CN101718525A - 一种用于列车制动缸检测的装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种用于列车制动缸检测装置及方法。根据人工列检的业务需求，本发明通过设计终端机自动检测输出制动缸活塞杆伸出的长度数据，以此来代替人工列检作业。并将每节车辆制动缸活塞杆的长度以及该长度是否满足列检标准等数据结果统一输出显示给列检人员。本发明的实现方法为采用模块化结构，方便调试、安装以及未来功能扩展升级。主要包括中央处理模块，机动控制模块，射频识别模块，图像采集和处理模块，网络传输模块，图像识别模块。本发明可扩展性强，将本实施方案中的传输方式改为WIFI等无线传输方式，结合图像处理技术，可实现无线检测，实现高科技保证下的迅速、及时检测和处理有着重要的意义。

Description

一种用于列车制动缸检测的装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种用于列车制动缸检测的装置及其工作方法，属于电子信息技术领域。

背景技术

制动缸由制动缸盖、活塞、活塞杆、皮碗及缓解弹簧等组成，通过三通阀的作用，使压缩空气进入制动缸时，推动活塞通过一套基础装置而起制动作用。

每节车辆上均有一个制动缸，制动缸型号以及所安装的位置，视货车车辆的型号而定，至少存在4种样式的制动缸。

车辆在进入列检厂后停在列检轨道上，列检轨道的长度一般能够满足40-50节车辆的长度。一般情况下，列检人员靠人工跟踪作业来检查制动缸的状态(一般由每两名列检人员负责10节左右车厢的检查，两人分别站在车厢的两侧，观察同侧的制动缸活塞杆的运动情况)，并且需要确认在车辆驶出列检厂时活塞杆全部为缩入状态，从而确保所有闸瓦均无抱闸现象。

由于目前针对货车车辆制动缸的检测尚完全依赖人工目测的结果，凭靠经验人工判断活塞杆的伸出的长度是否满足制动需求。这种方式不仅存在人为误差，而且在每次检测制动缸时都需要耗费大量的人力以及时间，不可避免的为铁路运力造成影响，导致降低了铁路部门的经济效益。对于列检人员来讲此种方式也存在着人身安全隐患。

发明内容

针对限于技术的不足，本发明提供一种通过设计终端机自动检测输出制动缸活塞杆伸出的长度数据，以此来代替人工列检作业的用于列车制动缸检测的装置及其工作方法。

一种用于列车制动缸检测的装置，包括中央处理模块、机动控制模块、射频识别模块、图像采集和处理模块、网络传输模块和图像识别模块；中央处理模块连接机动控制模块，射频识别模块，图像采集和处理模块和网络传输模块；网络传输模块一端连接中央处理模块，另一端连接图像识别模块；整个装置安装在轨道上并与上位机连接。

所述的中央处理模块，采用基于ARM920T内核的32位嵌入式SOC处理器芯片S3C2440。

所述的机动控制模块，采用感应子式步进电机。

所述的射频识别模块，采用Microchip公司生产的无源RFID芯片MCRF360。

所述的图像采集和处理模块，包括图像数据采集/模数转换模块和图像处理模块；图像数据采集/模数转换模块采用Saa7113芯片，图像处理模块采用WIS GO7007SB芯片。

所述的网络传输模块，采用Cirrus Logic公司生产的局域网处理芯片CS8900。

所述的图像识别模块，利用直方图均衡和帧差法进行图像识别。

上述装置的工作方法步骤如下：

1)装置在未收到开始检测的命令时均处于复位的状态；当制动缸完成列车的制动后，上位机启动与网络路由器的连接，路由器完成各个装置节点的注册和网络功能的初始化，为每个装置分配地址，建立起连接所有装置节点与上位机的局域网；

2)上位机通过局域网发送装置节点可以开始检测的命令，装置节点接收到相应的命令，立即启动机动控制模块，驱动装置沿轨道滑动，在运动过程中射频识别模块不断检测是否已经到达可以拍摄制动缸图像的位置；

3)射频识别模块检测到制动缸时，装置在轨道上减速，直到到达最合适的制动缸位置，装置停止运动，同时中央处理模块将射频识别模块获得的制动缸的ID信息存储；

4)中央处理模块确认装置到达指定位置，开启图像采集进程，图像采集和处理模块从摄像头捕捉到图像数据，然后将图像数据压缩成JPEG图像文件，并与制动缸的ID信息打包；

5)中央处理模块将JPEG图像与ID信息的打包文件进行TCP/IP协议的封装，然后通过局域网传送至上位机，上位机将接收到的文件解包，提取出ID信息与图像数据，并进行存储，通过对获取的图像进行直方图均衡，从而消除周围环境光过度明亮或过暗造成的影响，然后，通过构造制动缸模板在图像中定位制动缸区域，最后，在制动缸区域内通过帧差法检测制动缸活塞杆状态是否到位；

6)针对不同的检测结果，上位机发送不同的信号；如果收到的包数据有错误，则通知对应节点的装置重新采集发送；如果制动缸不满足需求，上位机则对对应节点报警；如果制动缸满足需求，则对对应节点发送复位命令，完成制动缸位置的检测。

