货车运行故障动态图像检测系统TFDS定稿.docx
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货车运行故障动态图像检测系统TFDS定稿
摘要
为推进铁路现代化建设，实现货车列检作业环节的减少，推动从人检到机检、静态检测到动态检删的转变，提高列检效率和质量，保障货物列车运行安全，铁路列检站急需要一种可以对目前运行的铁路货车车辆的标签进行识别，对车底重要部位进行高速、清晰的图像采集，井可阻实现/W..d动识别的设备，因此-货车运行故障动态图像检测系统（TroubicofMwmgFrcigjitCarDetectionSystcm，TFDS）孕育而生。
本文主要介绍了铁路货车运行故障动态图像检测系统的研究过程·作者将TFDS系统分为前端控制与采集于系统和计算机视觉故障自动识别子系统两部分，每个子系统又分为若干模块分别设计。
本文重点对静端控制与采集子系统的车号识别设备、图像自动采集设备，以及对计算机视觉自动识别子系统的针对两类常见故障的计算机视觉图像自动别算法进行了研究。
研究车号自动识别设备时，应用了射频识别（RadioFrcquencyIdentⅡification，RFID）技术中的微波反射调制解调原理。
其中载波信号生成子模块产生910.1MHz、912.1MHz和914.1MHz频点的可选载波信号，标签将车号编码信息通过幅度调制加载到载波信号中，反射波经过与载波同频本振信号混频并滤波后得出车号编码信号。
该信号经过解码模块解码得出车号信息，研究图像自动采集设备时，本文选#了UP.8001业摄像头+MatroxMetcor】I/Digital图像采集卡的组合。
在针对铁路货车两类常见故障的计算机视觉故障自动识别算法方面，采用了计算机视觉（ComputerVision，cv）技术。
主要使用了直方图的灰度变换将待检图片进行预处理然后使用Sobel算子对图像进行边缘检测。
在故障识别算法的设计中运用了图像投影理论，Hough变换以及Hough逆变换经典算法。
铁道部tbr3070-2002铁路机车车辆自动识别设备技术条件》铁路标准为本文依据。
关键诃：
车号自动识别系统；RFID;计算机视觉：
货车运行故障动态图像检测系统
Abstract
Inordertoadvancerailroadmodernization,realizethefreighttraininspectionlinkreduction,promotefromthepeopleseizedtomachineinspection,staticdetectiontodynamiccheckdeletechange,improvetraininspectionefficiencyandquality,guaranteeofthesaferunningofthetrain,therailwaytraininspectionstationinurgentneedofacannowrunarailroadfreightcartagidentificationofimportantparts,carhighspeed,clearimageacquisition,wellresistance/W..dautomaticidentificationequipment,therefore-Vanoperationfaultdynamicimagedetectionsystem（TroubicofMwmgFrcigjitCarDetectionSystcm,TFDS）born.
ThispapermainlyintroducestherailwayfreightoperationfaultdynamicimagedetectionsystemresearchprocessauthorTFDSsystemisdividedintoafrontcontrolanddataacquisitionsystemandcomputervisionfaultautomaticrecognitionsystemintwoparts,eachsubsystemisdividedintoseveralmodulesweredesigned.Thispaperfocusesonthestaticendcontrolanddataacquisitionsubsystemnumberidentificationequipment,automaticimageacquisitionequipment,aswellasoncomputervisionautomaticrecognitionsystemfortwokindsofcommonfaultsofcomputervisionimageautomaticrecognitionarestudied.Studyoftheautomaticcarnumberidentificationequipment,applicationofradiofrequencyidentification（RadioFrcquencyIdentⅡification,RFID）technologyinthemicrowavereflectionmodulationanddemodulationprinciple.Wherethecarriersignalgenerationmoduletogenerate910.1MHz,912.1MHzand914.1MHzfrequencypointoptionalcarriersignal,thelabelwillbecodinginformationisloadedintothecarriersignalbyamplitudemodulation,reflectionwavewiththesamefrequencyofthelocaloscillatorsignalcarriermixingandfilteringafterthecodingsignal.Thesignalisdecodedbydecodingmoduleofvehiclenumberinformation,researchimageautomaticcollectingdevice,thispaperselected#UP.8001camera+MatroxMetcor]I/Digitalimageacquisitioncardcombinations.Intwokindsofcommontroublesinrailwayfreightcarcomputervisionfaultautomaticrecognitionalgorithm,usingcomputervision（ComputerVision,CV）technology.ThemainuseofthehistogramofthegrayleveltransformationwillbeseizedimagepreprocessingandthenusetheSobeloperatorimageedgedetection.Inafaultidentificationalgorithmforuseinthedesignoftheimageprojectiontheory,HoughtransformandHoughtransformalgorithm.Ministryofrailwaytbr3070-2002railwaylocomotivevehicleautomaticidentificationequipmenttechnicalconditions"standardisbasedontherailway.
