何 姗

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉 430074）

1 概述

铁路货车装载视频监视系统是以货车装载图像设备、车号识别设备等为基础，采用先进的计算机网络技术及信息处理与集成技术，实现货物装载状态高清图像信息的自动收集、检测监控和集中管理，为各级货运管理部门和作业部门提供清晰、直观的货车装载信息[1]。

铁路货车装载视频监视系统主要应用在铁路货运作业管理上，利用安装在铁路货运站出入口处的采集装置，对通过的车辆进行监测并自动录像，按车次、车号记录，保存列车出入时间、列车装载状态等信息，从而通过拍摄的图片及时了解进出车辆货物的装载情况，以便对存在安全隐患的货车进行处理。货车图像资料可以实现自动存档，图像资料可以作为货车使用和装载状态的交接依据，便于与站间、段间、局间交接的划责和处理，还可作为历史记录，随时调用查看[2]。

2 现状分析

2.1 需求分析

1）采集系统建设需求

在原系统门架安装位置向站外方向延伸约1 km（具体距离依据每站最长列车换长长度确定）处安装高清视频监视采集设备（两处距离大于列车的长度，选择平直线路处，避开弯道及坡道）。实时采集通过上行线和下行线列车的两侧图像。采集后的两侧图像作为原系统门架处同时错车时丢失一侧图像的补充。

2）数据接入与整合需求

由于线间补强系统数据与原有系统数据的施工单位和建设时间不同，且数据格式存在兼容问题，需要补强系统对数据进行统一处理，实现数据的规范存储、集中管理，形成统一数据资源池，并在此基础上对数据进行归类、整合，实现数据的标准化、集中化。

3）业务应用需求

针对列车交错时丢失图像采集的实际问题，升级或者重新设计各类抽取、整合、匹配手段，满足不同数据的整合、匹配及实时更新需求，构建统一的基础信息库，对原有系统的错误图像进行纠错处理，补齐货车装载状态图像信息。

2.2 存在的问题

铁路货车装载视频监视系统大多采用线阵相机作为图像采集设备。线阵相机其像元是一维线状排列的，每次采集一列图像数据，常用于被测物连续运动且运动速度恒定，分辨率要求较高的场景。该系统前端采集设备常布置在货场、编组场、专用线、货检站等进出口以及主要货运干线咽喉位置[3]。

当系统前端采集设备安装在多线并行且线间距不满足限界要求(依据客货铁路（v≤160 km/h）建筑限界2.44 m)时，线间无法立柱安装采集设备，造成列车交错时中间图像被遮挡的现象，需再次进行人工现场检测，货检作业量大且耗时长，使货检作业效率低下且存在车辆漏检的安全隐患[4]，如图1所示。

图1 会车状态采集图像问题点Fig.1 Problems in collecting images of wagons meeting

3 既有铁路货车装载视频监视系统方案研究

3.1 系统结构及主要功能

既有铁路货车装载视频监视系统结构如图2所示。

图2 既有铁路货车装载视频监视系统结构Fig.2 Structure diagram of video monitoring system for the existing wagon loading status

铁路货车装载视频监视系统采用基于高清彩色线阵摄像机和200万像素彩色摄像机自动监控目标引入的识别方法，利用视频图像压缩技术实现对铁路货车装载状态环境监测功能；通过线阵扫描的方式获取高清晰的货车扫描图像[5]；采用激光传感器技术实现列车超限货物的检测，利用车位系统实现超限物在状态录像上的同步、定位和报警；为实现超限动态检测，在货车途径的到达场、出发场或编发场建立一个测量视场，将激光预判装置安放在设备安装支架上，两侧形成监测视场[6]。

当货车经过既有龙门架时，车位系统根据货车车轮滑过情况触发检测设备工作，既有3台高清彩色线阵相机从货车的顶部及左右两侧3个角度对通过货车装载状态进行实时扫描，提供列车两侧和顶部车况的高清晰扫描图像, 实现一辆车左、右、顶状态各采集一整幅图片，可清晰看清车厢门窗的完好程度和平板车端板关闭状态，识别篷布、顶盖及绳索的完整和捆绑状态，同时也为货车装载状态自动识别系统提供基础数据。

既有激光雷达设置于既有龙门架的立柱侧面，形成封闭横断面，两台激光雷达对货车的中心高度、左右宽度及斜高进行实时扫描，根据预设的测量算法，计算机实时解算处理，并在货车通过既有龙门架将检测结果传送到数据处理计算机中，以供工作人员分析超限数据及超限货物的图像。

既有顶部彩色面阵高清相机（200万像素彩色摄像机），是对货车的车厢顶部状态进行实时抓拍，实现环境监测和预警功能，可实现监控目标侵入、现场遗留物的自动检测。同时可实现系统设备看护报警功能，其状态图像传送到系统数据服务器中进行信息保存，通过硬件解码器进行实时监控和大屏展示。工作人员可以实时监视3个角度的货车状态，也可以在服务器中调取相应录像信息进行回放，重点确认。高清线阵相机和激光预判组合可以更加方便的查询出超限车辆的录像和图片，并且获得了更加清晰的效果。

