視頻技術(shù)在鐵路線路動態(tài)檢查儀中的應(yīng)用研究

吉 克

(中國鐵路太原局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030013)

1 研究背景

近幾年來，鐵路線路的大規(guī)模開通運(yùn)營，行車速度不斷提高，對軌道的平順性要求也越來越嚴(yán)格。軌道平順性不良，將直接引起列車運(yùn)行過程中的車體晃動，輪軌之間作用力增大，嚴(yán)重危害軌道和機(jī)車車輛部件，甚至引發(fā)安全事故，危及行車安全。便攜式線路檢查儀作為添乘人員上車添乘的輔助工具，雖能夠動態(tài)檢測并記錄線路病害，但在發(fā)現(xiàn)路外情況及其他問題時(shí)，無法直觀準(zhǔn)確的記錄添乘過程，不能顯示問題的具體情況。因此，急需在現(xiàn)有便攜式線路檢查儀的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)人工添乘輔助功能，降低添乘人員的工作強(qiáng)度，提高添乘記錄的準(zhǔn)確性。在添乘過程中引入視頻監(jiān)控，通過添乘標(biāo)記與視頻錄像的結(jié)合，準(zhǔn)確直觀的記錄添乘過程，同時(shí)將視頻錄像與線路里程等信息疊加匹配，便于添乘后的添乘記錄回放、分析和對添乘問題進(jìn)行有針對性的補(bǔ)充完善。

2 系統(tǒng)組成

檢查儀由兩部分構(gòu)成：硬件部分包括主機(jī)、GPS天線、高清攝像頭、微型熱敏打印機(jī)、充電器及配套數(shù)據(jù)線，供工務(wù)人員上車添乘線路使用。軟件部分包括固化軟件、客戶端軟件(PC機(jī)安裝)。

2.1 線路檢查儀硬件組成

線路檢查儀的硬件設(shè)備包括：SY-6主機(jī)、GPS天線、高清攝像頭、微型熱敏打印機(jī)、充電器及配套數(shù)據(jù)線等。

2.2 軟件組成

軟件分為固化軟件和客戶端軟件兩部分。

2.2.1固化軟件

固化軟件主要實(shí)現(xiàn)上車添乘的相關(guān)功能，包括：

1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括視頻數(shù)據(jù)、線路信息及病害數(shù)據(jù)、GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的采集。

2)數(shù)據(jù)處理存儲。

線路病害數(shù)據(jù)采用FIR數(shù)字濾波和峰值檢測等算法進(jìn)行降噪提取提高測量精度和準(zhǔn)確度，并與位置、速度等信息組成病害信息數(shù)據(jù)；視頻數(shù)據(jù)使用H.264視頻編碼算法，在保證視頻質(zhì)量的前提下完成視頻圖像的壓縮和存儲，并將線路病害和位置信息疊加在視頻上便于查找和檢索。

3)界面操作顯示。

配合電容觸摸屏采用Qt平臺，界面和操作更加人性化和用戶友好，可以方便快速的完成添乘前、添乘中和添乘后的相關(guān)操作及添乘數(shù)據(jù)的顯示、查詢和打印等操作。

2.2.2客戶端軟件

安裝在PC機(jī)上。主要實(shí)現(xiàn)對設(shè)備之間的參數(shù)設(shè)置和下發(fā)，以及接受設(shè)備的添乘數(shù)據(jù)并配合視頻文件對添乘數(shù)據(jù)的查詢、分析和統(tǒng)計(jì)。客戶端軟件的主要功能模塊有：

1)GPS坐標(biāo)和參數(shù)設(shè)置。

用于設(shè)備與電腦之間上傳和下載GPS坐標(biāo)和相關(guān)添乘參數(shù)。包括：車型、線名與線號對應(yīng)表、單位與編號對應(yīng)表、門限設(shè)定、管界信息、單位及線名信息等。

2)數(shù)據(jù)處理和視頻回放。

用于接收、整合設(shè)備的添乘數(shù)據(jù)，導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等功能。結(jié)合視頻錄像和超限數(shù)據(jù)，快速定位并回放相關(guān)段落的錄像，清楚直觀的顯示問題情況，并具有調(diào)整播放速度、快進(jìn)、快退、單幀播放等功能，便于進(jìn)一步分析。

3)查詢分析。

對添乘數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、查詢。包括超限數(shù)據(jù)查詢、重復(fù)病害查詢、同期數(shù)據(jù)橫向比對等。

