鐵道客車客技站車輛車號采集及定位系統(tǒng)研究

基金項目：2021年度柳州市職業(yè)教育立項項目“基于南寧局“2+1”校企雙元育人模式下鐵道機車車輛專業(yè)群建設(shè)研究與實踐”（編號：LZZJS2021C028）；2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目（編號：2022KY1401）

作者簡介：

謝新民（1982—），碩士，高級工程師，研究方向：鐵道機車車輛制造與維護。

摘要：文章基于鐵道客車客技站車輛車號圖像采集與識別、車輛定位技術(shù)和作業(yè)線路比對技術(shù)開發(fā)了車輛車號采集模塊、車輛精準定位模塊、標準檢查線路比對模塊，解決了客技站檢修過程中的車輛車號智能識別、車輛準確定位和檢修作業(yè)路線精確比對等難題，實現(xiàn)了車輛精準定位、作業(yè)過程標準化識別及危險因素預(yù)警等功能，有效提升了客車車輛檢修的能力和效率。

關(guān)鍵詞：客車檢修；車號采集；車輛定位；線路比對

0 引言

2021年12月，國家鐵路局發(fā)布的《“十四五”鐵路科技創(chuàng)新規(guī)劃》（國鐵科法〔2021〕45號）文件明確提出，到2025年，智能鐵路成套技術(shù)體系不斷完善，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、第五代移動通信技術(shù)（5G）、人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)在鐵路實現(xiàn)更廣泛、成體系應(yīng)用，各種交通方式信息共享水平明顯增強^［1］。鐵道和車輛的檢修和維護，是鐵路安全保障的重要環(huán)節(jié)^［2］。但目前客車在檢修過程中會出現(xiàn)幾個問題：每日車輛停靠臺位需要調(diào)度員現(xiàn)場確認，車輛來回調(diào)動后停靠的位置情況不清楚；檢修重點流程質(zhì)量時有漏項，驗收質(zhì)量不高；人員檢查列車固定線路有漏車及部位情況發(fā)生；調(diào)出過程中常發(fā)生侵限等危及安全事件發(fā)生^［3］。為了進一步提升鐵路創(chuàng)新能力和科技實力，要使用技術(shù)裝備更加先進和工程建造技術(shù)領(lǐng)先的維護系統(tǒng)，為此提出使用鐵道客車客技站檢修安全預(yù)警平臺利用計算機技術(shù)^［4］，其可以有效避免上述問題的發(fā)生。該技術(shù)的應(yīng)用，可以使運輸服務(wù)技術(shù)水平顯著增強，智能鐵路技術(shù)全面突破，安全保障技術(shù)明顯提升^［5］。

1 鐵道客車客技站車輛車號采集及定位設(shè)計原理

鐵道車輛車號采集及定位原理設(shè)計應(yīng)該從實際需求出發(fā)，使其符合鐵道客車定位準確度的要求^［6］、鐵道客車故障修復(fù)智能判定的要求^［7］、鐵道客車檢查線路完整度自動判定的要求、鐵道客車啟動和停車過程中防侵限的安全要求^［8］。其中，通過對客車客技站車輛車號的準確采集和識別，并在此基礎(chǔ)上進行車輛定位是滿足鐵路客車檢修要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

鐵道客車定位準確度的要求方面：鐵道客車客技站是客車技術(shù)狀態(tài)檢修基地，也就是車庫，其負責(zé)終到進庫列車的檢修、試風(fēng)，對運行途中及庫內(nèi)出現(xiàn)的故障進行到庫檢修，對到期庫內(nèi)檢修車輛進行定期保養(yǎng)，對出現(xiàn)的故障進行處置。鐵道客車進入客技站后，經(jīng)常因為車輛編組、存放、故障修理及生產(chǎn)條件限制等因素進行調(diào)動更換存放股道，一般的客技站較大，客車停靠位置較多，大部分客技站有20多條股道，每條股道可存放21輛車輛。每日作業(yè)完畢后，值班員需要步行確認車輛存放與實際任務(wù)單的差異，工作量較大；同時，值班員來回穿梭在股道中間，存在一定的安全隱患。因此，鐵道客車定位的準確度有直接的、迫切的要求。