附图说明

图1为本发明的总体结构框图。

图2是本发明的软件流程图。

图3为机动控制模块控制流程图。

图4为图像采集和处理模块的软件流程。

其中，1、中央处理模块，2、机动控制模块，3、射频识别模块，4、图像采集和处理模块，5、网络传输模块，6、图像识别模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对照附图，对本发明实施方案做进一步的详细描述。

如附图1所示，本发明的实施案例包括中央处理模块、机动控制模块、射频识别模块、图像采集和处理模块、网络传输模块、图像识别模块。中央处理模块连接机动控制模块，射频识别模块，图像采集和处理模块以及网络传输模块。网络传输模块一端连接中央处理模块，另一端连接图像识别模块。

本方案中中央处理模块采用基于ARM920T内核的32位嵌入式SOC处理器S3C2440芯片，内嵌linux操作系统。

本方案中机动控制模块采用感应子式步进电机。感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小，比较符合该方案的应用场景。中央处理模块产生驱动机动控制模块的时序信号，从而控制终端机的运转和停止。本方案步进电机的软件部分包括控制程序和驱动程序。驱动程序在终端机进入待命运行状态时对机动模块进行接口和相关寄存器的初始化，并为上层控制程序提供统一的接口函数，控制程序控制步进电机的运转和停止状态。

本方案中射频识别部分采用Microchip公司生产的无源RFID芯片MCRF360，其主要性能有：

(1)工作频率为13.56MHz；

(2)具有冲突避免能力，有100ms左右随机的睡眠定时；

(3)数据传送采用曼彻斯特编码；

(4)数据调制频率为70kHz；

(5)采用接触式编程，编程后在RF区域为只读器件；

(6)MCRF360内含100pF谐振电容；

(7)采用低功耗CMOS电路设计；

(8)数据可以保存200年以上。

采用MCRF360的另一个主要原因是有效传输距离可以达到1.5m，完全能够满足该项目的应用。根据需要，我们将列车车厢的型号，出厂时间，以及其他信息编程到内部存储器，在检测中，由于采用无源RFID，发射功率比较弱，这样只有在很小的距离内阅读器才能够识别到该RFID的存在，并且这个距离能够满足我们对制动缸定位的精度需求。

本方案中采用CS8900A实现网络路由功能。该芯片CS8900芯片是Cirrus Logic公司生产的一种局域网处理芯片，可以很好的实现了组网和各终端的数据接入功能。

本方案中图像采集和压缩芯片采用WIS GO7007SB，完成通过摄像头进行图像采集和压缩为特定图像文件格式的功能。为进一步提高图像识别的可靠性，系统采用的采集压缩芯片多次采集图像并对其进行分析，选择最适合图像识别的图像传送到管理中心。本方案中采集和压缩芯片WIS GO7007SB芯片的程序部分包括用户程序和驱动程序。其中，驱动程序对芯片进行初始化并响应视频压缩芯片的中断以及向上层提供标准的V4L接口；用户程序包括帧重组进程和发送进程。WIS GO7007SB的驱动程序向操作系统的用户层提供了对WIS GO7007SB各种操作命令的接口，包括帧率调整，取出数据等操作；数据帧维护程序通过WIS GO7007SB的驱动程序接收并维护WIS GO7007SB产生的压缩数据，按照MPEG4格式进行帧重组并按帧存储在对应的帧缓冲区内；发送程序将帧缓冲区内完整的数据帧进行网络层IP协议的封装，经由传输模块发送到网络。

本方案中传输模块的软件部分包括链路建立程序和维护程序。链路建立程序在程序运行开始初始化终端机的网络参数、建立网络连接链路；链路维护程序在程序运行过程中对网络连接进行检测和维护，以保证链路的畅通。

本方案中图像处理模块包括图像预处理，制动缸定位，活塞杆位置检测等功能模块。

结合附图2，下面详细描述本方案的具体实施流程：

终端节点最初处于复位位置，当接收到管理中心开始检测指令以后，启动步进电机，沿铁轨开始检测。如附图3所示，首先控制程序将正反转位置标志位置初值，然后正反转指针置初值，这样使得步进电机在转向时能够平滑过渡，不会产生错位。初始化完成后启动计数器开始计时并开启中断。然后等待计数器中断，进入中断处理历程进行步进电机的控制。中央处理模块在终端机沿轨道滑行过程中不断判断是否收到到达指定位置信号，并通过反馈的射频识别信号，调整步进电机的速度。如果到达终点仍没有检测到制动缸，则反向，再继续搜索，经过3次轮回搜索仍未找到制动缸，则报警出现故障。

