一种轮轨道岔转辙机动作状态监测方法和实现系统的制作方法

专利名称：一种轮轨道岔转辙机动作状态监测方法和实现系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种轮轨道岔转辙机动作状态监测方法和实现系统。
背景技术：
道岔作为轮轨交通的一项关键设备，其运用安全是保障列车运行安全的重要环节，因此自电动转辙机上道以来，其安全状态的自动监测，尤其是表示杆动作精确定位一直成为科研工程技术人员研究开发的热点。由于现场恶劣环境和转辙机内的空间有限，不仅存在传感参数选取、如何实现高精度检测的问题，更存在现场安装要求不破损原有结构、防盗、防撞、防雨雪等问题；而缺乏给传感器和采集终端供电的远端电源，更增加了问题的难度；加上缺乏传输信道，现有信号电缆不仅线对有限，而且传输性能差，给实现远程组网自动检测造成困难。因此，虽有众多路内外单位进行长期艰苦的研究开发工作，但距离研制出可靠实用的道岔表示杆动作状态检测系统仍有较大差距。

发明内容
本发明的目的在于改进现有技术之缺点，而提供一种轮轨道岔转辙机动作状态监测方法和实现系统，可靠实用的表示杆动作精确定位及在线监测问题的解决方法和系统，定位精度达到0.03mm，最多可同时监测40个道岔设备的表示杆动作状态。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案一种轮轨道岔转辙机动作状态监测实现系统，有主机、转发器、多套或至少2套嵌入式终端(远端)、图像采集设备、温度传感器、转辙机、表示杆，利用一对信号电缆连接组网。图像采集设备采用CMOS、CCD的数字摄像头或成像光纤，通过USB传输图像数据。图像采集设备和温度传感器被安装于传感器盒内，整个传感器盒固定于转辙机的侧壁上，用于采集表示杆上的标记图像，摄像头和温度传感器适用于多种型号的转辙机。表示杆位于转辙机内部，表示杆缺口检测方法需要在表示杆上刻两个检测标记定位检测标记和反位检测标记。
一种轮轨道岔转辙机动作状态监测方法，包括表示杆精确定位方法，表示杆缺口监测方法。
1、表示杆缺口的精确定位方法；步骤如下表示杆位于转辙机内部，在表示杆上刻了两个检测标记用于定位检测和反位检测，将待检测的表示杆缺口状态平移到便于安装传感器的位置来进行采集，当转辙机在现场安装并调试达标后，通过数字摄像头记录下此时标记的位置；当道岔动作后，表示杆缺口的状态可能会发生微小的变化，这时检测标记的位置也会发生等量的微小变化，再记录下此时的标记位置，将两者作比较，便可得到缺口在这次道岔动作后的偏移量ΔL，在计算时，利用一个标准图像来辅助计算，w原始标记的实际宽度，单位mm；w’采集到的图像中标记宽度，以象素为单位；w’/w缩放比例，代表每个象素代表的实际宽度，则 2、表示杆缺口监测方法；步骤如下缺口检测主机收集、显示、存储道岔表示杆缺口数据，将表示杆缺口数据通过CAN总线向微机监测系统发送。
本发明的优点是1、表示杆缺口数据采集方案受转辙机型号的影响小，具有较强的通用性。
2、采用数字摄像头采集数据，抗干扰性能好，检测精度高，可以达到0.03mm，并可随摄像头象素数的增加而提高。
3、利用嵌入式系统的强大功能，现场处理数据，提取出最终参数传给信号楼检测主机，大大减小了通信数据量和提高了系统的实时性。
4、采用电力载波方式通信，实现了远端馈电及数据传输的双重功能；FSK调制方式，抗干扰性能好；稳定的通信速率为9.6kbps；通信距离远，可以达到7km。
5、自行设计了简洁、完善的通信协议，具备超时重传，检错重发等功能，确保数据传输的可靠性。
6、设计了±1.5mm超标报警，并能同时将表示杆实际图像上传、显示，以供维修人员参考分析。
7、采用中值滤波等多种手段，滤除粗大数据，避开列车压轨和道岔动作过程中的数据采集，减小误报。
