摘 要：現(xiàn)有軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)大多采用軌道電路和壓力傳感器，存在機(jī)械磨損和產(chǎn)生電火花的可能性，影響安全生產(chǎn);加上傳感器設(shè)置在軌道下面，井下巷道積水、環(huán)境惡劣，影響傳感器性能，系統(tǒng)維護(hù)困難、可靠性差。本文提出采用視頻圖象處理方法，利用模式識(shí)別、最優(yōu)閾值和幾何相似理論，實(shí)現(xiàn)非接觸式的監(jiān)控與測(cè)量。研究結(jié)果表明：系統(tǒng)可對(duì)列車運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向、列車異常情況、列車有效載荷等數(shù)據(jù)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定。 關(guān)鍵詞：紅外CCD; 軌道運(yùn)輸; 監(jiān)測(cè); 視頻圖象 Abstract：Existing surveillance and measure of railway transportation under mine mostly uses railway circuit and pressure sensor. But it can produce the possibility of electrical spark, which affects safety in production. In addition, sensor installation under railway, much water under mine, and bad environment will affect performance of sensor. At the same time, system maintenance will become very difficult, and the system’s reliability will become lower. This paper puts forward non-contact surveillance and measure that uses video image processing, pattern recognition, optimum threshold value and theory of geometric similarity. Research result shows that system can carry out effective surveillance and measure of the data such as train speed, direction, unusual condition and payload. Also this system runs safely and stably. Keywords：Infrared CCD; Railway Transportation; Surveillance and Measure; Video Image 引言 　　軌道運(yùn)輸系統(tǒng)是礦井運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ咧?，在礦井運(yùn)輸中扮演著重要的角色。如何安全、可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井軌道運(yùn)輸系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，對(duì)于保障礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。目前的礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)大多采用軌道電路和壓力傳感器等。因此，現(xiàn)有礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有以下不足之處： 　　（1） 使用接觸式傳感器，存在機(jī)械磨損和磨擦產(chǎn)生電火花的可能性，影響安全生產(chǎn); 　?。?） 監(jiān)測(cè)不具可視化，監(jiān)控者只能看到一些數(shù)字化的指標(biāo)，監(jiān)測(cè)效果差; 　?。?） 傳感器設(shè)置在軌道下面，井下巷道積水、環(huán)境惡劣，嚴(yán)重影響傳感器性能; 　?。?） 系統(tǒng)成本高、維護(hù)量大、可靠性差。 　　為了有效地解決以上幾個(gè)方面問題，本文提出采用非接觸式的視頻圖象處理方法來實(shí)現(xiàn)礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)­­­­。由于紅外波段具有空間分辨率高、穿透性好和散射光小等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此，礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用了紅外CCD。 1 紅外CCD礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 　　采用基于ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line，非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路）雙絞線寬帶傳輸技術(shù)[2]的紅外CCD礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。來自紅外CCD攝像機(jī)的視頻信號(hào)，經(jīng)模式識(shí)別、最優(yōu)閾值等視頻圖象算法處理后，分別提取視頻圖象中有關(guān)列車圖象、有效載荷（是指列車所運(yùn)輸?shù)呢浳?，如：礦石、煤炭等）圖象的各種特征量，將監(jiān)測(cè)得到的計(jì)算結(jié)果通過ADSL MODEM傳輸給監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)，監(jiān)控中心的PC機(jī)會(huì)將有關(guān)列車運(yùn)輸狀態(tài)的分析結(jié)果顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)非接觸的、可視化的遠(yuǎn)程監(jiān)控與測(cè)量。