翟仕樂(lè)

（中國(guó)神華軌道機(jī)械化維護(hù)分公司肅寧工務(wù)機(jī)械段，河北滄州 062350）

鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械特種視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究

翟仕樂(lè)

（中國(guó)神華軌道機(jī)械化維護(hù)分公司肅寧工務(wù)機(jī)械段，河北滄州 062350）

大型養(yǎng)路機(jī)械是現(xiàn)代鐵路維護(hù)的重要設(shè)備，目前在我國(guó)鐵路線路維修中得到廣泛應(yīng)用，為進(jìn)一步提升大型養(yǎng)路機(jī)械工作的質(zhì)量和效率，研究開發(fā)在大型養(yǎng)路機(jī)械上安裝監(jiān)控系統(tǒng)，隨時(shí)掌握機(jī)械車周圍動(dòng)態(tài)情況，更有利于安全生產(chǎn)。根據(jù)作業(yè)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析了監(jiān)控系統(tǒng)具有的功能和特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)操作子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和工況試驗(yàn)，試驗(yàn)表明所開發(fā)的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，圖像清晰，具有較好的適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的能力。

鐵路養(yǎng)路機(jī)械；特種監(jiān)控系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.52

0 緒論

隨著鐵路行業(yè)的蓬勃發(fā)展，鐵路線路維護(hù)與質(zhì)量保障顯得尤為重要。引入大型養(yǎng)路機(jī)械極大地減小了養(yǎng)路工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，鐵路線路的維護(hù)自動(dòng)化程度越來(lái)越高并日漸規(guī)范。但是大型養(yǎng)路機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，作業(yè)中工作裝置振動(dòng)大、噪聲高，車內(nèi)操作工與車外指揮和質(zhì)量監(jiān)視人員溝通不方便。為了保障大型養(yǎng)路機(jī)械施工質(zhì)量，操作人員需要對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械工作裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為此，設(shè)計(jì)了特種監(jiān)控系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各工位工況。同時(shí)，為提高對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械的管理水平，建立了遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心可以調(diào)出工作現(xiàn)場(chǎng)的圖像。

神維公司的大型養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備主要有清篩機(jī)、搗固車、穩(wěn)定車、配碴車等。搗固車是公司大型養(yǎng)路機(jī)械中的重要車型之一，用于神華鐵路線路的維修，對(duì)鐵路軌道進(jìn)行起、撥道和抄平作業(yè)，使鐵路軌道的方向、水平以及前后高低，全部達(dá)到線路要求的維修標(biāo)準(zhǔn)。搗固車的運(yùn)用提高了道床石碴的密實(shí)性，增加了軌道的穩(wěn)定性，確保列車安全運(yùn)行。搗固車在公司大型養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備中數(shù)量最多、使用率最高。因此，首先在搗固車上安裝了視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本文以大型養(yǎng)路機(jī)械中的搗固車為例，表述相關(guān)研究成果。

1 特種監(jiān)控系統(tǒng)框架

安裝在搗固車上的特種視頻監(jiān)控系統(tǒng)，分為現(xiàn)場(chǎng)操作監(jiān)控子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)兩部分，現(xiàn)場(chǎng)操作監(jiān)控子系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)記錄各工作裝置工況情況，數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)用于調(diào)控現(xiàn)場(chǎng)工況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。采用了6組紅外攝像機(jī)監(jiān)測(cè)搗固車左搗固頭、右搗固頭、左夾鉗、右?jiàn)A鉗、前端、后端等位置，在作業(yè)操作位置，前、后端司機(jī)室均可實(shí)時(shí)查看，即在子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多路監(jiān)控。各子系統(tǒng)把視頻主機(jī)的信息及采集到的視頻流數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)制形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，經(jīng)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心將數(shù)據(jù)解調(diào)成一般數(shù)據(jù)供計(jì)算機(jī)使用，計(jì)算機(jī)具有添加注冊(cè)、注銷各子系統(tǒng)ID、讀取、記錄、視頻等功能。特種監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)操作子系統(tǒng)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)操作子系統(tǒng)功能與性能要求

