视频技术在铁路线路动态检查仪中的应用研究

吉 克

(中国铁路太原局集团有限公司，山西 太原 030013)

1 研究背景

近几年来，铁路线路的大规模开通运营，行车速度不断提高，对轨道的平顺性要求也越来越严格。轨道平顺性不良，将直接引起列车运行过程中的车体晃动，轮轨之间作用力增大，严重危害轨道和机车车辆部件，甚至引发安全事故，危及行车安全。便携式线路检查仪作为添乘人员上车添乘的辅助工具，虽能够动态检测并记录线路病害，但在发现路外情况及其他问题时，无法直观准确的记录添乘过程，不能显示问题的具体情况。因此，急需在现有便携式线路检查仪的基础上，进一步加强人工添乘辅助功能，降低添乘人员的工作强度，提高添乘记录的准确性。在添乘过程中引入视频监控，通过添乘标记与视频录像的结合，准确直观的记录添乘过程，同时将视频录像与线路里程等信息叠加匹配，便于添乘后的添乘记录回放、分析和对添乘问题进行有针对性的补充完善。

2 系统组成

检查仪由两部分构成：硬件部分包括主机、GPS天线、高清摄像头、微型热敏打印机、充电器及配套数据线，供工务人员上车添乘线路使用。软件部分包括固化软件、客户端软件(PC机安装)。

2.1 线路检查仪硬件组成

线路检查仪的硬件设备包括：SY-6主机、GPS天线、高清摄像头、微型热敏打印机、充电器及配套数据线等。

2.2 软件组成

软件分为固化软件和客户端软件两部分。

2.2.1固化软件

固化软件主要实现上车添乘的相关功能，包括：

1)实时数据采集。

实时数据包括视频数据、线路信息及病害数据、GPS坐标数据等数据的采集。

2)数据处理存储。

线路病害数据采用FIR数字滤波和峰值检测等算法进行降噪提取提高测量精度和准确度，并与位置、速度等信息组成病害信息数据；视频数据使用H.264视频编码算法，在保证视频质量的前提下完成视频图像的压缩和存储，并将线路病害和位置信息叠加在视频上便于查找和检索。

3)界面操作显示。

配合电容触摸屏采用Qt平台，界面和操作更加人性化和用户友好，可以方便快速的完成添乘前、添乘中和添乘后的相关操作及添乘数据的显示、查询和打印等操作。

2.2.2客户端软件

安装在PC机上。主要实现对设备之间的参数设置和下发，以及接受设备的添乘数据并配合视频文件对添乘数据的查询、分析和统计。客户端软件的主要功能模块有：

1)GPS坐标和参数设置。

用于设备与电脑之间上传和下载GPS坐标和相关添乘参数。包括：车型、线名与线号对应表、单位与编号对应表、门限设定、管界信息、单位及线名信息等。

2)数据处理和视频回放。

用于接收、整合设备的添乘数据，导入数据文件，数据格式转换等功能。结合视频录像和超限数据，快速定位并回放相关段落的录像，清楚直观的显示问题情况，并具有调整播放速度、快进、快退、单帧播放等功能，便于进一步分析。

3)查询分析。

对添乘数据统计分析、查询。包括超限数据查询、重复病害查询、同期数据横向比对等。

3 技术原理

在充分考虑了项目要求和产品的可用性、可靠性及可扩展能力的前提下，结合了新型数字技术解决了以下几个问题：

1)如何进一步提高线路数据的准确度和处理速度；

2)如何进行高清视频的采集、编码和处理；

3)如何进行海量数据的高速存储。

3.1 FPGA和数字滤波器的应用

3.1.1数字滤波器设计

机车高速运行过程中，轨道不平顺产生的高频振动会因为机车自身减震作用被衰减，因此病害分析中主要以低频信号为主。FIR滤波器因为在可以保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，在模式识别和信号处理中有着广泛的应用，具有稳定性高、精度高、设计灵活等特点，避免了模拟滤波器的电压偏移、温漂和噪声等问题。

3.1.2FPGA在数字滤波器的应用

FPGA，即现场可编程逻辑门阵列，与传统的逻辑电路相比其内部使用了查找表和触发器结构驱动其他逻辑电路和IO管脚，构成了可以通过加载编程数据来实现预定的功能。与采用冯诺依曼结构的CPU等通用处理器只能顺序执行程序不同，FPGA内部是数字电路，其可并行，可配置性和灵活性是传统方式无法相比的，适用于复杂的数据处理。

FIR滤波器的数学形式如下：

使用传统方法设计FIR滤波器，需要先根据目标计算理想滤波器的单位冲激响应：

为了能使滤波器的性能接近理想滤波器，选择合适的窗函数：

其中,N为窗函数的长度，N值越大，性能越接近理想滤波器。

并根据实际情况移动窗函数位置可以得到相应的滤波器参数。

可以看出使用传统的设计方法非常繁琐，计算量大。借助于电子计算机的计算能力的提高，QuartusII提供了基于FPGA的FIR设计工具，可以直观高效的在FPGA上设计出相应的滤波器。通过多次添乘测试和仪器测量，发现因轨道不平顺产生的晃车振动在0 Hz～20 Hz频率范围内最为集中，因此确定了滤波器的设计参数。