為最大限度地減少傳送的數(shù)據(jù)量，在滿足實(shí)際監(jiān)測(cè)需要的前提下，本系統(tǒng)采用256級(jí)灰度圖象，圖象尺寸為320×240象素。 [align=center] 圖1 紅外CCD礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[/align] 　　紅外CCD礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有列車運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算、列車移動(dòng)方向識(shí)別、列車節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)、列車有效載荷計(jì)算、列車運(yùn)行異常情況報(bào)警處理（包括列車停運(yùn)告警、列車超速告警）、系統(tǒng)初始化與常用參數(shù)的設(shè)置保存六個(gè)主要功能[3]。 2 礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè) 　　2.1 列車運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算 　　用圖象處理的方法來測(cè)量、計(jì)算列車的運(yùn)動(dòng)速度是一個(gè)復(fù)雜的問題。為此，本系統(tǒng)根據(jù)視頻圖象采集系統(tǒng)采集到的連續(xù)圖象[4]，按照模式識(shí)別的原理對(duì)列車的基本特征進(jìn)行了分析。首先確定列車是否已經(jīng)到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如果列車已經(jīng)到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，則比較相鄰運(yùn)動(dòng)幀圖象中列車狀態(tài)與位置的變化量，然后根據(jù)這個(gè)位置變化量、產(chǎn)生變化量所需的時(shí)間、紅外CCD視場(chǎng)（角度）、CCD采樣策略以及采樣策略對(duì)應(yīng)的采樣區(qū)域大小和紅外CCD鏡頭距列車的垂直距離這六個(gè)量的相互關(guān)系計(jì)算出列車的運(yùn)行速度。具體算法與相應(yīng)計(jì)算步驟如下。 　　2.1.1 檢測(cè)列車的時(shí)間戳及其位置 　　首先根據(jù)列車圖象的俯視特征和模式識(shí)別的基本原理，檢測(cè)出列車進(jìn)入監(jiān)測(cè)畫面的時(shí)間戳和它在圖象中的具體位置。 　　井下運(yùn)動(dòng)物體種類少，為井下移動(dòng)物體的快速識(shí)別提供了便利。另外，井下列車圖象的俯視特征為較規(guī)則的矩形，所以，快速識(shí)別是完全可以實(shí)現(xiàn)的。 　　在人工智能領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)視覺主要關(guān)注圖象處理算法，圖象處理方法很多，效果千差萬別。本文選擇了統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法作為算法的理論依據(jù)，這不僅僅因?yàn)樗菓?yīng)用最廣的方法，更重要的是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)及要識(shí)別的物體特征非常適合使用統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別進(jìn)行處理。 　　2.1.2 列車運(yùn)行速度檢測(cè) 　　關(guān)于列車運(yùn)行速度檢測(cè)問題，本文采用檢測(cè)相鄰運(yùn)動(dòng)幀，并計(jì)算相鄰運(yùn)動(dòng)幀間的位置變化與時(shí)間的關(guān)系來得到列車運(yùn)動(dòng)的速度。 　?。?）依據(jù)差分幀運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，可以得到列車進(jìn)入監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的首幀運(yùn)動(dòng)圖象;（2）利用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)原理，檢測(cè)出列車進(jìn)入畫面的第二運(yùn)動(dòng)幀，將第二運(yùn)動(dòng)幀在圖象中的位置和進(jìn)入畫面的時(shí)間戳等參數(shù)通過ADSL發(fā)送到井上的監(jiān)控PC機(jī)上;（3）井上監(jiān)控PC機(jī)根據(jù)（1）和（2）兩項(xiàng)的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出被監(jiān)控列車進(jìn)入監(jiān)控畫面的前兩個(gè)相鄰運(yùn)動(dòng)幀的差幀P;（4）根據(jù)得到的差幀P，計(jì)算出列車在第二運(yùn)動(dòng)幀相對(duì)于列車在第一運(yùn)動(dòng)幀移動(dòng)的長(zhǎng)度，即移動(dòng)象素的個(gè)數(shù)ΔP;（5）可以按式（1）計(jì)算出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的每幀圖象對(duì)應(yīng)列車運(yùn)動(dòng)方向的視場(chǎng)總長(zhǎng)度L（單位為米）;（6）根據(jù)列車進(jìn)入畫面的第一、第二運(yùn)動(dòng)幀對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳，計(jì)算列車的運(yùn)行速度V（米/秒）。 　　2.1.3 系統(tǒng)的約束條件 　　根據(jù)各種參數(shù)及相互關(guān)系可知，在列車運(yùn)動(dòng)方向紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的每幀圖象的視場(chǎng)總長(zhǎng)度L=2×[d×tan（α/2）]，如果選擇的CCD鏡頭的視場(chǎng)角為80°，鏡頭布置位置距離被監(jiān)測(cè)列車上表面是1到1.5米，那么，紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在PAL制信號(hào)[5]條件下（每秒25幀視頻圖象）能夠不失真地監(jiān)測(cè)到列車的最高時(shí)速是多少呢? 　　