在大型養(yǎng)路機(jī)械上安裝圖像監(jiān)控系統(tǒng)，大型養(yǎng)路機(jī)械的操作人員作業(yè)中能隨時(shí)看到車輛周圍的狀況，在施工過(guò)程中能在確保施工安全的前提下，提高大型養(yǎng)路機(jī)械的使用效率和作業(yè)質(zhì)量。由于大型養(yǎng)路機(jī)械施工作業(yè)環(huán)境非常差，所以對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境的能力提出了更高要求?，F(xiàn)場(chǎng)組成操作子系統(tǒng)的所有元件應(yīng)具有6方面性能。

圖1 圖像監(jiān)控系統(tǒng)框架

（1）系統(tǒng)可適應(yīng)的環(huán)境溫度在-25～55℃，且具有較好的抗振性能。

（2）具備夜視功能，密封性能要好，具有防雨雪、防塵功能。

（3）系統(tǒng)工作電壓范圍廣，在6～36 V。

（4）在司機(jī)室和1#位能實(shí)時(shí)看到大型養(yǎng)路機(jī)前后、左右工作裝置的狀態(tài)，圖像要清晰。

（5）要求各位置的圖像能單獨(dú)顯示，也可以分割顯示，兩種狀態(tài)可以相互切換。

（6）系統(tǒng)具備大容量存儲(chǔ)圖像的功能。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)操作子系統(tǒng)組成

現(xiàn)場(chǎng)操作子系統(tǒng)，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)上的6路視頻監(jiān)控圖像的實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與后續(xù)的控制平臺(tái)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)流傳輸，保證系統(tǒng)對(duì)視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求。具體內(nèi)容：6路CCD攝像機(jī)將采集到的視頻模擬信號(hào)傳輸給視頻采集電路，把色彩及明暗的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬的電信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變成符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)并傳送給數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。處理器中的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)視頻編碼電路，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，再把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，傳輸?shù)斤@示器端，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)觀察。同時(shí)實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)視頻數(shù)據(jù)的本地保存，網(wǎng)絡(luò)與后續(xù)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行切換回放操作。系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.3 現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)主要硬件選型

2.2.1 電源模塊

大型養(yǎng)路機(jī)械的電源系統(tǒng)是+24 V，由于機(jī)械車啟動(dòng)時(shí)電源電壓會(huì)被拉低，系統(tǒng)電池浮充時(shí)，電源電壓保持接近28 V。為避免系統(tǒng)由于供電浮動(dòng)而產(chǎn)生的故障，采用9～36 V轉(zhuǎn)12 V電源模塊。電源模塊具有5個(gè)特征。

（1）高功率密度，超薄設(shè)計(jì)，超小體積。

（2）多重保護(hù)功能設(shè)計(jì)，采用基板工藝生產(chǎn)，加強(qiáng)了產(chǎn)品可靠性。

（3）加強(qiáng)電磁兼容設(shè)計(jì)，可在強(qiáng)電磁環(huán)境下工作，具有低EMC特性，已通過(guò)歐盟CE認(rèn)證。