8、嵌入式远端系统软件具备多重容错恢复能力，并且利用硬件看门狗监视系统运行，具有完善的自恢复能力，保证系统在各种错误与外界干扰下都能长期运行。
9、电动转撤机日常维修调整动程时，仅需按一次复位钮即可同步更新本系统的参考数据，基本上实现了免维护。
10、缺口检测主机提供多种形式的可视化界面，具有包括曲线、列表、日志等多种报表输出手段。


图1 表示杆检测标记图示图2 标记计算图示图3 缺口检测图像计算流程4 表示杆标记原始图像图5 表示杆缺口检测系统构成6 嵌入式远端现场安装示意图7 信号电缆分叉示意8 光纤成像及其处理结果图9 普通摄像头成像及其处理结果图10 CAN总线传输帧结构图11 嵌入式远端系统结构12 自定制通信协议帧示意图具体实施方式
实施例1下面结合附图对本发明的实施进行进一步描述如下一种轮轨道岔转辙机动作状态监测方法，包括表示杆精确定位方法，表示杆缺口监测方法，1、表示杆精确定位方法，步骤如下如图1表示杆检测标记图示，表示杆位于转辙机内部，在表示杆上刻了两个检测标记用于定位检测和反位检测，将待检测的表示杆缺口状态平移到便于安装传感器的位置来进行采集，如图4所示，左为定位标记；右为反位标记。当转辙机在现场安装并调试达标后，说明表示杆缺口这时处于标准状态，通过数字摄像头记录下此时标记的位置(称为标准位置)；当道岔动作后，表示杆缺口的状态可能会发生微小的变化，这时检测标记的位置也会发生等量的微小变化，再记录下此时的标记位置(称为改变后的位置)，将两者作比较，便可得到缺口在这次道岔动作后的偏移量ΔL。ΔL的值可以通过比较初始标记的位置与当前标记的位置来得到。但实际上，缺口的实际偏移和摄像头与表示杆的距离及拍照角度有关。如图2标记计算图示，在计算时，利用一个标准图像来辅助计算，w原始标记的实际宽度2.4mm；w’采集到的标记宽度，以象素为单位；w’/w缩放比例，代表每个象素代表的实际宽度，则 为了获取缺口标记图像的w’和ΔL，设计了图像处理算法。算法流程如图3所示。基于对嵌入式终端处理能力和存储空间限制的考虑，算法首先对获取的原始图像进行颜色变换，把RGB24真彩图像转换为占用空间较小的8bit灰度图；然后，使用形态滤波方法去噪，根据图像的整体亮度与对比度的状况，利用图像的灰度直方图自适应获取二值化的阀值；之后，利用获取的阀值对灰度图进行二值化，把标记从背景中提取出来，二值化后的图像如图8、9所示，其中图8、9左侧为原始图像，右侧为二值化后的图像。为了能精确的提取二值化图像中标尺的位置信息，同时考虑到算法的鲁棒性和抗噪声能力，采用Radon变换，把二维的图像数据投影到一维空间进行处理，图4中位于标记边缘的平行线就是Radon变换后获得的标尺边缘位置信息。如果以图像左下角为原点，图像水平和垂直两个方向为横、纵轴构成坐标系，则可以用S1’、S2’表示每根线的纵坐标，如果用S1、S2表示缺口处于标准位置时的标尺边缘位置的纵坐标，则w’＝abs(S1’-S2’)ΔL＝(S1’-S1)+(S2’-S2)2、表示杆缺口监测方法，步骤如下缺口检测主机上运行有主机端软件，配置了系统参数设置，电力载波通信协议控制，道岔表示杆缺口数据的收集、显示、存储，以及手动操作界面等功能；同时，它也是微机监测系统的数据采集机，负责将表示杆缺口数据通过CAN总线向微机监测系统发送。嵌入式转发器利用C51单片机实现，配备有电力载波硬件模块以及转发程序，实现远端交流馈电、通信协议的物理层转换功能。
有可靠传输的数据帧结构，使用超时重发、检错重传等机制，保证数据的可靠传输。有用于状态监测、系统控制的多种帧，保证缺口检测主机能够远程实现对嵌入式远端的监测与控制。
如图5所示表示杆缺口检测系统构成，道岔表示杆缺口监测系统，其中主机和转发器放在信号楼内，在现场的每个道岔转辙机内都部署嵌入式终端(远端)，利用一对信号电缆连接组网，并通过CAN总线接入了信号楼的微机监测系统。