根據(jù)“采樣定理[6]”，如果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采樣頻率fs = 25Hz（PAL制），分別考慮CCD鏡頭布置位置距離被監(jiān)測(cè)列車上表面1米和1.5米兩種情況。 　?。?） CCD鏡頭位置距離被監(jiān)測(cè)列車1米 　　根據(jù)這些參數(shù)和基本假設(shè)，可以按照公式（3）計(jì)算出每幀圖象對(duì)應(yīng)列車運(yùn)動(dòng)方向的視場(chǎng)總長(zhǎng)度： 　　L = 2×[d×tan（α/2）] = 2×[1×tan（80°/2）] = 2×0.8391 = 1.6782 米 　　根據(jù)“采樣定理”知，采樣頻率fs必須大于被測(cè)信號(hào)最高頻率的兩倍，采樣后的信號(hào)才不會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，即fs ≥ 2fc。 　　如果按照fc = fs/2計(jì)算，fc = 12.5Hz，在此情況下，相應(yīng)地能夠允許列車的最高運(yùn)行時(shí)速為Vmax = 20.98（米/秒），即允許被監(jiān)測(cè)列車最高以每小時(shí)75.5公里的時(shí)速通過監(jiān)測(cè)地點(diǎn)，而目前礦井列車的最高設(shè)計(jì)時(shí)速僅為10米/秒（相當(dāng)于每小時(shí)36公里），一般正常情況下，列車在井下的運(yùn)動(dòng)速度通常為3米/秒到5米/秒。因此，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全可以滿足監(jiān)測(cè)需要。 　?。?） 要滿足10米/秒的最高設(shè)計(jì)時(shí)速，CCD鏡頭布置位置距離被監(jiān)測(cè)列車上表面最短距離 　　d = L/（2×0.8391） = 0.8/（2×0.8391） = 0.4767米 　　也就是說，如果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的CCD鏡頭距離被監(jiān)測(cè)列車上表面大于0.5米，就可以對(duì)礦井列車進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。 　　同樣，如果適當(dāng)加大鏡頭與被監(jiān)測(cè)物體的間距，就可以對(duì)運(yùn)行速度更高的物體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，照此看來，本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣。 　　2.2 列車移動(dòng)方向識(shí)別 　　首先，約定兩個(gè)基本概念：列車的上行方向和列車的下行方向。列車的上行方向：列車從采區(qū)運(yùn)輸產(chǎn)品到井上方向定義為列車的上行方向;列車的下行方向：列車從井上到采區(qū)方向定義為列車的下行方向。具體實(shí)現(xiàn)方法如下： 　?。?）首先根據(jù)列車圖象的俯視特征和模式識(shí)別的基本原理，檢測(cè)出“運(yùn)動(dòng)物體”是否進(jìn)入監(jiān)測(cè)畫面以及在圖象中的具體位置; 　?。?）根據(jù)CCD攝像機(jī)俯視列車得到的列車圖象具有“矩形特征”這一特點(diǎn)，區(qū)分并識(shí)別出進(jìn)入監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)物體是否是列車; 　　（3）根據(jù)事先約定的列車上行方向、列車下行方向以及CCD鏡頭的布置位置，連續(xù)跟蹤列車進(jìn)入監(jiān)測(cè)畫面的第一運(yùn)動(dòng)幀、第二運(yùn)動(dòng)幀和第三運(yùn)動(dòng)幀，以第二運(yùn)動(dòng)幀、第一運(yùn)動(dòng)幀以及它們的差幀來初步確定列車的運(yùn)行方向，再以第三運(yùn)動(dòng)幀、第二運(yùn)動(dòng)幀以及它們的差幀來驗(yàn)證前面確定的初步運(yùn)行方向是否正確。 　　2.3 列車運(yùn)行異常告警處理 　　2.3.1 列車進(jìn)入監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)后停止運(yùn)行 　　由于井下條件特殊，一旦運(yùn)行中的列車由于機(jī)械或電力等原因造成列車停止運(yùn)行，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該立即向井上控制中心告警，并進(jìn)行閉鎖。因?yàn)槊簜}(cāng)容量有限，如果列車運(yùn)輸系統(tǒng)一旦停運(yùn)，輕者會(huì)造成相關(guān)采區(qū)停工和煤倉(cāng)事故，重者會(huì)造成機(jī)車追尾或相撞事故。因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須迅速告警，以便采取必要的措施保障運(yùn)輸安全。告警處理如下： 　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將在列車進(jìn)入監(jiān)測(cè)畫面后，連續(xù)采集視頻圖象，不斷比較得到的各幀圖象之間的差異，運(yùn)用幀間閾值法判斷列車的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)列車停止運(yùn)行（連續(xù)若干幀圖象完全一致或幀間差值小于給定閾值），井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將立即向井上監(jiān)控中心發(fā)送列車停止運(yùn)行標(biāo)志位和時(shí)間戳，井上PC機(jī)收到停止標(biāo)志和時(shí)間戳后，便進(jìn)行系統(tǒng)閉鎖、聲光告警和監(jiān)控日志記錄。 　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)隨后進(jìn)入停止模式的監(jiān)測(cè)狀態(tài)，直到列車恢復(fù)正常運(yùn)行為止。