铁路货车装载状态高清图像监视系统的设计与实现

赵昊宇，余 淼

（1.天津大学 求是学部，天津 300072； 2.郑州铁路局 科学技术研究所，郑州 450000）

铁路货车装载状态高清图像监视系统的设计与实现

赵昊宇1，余 淼2

（1.天津大学 求是学部，天津 300072； 2.郑州铁路局 科学技术研究所，郑州 450000）

针对铁路货运检测的实际需要，提出基于高清工业相机的拍照检测体系结构，进行海量数据采集存储、JXR压缩算法的设计，并给出硬件部分框图。应用证明，系统可实现实时采集，存储高清晰车辆图像。

货车装载状态；图像监视；实时；压缩存储

长期以来，铁路货运检查往往是货检人员在车辆停稳后，仅凭经验目测，对有明显超限的地方用标杆或滑动尺核实。效率低、劳动强度大，且检测结果准确性差，漏检率高。随着铁路运输的不断提速，运输的质量及安全保障的问题更为突出。如何加快车辆周转，实时在线检测车辆装运状态，实现车辆检测由“人控”向“机控”转变，由“静态检查”向“动态检查”转变；提高劳动生产率，解决列车密集到达，货检列检作业与运输畅通之间的矛盾。为此，郑州铁路局依靠科技创新，研发了“铁路货车装载状态高清图像监视系统（以下简称系统）”。

1 系统结构

系统由现场图像采集控制系统、传输系统、主控系统3大部分组成，系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意图

1.1 图像采集控制系统

由图形采集子系统、LED照明子系统、磁钢开机测速子系统、工业网络控制子系统、Gige网络子系统、综合控制子系统等6部分组成。

（1）图形采集子系统由3台高速、高清工业相机组成，主要负责实时采集现场图像；

（2）LED照明子系统由4块LED频闪照明单元以及2组LED频闪控制板组成，主要负责为3台工业相机提供同步频闪辅助光源；

（3）磁钢开机子系统由2组磁钢（每组2块）组成，主要负责检测列车到来、驰离并进行精确测速，为相机及光源触发提供原始信号；

（4）工业网络控制子系统由1台RS232数据光端机组成，主要用于与上位机通信；

（5） Gige网络子系统由3块Gige光端机组成，主要负责将3台工业相机采集的图像数据实时上传至图像（数据）采集工控服务器；

（6）综合控制子系统由1块主控板及附件组成，主要负责综合调度、管理现场各种电气设备。

1.2 传输系统

由RS232光电传输子系统、Gige光电传输子系统等2部分组成。主要为图像数据及控制数据提供可靠、稳定的数据通道。

1.3 主控系统

由图像存储子系统、图像处理子系统以及综合管理子系统等3部分组成。

（1）图像存储子系统由1台工控服务器、3块Gige采集卡、若干大容量硬盘等组成，主要负责实时、无丢帧的存储前端设备发送的数据；

（2）图像处理子系统由1台工控服务器及若干网络辅助设备组成，主要负责及时处理采集的图像数据；

（3）综合管理子系统由若干组软件组成，主要负责与下位机通讯、与采集程序通讯、提供图像回放、报表生成、网络传输等功能。

2 系统工作流程

当列车经过第一个车轮探测器时，主控板得到触发信号，将其转换为控制信号，启动抓拍系统，同时根据车轮压过车轮探测器的波形获取车速车位信息，再通过光纤或电缆传递给工控采集服务器。工业相机将抓拍的图像通过光纤传给图像采集工控服务器。图像采集工控服务器得到信号以后，开启图像存储功能，并接收车速信息，通过自动分析计算，建立查询索引，供回放时查找。当环境光照度低于设定值时，会启动LED频闪照明系统，给工业相机提供照明。

