一種采用FPGA的軌道異物檢測系統

吳志勇, 鞠傳香

(山東理工大學 計算機科學與技術學院， 山東淄博 255049)

一種采用FPGA的軌道異物檢測系統

吳志勇, 鞠傳香

(山東理工大學 計算機科學與技術學院， 山東淄博 255049)

摘要：為降低貨運列車行駛過程中的事故發生率，設計實現了貨運軌道異物檢測系統.系統包括位于車頭上部的視頻采集處理裝置和位于駕駛室內的異物檢測系統兩部分.首先，介紹了系統結構和異物檢測系統的功能結構，描述了采用FPGA模塊的圖像采集處理裝置的硬件結構.然后，給出了系統異物檢測的幀間差分算法和背景減法算法及流程.針對系統之間的數據傳輸問題，設計了上位機和下位機的通信協議，包括數據結構、幀定義和通信流程.最后，給出了上位機異物檢測系統的開發環境和運行結果演示.經測試表明，系統運行正常、檢測正確率高，能較好的給予駕駛員異物報警提示.

關鍵詞：異物檢測； FPGA； 圖像處理； 貨運列車

2014年5月25日，國家鐵路局首次發布了2013年鐵路運輸安全監管報告.報告中指出，2013年全國鐵路交通事故死亡人數1336人[1].鐵路運行安全一直以來都是國家安全總局重點監管對象，鐵路部門也通過各種先進管理理念和科技技術來盡量避免事故發生，雖然2013年事故發生率比2012年下降了5.2%，但與國外發達國家相比，我國事故率仍處高位.另外，2013年披露的鐵路交通事故中，鐵路貨車事故占較大比例.通過對事故分析可以看出，大部分的事故如果能夠提前300m得到預警，并采取相應的處理措施，就可避免.一直以來，不斷發展的科技技術是鐵道安全的重要保障，隨著軟硬件技術的發展，通過在鐵路貨車車頭安裝高性能的視頻監控設備，并對視頻數據進行異物檢測，是近年來的研究熱點.

本系統將具有高性能FPGA處理模塊的視頻監控設備附著于火車車頭,通過視頻采集實時監控前方軌道狀態，并通過軌道異物檢測算法檢測前方是否存在異物,當發現異物后,系統客戶端發出報警提示.

1系統結構

軌道異物檢測系統由位于火車頭上方安裝的視頻采集處理裝置和火車駕駛室內的視頻監控客戶端構成主從式總線結構.圖像采集處理裝置通過前置攝像頭實時采集軌道前方的軌道圖像數據，FPGA可編程模塊對采集到的軌道圖像進行預處理，然后通過串口端口將處理后的軌道圖像數據實時發送到駕駛室內的軌道異物檢測系統[2].軌道異物檢測客戶端同步顯示軌道視頻，并采用幀間差分法或背景減法實時檢測軌道異物，如果發現異物，啟動告警程序，提醒駕駛員采取處理措施.系統結構框圖如圖1所示.

圖1 系統結構框圖

圖像采集處理裝置的主要功能是實現貨運火車行駛過程中的前方軌道圖像采集、圖像預處理、程序存儲、加載、數據傳輸等功能，主要包括圖像傳感器CMOS、圖像預處理FPGA編程邏輯芯片、內存SRAM、FLASH閃存、LED/LCD視頻信號輸出、USB/RS232/RJ45傳輸接口、電源電路等組成[3].圖像采集處理裝置采用實時采集處理傳輸方式，當上位機客戶端用戶選擇開啟視頻監控時，該裝置自動加電，并處于待機狀態.當用戶選擇異物檢測功能時，FPGA加載存儲在SRAM中的圖像預處理程序，并將實時采集的圖像數據經過預處理后根據裝置的狀態通過串口或網口發送到上位機.

視頻監控客戶端的軌道異物檢測管理系統主要負責對圖像采集處理裝置發送來的圖像數據進行分析檢測、存儲、查詢和統計等功能.管理系統包括系統設置、系統控制、圖像預處理管理、圖像異物檢測管理、查詢統計等5個功能模塊[4]，如圖2所示.系統設置實現通信參數和系統管理的設置，例如通訊方式的選擇(RS232、RJ45)，圖像預處理方法參數設置(灰度處理、平滑處理和補償處理)，系統用戶管理(角色控制和登錄控制)等.系統控制實現設備的控制和檢測控制，包括設備的啟動、待機和關閉，檢測功能的啟動、暫停和關閉等功能.圖像預處理程序的管理包括圖像預處理程序的下傳更新、流程控制等功能.圖像異物檢測管理實現本地檢測方法的選擇，例如幀間差分檢測和背景減法檢測.查詢統計功能包括視頻回放查詢、報警查詢統計、日志查詢等功能.

圖2 軌道異物實時檢測管理系統功能模塊

2圖像采集硬件結構

圖像采集處理硬件部分框圖如圖3所示，主要包括CCD高清攝像頭、視頻解碼器、FPGA可編程邏輯陣列、數據存儲、通信接口和周邊電路等.系統選用CCD高清攝像頭，經過光電轉換、A/D轉換后，將圖像模擬信號轉換為數字信號，然后發送給已加載圖像處理程序的FPGA芯片.現場可編程門陣列(FPGA)芯片具有體系結構和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點，通過與SDRAM/FLASH/RAM等周邊電路的集成，可快速預處理圖像，達到實時性要求[5].根據上位機的配置，經過處理后的圖像數據通過串口或網口傳輸給上位機進行顯示和檢測.