3.2 视频编码技术和应用

3.2.1H.264视频编码技术

通过在添乘时配合视频监控技术，可以准确直观的记录添乘过程，并可以保存为视频录像在以后的分析中反复查看。为了在不损失画面清晰度的情况下减小视频文件的体积，使用了数字视频压缩格式H.264。

3.2.2ARM架构在视频编码处理的应用

Cortex-A9多核处理器结合了Cortex应用级架构以及用于可扩展性能，包含ARM特定应用架构扩展集，包括DSP和SIMD扩展集、TrustZone安全访问区域、智能功耗管理等技术，提供浮点运算单元FPU可以完成高性能的双精度浮点指令运算，集成NEON媒体处理引擎和Mali图形处理单元，同时在优秀的功耗控制的前提下将处理器的主频提升到1.8 GHz以上。

3.3 高速大容量存储设备的应用

即使使用H.264的高压缩编码技术，录制长时间的视频文件的体积仍然较大，传统的存储芯片存储时间短，也不便于容量上的升级。因此需要使用大容量的存储设备保存视频和其他数据文件，同时又要满足尺寸小，速度快，便于更换等特点。

3.4 硬件抗干扰设计

硬件抗干扰主要从两方面设计，一方面是优化印刷电路板的硬件布局，另一方面增加屏蔽措施。

印刷电路板采用分隔数字地、模拟地和电源地，确保地平面之间连接可靠，降低地平面噪声串扰；对于关键的信号走线如视频线、高速信号线等采用差分等长走线，遵循3W原则，并用地平面隔离不同类型的走线，抑制共模噪声，防止信号之间的相互干扰；采用独立的模块化供电方式，使用大容量滤波电容，进一步提升电源的纯净度。

屏蔽层接地处理，各个功能模块严格按照EMC规范设计，有效降低自身对外部的电磁辐射，同时可以屏蔽掉外来的电磁干扰。

3.5 软件抗干扰设计

软件采用冗余CRC校验方式，保证数据的准确性和完整性；对保存在Flash上的重要数据使用“读—修改—写—读”，保证数据能够正确的写入。

4 功能及性能特点

4.1 功能特点

1)实时动态监测线路情况，采用FPGA高速处理加速度数据。

2)GPS定位，自动识别线路、行别及管界等线路信息，并能根据定位信息自动校正里程误差。

3)实时视频采集和存储，并在录像上自动叠加相关的速度、里程、线路、管界等线路信息和实时加速度信息，方便回放检索和查看定位。

4)自动根据车型、速度等选择晃车门限，自动根据超限数据实时报警并打印超限信息。

5)大容量数据存储。

6)实时振动波形和相关信息显示。

7)采用7寸电容触摸屏，界面友好。

8)USB2.0接口，高速数据传输。

9)工作时间不小于15 h。

10)蓝牙通信，可以与车载式线路检查仪实现数据共享。

11)微型热敏打印，快速、低功耗。

4.2 性能特点

1)采用FPGA组成的高性能数字处理模块，对线路不平顺引起的低频晃车更加敏感，反映线路实际情况更准确，极大提高了线路检测的一致性。

2)采用ARM Cortex-A9架构处理器，极大的提高了系统的采样速度和处理速度，减少病害漏报。

3)数据处理采用了数字滤波器和峰值检测等新型算法，有效消除各种干扰，降低误报率。

4)实时视频的采集、处理和储存，视频录像上叠加里程、速度和线路信息与线路晃动数据信息，便于视频回放检索和查找添乘问题。

5)使用新型GPS模块，能够实现准确定位、快速搜星、自动识别线路名称、行别和所属管界信息等。

6)应用蓝牙通讯技术实现与机车数据共享，有效解决隧道内没有GPS无法定位问题，同时增强了系统的扩展功能。

7)满足各类型机车使用，可根据线路情况和车辆情况调整使用门限。

8)便携式热敏微型打印机，快速、低功耗、高质量打印。

9)完善的软件分析处理功能，可以多种数据分析和处理，结合视频录像，快速定位超限数据的位置。

5 结语

SY-6型便携式线路检查仪的研制开发并投入使用，使便携式线路检查仪整体性能上升了一个新台阶，极大提高了既有线路以及高铁、客运专线的动态检测数据的一致性。

视频监控在便携式线路检查仪中的应用，为日后添乘数据的记录、分析提供了便利。客户端软件将仪器检测数据与人工添乘记录同时入库，进行对比、查询、统计，为提高线路检测的精准度创造了条件。