主机为主频1G Hz的工控机，嵌入式终端包含了功能强大的以SA-1110为处理器的嵌入式系统，电力载波模块，电力载波通信噪声数据滤波模块等。嵌入式终端的核心是seedling公司的Strong ARM SA-1110开发板，电力载波模块使用的是成都科强公司的KQ-100载波通信模块，最高速率可达9.6Kbps，由于KQ-100在没有数据时也会不间断的接收杂波信号，产生的大量中断信号对嵌入式资源造成极大浪费，甚至影响正常程序的运行，因此，设计了电力载波通信噪声数据滤波模块，利用帧结构中的帧头信息对收到的数据进行过滤，把有用信息转发给嵌入式终端，同时滤掉杂波。此模块在C51单片机W77E58上实现，嵌入式终端结构如图11所示，Strong ARM SA-1110嵌入式系统通过RS232与C51单片机连接、通过USB接口与CMOS数字摄像头连接，C51单片机与电力载波模块通过RS232连接与温度传感器通过通用I/0连接，电力载波模块连接信号电缆。
转发器用W77E58单片机实现，与主机端用串口连接，主要任务是完成主机和远端间的数据转发。从串口接收主机发送来的帧，控制通信模块KQ-100以调制的方式将帧发送到远端；控制KQ-100监听并接收远端发送过来的帧，并将KQ-100解调后的数据转发到主机。
由于嵌入式远端采用了强大的嵌入式处理新技术，应用图像处理算法提取标记特征并进行缺口偏差计算，向车站主机直接发送偏差信息，大大减少数据量，可以保证在5秒之内便能完成一个远端的数据采集计算和传送的实时监测性能。嵌入式系统还具有图像压缩算法，需要时可在30秒内利用有限的通信带宽上传压缩后的实际图像，供维修人员分析。
数据库中主要存放的内容为各个嵌入式远端的配置信息，表示杆缺口的标准位置，实时采集的缺口数据，系统运行日志等内容。为了便于查看，还设计了数据库查询界面，以便方便的进行数据查找。
检测系统的数据显示可分为表格显示和图形显示两种。
表格显示方式将所采集的数据以列表的形式显示出来，根据需要对数据设置查询条件，这样就可以过滤掉不关心的数据，只查看需要的数据。
图形显示将所采集的数据绘制曲线，并以图形的方式显示出来。这种方案非常直观，便于对数据进行分析比较。图形显示又分为两种历史数据显示和即时数据显示。历史数据显示是从数据库中导入数据，并绘制成曲线图，历史数据显示既可以将以前所采集的数据全部显示出来，也可以通过设置查询时间范围，仅显示某个时间段范围内的数据。不同曲线表示道岔位于定位时的表示杆缺口偏差和道岔位于反位时的表示杆缺口偏差。如果想了解曲线的细节或概貌，还可以利用放大或缩小按钮对曲线进行缩放。
缺口检测主机通过CAN总线适配卡连接到微机监测系统的CAN总线上，实现与微机监测系统通信。由于CAN总线具备冲突检测、超时重传、检错重发等链路层功能，因此本系统与微机监测系统的CAN总线通信相对比较简单。
CAN总线协议定义每帧长度为11个字节，其中帧头为3个字节，数据区为8个字节。按照铁道部“采集机通信协议”(铁道部信号微机监测联合开发组，2000/6/26)的标准，本系统采用如图10所示的帧结构与微机监测系统进行通信。
以电动转辙机表示杆(缺口)精确定位为主要目标手段的道岔安全实时检测系统，定位检测精度±0.03mm，具有通用性强，远端馈电，传输速度高，远端联网自动监测，基本免调试维修，鲁棒检测算法，系统故障自恢复，报警上传图像等性能特点。
实施例2嵌入式远端(实施例1中所述)和图像采集设备、温度传感器位于道岔现场。其中嵌入式远端安放于信号变压器箱(XB箱)内，嵌入式远端中配置的嵌入式处理软件，可以实现图像数据的采集、处理、特征提取，温度数据采集，电力载波通信等功能。另外，为使嵌入式远端能在无人监控的恶劣环境下长期运行，在软件和硬件上均设计了复杂完善的自恢复机制，使系统在受到外界的重大干扰时，能自动恢复正常运行。嵌入式远端中采用了嵌入式Linux系统作为操作系统(Embed OS)，可安全稳定的运行.