鐵道客車故障修復(fù)智能判定方面：對故障修復(fù)智能化判定識別傳輸，可讓值班員快速掌握現(xiàn)場故障修復(fù)進程，提高故障修復(fù)交車率。因此，鐵道客車故障修復(fù)智能判定對車輛質(zhì)量的卡控有效率化的需求。

鐵道客車檢查線路完整度自動判定方面：每日列車進庫后，每列一般編組19輛，由8人進行分車檢查（有的客技站采取4人檢查），每人需要對大約5輛車的前后左右側(cè)端進行檢查，在檢查過程中靠個人主觀判斷。鐵道客車檢查線路完整度自動判定可及時提醒工作人員檢查線路的完整性要求，并對易漏部位進行預(yù)警提示。因此，鐵道客車檢查線路完整度自動判定具有工作崗位職責(zé)的強烈需求。

鐵道車輛車號采集及定位原理與技術(shù)主要包括車輛車號采集技術(shù)與車輛定位技術(shù)。鐵道車輛車號采集技術(shù)主要是通過車輛車號采集模塊，并輔助測量、控制、顯示等設(shè)備終端構(gòu)建車輛車號采集系統(tǒng)，對車輛車號采集系統(tǒng)采集的車輛車號圖像進行數(shù)字圖像處理和識別，得到準確的車輛車號。車輛定位技術(shù)主要是在車輛車號識別技術(shù)基礎(chǔ)上，利用藍牙無線傳輸及定位功能構(gòu)建車輛定位模塊，從而對車輛在股道中的位置進行識別，以此準確進行車輛定位。

2 車輛車號采集及定位系統(tǒng)

通過對車輛車號采集及定位技術(shù)的分析表明，車輛車號采集及定位系統(tǒng)主要由3個模塊組成：車輛車號采集模塊、車輛定位模塊、構(gòu)建人員作業(yè)線路比對系統(tǒng)模塊。其中，車輛車號采集模塊主要用于對進入檢修線路的車輛車號等信息進行數(shù)據(jù)采集并進行車輛信息識別；在完成車輛車號采集及識別后，車輛定位模塊對車輛在股道的停放位置進行精確定位；基于對車輛信息的采集和準確識別以及車輛位置的精確定位，通過人員作業(yè)線路對比模塊完成列車車輛的智能化檢修。

2.1 車輛車號采集模塊的實現(xiàn)

在道岔后靠近檢修線處設(shè)置采集通過車輛車號的工業(yè)用相機、頻閃燈、圖像采集卡、車輛感應(yīng)傳感器、傳輸線路、車號識別服務(wù)器、大屏終端。

列車進入客技站過道岔后，在靠近客技站一側(cè)燈橋（或相同部位，不侵行車地面設(shè)施建筑物限界情況下）設(shè)置車號采集系統(tǒng)（圖1），車輛經(jīng)過時，觸發(fā)感應(yīng)傳感器，啟動頻閃燈和工業(yè)相機，對車號進行拍照。對不需要的背景進行灰度處理（例如天空、車身及其他干擾的背景），對車輛車號去噪后，在服務(wù)器終端進行圖像復(fù)原，確保車號清晰，最后將采集到的信息傳輸?shù)杰囕v定位系統(tǒng)。

2.2 車輛定位模塊的實現(xiàn)

車輛經(jīng)過車號采集系統(tǒng)后，進入相應(yīng)的停放股道。在股道旁邊的柱子或者地面上（有頂棚的可以設(shè)置在頂棚），設(shè)置藍牙定位標識，如圖2所示。目前大部分車庫存放車輛按照20輛存放，如果股道長度在20輛車的基礎(chǔ)上增長，則相應(yīng)增加藍牙定位標識。

每輛車根據(jù)已經(jīng)安裝在車輛底部的電子標簽，正常停靠時，P₀（X₀，Y₀）對應(yīng)P_L0（X_L0，Y_LO），P₁（X₁，Y₁）對應(yīng)P_L1（X_L1，Y_L1），位置信息為P_N（X_N，Y_N）對應(yīng)P_LN（X_LN，Y_LN），P₂₀對應(yīng)P_L20。