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將在列車恢復(fù)運(yùn)行后，發(fā)送列車運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位和相應(yīng)的時(shí)間戳，以便井上PC機(jī)解除系統(tǒng)閉鎖，完成告警解除和監(jiān)控日志的完整記錄。這些日志記錄可以為日后的事故分析、判斷和處理提供相應(yīng)依據(jù)。 　　2.3.2 超速告警 　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中超速告警功能的實(shí)現(xiàn)，一改過去井下列車駕駛員違規(guī)操作無法定量監(jiān)測(cè)的局面。對(duì)列車運(yùn)輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行、列車運(yùn)輸系統(tǒng)事故責(zé)任的鑒別和區(qū)分均具有重要意義。實(shí)現(xiàn)超速告警處理的具體步驟如下： 　?。?）首先根據(jù)每個(gè)礦井軌道運(yùn)輸?shù)男枰蛙壍澜煌ㄇ闆r，在井上PC機(jī)上設(shè)定超速告警的速度閾值，這一閾值可以根據(jù)實(shí)際需要即時(shí)改變，因此，超速告警具有很大的靈活性。 　?。?）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)列車進(jìn)入監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)后，即對(duì)其行駛速度進(jìn)行計(jì)算，并將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的列車速度結(jié)果通過ADSL傳輸?shù)骄螾C機(jī)上。 　?。?）井上PC機(jī)將收到的列車時(shí)速與設(shè)定的超速告警閾值進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的列車時(shí)速超過告警限制，則進(jìn)行聲光告警，提示管理人員采取相應(yīng)措施，并且自動(dòng)進(jìn)行安全日志的超速告警記錄（主要包括：列車的運(yùn)行時(shí)速、時(shí)間戳等信息）。 3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與分析 　　根據(jù)前面討論的礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)需求，本系統(tǒng)在平頂山礦業(yè)集團(tuán)進(jìn)行了有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)的同步錄像）。 [align=center] 圖2　井下現(xiàn)場(chǎng)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[/align] 　　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)能夠完成軌道運(yùn)輸?shù)母黜?xiàng)監(jiān)測(cè)任務(wù)，監(jiān)控者可以方便地了解列車運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向、列車異常情況、列車有效載荷等多項(xiàng)重要數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確。 4 結(jié) 論 　　綜上所述，根據(jù)礦井環(huán)境的特殊性和井下運(yùn)輸監(jiān)測(cè)的要求，采用基于非接觸式的圖象處理方法來實(shí)現(xiàn)礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)，井上監(jiān)控中心不僅能及時(shí)、準(zhǔn)確地觀察到一些數(shù)字化的指標(biāo)，更可以直接看到井下現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控圖象。這對(duì)于管理者全面、準(zhǔn)確了解井下運(yùn)輸生產(chǎn)情況，確保礦井安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 　　另外，紅外CCD礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同樣也可以在膠帶運(yùn)輸?shù)绕渌V井運(yùn)輸環(huán)境中使用，具有廣泛的應(yīng)用前景。 本文的創(chuàng)新點(diǎn): 　　1、提出了采用視頻圖象處理方法，利用模式識(shí)別、最優(yōu)閾值和幾何相似理論，實(shí)現(xiàn)了非接觸式的監(jiān)控與測(cè)量。 　　2、提出了位置變化量、產(chǎn)生變化量所需的時(shí)間、紅外CCD視場(chǎng)（角度）等六因素相互關(guān)聯(lián)的計(jì)算方法。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 陳永甫 編. 紅外探測(cè)與控制電路[M]. 北京：人民郵電出版社，2006。 　　[2] 關(guān)永，張杰，孫繼平. xDSL技術(shù)群與礦井遠(yuǎn)程通訊的研究[J]，遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23（4）:493～495。 　　[3] 關(guān)永. 基于紅外探測(cè)技術(shù)的礦井遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D]. 北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū), 2004。 　　[4] 韓相軍.嵌入式視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]，微計(jì)算機(jī)信息，2006，22-2:26-28。 　　[5] 阮秋綺. 數(shù)學(xué)圖像處理學(xué)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2001。 　　[6] 樊昌信, 張甫翊, 徐炳祥. 通信原理[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2002。