图像采集设备采用CMOS、CCD的数字摄像头或成像光纤，通过USB传输图像数据。图像采集设备和温度传感器被安装于传感器盒内，整个传感器盒固定于转辙机的侧壁上，用于采集表示杆上的标记图像，摄像头和温度传感器都是数字输出的，抗干扰性能好。本例中使用的的图像采集设备是东英视讯公司的网眼3000数字摄像头，选择发光二极管给摄像头提供光源，温度传感器采用的是AD公司的TMP03，标记的设计与提取具有很强的通用性，适用于多种型号的转辙机。图6为嵌入式远端以及传感器盒的现场安装示意图。
自恢复措施主要利用了芯片内带的看门狗机制，分硬件和软件两个方面1.硬件部分W77E58和嵌入式处理器SA1110都启动了内带的硬件看门狗机制，当静电、高温等而使芯片出现运行异常时，此机制可保证芯片在无物理损坏的情况下正常运行。
2.软件部分为了保证嵌入式linux操作系统的正常运行，自恢复机制在系统中开启一个计数进程，不断的使硬件看门狗复位，当操作系统锁死时，看门狗由于得不到计数进程的复位而发生作用；同时，为了防止应用层程序异常退出，在函数调用出错时都会自动结束计数进程而使看门狗启动。
实施例3信号电缆利用的是铁路现场原有的一对通信电缆。由于这一对电缆通过分岔的方式连接到了多组道岔，因此利用这一对电缆构成总线型网络同时完成多组(最多可超过40组)转辙机缺口数据传送，以及对嵌入式远端的馈电功能。考虑恶劣的现场环境(如图7所示分岔结构)和对现场传输距离(主干线距离＞2Km)，以及安装环境和远端馈电的要求，于是在电力载波技术基础上设计了可靠传输的数据帧结构，使用超时重发、检错重传等机制，保证数据的可靠传输。同时，还设计了用于状态监测、系统控制的多种帧，保证缺口检测主机能够远程实现对嵌入式远端的监测与控制。
本发明的帧结构说明道岔检测中数据的传输，其实现的难点主要有这样几个方面一.远距离传输。串口的通信距离只有几十米，必须找到一种简易可行的方式来实现数据的传送。利用KQ-100，采用载波的方式传送数据。
二.实现多点通信。KQ-100本身并不具备多点通信的能力，必须规定一种通信协议，并采用相应的帧结构，方可保证多点通信的顺利进行。
三.传输的可靠性。在现场恶劣的通信环境下，远距离传输必然会产生误码，因此必须在帧结构中加入差错校验，检错重发等技术，保证双方的可靠传输。
本发明的帧结构格式如图12所示其中各个字段的定义为帧同步头表示一个数据帧的开始，长度为两字节。由于电力线传输中杂波较多，为避免收到噪音数据，KQ-100中使用两字节互补码“13EC”，这种类型的码在杂波中很难出现。
目的地址指示这一帧的接收者，长度为一字节。地址范围为0-255，0地址为主机地址，255为广播地址。
数据长度帧结构中“上层数据”的字节数，长度一字节(可在序列号字段中扩展)。为保证实时性，最大值64。在节点较少的应用中，通过外部命令对最大值进行设置。
帧类型表示这一帧提供服务的类型，主要有1.系统自检帧 用于主端向从端查询其当前状态。从端不使用这一帧。
2.系统自检返回帧 用于从端向主机返回其当前的工作状态，主机不使用这一帧3.系统参数设置帧 用于主机设置从端的系统各参数的补偿值，从端不使用这一帧4.系统参数设置返回帧 用于从端向主机应答参数的设置情况(哪些设置成功，哪些失败)，主机不使用这一帧5.数据采集帧 这个帧又分为两种情形，由码字的低两位决定采集所有参数 此时表示主机希望采集某从端的所有参数采集指定参数 此时表示主机希望采集某从端的几个特定参数