（1）當(dāng)編組車輛有序停放后，藍牙0號車位對應(yīng)存放第0號車，也就是端頭車輛，滿足式（1）、（2）和（3）。

|X₀-X_LO|lt;26 m，|Y₀-Y_LO|=T""" （1）

|X₁-X_L1|lt;26 m，|Y₁-Y_L1|=T""" （2）

|X_N-X_LN|lt;26 m，|Y_N-Y_LN|=T""" （3）

其中假定車輛換長固定為26 m，股道中心線與藍牙定位標識縱向距離為固定值T。判定車輛分別停靠在對應(yīng)的位置分別為0、1、2、3…N。

（2）當(dāng)編組車輛進入股道后，未嚴格按照第一輛車存到最端頭，或者中間車輛未連掛到一起時，P₀（X₀，Y₀）無對應(yīng)車輛，P₁（X₁，Y₁）對應(yīng)第一輛車P_L1（X_L1，Y_L1），P_N（X_N，Y_N）對應(yīng)P_LN（X_LN，Y_LN）。如圖3所示。

假定車輛P_L對應(yīng)P_N，即P_L位于第N個車位，相關(guān)坐標值需滿足式（4）～（6）：

|X_N-X_LN|lt;26 m，|Y_N-Y_LN|=T""" （4）

|X_（N+1）-X_LN|gt;26 m，|Y_（N+1）-Y_LN|=T""" （5）

|X_（N-1）-X_LN|gt;26 m，|Y_（N-1）-Y_LN|=T""" （6）

當(dāng)股道存放車輛電子標簽與藍牙定位橫向距離＜26 m時，股道中心線與藍牙定位標識縱向距離為固定值T，判定車輛停靠位置為第N個車位。

每條股道存放車輛定位形成后，構(gòu)成車輛存放定位基本信息。相關(guān)信息通過無線載波通信傳輸?shù)街笓]中心服務(wù)器，形成車輛定位系統(tǒng)，將車輛存放信息以圖像形式展現(xiàn)在大屏上。例如，車輛N1、車輛N2到車輛NN的信息存放在N道車輛，之后將1～N道車輛存放的信息傳輸?shù)杰囕v信息處理模塊，對收集到的車輛信息進行轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)街笓]中心服務(wù)器后對車輛信息以圖像的方式進行復(fù)原，顯示在大屏上，由大屏分股道顯示不同車號的信息。如圖4所示。

當(dāng)車輛進行更換股道存放時，調(diào)車經(jīng)過道岔前進行車號采集傳輸和車輛定位，判定車輛存放位置。在車輛定位模塊中，定位基準芯片的位置對信號測量的準確率有很大的影響。

以南寧鐵路局北湖客技站為例，其客技站股道設(shè)置的基準芯片上覆蓋的土層厚度不同對信號測量的準確率如圖5所示。可以看出在無覆蓋物時準確率接近100%，當(dāng)土層厚度增加準確率大大下降，在土層厚度為100 cm時，準確率＜10%。因此，定位基準芯片應(yīng)盡量無覆蓋，并將其設(shè)置在無障礙物或者頂棚焊接處。

2.3 構(gòu)建人員作業(yè)線路比對模塊

對應(yīng)固定停放編組列車，以有地溝為例，檢查人員需要從兩側(cè)檢查后進入地溝檢查，檢查線路是固定的，如圖6所示。起點1從地溝線一側(cè)的外側(cè)出發(fā)進行檢查，走到地溝線盡頭后從內(nèi)側(cè)返回到終點1，起點1和終點1相重合，檢測路線形成一個閉合的圓環(huán)，防止漏檢；起點2從地溝線另一側(cè)的外側(cè)出發(fā)進行檢查，走到地溝線盡頭后從內(nèi)側(cè)返回到終點2，也形成一個閉合的圓環(huán)。

因作業(yè)人員責(zé)任心或技術(shù)限制，人員檢查時經(jīng)常發(fā)生漏檢某個車輛或漏檢車輛某側(cè)某端，造成檢修漏項。構(gòu)建人員作業(yè)線路比對系統(tǒng)，主要是在作業(yè)人員的作業(yè)工具或個人工作銘牌內(nèi)，設(shè)置定位標簽，經(jīng)定位系統(tǒng)服務(wù)器自動勾勒作業(yè)人員具體檢查路線，并與標準檢查路線進行比對。當(dāng)存在漏項，例如漏檢個別車輛、漏檢查地溝線內(nèi)車輛狀況時，其能指揮中心人員進行干預(yù)，確保作業(yè)人員對列車的檢查線路按照標準線路。在檢查人員胸牌或檢查工具內(nèi)置芯片，芯片圖像矩形擬合時，需對應(yīng)客車車輛的6個檢查點，6個點越精確，矩形擬合精度越高。在獲取邊緣坐標后，分別以6個定點為起點坐標，逐行掃描，直至找到第一個邊緣像素點，分別將6個近似頂點記為C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆，如圖7所示。