圖3 圖像采集硬件框圖

3軌道異物檢測算法

軌道異物檢測有多種方法，有主動檢測和被動檢測，也有固定檢測和移動檢測.文獻[6]采用移動被動式異物檢測方法，首先通過Hough變換檢測出鐵軌，然后分割出鐵軌異物.文獻[7]同文獻[6]的檢測方法相同，具體檢測算法不同，首先區分出大異物和小異物，然后利用已訓練好的向量機對異物進行檢測.文獻[8]采用固定被動式異物檢測方法，通過相對背景差分法對鐵路道口進行異物檢測.

該系統可選擇幀間差分算法和背景減法算法進行軌道異物的檢測[9].這兩種檢測算法都比較常用，也各有優缺點.幀間差分算法通過相鄰幀的時間差分來提取異物目標，具有效率高、適應性強的優點和易受運行速度影響的缺點；背景減法算法通過將圖像序列和參考背景相減來提取異物目標，具有計算簡單、目標形狀準確的優點和易受環境影響的缺點.兩種算法對比結果見表1.

表1 幀間差分算法和背景減法算法對比

在幀間差分算法中，首先獲取當前幀圖像，然后與前X幀的圖像進行灰度相關性幀間差計算，X值的定義根據系統配置可取2或3等.背景減法算法中，獲取當前幀圖像后與已建模的背景圖像進行背景差分計算，背景圖像的建模可根據軌道路段環境的不同分別建模.對差分后的圖像進行陰影去除、濾波后，確定異物是否出現.系統軌道異物檢測流程如圖4所示.

圖4　軌道異物檢測流程

4通信協議設計

位于車頭駕駛室內的軌道異物檢測系統與安裝于車頭上的圖像采集處理裝置之間采用主從方式進行通信，通信控制都由上位機檢測系統發起，下位機圖像采集裝置給予響應[10].

根據數據傳輸方向的不同，系統的通信協議包括兩種數據結構，即下行數據結構和上行數據結構，見表2、3.下行數據結構包括 Command byte(命令字)、 Command byte complement (命令字反碼)、Type(類型)、Length(長度)、Data(數據)，主要實現上位機對下位機圖像采集處理裝置的控制和數據設置；上行數據結構包括Command byte complement (命令字反碼)、 Command byte (命令字)、Length(長度)、Total length(總長度)、Data(數據)，主要實現圖像數據的上傳功能.

表2 下行數據結構

表3　上行數據結構

協議中的命令字包括5種類型的幀命令：請求幀、數據幀、握手幀、錯誤幀和結束幀.命令字功能說明見表4、5.

表4 下行命令字功能說明

表5　上傳命令字功能說明

設備加電啟動后，上位機檢測系統向下位機視頻采集裝置發送連接命令0xAB，0x54，如果連接正常，上位機返回確認命令0x54，0xAB，再次發送連接命令，三次握手成功后，設備之間連接成功[11].然后，上位機發送實時圖像數據上傳命令，通信流程圖如圖5所示.

圖5　上位機與下位機通信流程圖

5系統實現

系統在Visual Studio .net 2010環境下采用C#語言開發，采用面向對象程序設計方法，設計了系統用例圖、活動圖和狀態圖等，封裝了若干對象類.劃分了多個功能模塊，各功能模塊之間保證高內聚低耦合，保證系統擴展性和維護性[12].圖像數據類中的實時數據接收部分代碼如圖6所示.

圖6 圖像數據實時接收部分代碼

系統界面友好，異物檢測程序演示如圖7所示.

圖7 程序運行演示圖

6 結束語

軌道異物檢測系統對行駛中的貨運列車給予了安全保障，本文詳細介紹了該系統的軟硬件設計和實現，通過采用高效的FPGA模塊，可有效的對預處理后的圖像數據進行異物檢測.通過實驗可看出，對于低速、運行環境單一的貨運列車通過該系統可達到障礙物預警的目的.但對于高速列車，由于速度快、運行環境復雜等特點，仍存在較多問題，這也是下一步系統研究的重點.

參考文獻：

[1] 國家鐵路局. 2013年鐵路運輸安全監管報告[EB/OL].[2014-05-22].http://www.nra.gov.cn/zwzc/xwdt/xwlb/201405/t20140522_6185.htm.

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[12] Jiménez F,Naranjo J E.Improving the obstacle detection and identification algorithms of a laserscanner-based collision avoidance system[J].Transportation Research,2011，19(4):654-672.

(編輯：姚佳良)

收稿日期：2014-09-05

基金項目：山東省高等學校科技計劃項目(J10LG80)

作者簡介：吳志勇，男，wuzhiyong_sdut@sina.com

文章編號：1672-6197(2015)02-0009-05

中圖分類號：TP216

文獻標志碼：A

Obstacle detection system for railway by using FPGA

WU Zhi-yong, JU Chuan-xiang

(School of Computer Science and Technology, Shandong University of Technology,Zibo 255049, China)

Abstract:To reduce the train accidents, ensure the safety of people's life and property,this paper gives the design and implementation of theobstacle detection system for freight railway. The system includes two parts. One is the video capturing and processing device which lie head of train, the other one is the obstacle detection system which is located in the train cab. Firstly,this paper introduces theobstacle detectionsystem structure and function structure, and gives the hardware structure of image capturingand processing device. Then, the algorithms of frames differencing and background differencing for the obstacle detection are proposed including algorithm process. Aiming at the problem of data transmission between the systems, the communication protocol of upper machine and lower machineare designed, including data structure,frame definition and communication process. Finally,the development environmentof the obstacledetection system and the detection result demo are displayed.The test shows that the system runs normally with high accuracy. It couldtimelygive the warningwhen detected obstacles.

Key words:obstacle detection; FPGA; image process; freight railway