可视化视角下的铁路车辆自动监测系统研究

　　铁路车辆工程师论文（优选10篇）之第九篇

　　摘要：为实现车辆技术状态、货物装载状态及装卸车作业情况等实时监控和管理,马钢自动化信息技术公司开发了一套集车辆电子标签识别、视频监控、电子称重于一体的可视化铁路车辆自动监测系统,投入实际使用后,实现了车辆自动检测、视频监控及录像、信息传输及管理、设备状态监控等功能,并实现了与原有信息系统的集成。

　　关键词：铁路车辆; 自动监测; 自动识别; 视频监控; 电子称重;

　　多年以来,马鞍山钢铁股份有限公司( 以下简称马钢) 对进出于马钢与上海铁路局之间的铁路货物检测和管理等工作主要是通过人工录入相关数据至现有信息系统来实现的,其突出问题是实时性差、数据准确率难以保证,后期虽在个别进出线铁轨上安装了车号识别仪,但由于没有与原有信息系统集成,因此数据需要二次录入, 且数据传输受距离和环境的影响很大,有一定错误率,另外,因没有覆盖全部的进出线铁轨,所以数据不完整。因此,迫切需要一个功能强大、信息完整、更加稳定可靠的铁路货检作业信息管理平台,为马钢铁路运输部门的生产调度、货车追踪、运输物流等管理提供重要手段。铁路车号自动识别系统为铁路运输管理信息系统( TMIS) 和车辆等管理系统提供列车、机车、车辆标识等实时的动态信息[1],因此,一个有效的车辆自动识别系统是马钢铁路货检作业信息管理平台的基础。虽然车辆自动识别系统在铁路运输行业早已经有解决方案,但是能同时实现车号识别、车辆称重、视频监控功能的却并不多见。如果出现车辆识别仪故障等问题,会导致货检作业出现漏号、漏车,需要工作人员到现场抄录车号等数据; 同时货物装载是否符合运输安全以及所载货物的实际质量等信息无法掌握,影响了铁路运输和调度的正常工作。为此,马钢于2013年对原有铁路货物检测和管理信息系统进行了改造,马钢自动化技术公司开发的可视化铁路车辆自动监测系统通过车号自动识别、现场视频录像、车辆实际称重等功能很好地解决了意外漏号、漏车等问题。改造中,新建了覆盖全部进出线的铁轨检测点,开发了全新的前、后台应用软件,其中,前台软件通过对原厂设备提供的SDK、通信接口的调用,完成对进出检测点的车号、视频信息、称重等数据的实时采集和辅助功能操作,后台软件完成存储和处理等任务,并与原有信息系统进行集成。

　　1工作原理

　　可视化铁路车辆自动监测系统前台处理部分主要由车号识别、车辆称重、视频监控、辅助控制等装置构成,与前台处理有关的设备部署在进出线的铁轨检测点现场,每个检测点设置压力传感器2套、网络摄像机2套以及LED补光灯和一体化控制箱,其中,一体化控制箱包括AEI( 自动识别设备) 主机及CPS( 车辆检测控制与处理系统) 主机各1台、信号控制器、防雷装置、网络设备及线路。后台处理部分为数据中心后台服务器,可以处理多个检测点的信息。图1示出了数据处理中心与1个进出线的铁轨检测点上的设备。

　　目前货运列车基本都安装了可供识别的标签,一种采用 射频识别 ( RFID) 技术的电 子标签[2],当列车中每一节车厢上的电子标签通过天线辐射区域时,标签上的片上系统( SOC) 被激活,并开始接收微波信号,判析握手指令。如果指令正确,则片上系统将ROM内存贮的数据经原载波调制后,反射回天线。天线将接收的微波信号传输给AEI主机,AEI主机对微波信号进行提取、解调、放大、整形,判别整理成标准的ASCII码数据发给CPS主机。系统上电启动后,前台处理部分处于等待识别电子标签信息状态,CPS主机定时查询AEI主机的各种状态,并根据状态给出各种响应措施。CPS主机根据压力传感器组提供的时隙和压力波形,通过模型算法形成车辆的称重数据并判断车辆载体是否已经完全通过, 以此来通知AEI主机关闭其微波装置,停止发射微波。一旦检测到车辆到来,CPS主机就调用软件程序形成报文并录制视频,这些工作都在前台完成。

　　后台处理部分的程序由一组守护进程组成, 随时接收前台的请求。当前台处理部分的程序完成对通过检测点的列车车号、车重的数据采集以及通过时的视频录制后,立即将该数据以报文形式、视频以文件形式上传至后台服务器。新系统数据表的设计同时满足原有信息处理系统和新开发应用软件系统的使用要求,该数据表对原有信息处理系统提供只读访问权限。由于网络摄像机支持多码流传输连接,因此通过后台处理程序可以 实时访问 前台网络 摄像机。在前台CPS主机通过一个码流经SDK调用连接某网络摄像机时,通过另外一个码流后台程序可同时访问该网络摄像机而不会干扰CPS主机的访问,实现实时监控列车通过的情况。

　　2功能及实现

　　可视化铁路车辆自动检测系统实现车辆自动检测、视频监控及录像、信息传输和管理以及设备状态监控等功能。

　　( 1) 车辆自动检测。CPS主机上车辆检测程序通过安装在铁轨上的压力传感器进行车辆检测,同时判断车 辆方向。当车辆到 达时,通知AEI主机打开车号读取天线进行车号读取,同时CPS主机进行车辆录像; 当车辆驶离时 ( 根据压力传感器状态及设定的时间进行逻辑判断) ,将车辆离开信号发送给AEI主机关闭车号读取天线,并将车辆录像进行保存。一旦CPS主机判断列车已经完全通过,则将从AEI主机接收到的列车信息和已获取的称重数据形成完整的数据报文文件。进行车号读取时,AEI主机读取符 合TB / T 3070 —2002标准的机车及车厢信息并发送至CPS主机,由CPS主机形成该列车机车及车辆的完整信息报文,包括文件头、机车信息和车辆信息,其中,文件头包含5个字段: 列车车辆数、 机车数、列车速度、开机传感器号和关机传感器号; 机车信息包括: 机车检测标志和机车号; 车辆信息包括: 车种、车号、载重、自重和辆序。