C₁C₂對應(yīng)點集如式（7）所示：

W₁=x₁₁，y₁₁，x₁₂，y₁₂，…x_1n1，y_1n1""" （7）

C₂C₃對應(yīng)點集如式（8）所示：

W₂=x₂₁，y₂₁，x₂₂，y₂₂，…x_2n1，y_2n1（8）

C₃C₄對應(yīng)點集如式（9）所示：

W₃=x₃₁，y₃₁，x₃₂，y₃₂，…x_3n1，y_3n1（9）

C₄C₅對應(yīng)點集如式（10）所示：

W₄=x₄₁，y₄₁，x₄₂，y₄₂，…x_4n1，y_4n1（10）

C₅C₆對應(yīng)點集如式（11）所示：

W₅=x₅₁，y₅₁，x₅₂，y₅₂，…x_5n1，y_5n1（11）

C₆C₁對應(yīng)點集如式（12）所示：

W₆=x₆₁，y₆₁，x₆₂，y₆₂，…x_6n1，y_6n1（12）

式（7）～（12）中的各點表示車輛位置，每一個對應(yīng)點集共有n₁個數(shù)據(jù)。矩形擬合時，根據(jù)矩形的幾何特征，即對邊平行和鄰邊垂直，可知矩形四邊所在直線方程如式（13）所示，其中a、b、c₁～c₆為待求未知數(shù)。

因為有正偏差和負偏差，所以求和時正負偏差能相互抵消，因此結(jié)合矩形的幾何特性，即鄰邊斜率互倒、對邊斜率相等，則矩形擬合方程D如式（14）所示：

式中：n₁，n₂，n₃，n₄，n₅，n₆對應(yīng)于目標輪廓4邊所包含點的個數(shù)。對a、b、c₁、c₂、c₃、c₄、c₅、c₆求偏導(dǎo)數(shù)，分別如式（15）～（22）所示：

最終得到對應(yīng)于每條邊的直線方程，將其代入上式中可以得出6個交點：

A（x_A，y_A），B（x_B，y_B），C（x_C，y_C），

D（x_D，y_D），E（x_E，y_E），F(xiàn)（x_F，y_F）

位置參數(shù)點（x₀，y₀）如式（23）所示：

通過對芯片內(nèi)的坐標與客車的6個點進行比對，當(dāng)比對坐標一致時，說明檢查人員嚴格按照設(shè)定的檢查線路作業(yè)。該系統(tǒng)將檢查線路對比程序內(nèi)置于芯片的胸牌，檢修人員佩戴胸牌按照作業(yè)線路進行檢修，從而實現(xiàn)對檢查人員的檢查路線進行判定。為了得到準確的坐標，需要高精度的定位芯片以滿足測量需求。

為了研究系統(tǒng)的精確度，利用該系統(tǒng)對人員作業(yè)線路設(shè)計線路對比試驗進行系統(tǒng)線路對比精度的仿真分析。檢查人員配帶內(nèi)置芯片的胸牌，分別距列車不同距離進行測量。內(nèi)置芯片的測量距離和實際測量距離如圖8所示。

由圖8可知，兩者的誤差范圍＜0.1 cm，能夠滿足系統(tǒng)對距離測量的精度要求。

3 結(jié)語

本文基于鐵道客車客技站車輛車號圖像采集與識別、車輛定位技術(shù)和作業(yè)線路比對技術(shù)開發(fā)了車輛車號采集模塊、車輛精準定位模塊、標準檢查線路比對模塊，解決了客技站檢修過程中的車輛車號智能識別、車輛準確定位和檢修作業(yè)路線精確比對等難題，實現(xiàn)了車輛精準定位、作業(yè)過程標準化識別及危險因素預(yù)警等功能，有效提升了客車車輛檢修的智能化水平。

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收稿日期：2023-05-20