Thekeyto:
automatictrainidentificationsystem;RFID;computervision:
Vanoperationfaultdynamicimagedetectionsystem
目录
摘要1
Abstract2
目录4
第1章TFDS故障自动检测系统的整体设计5
1.1系统功能5
1.2系统组成5
1.2.1概述6
1.2.2系统原理7
1.2.3系统功能7
1.3系统工作流程，8
1.4安装使用情况8
1.4.1安装和使用8
1.4.2重要作用8
第2章前端控制与采集子系统研究9
2.1前端控制与采集子系统总体设计9
2.2车号自动识别设备10
2.3初末级放大子模块11
第3章图像采集设备12
3.1工业摄像头12
3.2图像采集卡13
3.3上位工控机13
3.4补光光源14
第4章计算机视觉故障自动识别子系统研究15
4.1计算机视觉故障自动识别子系统总体设计15
4.2心盘螺丝丢失识别算法16
第5章系统调试及性能参数17
5.1车号自动识别设备调试17
5.2图像自动采集设备调试19
5.3系统整体联调20
5.4系统性能参数23
5.4图片质量24
5.5设备问题24
结束语25
参考文献27
第1章TFDS故障自动检测系统的整体设计
1.1系统功能
本课题所研究的货车运行故障动态图像自动检测系统（TFDS），主要负责对一些直接影响列车行车安全的关键部位进行图像采集和自动检测，以弥补传统列检作业方式的不足。
本系统要实现的功能如下：
（1）对行进中的铁路货车的转向架心盘、转向架静J动粱等重点待检测部位进行抓拍，自动生成顺位图像：
（2）自动计轴、计辆；
（3）自动测算车速；
（4）采集车次、车号、车种车型；
（5）对抓拍的重点检测部位照片进行故噔自动识别。
1.2系统组成
TFDS系统主要由检测信息采集设备、信息处理传输设备、列检所检测中心和其他复示终端构成。
检测信息采集设备即轨边探测设备，主要有高速摄像装置、光源补偿装置、车轮传感器、AEI地面天线等组成，主要完成过车检测、光源补偿、图像采集任务。
信息处理传输设备即探测站机房内设备，主要有图像信息采集设备、车辆信息采集设备、交换机、光纤收发器等组成，主要负责对过车信息处理并控制室外设备的正常工作，将采集到的图片进行处理，并将处理后的图像数据传输到列检所检测中心。
列检所检测中心设备由服务器和检测中心室内设备组成。
服务器主要完成车辆和图片信息的接收、存储和管理，检测中心主要完成图像信息的显示、故障信息的收集以及工作信息的记录。
其他复示终端有段、局复示中心、部查询终端等，主要起监控、查询、统计等管理作用。
1.2.1概述
我们将整个TFDS检测系统分为前端控制和采集子系统以厦计算机视觉故障自动识别子系统两部分分别进行设计。
整个系统的组成及功能框图如图21所示。
其中，前端控制和采集子系统主要由车号自动识别设备和图像自动采集设备两部分组成。
车号自动识别设备负责自动采集并识别固定在铁路货车底部的标签内的车号信息，统计车轴数和车厢辆数，自动识别车种（客车／货车）、车型：
图像自动采集设备负责测算车速，采集货车底部待检部位的图片。
计算机视觉故障自动识别子系统包括图像自动识别专用计算机-数据存储服务器和前端窗口计算机群组成。
其中，图像自动识别专用计算机负责调用图像预处理算法、图像特征提取算法和故障判断算法程序对保存在数据存储服务器内的图片进行处理和故障判别；数据存储服务器作为Oracic数据库保存所有检测货车的原始数据；窗口计算机群负责为列检值班员提供操作窗口。
本系统示意图如下：
1.2.2系统原理
TFDS系统采用了当今的一些新技术：
高速摄像、大容量图像数据实时处理、模式识别、计算机及网络等技术。