　　( 2) 视频监控及录像。检测点的CPS主机直接通过网络与摄像机进行连接,对摄像机进行管理。当车辆检测程序接收到车辆到达信号后,同时获取全部摄像机的视频码流进行录像,写入CPS主机本地硬盘,列车离去后形成视频文件再上传至后台服务器,视频文件以静态文件的形式保留在磁盘空间中。各检测点的摄像机也可通过辅助视频码流接入后台服务器视频管理程序, 通过服务器Web服务对现场情况 进行实时监 控。为保证晚间的视频监控,在检测点安装LED照明补光灯,CPS主机会进行判断并发送指令给信号控制器,根据设定的开灯时间及车辆经过状态进行照明设备的智能开启。与此同时,一旦检测到车辆到来,CPS主机就调用摄像机视频流复制程序,开始录制列车经过的视频录像并保存在CPS主机中,直至判断列车已经离开则停止录像并形成视频文件,再上传至后台服务器。在录制视频时,CPS主机将做时间判断,如果是在夜间则会通过串口发送软件指令至信号控制器打开LED补光灯。

　　( 3) 信息传输及管理。当列车驶离后,包含该列车的完整车号的报文文件、对应的视频文件在本地CPS主机内进行保存,再自动上传到后台服务器上。前台处理程序给后台处理程序发送一个接收请求,后台处理程序根据该请求和文件命名规则判别来自前台的不同文件,在将报文写入后台数据库的数据表中时附加可辨别的字段值,数据表中另外设置一个字段存放视频文件的引用名。CPS主机按照循环覆盖的原则,若预留的磁盘空间不够用则删除保存最早的报文和视频文件。后台服务器上运行的管理程序根据开 / 关传感器的编号进行方向模式匹配形成进 /出场信息,报文文件与对应的视频文件形成对应关系信息,这些都存储在运行于后台服务器上的数据库中,这样应用软件在确认进 /出场车号后,可在设定的时间段内检索包含车号的车次及车次对应的视频文件。CPS主机与后台服务器之间的文件传输采用基于HTTP协议的Socket编程,后台服务器启用HTTP Server。如果发生网络故障或其他原因导致无法连接后台服务器时,CPS主机启动定时程序,在一个周期( 10 min) 后重新尝试连接直至传输成功。

　　( 4) 设备状态监控。对系统中所有检测点的主要设备运行状态和参数进行在线监控,主要设备状态及参数有: 压力传感器参数、AEI主机状态、摄像机通信状态、CPS主机运行状态。设备状态在监控界面上以不同颜色的小图标表示: 绿色表示正常,红色表示故障。设备状态及参数由后台服务器上的HTTP Server发布,用户通过浏览器即可访问。这些检测参数首先由检测点的CPS主机通过 运行的监 控程序获 取,再通过Socket程序用UDP协议传输给后台服务器上的运行程序并保存在数据库中。前台CPS主机定期与后台处理程序组中的状态监控程序通信,传送主要设备运行状况数据,这样在人机界面上可实现对设备状态的监控。

　　3设计要点和注意事项

　　( 1) 摄像机选择。受铁路沿线的地理条件限制,摄像机距离列车车厢的最佳距离很难保证, 因此选择合适的摄像机可以在广角镜头的视野内看到列车宽度以及重点关注区域。采用的宽动态摄像机技术可以较好地解决夜晚LED灯聚焦车箱侧门特别字体上曝光过度成为白色的问题。值得注意的是,只有用支持双码流的网络摄像机才能实现CPS主机录像和实时监控并发操作。

　　( 2) 压力传感器安装。所用压力传感器的外形是一个锥形体,依靠铁轨形变对传感器的作用产生压力,由CPS主机通道卡接入系统进行压力数据采集。因此,安装精度要求极高,在铁轨上开孔时要在加工车间内完成,尽量避免现场制作。

　　( 3) 设备日常管理和监控。对设备的日常管理和监控是系统运行、维护的重要环节,尽可能将设备纳入到管理机制中,通过监控程序可以帮助使用者及时发现故障和问题,提高系统的平均无故障时间。

　　( 4) 软件架构。主控程序及数据库系统在后台服务器上运行,人机界面通过浏览器访问系统,文件在网络上传输主要 通过HTTP协议完成,只需要在服务器上启动HTTP Server即可,系统运行环境部署简单、资源消耗较小。

　　( 5) 一体化控制箱设计。设计时需满足全天候在户外使用的条件,必须考虑防雨、防鼠、散热、便于维护等因素。

　　4结束语

　　相比类似的其他系统,该可视化车辆自动检测系统实现了运输可视化监管、货物远程计量、 运输信息自动采集,获得的信息更加丰富、全面、 有效,为马钢铁路运输提供了有力的技术支撑。 系统涉及电子标签读取、网络摄像、压力传感数据采集、灯光控制、网络数据传输等诸多技术和产品,在实际使用过程中经历了各种气候环境, 系统运行近2年来,表现出良好的稳定性和可靠性。铁路运输在我国的货运市场中占有重要地位,而信息化手段是实现运输现代化、提高运输效率的重要技术保证。车辆自动识别系统不仅对国家铁路运输意义重大,而且对于拥有自备铁路的大型企业同样十分重要。