感器能在不改变和破坏转辙机现有电路的情况下对转辙机电机的电压和电流进行测量，因此本系统采用霍尔传感器测量转辙机电机的电压电流，然后电机的电气参数计算出电机做功与铁轨阻力的关系，从而得到阻力值。

结束语

传统的转辙机监测方法是铁路工人日常的巡视检查，或者采取在转辙机内部安装机械传感器和光电传感器来判断转辙机的工作状态，这些方法受环境和人的影响很大，存在不同程度的缺陷。而随着计算机科学和数字图像处理技术的发展，已经能实现实时的远距离监测。依据图像处理来测量转辙机缺口具有非接触、实时性、效率高、便捷直观等优点。因此，根据图像传感技术和图像处理技术设计开发一个系统对转辙机缺口进行实时监控具有重要的实际意义。

参考文献：

[1]金锐.图像式转辙机缺口监测在现场中的应用及维护[J].科技创新与应用，2017（2）：166-166.

[2]鲁磊.转辙机缺口监测主机软件的设计和实现[J].铁道通信信号，2016，52（7）：42-46.

（作者单位：成都地铁运营有限公司）