系统通过布置于钢轨之间的高速相机阵列，拍摄通过列车车辆的转向架、基础制动装置、车钩缓冲装置等车辆关键部位的图像，经计算机处理后传输到室内分析室。
室内检车员对抓拍到的图像进行分析、判别有关故障，从而达到动态检测车辆主要技术状态的目的。
1.2.3系统功能
TFDS系统具备图像化监控运行列车关键部位的能力，具备以下功能：
（1）自动拍摄和筛选出车辆转向架、基础制动装置、车钩缓冲、交叉杆底部等部位的图像，实现对车底和侧下部的检测。
（2）通过人机结合的方式对车辆图像信息和过车信息进行分析，判别故障。
（3）室内分析室按一车一档的方式建立并显示图像。
（4）自动对通过列车进行计轴、计辆和测速。
（5）自动识别列车车次、车号信息，判别货车车种车型。
（6）自动生成列检所常用统计报表。
（7）能够实现分散检测、全程追踪、全线联网、信息共享的要求。
1.3系统工作流程，
系统首先进行参数的初始化，然后通过安放在轨边的碰钢来探测是否来车，如果磁钢有信号，系统则进入工作状态等待车辆通过，否则继续探剩·在车辆通过的同时，通过磁钢统计车轴数和辆数，车号自动识别设备自动采集和识别车号，然后判断是客车还是货车，如果是客车则返回，是货车则通过测速磁钢测算车辆行驶速度，计算定位数据，图像自动采集设备定位捕捉重点部位图像，然后判断整列车是否已经通过完毕，未完毕返回，完毕则通过上位机处理处理采集到的原始车号、图片等原始数据并通过光纤将数据传至数据存储服务器，接着图像自动识别专用计算机自动处理井识别数据存储服务器中新保存的图像·处理后在窗口机给出信号车辆最新数据和故障车信息，完成接车全过程。
完成后，系统进入待机状志。
1.4安装使用情况
1.4.1安装和使用
2004年底，我段在上、下到列检所各安装了一套TFDS，并开始使用。
到目前，已经先后在郑北、新乡南、晋北、南阳西、嘉峰等主要列检所安装了11套，按照部、局计划，今年还有8套要安装并投入使用。
随着时代的发展，TFDS的使用将会普及到各条线路的所有列检所。
通过近几年的实际运用，在用的TFDS均发现了大量的车辆下部实际故障。
尤其是对于区间非技检列车，TFDS正在取代传统列检作业的作用，对车辆进行动态检测，保障着行车安全。
1.4.2重要作用
纵观近几年的使用情况，TFDS系统已经在目前的列检工作中发挥着以下重要作用：
（1）由“人控”向“人机联控”的改变，改变了以往单独由人工作业的方式，提高故障检查的可靠性。
（2）由“室外检查”向“室外室内联检”的改变，减轻了室外作业劳动强度。
（3）由“静态检查”向“动态检测”的改变，更有效地保障运行车辆的安全，同时可以逐步减少区间列检作业，提高运输效率。
（4）便于原因分析、责任追究，通过查询图像、追踪分析以前记录，可以准确地追查出原始列检作业中的漏检漏修情况，便于定责。
本章对系统的功能、组成和工作流程进行了介绍，对TFDS故障自动检测系统进行了整体设计。
在对整个系统进行整体了解和设计后，接下来的两章将整个系统分为前端控制与采集系统和计算机视觉故障自动识别系统这两个子系统分别进行研究。
第2章前端控制与采集子系统研究
2.1前端控制与采集子系统总体设计
系统的组成框图如图22所示。
前端控制与采集子系统主要由车号自动识别设备和图像自动采集设备两部分组成。
其中车号自动识别设备硬件将该设备分为以下几个模块：
RF射频模块、解码与控制模块、环行器、天线和标签。
其中RF射频模块包括；载波信号生成模块、初末级放大模块、解调模块、信号放大整形模块：
解码与控制模块包括；信号实时解码模块、车号上传与控制模块载波信号生成模块负责生成910.1、912.1、914.1MHz可选载波信号，经韧末级放大模块放大后经过环行器并通过收发共用天线发射出去。