3 技術(shù)原理

在充分考慮了項(xiàng)目要求和產(chǎn)品的可用性、可靠性及可擴(kuò)展能力的前提下，結(jié)合了新型數(shù)字技術(shù)解決了以下幾個(gè)問題：

1)如何進(jìn)一步提高線路數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和處理速度；

2)如何進(jìn)行高清視頻的采集、編碼和處理；

3)如何進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的高速存儲。

3.1 FPGA和數(shù)字濾波器的應(yīng)用

3.1.1數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

機(jī)車高速運(yùn)行過程中，軌道不平順產(chǎn)生的高頻振動會因?yàn)闄C(jī)車自身減震作用被衰減，因此病害分析中主要以低頻信號為主。FIR濾波器因?yàn)樵诳梢员ＷC任意幅頻特性的同時(shí)具有嚴(yán)格的線性相頻特性，在模式識別和信號處理中有著廣泛的應(yīng)用，具有穩(wěn)定性高、精度高、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，避免了模擬濾波器的電壓偏移、溫漂和噪聲等問題。

3.1.2FPGA在數(shù)字濾波器的應(yīng)用

FPGA，即現(xiàn)場可編程邏輯門陣列，與傳統(tǒng)的邏輯電路相比其內(nèi)部使用了查找表和觸發(fā)器結(jié)構(gòu)驅(qū)動其他邏輯電路和IO管腳，構(gòu)成了可以通過加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。與采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)的CPU等通用處理器只能順序執(zhí)行程序不同，F(xiàn)PGA內(nèi)部是數(shù)字電路，其可并行，可配置性和靈活性是傳統(tǒng)方式無法相比的，適用于復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。

FIR濾波器的數(shù)學(xué)形式如下：

使用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)FIR濾波器，需要先根據(jù)目標(biāo)計(jì)算理想濾波器的單位沖激響應(yīng)：

為了能使濾波器的性能接近理想濾波器，選擇合適的窗函數(shù)：

其中,N為窗函數(shù)的長度，N值越大，性能越接近理想濾波器。

并根據(jù)實(shí)際情況移動窗函數(shù)位置可以得到相應(yīng)的濾波器參數(shù)。

可以看出使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法非常繁瑣，計(jì)算量大。借助于電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力的提高，QuartusII提供了基于FPGA的FIR設(shè)計(jì)工具，可以直觀高效的在FPGA上設(shè)計(jì)出相應(yīng)的濾波器。通過多次添乘測試和儀器測量，發(fā)現(xiàn)因軌道不平順產(chǎn)生的晃車振動在0 Hz～20 Hz頻率范圍內(nèi)最為集中，因此確定了濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.2 視頻編碼技術(shù)和應(yīng)用

3.2.1H.264視頻編碼技術(shù)

通過在添乘時(shí)配合視頻監(jiān)控技術(shù)，可以準(zhǔn)確直觀的記錄添乘過程，并可以保存為視頻錄像在以后的分析中反復(fù)查看。為了在不損失畫面清晰度的情況下減小視頻文件的體積，使用了數(shù)字視頻壓縮格式H.264。

3.2.2ARM架構(gòu)在視頻編碼處理的應(yīng)用

Cortex-A9多核處理器結(jié)合了Cortex應(yīng)用級架構(gòu)以及用于可擴(kuò)展性能，包含ARM特定應(yīng)用架構(gòu)擴(kuò)展集，包括DSP和SIMD擴(kuò)展集、TrustZone安全訪問區(qū)域、智能功耗管理等技術(shù)，提供浮點(diǎn)運(yùn)算單元FPU可以完成高性能的雙精度浮點(diǎn)指令運(yùn)算，集成NEON媒體處理引擎和Mali圖形處理單元，同時(shí)在優(yōu)秀的功耗控制的前提下將處理器的主頻提升到1.8 GHz以上。

3.3 高速大容量存儲設(shè)備的應(yīng)用

即使使用H.264的高壓縮編碼技術(shù)，錄制長時(shí)間的視頻文件的體積仍然較大，傳統(tǒng)的存儲芯片存儲時(shí)間短，也不便于容量上的升級。因此需要使用大容量的存儲設(shè)備保存視頻和其他數(shù)據(jù)文件，同時(shí)又要滿足尺寸小，速度快，便于更換等特點(diǎn)。