3.2 存在的问题

由于部分铁路货检站的到达场、出发场或编发场存在两条股道间距不满足限界要求，无法在股道中间立柱安装采集设备，当同时过车时，列车之间会互相造成遮挡，致使靠线路内侧的货车侧面变成盲区，无法检测到货车侧面的装载状态，造成同时过车会丢失列车一侧的图像数据。

4 优化方案设计

4.1 系统逻辑架构设计

基于铁路货车装载视频监视系统，会车图像采集技术逻辑上分为数据源、数据层、服务层、应用层和用户层5个层级[7]。系统逻辑架构如图3所示。

图3 系统逻辑架构Fig.3 System logical architecture

1）数据源

数据源是系统的数据来源。包含原系统的图像数据、车号数据、车位数据及时间数据；补强系统的图像数据、车号数据、车位数据及时间数据。

2） 数据层

数据层完成数据的采集、融合、计算、分析、匹配等，是整个系统的核心基础模块，由存储、计算、数据库组成。

a.存储计算

提供系统数据的数据存储、计算功能，是系统软件和硬件的核心模块，支持横向扩展、高可用、高性能要求。

硬件提供数据的存储和计算资源。在存储资源和计算资源紧张时，易于横向扩展添加资源。硬件环境主要有服务器、核心交换机、存储设备等资源。

b.核心组件

数据处理采用流行的Hadoop作为数据存储、管理核心组件，提供极强的横向扩展和高可用能力；采用MapReduce、SPARK[8]作为整个数据加工、整合、分析计算引擎，提供高可用、易扩展的内存和批量计算能力；采用Elasticsearch和Mongo提供各类数据全文检索能力和快速精确批量查询能力[9]。

c. 数据库

数据库包含基础库、专题库、配置库等。基础库是整个系统的数据基础，也是一切数据共享和数据分析的主要源头。按照统一的数据规范或标准，整合不同系统的基础数据，按照数据主题分类对数据进行统一归类、加工，形成系统的数据中心。在此基础上，根据业务需要形成各类专题库：图像库、预警信息库、综合分析库等。配置库包含配置信息和日志信息两大部分数据，用于存储系统中的配置信息和产生的日志信息。

3）服务层

服务层是应用层和数据层的链接桥梁，将各类分析加工的数据按照应用需要，进行接口开发及访问封装，对各类应用提供支持。服务层与应用层前后台分离，便于扩展。

4）应用层

应用层包括实时预览、录像回放、综合检索、图像测量标注等应用服务，提供松耦合、高可用、安全可靠的服务支撑；各项基础管控业务应用、安全防范工作，也在应用服务层实现。

5）用户层

用户层通过综合门户体现数据资源服务体系建设成效，提供基础资源服务、数据服务、应用服务入口，实现各类应用功能的导航，通过建立货运工作门户，适用于不同角色用户的工作需要。

4.2 会车图像采集技术应用

如图4所示，根据上述现状分析及3.2中提到的存在问题，本次研究采用会车图像采集技术，将其应用在铁路货车装载视频监视系统中，通过新设的前端采集设备高清线阵相机，实时采集通过上行线和下行线列车的两侧图像，采集后的两侧图像作为门架处同时过车丢失一侧图像的补充。当列车在既有门架处出现会车时，采用新的前端会车判别装置采集会车数据后传输至后端的新设列车交会状态检测装置，经新设的系统软件进行分析，得知会车现象，并确认丢失图像的车辆信息。系统软件经过车辆信息对比后把新设采集设备立柱处采集到的一侧图像替换掉既有门架处相应侧采集的错误图像，从而保证左、右、顶三侧图像的正确性，并保存在存储设备内，很好的解决了多线并行区域且线间距不满足限界要求不能在线间立柱安装采集设备，造成列车交错运行时中间图像被遮挡的现象引起车辆漏检风险的问题。

4.3 前端采集设备优化方案

如图5、6所示，在多线并行的既有门架安装位置向外方向延伸约1 km（具体距离依据每站最长列车换长长度确定）处安装高清监视采集设备（两处距离大于列车的长度，选择平直线路处，避开弯道及坡道），设备采用立柱方式安装，实时采集通过上行线和下行线列车的两侧图像。

图5 前端补强采集设备安装位置平面示意Fig.5 Schematic diagram of installation position of the front-end enhanced acquisition equipment

图6 前端补强采集设备安装立面示意Fig.6 Schematic diagram of installation elevation of front-end enhanced acquisition equipment

5 技术效果

本技术适用于铁路多线并行且线间距不满足限界要求（依据客货铁路（v≤ 160 km/h）建筑限界2.44 m）时，线间无法立柱安装采集设备的铁路货车装载视频监视系统，通过会车图像采集技术，系统采集的图像能够更准确、更实时的反映铁路货车的装载状态信息，提升了采集铁路货车装载状态信息数据的准确率，且大大减少了现场作业人员的工作量，使得检测过程更加便捷，大幅提高货检作业的工作效率和准确率。