载波信号被标签内的调制电路调制后附加上了车号信息，反射回天线，经过环行器传送到解调模块进行解调，解调后得到的信号通过放大整形后上传到信号实时解码模块按照编解码标准解出车号信息，车号上传与控控制块将解出的车号信息上传到上位工控机。
图像自动采集设备的硬件框图如图32所示，它包括：
工业摄像头、图像采集卡、工控计算机和补偿光源。
工业摄像头用来摄取被检测部位的图像，即将光信号转换成电信号，输出一般为模拟信号或特定格式的数字信号，信号进过图像采集卡处理成指定式的图片，通过PC接口上传并保存在上位工控机内存中，接车完毕后，保存到硬盘内．工业摄像头在拍摄时，补偿光源同时触发，功能与民用相机的闪光灯相同。
2.2车号自动识别设备
车号自动识别设备自动识别车号是使用了微波反射调制解调原理”。
标签上反射调制电路的功能框图，数字基带电路产生符合TWI3070.2002标准定义为变形移频键控FSK信号f，输出到微波FET晶体管的栅极·图中的z是一个无源且无耗的反射系数变换网络，当FET沟道阻抗在其栅极信号脉冲的控制下发生变化时，将引起耐络了的负载反射系数的变化，经过网络Z的变换后，造成在天线端口反射系数的变化。
不妨设天线端口的反射系数为：
r（t）e，r（t）和f（f）分别表示受到调制的反射系数的模和相角·通过选择变换网络Z的参数，使得网络输入端反射系数的模值恒为常数，在反射波上将得到PSK调制信号：
同样，如果使反射系数的相位恒为常数，则在反射波上将得到幅度调制信号。
反射调制式射频识别系统工作时，阅读器发出微波查询能量信号，电子标签收到微波查询能量信号后将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作，另一部分微波能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回阅读器。
阅读器接收反射回的幅度调制信号．从中提取出电子标签中保存的标识性数据信息。
系统工作过程中，阅读器发出微波信号与接收反射回的幅度调制信号同时进行。
接收幅度调制信号的基本原理与同步检波相纠。
同步检波器主要用于对抑制载波的双边带调幅波和单边带调幅波进行解调，也可以用来解调普通调幅波，它是由相乘器和低通滤波器两部分组成。
同步检波器与包络检波器的区别在于检波器的输入除了有需要进行解调的调幅信号电压外，还必须外加一个频率和相位与输入信号载频完全相同的本地载频信号电u.。
经过相乘和滤波后得到原调制信号.图3.4为同步检波器的方框原理图。
2.3初末级放大子模块
初级放大部分负责对载波信号生成于模块产生的低功率高频载波信号进行放大，以符合后面对标签反射回来的反射波信号进行同步波解调的功率要求：
末级放大子模块负责对待发射的载波信号进行束级放大，放大其功率到射频识别距离的要求。
射频功率放大器（PowerAmplifier，PA）是无线电发送设备的重要组成部分，它的主要任务是将己调制的频带信号放大使其达到足够的功率值，以满足天线辐射的需要或技术指标要求。
射频功率放大器的主要技术指标删有输出功率、功率效率、功率增益、工作频段、输入，输出驻波比等。
（1）输出功翠
放大器的目的就是获得足够高的不失真的输出功率，主要考虑饱和输出功率。
即：
功率放大器的输入功率加大到某一值后，再加大输入功率并不会改变输出功率的大小，该输出功率称为功率放大器的饱和输出功率。
本系统设计时要求初级功放的输出功率不能太高，功率太高电磁辐射也就越大，会影响同一块板上的其他电子器件的功能。
功率也不能太低·太低的输出功率再经过功率分离器的分频，可能无法满足同步检波乘法器本地载波信号功率的要求。
经过多次实验，确定初级功放的输出功率范围为6dBm16dBm，末级功放的输出功率范围为0.9-1.6W。
（2）功率效率
