1、摘 要 为推进铁路现代化建设，实现货车列检作业环节的减少，推动从人检到机检、静态检测到动态检删的转变，提高列检效率和质量，保障货物列车运行安全，铁路列检站急需要一种可以对目前运行的铁路货车车辆的标签进行识别，对车底重要部位进行高速、清晰的图像采集，井可阻实现 /W .d 动识别的设备，因此 -货车运行故障动态图像检测系统（ Troubic of Mwmg Frcigjit Car Detection Systcm， TFDS）孕育而生。 本文主要介绍了铁路货车运行故障动态图像检测系统的研究过程作者将TFDS 系统分为前端控制与采集于系统和计算机视觉故障自动识别子系统两部分，每个子系统又分为若干
2、模块分别设计。本文重点对静端控制与采集子系统的车号识别设备、图像自动采集设备，以及对计算机视觉自动识别子系统的针对两类常见故障的计算机视觉图像自动别算法进行了研究。研究车号自动识别设备时，应用了射频识别 (RadioFrcquency Ident ification， RFID)技术中的微波反射调制解调原理。其中载波信号生成子模块产生 910.1MHz、 912.1MHz 和914.1MHz 频点的可选载波信号，标签将车号编码信 息通过幅度调制加载到载波信号中，反射波经过与载波同频本振信号混频并滤波后得出车号编码信号。该信号经过解码模块解码得出车号信息，研究图像自动采集设备时，本文选 #了UP
3、.8001 业摄像头 +Matrox Metcor】 I /Digital 图像采集卡的组合。在针对铁路货车两类常见故障的计算机视觉故障自动识别算法方面，采用了计算机视觉（ Computer Vision， cv）技术。主要使用了直方图的灰度变换将待检图片进行预处理然后使用 Sobel 算子对图像进行边缘检测。在故障识别算法的设计中运用了图像投影理论， Hough 变换以及 Hough 逆变换经典算法。铁道部 tbr3070-2002铁路机车车辆自动识别设备技术条件铁路标准为本文依据。 关键诃：车号自动识别系统； RFID;计算机视觉：货车运行故障动态图像检测系统 Abstract In or
4、der to advance railroad modernization, realize the freight train inspection link reduction, promote from the people seized to machine inspection, static detection to dynamic check delete change, improve train inspection efficiency and quality, guarantee of the safe running of the train, the railway
5、train inspection station in urgent need of a can now run a railroad freight car tag identification of important parts, car high speed, clear image acquisition, well resistance /W .d automatic identification equipment, therefore - Van operation fault dynamic image detection system ( Troubic of Mwmg F
6、rcigjit Car Detection Systcm, TFDS ) born. This paper mainly introduces the railway freight operation fault dynamic image detection system research process author TFDS system is divided into a front control and data acquisition system and computer vision fault automatic recognition system in two par
7、ts, each subsystem is divided into several modules were designed. This paper focuses on the static end control and data acquisition subsystem number identification equipment, automatic image acquisition equipment, as well as on computer vision automatic recognition system for two kinds of common fau
8、lts of computer vision image automatic recognition are studied. Study of the automatic car number identification equipment, application of radio frequency identification ( RadioFrcquency Ident ification, RFID ) technology in the microwave reflection modulation and demodulation principle. Where the c
9、arrier signal generation module to generate910.1MHz,912.1MHz and 914.1MHz frequency point optional carrier signal, the label will be coding information is loaded into the carrier signal by amplitude modulation, reflection wave with the same frequency of the local oscillator signal carrier mixing and