3.4 硬件抗干擾設(shè)計(jì)

硬件抗干擾主要從兩方面設(shè)計(jì)，一方面是優(yōu)化印刷電路板的硬件布局，另一方面增加屏蔽措施。

印刷電路板采用分隔數(shù)字地、模擬地和電源地，確保地平面之間連接可靠，降低地平面噪聲串?dāng)_；對于關(guān)鍵的信號走線如視頻線、高速信號線等采用差分等長走線，遵循3W原則，并用地平面隔離不同類型的走線，抑制共模噪聲，防止信號之間的相互干擾；采用獨(dú)立的模塊化供電方式，使用大容量濾波電容，進(jìn)一步提升電源的純凈度。

屏蔽層接地處理，各個(gè)功能模塊嚴(yán)格按照EMC規(guī)范設(shè)計(jì)，有效降低自身對外部的電磁輻射，同時(shí)可以屏蔽掉外來的電磁干擾。

3.5 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

軟件采用冗余CRC校驗(yàn)方式，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性；對保存在Flash上的重要數(shù)據(jù)使用“讀—修改—寫—讀”，保證數(shù)據(jù)能夠正確的寫入。

4 功能及性能特點(diǎn)

4.1 功能特點(diǎn)

1)實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測線路情況，采用FPGA高速處理加速度數(shù)據(jù)。

2)GPS定位，自動識別線路、行別及管界等線路信息，并能根據(jù)定位信息自動校正里程誤差。

3)實(shí)時(shí)視頻采集和存儲，并在錄像上自動疊加相關(guān)的速度、里程、線路、管界等線路信息和實(shí)時(shí)加速度信息，方便回放檢索和查看定位。

4)自動根據(jù)車型、速度等選擇晃車門限，自動根據(jù)超限數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)警并打印超限信息。

5)大容量數(shù)據(jù)存儲。

6)實(shí)時(shí)振動波形和相關(guān)信息顯示。

7)采用7寸電容觸摸屏，界面友好。

8)USB2.0接口，高速數(shù)據(jù)傳輸。

9)工作時(shí)間不小于15 h。

10)藍(lán)牙通信，可以與車載式線路檢查儀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

11)微型熱敏打印，快速、低功耗。

4.2 性能特點(diǎn)

1)采用FPGA組成的高性能數(shù)字處理模塊，對線路不平順引起的低頻晃車更加敏感，反映線路實(shí)際情況更準(zhǔn)確，極大提高了線路檢測的一致性。

2)采用ARM Cortex-A9架構(gòu)處理器，極大的提高了系統(tǒng)的采樣速度和處理速度，減少病害漏報(bào)。

3)數(shù)據(jù)處理采用了數(shù)字濾波器和峰值檢測等新型算法，有效消除各種干擾，降低誤報(bào)率。

4)實(shí)時(shí)視頻的采集、處理和儲存，視頻錄像上疊加里程、速度和線路信息與線路晃動數(shù)據(jù)信息，便于視頻回放檢索和查找添乘問題。

5)使用新型GPS模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位、快速搜星、自動識別線路名稱、行別和所屬管界信息等。

6)應(yīng)用藍(lán)牙通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)與機(jī)車數(shù)據(jù)共享，有效解決隧道內(nèi)沒有GPS無法定位問題，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)展功能。

7)滿足各類型機(jī)車使用，可根據(jù)線路情況和車輛情況調(diào)整使用門限。

8)便攜式熱敏微型打印機(jī)，快速、低功耗、高質(zhì)量打印。

9)完善的軟件分析處理功能，可以多種數(shù)據(jù)分析和處理，結(jié)合視頻錄像，快速定位超限數(shù)據(jù)的位置。

5 結(jié)語

SY-6型便攜式線路檢查儀的研制開發(fā)并投入使用，使便攜式線路檢查儀整體性能上升了一個(gè)新臺階，極大提高了既有線路以及高鐵、客運(yùn)專線的動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的一致性。

視頻監(jiān)控在便攜式線路檢查儀中的應(yīng)用，為日后添乘數(shù)據(jù)的記錄、分析提供了便利。客戶端軟件將儀器檢測數(shù)據(jù)與人工添乘記錄同時(shí)入庫，進(jìn)行對比、查詢、統(tǒng)計(jì)，為提高線路檢測的精準(zhǔn)度創(chuàng)造了條件。