当RFID读卡器读取到电子标签中的ID信息以后，即找到制动缸，终端节点停止运动，同时开启图像采集进程。本方案中的采集和压缩模块WIS GO7007SB通过摄像头捕捉到瞬时图像数据，经行模/数转换，产生标准的ITU-656格式的数字视频数据，数字视频数据传递给视频压缩模块进行压缩、打包，生成JPEG格式图像文件，HPI中断信号通知中央处理模块通过HPI总线的数据/地址复用进行读取。多次执行上述采集压缩过程，并通过简单分析选择最适合图像识别的数据文件作为上传的图像数据。中央处理模块将数据传送至传输模块，发送到网络上。图像采集和压缩的详细流程如附图4所示。当采集完毕图像数据以后，将通过RFID读卡器读取的ID信息与图像文件打包，并通过局域网以异步方式发送到管理主机上，管理主机将接收到的数据解包，还原出不同ID所对应的图像，进入图像处理识别阶段。

图像处理识别模块，首先，作为预处理步骤，对获取的图像进行直方图均衡，从而消除周围环境光过度明亮或过暗造成的影响；然后，通过构造制动缸模板在图像中定位制动缸区域；最后，在制动缸区域内通过帧差法检测制动缸活塞杆状态是否到位。

本发明具有以下功能特点：

本发明不需要对车辆进行改动，施工周期短，只需要在每个制动缸上面添加电子标签即可。

本发明实现了对制动缸活塞杆是否处于正常状态的自动检测，节省了人力成本，提高了检测的可靠性，所有的检测均由智能终端实现，管理中心可对未达到要求的制动缸实时的报警，并且可以对每次检测进行备案，很大程度上降低了由于人为误差导致测量不准而引发严重后果。在铁道部门，可以极大的减轻铁路工作人员的负担，保证工作人员的安全，并且更加高效、智能、快捷。

本发明可扩展性强。若将本实施方案中的传输方式改为WIFI等无线传输方式，结合图像处理技术，可以实现在复杂地形条件下的无痕探伤，进一步保证了检测部门人员物资的安全，对于提升行业整体安全水平，实现高科技保证下的迅速、及时检测和处理有着重要的意义。

Claims (8)

1.一种用于列车制动缸检测的装置，其特征在于，装置包括中央处理模块、机动控制模块、射频识别模块、图像采集和处理模块、网络传输模块和图像识别模块；中央处理模块连接机动控制模块，射频识别模块，图像采集和处理模块以及网络传输模块；网络传输模块一端连接中央处理模块，另一端连接图像识别模块；整个装置安装在轨道上并与上位机连接。

2.如权利要求1所述的一种用于列车制动缸检测的装置，其特征在于，所述的中央处理模块，采用基于ARM920T内核的32位嵌入式SOC处理器芯片S3C2440。

3.如权利要求1所述的一种用于列车制动缸检测的装置，其特征在于，所述的机动控制模块，采用感应子式步进电机。

4.如权利要求1所述的一种用于列车制动缸检测的装置，其特征在于，所述的射频识别模块，采用Microchip公司生产的无源RFID芯片MCRF360。

5.如权利要求1所述的一种用于列车制动缸检测的装置，其特征在于所述的图像采集和处理模块，包括图像数据采集/模数转换模块和图像处理模块；图像数据采集/模数转换模块采用Saa7113芯片，图像处理模块采用WIS GO7007SB芯片。

6.如权利要求1所述的一种用于列车制动缸检测的装置，其特征在于所述的网络传输模块，采用Cirrus Logic公司生产的局域网处理芯片CS8900。

7.如权利要求1所述的一种用于列车制动缸检测的装置，其特征在于所述的图像识别模块，利用直方图均衡和帧差法进行图像识别。

8.一种权利要求1所述的用于列车制动缸检测的装置的工作方法，其特征在于，步骤如下：

1)装置在未收到开始检测的命令时均处于复位的状态；当制动缸完成列车的制动后，上位机启动与网络路由器的连接，路由器完成各个装置节点的注册和网络功能的初始化，为每个装置分配地址，建立起连接所有装置节点与上位机的局域网；

2)上位机通过局域网发送装置节点可以开始检测的命令，装置节点接收到相应的命令，立即启动机动控制模块，驱动装置沿轨道滑动，在运动过程中射频识别模块不断检测是否已经到达可以拍摄制动缸图像的位置；

3)射频识别模块检测到制动缸时，装置在轨道上减速，直到到达最合适的制动缸位置，装置停止运动，同时中央处理模块将射频识别模块获得的制动缸的ID信息存储；

4)中央处理模块确认装置到达指定位置，开启图像采集进程，图像采集和处理模块从摄像头捕捉到图像数据，然后将图像数据压缩成JPEG图像文件，并与制动缸的ID信息打包；

5)中央处理模块将JPEG图像与ID信息的打包文件进行TCP/IP协议的封装，然后通过局域网传送至上位机，上位机将接收到的文件解包，提取出ID信息与图像数据，并进行存储，通过对获取的图像进行直方图均衡，从而消除周围环境光过度明亮或过暗造成的影响，然后，通过构造制动缸模板在图像中定位制动缸区域，最后，在制动缸区域内通过帧差法检测制动缸活塞杆状态是否到位；

6)针对不同的检测结果，上位机发送不同的信号；如果收到的包数据有错误，则通知对应节点的装置重新采集发送；如果制动缸不满足需求，上位机则对对应节点报警；如果制动缸满足需求，则对对应节点发送复位命令，完成制动缸位置的检测。

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