10、 filtering after the coding signal. The signal is decoded by decoding module of vehicle number information, research image automatic collecting device, this paper selected # UP.8001camera +Matrox Metcor I /Digital image acquisition card combinations. In two kinds of common troubles in railway freigh
11、t car computer vision fault automatic recognition algorithm, using computer vision ( Computer Vision, CV ) technology. The main use of the histogram of the gray level transformation will be seized image preprocessing and then use the Sobel operator image edge detection. In a fault identification alg
12、orithm for use in the design of the image projection theory, Hough transform and Hough transform algorithm. Ministry of railway tbr3070-2002railway locomotive vehicle automatic identification equipment technical conditions“ standard is based on the railway. The key to: automatic train identification
13、 system; RFID; computer vision: Van operation fault dynamic image detection system 目录 摘 要 . 1 Abstract . 2 目录 . 4 第 1 章 TFDS 故障自动检测系统的整体设计 . 5 1.1 系统功能 . 5 1.2 系统组成 . 5 1.2.1 概述 . 6 1.2.2 系统原理 . 7 1.2.3 系统功能 . 7 1.3 系统工作流程 ， . 8 1.4 安装使用情况 . 8 1.4.1 安装和使用 . 8 1.4.2 重要作用 . 8 第 2 章前端控制与采集子系统研究 . 9 2.1
14、 前端控制与采集子系统总体设计 . 9 2.2 车号自动识别设备 . 10 2.3 初末级放大子模块 . 11 第 3 章 图像采集设备 . 12 3.1 工业摄像头 . 12 3.2 图像采集卡 . 13 3.3 上位工控机 . 13 3.4 补光光源 . 14 第 4 章 计算机视觉故障自动识别子系统研究 . 15 4.1 计算机视觉故障自动识别子系统总体设计 . 15 4.2 心盘螺丝丢失识别算法 . 16 第 5 章 系统调试及性能参数 . 17 5.1 车号自动识别设备调试 . 17 5.2 图像自动采集设备调试 . 19 5.3 系统整体联调 . 20 5.4 系统性能参数 . 2
15、3 5.4 图片质量 . 24 5.5 设备问题 . 24 结束语 . 25 参考文献 . 27 第 1 章 TFDS 故障自动检测系统的整体设计 1.1 系统功能 本课题所研究的货车运行故障动态图像自动检测系统 (TFDS)，主要负责对一些直接影响列车行车安全的关键部位进行图像采集和自动检测，以弥补传统列检作业方式的不足。 本系统要实现的功能如下： (1)对行进中的铁路货车的转向架心盘、转向架静 J 动粱等重点待检测部位进行抓拍，自动生成顺位图像： (2)自动计轴、计辆； (3)自动 测算车速； (4)采集车次、车号、车种车型； (5)对抓拍的重点检测部位照片进行故噔自动识别。 1.2 系统
16、组成 TFDS 系统主要由检测信息采集设备、信息处理传输设备、列检所检测中心和其他复示终端构成。 检测信息采集设备即轨边探测设备，主要有高速摄像装置、光源补偿装置、车轮传感器、 AEI 地面天线等组成，主要完成过车检测、光源补偿、图像采集任务。 信息处理传输设备即探测站机房内设备，主要有图像信息采集设备、车辆信息采集设备、交换机、光纤收发器等组成，主要负责对过车信息处理并控制室外设备的正常工作 ，将采集到的图片进行处理，并将处理后的图像数据传输到列检所检测中心。 列检所检测中心设备由服务器和检测中心室内设备组成。服务器主要完成车辆和图片信息的接收、存储和管理，检测中心主要完成图像信息的显示、故
17、障信息的收集以及工作信息的记录。 其他复示终端有段、局复示中心、部查询终端等，主要起监控、查询、统计等管理作用。 1.2.1 概述 我们将整个 TFDS 检测系统分为前端控制和采集子系统以厦计算机视觉故障自动识别子系统两部分分别进行设计。整个系统的组成及功能框图如图 2 1所示。 其中，前 端控制和采集子系统主要由 车号自动识别设备和图像自动采集设备两部分组成。车号自动识别设备负责自动采集并识别固定在铁路货车底部的标签内的车号信息，统计车轴数和车厢辆数，自动识别车种（客车货车）、车型：图像自动采集设备负责测算车速，采集货车底部待检部位的图片。计算机视觉故障自动识别子系统包括图像自动识别专用计算