3 系统关键技术

3.1 高分辨率、高帧速相机的选择

目前能够获得高质量图像的相机有2种，线阵相机和面阵相机；线阵相机是一种比较特殊的形式，其像元是一维线状排列的，即只有一行像元，每次只能采集一行的图像数据，只有当相机与被摄物体在纵向相对运动时才能得到我们平常看到的二维图像。在机器视觉中一般用于被测物连续运动的场合，尤其适合于运动速度恒定、分辨率要求较高的情况。就本项目来说，由于纵向触发精度控制、相机工作行频等原因采用线阵相机有一定问题。而面阵相机其像元是按行列整齐排列的，每个像元对应图像上的一个像素点，一般所说的分辨率就是指像元的个数。对于本项目可以保证图像质量。

经过前期多次现场对比试验，选择了一款适合于在铁路这种干扰源多、情况复杂的状况下的高速面阵相机。

3.2 海量图像数据无丢帧、错帧以及重帧存储技术

相机采集的单张图像大小为1.37 MB，按最低帧速20帧/s的速度计算，1台相机每秒采集的数据量为20×1.37 MB = 27.4 MB，3台相机每秒采集的数据量为27.4 MB×3=82.2 MB；按照最高帧速60帧/s的速度计算，1台相机每秒采集的数据量为60×1.37 MB = 82.2 MB，3台相机每秒采集的数据量为27.4 MB×3=246.6 MB。

而目前单块硬盘的稳定写入速度，经过反复测试小文件存储为30 MB/s～40 MB/s；大文件存储为80 MB/s～90 MB/s。这个写入速度可以满足“20帧/s”状态下图像无丢帧、错帧的存储，无法满足“60帧/s” 状态下图像无丢帧、错帧的存储。

为解决这个技术问题，系统采用了双缓冲、大数据流存储技术及磁盘Raid技术，可确保在“60帧/s” 状态下图像无丢帧、错帧的存储。

3.3 抗强光干扰技术

影响图像成像质量干扰光源主要有以下几种：

（1）阳光强光直射干扰；

（2）对侧LED频闪光源高亮度光线干扰；

（3）浅色车体反光干扰。

为解决这个问题，系统采用了以下技术手段，效果对比如图2所示。

图2 同样光照环境下的效果对比图

（1）提高LED频闪单元的响应时间，使其达到毫秒级；

（2）选择高动态相机，动态调整相机响应曲线；

（3）选择抗干扰效果相对较好的CMOS相机。

3.4 相机感光参数动态调整技术

由于相机采用的是定焦、定光圈镜头，要做到全天候自适应采集到清晰的图像，就需要不断地调整相机的曝光时间及增益值；为此系统采用了相机感光参数动态调整技术。

到达规定的时间间隔时（可设置，缺省为30 min），系统自动采集一张当前环境光下的图片，调用图像分析库获取图像的直方图；并与标准模板图像的直方图进行对比。利用特定的算法获取目标曝光时间与曝光值；同时利用光照传感器获取背景光的LUX值，综合计算分析，获得理想的曝光时间及增益值；并通知相机在下次采集图像时使用新的参数，以获取理想的图像。

4 关键软件模块设计

4.1 软件支撑系统

软件支撑系统负责图像采集、系统控制、数据存储与传输等，由系统状态监控、图像采集与控制、虚拟与磁盘存储、构建索引与历程匹配、图像链路传输控制等模块组成。系统逻辑结构如图3所示。

4.2 软件通信系统

图3 系统逻辑结构图

该系统采用分布式处理、集中管理控制布局架构，将分析、处理功能分散到各个处理器单元并行工作，并通过集中调度策略合理的分配每个处理器的工作强度，以达到高效率的运行；鉴于该套完整的系统是由2方共同完成，为保证系统的可扩展性与可延续性，采用工作流设计，将要实现的各个功能抽象、概括、描述，建立一个完善的工作流模型，并按照面向对象的设计方法规划各个程序组的组成与功能结构。