（4）一體化灌封，實(shí)現(xiàn)了防腐、防潮、防震性能。

（5）具有輸入過(guò)壓、欠壓、輸出過(guò)壓、過(guò)流、短路保護(hù)。

2.2.2 數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）選型

運(yùn)算速度是評(píng)價(jià)DSP性能最重要的指標(biāo)之一，運(yùn)算速度越快說(shuō)明DSP處理數(shù)據(jù)的能力越強(qiáng)，是首選參數(shù)。同時(shí)，還要考慮芯片的其他硬件資源能否滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，比如：內(nèi)存RAM和ROM存儲(chǔ)的大小，I/O接口的匹配等。另一方面，選擇DSP型號(hào)的芯片,還需要考慮開發(fā)工具的完善，不只需要提供軟件開發(fā)工具，還應(yīng)有與之相適應(yīng)的硬件。當(dāng)設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)越是復(fù)雜開發(fā)工具越重要。沒(méi)有好的開發(fā)工具支撐，會(huì)增加系統(tǒng)開發(fā)的難度，更難提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可移植性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，綜合各方面考慮比較，最后選擇了TI公司生產(chǎn)的TMS320DM642芯片（簡(jiǎn)稱DM642）。該芯片的工作頻率，是由芯片內(nèi)部的PLL鎖相環(huán)進(jìn)行設(shè)置的，設(shè)定的頻率可達(dá)到500 MHz，600 MHz，720 MHz，相應(yīng)的每秒可執(zhí)行的指令數(shù)是4000 MIPS，4800 MIPS和5760 MIPS。在多媒體數(shù)字信號(hào)的處理中，得到最廣泛的應(yīng)用，是DSP系列產(chǎn)品中性價(jià)比較高、數(shù)字媒體解決方案的首選產(chǎn)品。該芯片除擁有高速控制器的操作靈活性，還具有陣列處理器的數(shù)字處理能力且芯片的外圍，設(shè)有完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò)通信接口。

主要參數(shù)：具有3個(gè)可配置的視頻端口（VPORT0-2），可以實(shí)現(xiàn)與通用的視頻編、解碼器無(wú)縫連接，并支持多種視頻分辨率和視頻標(biāo)準(zhǔn)，支持RAW視頻輸入/輸出，傳輸流模式。有1個(gè)10/100 Mb/s以太網(wǎng)接口（EMAC），符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。1個(gè)多通道具有緩沖音頻串行端口（McASP），支持 I2S，DIT，S/PDIF，IEC60958-1，AES-3，CP-430等音頻格式。2個(gè)多通道帶有緩沖串行端口（McBSP），并采用RS232電平驅(qū)動(dòng)。1個(gè)VCXO內(nèi)插控制單元（VIC），支持音/視頻同步。1個(gè) 32位、66 MHz，3.3 V 主/從PCI接口，執(zhí)行PCI2.2規(guī)范。1個(gè)用戶可配置的16/32主機(jī)接口（HPI）。1個(gè) 16位通用輸入/輸出端口（GPIO）。1個(gè) 64位外部存儲(chǔ)器接口（EMIF），能夠與大多數(shù)異步存儲(chǔ)器（SRAM，EPROM）及同步存儲(chǔ)器如（SDRAM，SBSRAM，ZBT SRAM，F(xiàn)IFO）無(wú)縫連接，最大可尋址外部存儲(chǔ)器空間為1024 MB。1個(gè)具有64路獨(dú)立通道的增強(qiáng)型直接內(nèi)存訪問(wèn)控制器（EDMA）。1個(gè)數(shù)據(jù)管理輸入/輸出模塊（MDIO）。1個(gè)I2C總線模塊。3個(gè)32位通用定時(shí)器。1個(gè)符合IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口及子板接口等。

2.2.3 模塊FPGA的選型

首先根據(jù)系統(tǒng)的需求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA（Field-Programmable Gate Array），模塊的工作頻率以及資源等多個(gè)方面，綜合考慮選擇相匹配的器件型號(hào)。要兼顧接口標(biāo)準(zhǔn)以及開發(fā)工具的支持情況。

經(jīng)過(guò)充分的市場(chǎng)調(diào)研，賽靈思在FPGA技術(shù)方面優(yōu)勢(shì)明顯，產(chǎn)品類型多，而且技術(shù)支持全面。最終選擇賽靈思公司的產(chǎn)品XC3S500E-4FGG320C芯片，芯片特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)90 nm工藝，320腳FBGA封裝，20個(gè)乘法器，10476個(gè)等效邏輯單元，4個(gè)時(shí)鐘管理模塊，可支持232個(gè)用戶I/O端口，模塊性能和資源能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的需求。