18、机 -数据存储服务器和前端窗口计算机群组成。其中，图像自动识别专用计算机负责调用图像预处理算法、图像特征提取算法和故障判断算法程序对保存在数据存储服务器内的图片进行处理和故障判别；数据存储服务器作为 Oracic 数据库保存所有检测货 车的原始数据；窗口计算机群负责为列检值班员提供操作窗口。本系统示意图如下：1.2.2系统原理 TFDS 系统采用了当今的一些新技术：高速摄像、大容量图像数据实时处理、模式识别、计算机及网络等技术。 系统通过布置于钢轨之间的高速相机阵列，拍摄通过列车车辆的转向架、基础制动装置、车钩缓冲装置等车辆关键部位的图像，经计算机处理后传输到室内分析室。室内检车员对抓拍到的图
19、像进行分析、判别有关故障，从而达到动态检测车辆主要技术状态的目的。 1.2.3系统功能 TFDS 系统具备图像化监控运行列车关键部位的能力，具备以下 功能： （ 1）自动拍摄和筛选出车辆转向架、基础制动装置、车钩缓冲、交叉杆底部等部位的图像，实现对车底和侧下部的检测。 （ 2）通过人机结合的方式对车辆图像信息和过车信息进行分析，判别故障。 （ 3）室内分析室按一车一档的方式建立并显示图像。 （ 4）自动对通过列车进行计轴、计辆和测速。 （ 5）自动识别列车车次、车号信息，判别货车车种车型。 （ 6）自动生成列检所常用统计报表。 （ 7）能够实现分散检测、全程追踪、全线联网、信息共享的要求。 1
20、.3 系统工作流程 ， 系统首先进行参数的初始化，然后通过安放在轨边的 碰钢来探测是否来车，如果磁钢有信号，系统则进入工作状态等待车辆通过，否则继续探剩在车辆通过的同时，通过磁钢统计车轴数和辆数，车号自动识别设备自动采集和识别车号，然后判断是客车还是货车，如果是客车则返回，是货车则通过测速磁钢测算车辆行驶速度，计算定位数据，图像自动采集设备定位捕捉重点部位图像，然后判断整列车是否已经通过完毕，未完毕返回，完毕则通过上位机处理处理采集到的原始车号、图片等原始数据并通过光纤将数据传至数据存储服务器，接着图像自动识别专用计算机自动处理井识别数据存储服务器中新保存的图像处理后在窗口机给出信号车辆最新数
21、据和故障车信息，完成接车全过程。完成后，系统进入待机状志。 1.4 安装使用情况 1.4.1 安装和使用 2004 年底，我段在上、下到列检所各安装了一套 TFDS，并开始使用。到目前，已经先后在郑北、新乡南、晋北、南阳西、嘉峰等主要列检所安装了 11 套，按照部、局计划，今年还有 8 套要安装并投入使用。随着时代的发展， TFDS 的使用将会普及到各条线路的所有列检所。 通过近几年的实际运用，在用的 TFDS 均发现了大量的车辆下部实际故障。尤其是对于区间非技检列车， TFDS 正在取代传统列检作业的作用，对车辆 进行动态检测，保障着行车安全。 1.4.2 重要作用 纵观近几年的使用情况，
22、TFDS 系统已经在目前的列检工作中发挥着以下重要作用： （ 1）由“人控”向“人机联控”的改变，改变了以往单独由人工作业的方式，提高故障检查的可靠性。 （ 2）由“室外检查”向“室外室内联检”的改变，减轻了室外作业劳动强度。 （ 3）由“静态检查”向“动态检测”的改变，更有效地保障运行车辆的安全，同时可以逐步减少区间列检作业，提高运输效率。 （ 4）便于原因分析、责任追究，通过查询图像、追踪分析以前记录，可以准确地追查出原始列检作业中的漏检漏 修情况，便于定责。 本章对系统的功能、组成和工作流程进行了介绍，对 TFDS 故障自动检测系统进行了整体设计。在对整个系统进行整体了解和设计后，接下来
23、的两章将整个系统分为前端控制与采集系统和计算机视觉故障自动识别系统这两个子系统分别进行研究。 第 2 章前端控制与采集子系统研究 2.1 前端控制与采集子系统总体设计 系统的组成框图如图 22 所示。前端控制与采集子系统主要由车号自动识别设备和图像自动采集设备两部分组成。其中车号自动识别设备硬件将该设备分为以下几个模块： RF 射频模块、解码与控制模块、环行器、天线和标签。 其中RF 射频模块包括；载波信号生成模块、初末级放大模块、解调模块、信号放大整形模块：解码与控制模块包括；信号实时解码模块、车号上传与控制模块载波信号生成模块负责生成 910.1、 912.1、 914.1MHz 可选载波
24、信号，经韧末级放大模块放大后经过环行器并通过收发共用天线发射出去。载波信号被标签内的调制电路调制后附加上了车号信息，反射回天线，经过环行器传送到解调模块进行解调，解调后得到的信号通过放大整形后上传到信号实时解码模块按照编解码标准解出车号信息，车号上传与控控制块将解出的车号信息上传到上位工控机。 图 像自动采集设备的硬件框图如图 32 所示，它包括：工业摄像头、图像采集卡、工控计算机和补偿光源。 工业摄像头用来摄取被检测部位的图像，即将光信号转换成电信号，输出一般为模拟信号或特定格式的数字信号，信号进过图像采集卡处理成指定式的图片，通过 PC 接口上传并保存在上位工控机内存中，接车完毕后，保存到
25、硬盘内工业摄像头在拍摄时，补偿光源同时触发，功能与民用相机的闪光灯相同。 2.2 车号自动识别设备 车号自动识别设备自动识别车号是使用了微波反射调制解调原理”。标签上反射调制电路的功能框图，数字基带电路产生符合 TWI3070.2002 标准定义为变形移频键控 FSK 信号 f，输出到微波 FET 晶体管的栅极图中的 z 是一个无源且无耗的反射系数变换网络，当 FET 沟道阻抗在其栅极信号脉冲的控制下发生变化时，将引起耐络 了 的负载反射系数的变化，经过网络 Z 的变换后，造成在天线端口反射系数的变化。不妨设天线端口的反射系数为： r（ t） e， r(t)和 f（ f）分别表示受到调制的反射系数的模和相角通过选择变换网络 Z 的参数，使得网络输入端反射系数的模值恒为常数，在反射波上将得到 PSK 调制信号：同样，如果使反射系数的相位恒为常数，则在反射波上将得到幅 度调制信号。反射调制式射频识别系统工作时，阅读器发出微波查询能量信号，电子标签收到微波查询能量信号后将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作，另一部分微波能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回阅读器。阅读器接收反射回的幅度调制信号从中提取出电子标签中保存的标识性数据信息。系统工作过程中，阅读器发出微波信号与接收反射回的幅度调制信号同时进行 。
