一種脫掛索道安全運行保護系統(tǒng)

賈睿璽 段 琰 鄭 泓

北京起重運輸機械設(shè)計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

脫掛索道是客運索道的一種，因其自動化水平較高、運量大、上下車便捷、快速等優(yōu)點而廣泛被市場青睞，是目前公認的主流索道。該索道通過特殊的脫掛抱索器將若干吊廂等間距的固定于1根套在驅(qū)動輪和迂回輪之間的封閉鋼絲繩上，鋼絲繩以固定速度運轉(zhuǎn)。

索道運行期間，當(dāng)?shù)鯉M站時，脫掛抱索器的脫壓輪通過站內(nèi)脫開裝置，抱索器打開，使抱索器與鋼絲繩分離，抱索器通過行走輪沿站內(nèi)軌道運行；當(dāng)?shù)鯉稣緯r，脫掛抱索器的脫壓輪通過站內(nèi)掛結(jié)裝置，抱索器與鋼絲繩咬合，抱索器隨鋼絲繩運轉(zhuǎn)。這樣即可實現(xiàn)吊廂在站內(nèi)低速、在線路上高速的循環(huán)往復(fù)運行，圖1所示為脫掛抱索器實物圖。

圖1 脫掛抱索器實物圖

在脫掛抱索器進行脫開和掛結(jié)的過程中，如果抱索器位置不到位，極有可能使吊廂偏離鋼絲繩運行，造成安全事故。為了保證脫掛抱索器的位置準確，達到脫開到位和掛結(jié)到位的效果，脫掛索道通常在站內(nèi)抱索器運動路徑上安裝了多個限位開關(guān)，一旦抱索器位置異常，便會觸碰就近的限位開關(guān)，索道立即停止運行。如果限位開關(guān)由于自身內(nèi)部接觸不良等原因失效，即使抱索器因位置不佳而觸碰了開關(guān)，也無法使索道停止運行，索道安全事故依然存在，故單一的限位開關(guān)不能完全消除脫掛抱索器在站內(nèi)位置異常而造成的安全隱患。從統(tǒng)計學(xué)角度分析，縱觀近年來所發(fā)生的安全生產(chǎn)事故，雖然限位開關(guān)內(nèi)部接觸不良是小概率事件，但是許多事故發(fā)生概率往往落在小概率區(qū)間內(nèi)，小概率事件不可被忽略。

針對上述問題，設(shè)計了一種基于圖像處理技術(shù)的脫掛索道安全運行保護系統(tǒng)，聯(lián)合限位開關(guān)的檢測能力，以期為脫掛索道安全運行提供雙重保障。

1 安全保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為安全保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)主要由限位開關(guān)、攝像頭、錄像機、PC控制中心、上位機、PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成，其中PLC控制系統(tǒng)主要包括制動系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)。

圖2 安全保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

POE攝像頭不需要每個電源模塊單獨供電，而是通過POE網(wǎng)線與多路NVR錄像機連接，基于以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)架構(gòu)，在保證網(wǎng)絡(luò)攝像頭數(shù)據(jù)信號傳輸同時，還能由NVR錄像機為攝像頭統(tǒng)一提供直流電源，安全性、防雷性、節(jié)能性較好；方便快捷，省去了電纜布線的工作量。

每一個POE攝像頭對應(yīng)1個限位開關(guān)，在POE攝像頭固定好并取得合適的場景之后，NVR錄像機將攝像頭獲取的影像進行存儲，攝像頭需具備以下特性：

1)抗振性強 脫掛索道在高速或低速運行時，站內(nèi)設(shè)備、檢測開關(guān)容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，故攝像頭需具備較強的抗振性，消除振動帶來的干擾。

2)靈敏度高 雖然多數(shù)形位開關(guān)體積較大，易于捕捉，但是對于形位開關(guān)位置微小的變化要求攝像頭能夠在一定程度上對此變化進行有效、清晰地識別。

在索道運行過程中，PC控制中心讀取NVR錄像機中各個POE攝像頭的影像信息，實時監(jiān)測限位開關(guān)位置狀態(tài)。PC控制中心通過上位機與PLC控制系統(tǒng)進行通信。如果有1個限位開關(guān)位置異常，上位機受控于PC控制中心，向PLC控制系統(tǒng)發(fā)出限位開關(guān)位置異常指令信息，PLC控制系統(tǒng)接收到上位機傳來的信息后，立即觸發(fā)索道制動系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)。制動系統(tǒng)控制索道高速閘、低速閘依次落下，索道根據(jù)制動曲線逐漸停止運行；報警系統(tǒng)控制報警裝置向索道相關(guān)人員發(fā)出報警提示；人機交互系統(tǒng)顯示具體報警信息和索道實時運行參數(shù)，例如運行電流、運行速度、制動時間、設(shè)備運行工況信息等。

2 PC控制中心圖像處理流程

PC控制中心從NVR錄像機中獲取限位開關(guān)圖像后，圖像處理流程如圖3所示，包括限位開關(guān)檢測、圖像鎖定、圖像特征處理、圖像后期處理、限位開關(guān)跟隨、限位開關(guān)感知預(yù)警6步，其中，限位開關(guān)檢測、圖像鎖定、圖像特征處理、圖像后期處理歸類為靜態(tài)檢測，限位開關(guān)跟隨和限位開關(guān)感知預(yù)警歸類為動態(tài)監(jiān)測。