系统网络中传输的数据流包括：图像数据流、命令数据流、控制数据流以及程序内部的消息流，为保证数据流高效、准确、及时的传输，须构建一套完整的负载均衡控制机制，这样才能确保整个系统长期稳定的运行，如图4所示。

图4 数据流传输控制示意图

该系统支持自动排队调度和管理。负载信息管理员程序及远程执行服务器的共同作用，解决了单一机群系统映象及用户程序在机群系统内快速有效执行的问题。然而在现实系统中，往往有众多的用户程序需要同时处理，机群系统可能面临资源不够的问题。如果不分系统负荷情况，只管根据需要选择机器运行，可能导致系统不能正常有效运转。系统通过主批处理程序建立相应的用户程序队列管理中心，根据系统负荷情况、用户程序运行所需要的资源需求信息以及系统管理员事先定义的调度算法和策略，自动选择排在前面的作业执行。运行在各计算节点的从批处理程序接收来自主批处理程序的运行用户程序请求并启动相应的用户程序运行。

该系统的调度算法以队列为基础，可以支持多队列调度策略。不同的队列可以根据项目、应用或者资源使用以及可以使用的主机及用户的不同，采用不同的调度策略。具体的调度算法包括：

（1）先来先服务FCFS；

（2）公平调度及份额控制Fairshare；

（3）抢占式调度 Preemption；

（4）独占式调度 Exclusive；

（5）主机公平调度 HostParation；

（6）资源预约调度Resource Reservation；

（7）高级处理器预约 Advance Reservation。

该系统具备完善的作业控制能力，可以对作业的运行时间、CPU 时间、内存大小、数据区大小、CPU数量、文件大小等进行控制。支持基于主机、用户及队列的动态负荷调度和控制，包括CPU利用率、反应CPU忙闲的15 min、1 min及15 s，平均运行队列长度r15m/r1m/r15s、反应I/O及内存换页负荷的io/pg、反应用户登录及交互式操作等信息的ls/it、以及操作系统的可用内存、swp和tmp空间等的调度/控制。

4.3 相机曝光、增益自动调节软件系统

由于相机采用的是定焦、定光圈镜头，要做到全天候自适应采集到清晰的图像，就需要不断地调整相机的曝光时间及增益值；相机曝光、增益自动调节软件工作原理如图5所示。

5 结束语

铁路货车装载状态高清图像监视系统，圆满实现了总体方案，达到了各项功能要求，抓拍的图像清晰、分辨率高，可自适应多种天气状况。该系统已在郑州东站圃田西货场安装试用，如图6所示。得到现场货检人员的认可，避免了人工检查带来的效率低、数据不易保存、取证困难的缺点，使货检值班人员能够随时了解货物的装载状况，及时发现装载的问题和隐患，系统已于2013年3月通过郑州铁路局技术鉴定，为确保货检效能和作业安全、提高铁路货运安全保障能力，提高货运安全信息化管理水平提供了新手段。

图5 相机曝光、增益自动调节软件工作原理

图6 设备在郑州东站圃田西货场安装情况

[1]邵泽宽，王俊岭.局口车号自动识别系统识别率的改进方案[J].铁路计算机应用，2011，20（7）.

责任编辑 方 圆

Design and implementation on High-definition Picture Monitoring System of railway freight transportation

ZHOU Haoyu1, YU Miao2

( 1. Qiushi College, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2.Institute of Science and Technology, Zhengzhou Railway Administration, Zhengzhou 450000, China )

With the monitoring demand of railway freight transportation, high-definition camera based Monitoring System was proposed to take the photo of the freight trains. The System was used to store mass data and design the JXR compaction algorithm. The application proofed the System could implement the realtime collection and storage for the image of high-speed freight train.

freight transport charge condition; image monitoring; real time; compaction and storage

U294.2∶TP39

A

1005-8451（2014）01-0033-04

2013-07-15

赵昊宇，在读本科生；余 淼，高级工程师。