功率放大器的效率有两种定义方法，一种称为集电极（漏极）效率，另一种称之为功率增加效率（PowcrAddedEfficiency，PAE），它是输出功率P-与输入功率p之差与电源供给功率‰之比，即：
通常使用后者表示功率放大器的效率。
功率增加效率PAE的定义中包含了功率增益的因素-当有比较大的功率增益时，p》p，此时-仉nPAE。
功率效率高，单位电源功率就可以获得更多的输出功率。
在电池供电系统中，功率效率指标比较重要。
本系统由于使用室内AC220V/50Hz电源供电，对功放的功率增加效率PAE要求不高。
但从整个系统的电磁稳定度和直流稳压电源供电能力要求考虑，PAE还是越高越好。
（3）功率增益
指放大器输出功率和输入功率的比值，单位常用"dB"。
功放芯片增益越高性能越好·本系统对功放芯片选取时尽量选取高增益的功放芯
片。
（4）工作频段
工作频段是指放大器满足全部性能指标的连续频率范围，放大器的工作带宽往往需要考虑实际的需求·本系统要求功放的稳定工作频率范围覆盖910.iMk、9121MHz和914.1MHZ三个频点即可，参考频率范围为890MHz915MHZ。
第3章图像采集设备
3.1工业摄像头
工业摄像头是用来采集图片的设备。
其成像单元主要有CCD（电荷耦台器件
ChargeCoupleDevice）和CMOS（互补金属氧化物半导体ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）两种。
在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。
照片成像质量较CMOS高，故在机器视觉领域通常选用CCD摄像头。
本系统采用的是微视凌志公司的UP-SOO工业摄像头。
UP-00是一款最高分辨率为1024x776的数字式摄像头，它使用了逐行扫描隔行传输的技术。
具有外部异步采集功能，能够很容易的抓拍高速运动物体的图像。
其CCD的方形像素更适合用于处理、测量和分析方面的应用。
在最高分辨率下可以实现45FPS的帧率，它的电子快门速度为1/45-1/71000秒．16档可选。
支持LVDS数字输出，同时具有模拟输出。
信噪比大于58dB。
在以780×582像素进行采集时可以实现对时速高于2601un物体清晰的拍摄。
它的性能完全符合本系统的要求。
3.2图像采集卡
本系统采用的是MatroxMctcorll/Digital图像采集卡，它是MatroxMeLcorII高性能低价格系列采集卡中的一款。
它可以用RS-422或LVDS差分信号标准，采集黑白，分量RGB，面阵／线阵信号，采样率在LVDS下达到40MHZ。
MatroxMeteor.lUl具有专门设计的MatroxVidcointerfaceASIC（VIA）。
它是一个高级存储控制器，它可以以先进的格式重组方式将数据实时采集到板上内存，使采集到的数据流不须通过CPU而直接将并行数据流导出到PO总线。
总线主控模式可以以每秒高选130MB的速率传输数据而不需要连续占用总线。
即使系统同时进行采集、显示、制图、网络接收、磁盘存储、以及外部输入输出，扩展的缓冲功能也可以在高速总线滞后情况下确保图像数据实时传输到主存，PCJ接口还支持图像数据亚采样，以近一步降低对总线带宽的要求。
该卡使用LVDS差分信号标准t1UP-800工业摄像头连接，采集和处理速度完全满足本系统采集运动货车底部图片的要求。
3.3上位工控机
本系统使用的上位机CPU为P43.OGHz，1GB内存，160GB硬盘，采用标准工控机箱，搭载Windows20DQServcr操作系统，该上位机主要有三个功能：
一是根据列车到达传感器信号控制车号自动识别设备的末级功放开关机，并接收保存该
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