圖3 限位開關(guān)圖像處理流程圖

1）限位開關(guān)檢測 提取攝像頭采集的圖像，對圖像進行預(yù)處理，去除圖像中無關(guān)信息，通過降維等操作簡化信息所攜帶的數(shù)據(jù)，最大限度增強相關(guān)信息的實用性，包括圖像去噪、圖像增強、色彩空間轉(zhuǎn)換。為了提高運算速度，節(jié)約存儲空間，灰度化是圖像預(yù)處理中關(guān)鍵步驟，即將彩色圖像轉(zhuǎn)為黑白圖像，灰度圖像是色彩圖像的一種表現(xiàn)形式。彩色圖像每個像素點顏色由R、G、B 3個變量決定，每個變量的范圍為0～255，1個像素點顏色變化就有2 563種；而灰度圖像1個像素點變化范圍只有256種。灰度化處理方法一般有分量發(fā)、最大值法、平均值法和加權(quán)平均法。

2）圖像鎖定 在預(yù)處理后的圖像中確定1個窗口，該窗口可滑動，鎖定窗口內(nèi)部的部分子圖像，作為圖像候選區(qū)。

3）圖像特征處理 將圖像轉(zhuǎn)為PC控制中心可識別的信息，從圖像中提取非圖像描述，例如符號、向量、數(shù)值等，使圖像信息具有真正意義的視覺載體。在鎖定的圖像候選區(qū)中提取特征向量，然后選取特定的向量并降低向量維數(shù)，最后利用分類器將特征進行分類，使得候選區(qū)包含檢測目標。

4）圖像后期處理 將同一類別的相交候選區(qū)進行合并，計算出檢測目標的邊界框，完成靜態(tài)檢測階段任務(wù)。

5）限位開關(guān)跟隨 靜態(tài)檢測階段任務(wù)完成之后，PC控制中心便得到了每個限位開關(guān)的標準圖像，不斷地與對應(yīng)的POE攝像頭實時獲取的圖像進行對比。

6）限位開關(guān)感知預(yù)警 如果某一個限位開關(guān)實時圖像與其對應(yīng)的標準圖像相比有變化，則PC控制中心向上位機發(fā)出異常報警指令。

3 研究內(nèi)容

1)圖像檢測 建立標準圖像數(shù)據(jù)庫標簽，限位開關(guān)與抱索器接觸的觸點體型較小，其位置一般在三維空間中X、Y、Z軸運動浮動范圍變化微小，受安裝角度和安裝位置影響，攝像頭很難捕捉，即使捕捉到，由于攝像頭分辨率有限、圖像效果欠佳，無法建立標準圖像數(shù)據(jù)庫。如圖4所示，為了能使抱索器在位置異常時與限位開關(guān)有效接觸，脫掛索道一般在二者之間設(shè)計了規(guī)則的傳動機構(gòu)，通過該傳動機構(gòu)可實現(xiàn)抱索器與限位開關(guān)充分的一一對應(yīng)接觸。因此，攝像頭監(jiān)測該傳動機構(gòu)動作變化，即間接完成了對限位開動觸點動作的監(jiān)測。

圖4 限位開關(guān)觸點與傳動機構(gòu)示意圖

2)圖像跟隨 索道在運行過程中，抱索器位置異常后，限位開關(guān)觸點有動作變化，安全運行保護裝置需與所建立的標準圖像數(shù)據(jù)庫進行對比，快速識別并將異常信息發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)做出相應(yīng)報警響應(yīng)、制動響應(yīng)。

3)與PLC控制系統(tǒng)對接標準 圖像處理一般在主機中處理完成后，處理結(jié)果以圖像形式展現(xiàn)；而PLC控制系統(tǒng)一般將模擬信號或數(shù)字量信號作為輸入信號。因此，需將圖像信號轉(zhuǎn)換為PLC控制系統(tǒng)可識別的模擬信號或數(shù)字信號，建立有效的對接標準。

4)限位開關(guān)三維視覺識別 二維圖像識別只能識別限位開關(guān)在空間中的某個平面狀態(tài)，而實際情況中限位開關(guān)動作有可能不是抱索器位置異常造成的，二維圖像不能完全反映限位開關(guān)的準確位置信息，需要通過三維視覺識別精準定位限位開關(guān)在空間中的精確位置，可有效避免開關(guān)誤動作給索道造成的不必要的停車現(xiàn)象。

5)行走軌異物監(jiān)測 脫掛索道在運行過程中，由于振動、灰塵等客觀因素，索道長時間運行之后，抱索器行走軌道可能會有異物出現(xiàn)，這些異物會造成抱索器脫軌，影響索道正常運行。因此，通過視覺識別可實時監(jiān)測行走軌道中是否有明顯的、外形較大的異物，保證抱索器行走輪安全、順利通過行走軌。

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)驅(qū)動運行與數(shù)據(jù)驅(qū)動安全是未來脫掛索道信息化、數(shù)字化、智能化發(fā)展的重要方向。本文論述的1種基于圖像處理技術(shù)的脫掛索道安全運行保護系統(tǒng)，從機器視覺角度出發(fā)探索脫掛索道故障檢測與處理方法，以期為脫掛索道的安全運行提供一定的借鑒。