6.数据采集返回帧 这个帧又分为两种情形，由码字的低两位决定返回所有参数 表示此时从端返回的是所有数据返回特定参数 表示此时返回的是某几个特定的参数，其顺序由数据采集帧确定7.重发请求帧 当主机(从端)收到从端(主机)的帧，其CRC校验不为零，或主机在给定时间内没有收到从端的应答帧时，根据需要可以向对方发送这一帧，以告诉对方重发刚才的帧8.图像数据传输帧 表明此帧中包含的是图像数据，主端收到帧后根据帧序列号对图像数据进行重组9.从端复位帧 当主机复位从端时，发出此帧。
帧序列号用于区分链路中的重复帧，在通信中的序列号是循环使用的，范围为1-255。
CRC校验码循环冗余码校验，两个CRC均为一字节，使用生成多项式G(x)＝x8+x4+x3+x2+1。它可发现所有单个错误，发现9位以上的集中错误的概率为99.61％。
上层数据所要传输的具体数据，最大长度为64字节，对于较大的图像数据，采用多帧分块方式传输。
道岔状态参数的采集过程系统在半双工模式下采用主从模式结构通信，以车站为主机对各个从端进行轮询服务，没有主机的指示从端不能发送数据。为提高可靠性，除个别情况，主机的请求需要从端进行确认应答。
主机定时依次像各个从端发出数据查询帧，同时设置超时定时器。主机要确保自己发送的帧被从端正确接收，若一个帧(广播帧除外)发送出去5秒以后仍未收到从端响应，则自动向对方重发刚才的帧，并使计数器加一，当计数次数达到3次时，则向上层发送一个错误消息，告知通信故障；若主机收到从端的重发请求，则向从端发送刚才发送的帧(在每次发送后，均备份这一帧)，并对重发进行计数，当连续重发的次数达到3次时，则停止和从端交互，向上层汇报一个错误。
从端在链路层空闲时，不断的侦听网络，等待载波与帧同步头。当发现帧同步后，若目的地址同本机地址一致(或为广播地址)，接收同步头的后续字节，直到第一个CRC。利用CRC对帧头进行检测。若发生错误，由于无法确定这一帧的地址与类型，则直接丢弃这一帧；若无错误，按照“数据长度”接收后续字节，利用第二个CRC对上层数据进行检验。若数据发生错误，则向主机端发送请求重发帧，此时，发送的重传请求帧的序号为接收到的帧的序号；如无错误，则返回应答帧，同时将这一帧数据备份下来。当主机接收到的帧发生错误时，会向从端发送请求重传帧，从端收到后，取出备份帧，直接向主机发送。从端不负责确认自己发送的帧是否被主端接收，不会启动相应的超时定时器来在超时后自动向主端重传刚才的备份帧。主端在接收到从端数据后，若是数据完全正确，就接受，但不发确认帧；若是不正确，会向从端发送重传请求帧。
权利要求
1.一种轮轨道岔转辙机动作状态监测实现系统，有主机、多套嵌入式终端、图像采集设备、温度传感器、转辙机、表示杆，利用信号电缆连接组网，其特征在于图像采集设备采用CMOS、CCD的数字摄像头或成像光纤，通过USB传输图像数据，图像采集设备和温度传感器安装于传感器盒内，整个传感器盒固定于转辙机的侧壁上，用于采集表示杆上的标记图像，表示杆位于转辙机内部，将待检测的表示杆缺口有两个检测标记定位检测标记和反位检测标记。
2.根据权利要求1所述的一种轮轨道岔转辙机动作状态监测实现系统，其特征在于嵌入式系统通过RS232与C51单片机连接、通过USB接口与CMOS数字摄像头连接；C51单片机与电力载波模块通过RS232连接，与温度传感器通过通用I/O连接，电力载波模块连接信号电缆。