2.2.4 攝像機(jī)選型

攝像機(jī)是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的視頻原件，關(guān)系到系統(tǒng)抗振性能、畫面清晰度、可靠度、穩(wěn)定性。因此選擇了符合系統(tǒng)的彩色紅外防水半球防爆攝像機(jī)。具體參數(shù)：采用高性能SONY CCD，分辨率700 TVL,圖像清晰、細(xì)膩。低照度，0.001 Lux（F1.2,AGC ON），支持自動(dòng)彩轉(zhuǎn)黑功能,實(shí)現(xiàn)晝夜監(jiān)控。支持?jǐn)?shù)字降噪功能，數(shù)字寬動(dòng)態(tài)功能。支持強(qiáng)光逆轉(zhuǎn)功能。防暴等級(jí)超過(guò)IK10，符合IP66級(jí)防水設(shè)計(jì),可靠性高。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)軟件

現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)，選用客戶/服務(wù)器模型。數(shù)字主機(jī)作為服務(wù)器，把攝像頭采集到的視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù)，提供相應(yīng)的視頻信號(hào)。主機(jī)客戶端向服務(wù)器端發(fā)出請(qǐng)求，接收傳來(lái)的視頻信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)處理。視頻監(jiān)控系統(tǒng)客戶端的用戶登錄模塊、視頻預(yù)覽模塊、回放下載模塊要獨(dú)立設(shè)置。在現(xiàn)場(chǎng)要達(dá)到操作方便、圖像清晰穩(wěn)定。軟件流程見(jiàn)圖3。

3 數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)是公司內(nèi)部設(shè)立的用于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工作狀況的專用區(qū)域，管理人員可以根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，隨時(shí)抽調(diào)施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械車工況，加強(qiáng)安全管理。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)軟件流程

3.1 數(shù)據(jù)中心組成

數(shù)據(jù)中心包含廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)接收設(shè)備、數(shù)據(jù)解調(diào)設(shè)備、計(jì)算機(jī)及軟件等，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)中心設(shè)備組成

3.2 數(shù)據(jù)中心軟件

數(shù)據(jù)中心軟件是遠(yuǎn)程監(jiān)控的核心部分。計(jì)算機(jī)將得到的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)解調(diào)為監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與視頻流，分別以界面的形式呈現(xiàn)給管理層，更好掌控現(xiàn)場(chǎng)工作。數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)也兼?zhèn)浯鎯?chǔ)能力，記錄故障時(shí)刻，更好的明確故障類型與故障原因。其流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)中心軟件流程

4 大型養(yǎng)路機(jī)械特種監(jiān)控實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行中的檢測(cè)結(jié)果（表1）

4.2 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)況

依據(jù)國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，將所開發(fā)的大型養(yǎng)路機(jī)械特種監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室調(diào)整運(yùn)行正常后，安裝在搗固車上進(jìn)行裝車試驗(yàn)、驗(yàn)收。圖6為搗固車操作位顯示器和數(shù)據(jù)中心同時(shí)檢測(cè)到的左夾鉗實(shí)時(shí)圖像，圖像清晰、效果性好，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

表1 檢測(cè)結(jié)果

圖6 現(xiàn)場(chǎng)操作子系統(tǒng)左夾鉗

5 結(jié)論

大型養(yǎng)路機(jī)械的施工現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)、噪聲大，環(huán)境惡劣，施工人員在車上、車下溝通不暢，影響施工效率并存在施工安全隱患，為大型養(yǎng)路機(jī)械安裝特種監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，本文提出了在大型養(yǎng)路機(jī)械安裝監(jiān)控系統(tǒng)的必要性和應(yīng)具有的功能。并根據(jù)功能的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)操作子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)并分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)軟件。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)工況試驗(yàn)：圖像清晰、實(shí)時(shí)性好，操作號(hào)位能實(shí)時(shí)掌控現(xiàn)場(chǎng)情況，工作效率提高，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)，達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

［1］楊新軍,張文東,胡躍進(jìn)，等.大型養(yǎng)路機(jī)械檢修技術(shù)基礎(chǔ)［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2005.

［2］鄭群星.Xilinx FPGA數(shù)字電路設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2012.

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〔編輯 利 文〕