3.一种轮轨道岔转辙机动作状态监测方法，其特征在于包括表示杆精确定位方法，表示杆缺口监测方法，表示杆缺口的精确定位方法；步骤如下表示杆位于转辙机内部，在表示杆上刻了两个检测标记用于定位检测和反位检测，将待检测的表示杆缺口状态平移到便于安装传感器的位置来进行采集，当转辙机在现场安装并调试达标后，通过数字摄像头记录下此时标记的位置；当道岔动作后，表示杆缺口的状态可能会发生微小的变化，这时检测标记的位置也会发生等量的微小变化，再记录下此时的标记位置，将两者作比较，便可得到缺口在这次道岔动作后的偏移量ΔL，在计算时，利用一个标准图像来辅助计算，w原始标记的实际宽度，单位mm；w’采集到的图像中标记宽度，以象素为单位；w’/w缩放比例，代表每个象素代表的实际宽度，则 表示杆缺口监测方法；步骤如下缺口检测主机收集、显示、存储道岔表示杆缺口数据，将表示杆缺口数据通过CAN总线向微机监测系统发送。
4.根据权利要求3所述的一种轮轨道岔转辙机动作状态监测方法，其特征在于图像处理算法有如下步骤，算法首先对获取的原始图像进行颜色变换，把RGB24真彩图像转换为占用空间较小的8bit灰度图；使用形态滤波方法去噪后，根据图像的整体亮度与对比度的状况，利用图像的灰度直方图自适应获取二值化的阀值，然后，对灰度图进行二值化，把标记从背景中提取出来，采用Radon变换，把二维的图像数据投影到一维空间进行处理，以图像左下角为原点，图像水平和垂直两个方向为横、纵轴构成坐标系，则可以用S1’、S2’表示标尺边缘位置的纵坐标，如果用S1、S2表示缺口处于标准位置时的标尺边缘位置的纵坐标，则w’＝abs(S1’-S2’)ΔL＝(S1’-S1)+(S2’-S2)。
5.权利要求3所述的一种轮轨道岔转辙机动作状态监测方法，其特征在于所述的表示杆精确定位方法，包括在表示杆上用指甲油制成特定标记表示杆位置。
6.根据权利要求3所述的一种轮轨道岔转辙机动作状态监测方法，其特征在于由一组发光二极管提供光源，由USB接口的CMOS、CCD数字摄像头或成像光纤传感器对标记图像进行采集。
7.根据权利要求3所述的一种轮轨道岔转辙机动作状态监测方法，其特征在于有处理标记图像的特定图像处理算法。
8.根据权利要求3所述的一种轮轨道岔转辙机动作状态监测方法，其特征在于物理层采用电力载波模块，通信速率9.6Kbit/s，链路层利用所述的帧结构实现对数据、图像的可靠传输；传输线上交流电压48-220V可调，最多有40个嵌入式终端。
9.根据权利要求3所述的一种轮轨道岔转辙机动作状态监测方法，其特征在于有错误自恢复方案，保证远端系统在任何情况下都能自动恢复正常运行。
全文摘要
本发明涉及一种轮轨道岔转辙机动作及表示杆缺口动作精确定位的方法和实现系统。本发明利用道岔转辙机内表示杆的刚性特点，通过使用数字摄像头对表示杆特定位置标记的采集、处理及特征比较、实现了转撤机表示杆缺口的精确定位。系统用USB数字摄像头采集图像数据，使用嵌入式系统远端处理图像数据，利用电力载波技术传输数据。系统精度可达0.03mm，最多可同时在线监测40组道岔的表示杆缺口位置状态。
文档编号B61L23/00GK1600611SQ20041000964
公开日2005年3月30日 申请日期2004年10月10日 优先权日2004年10月10日
发明者王升辉, 裘正定, 丁晓明 申请人:北京交通大学