CN102941864A - 一种列车装载状态高清监控及超限检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种列车装载状态高清监控及超限检测方法，具体包括高清摄像机组进行实时监控，当感应列车到达，系统自动启动录像系统，线阵CCD摄像机实时扫描，分析出超限物体并报警，触发双目视觉立体测量相机对获取的列车图像进行双目视觉分析，特征提取、图像匹配并与列车限界轮廓比对，获取超限尺寸和超限级别，同时采用图像分析技术，智能识别棚车车门车窗开闭、篷布破损、货物偏移，对异常情况报警、并将异常情况存成高清图片，本发明采用高清视频实时监控列车，结合线阵CCD摄像机扫描检测，双目视觉立体测量相机三维立体测量列车轮廓，获取超限物体的三维坐标，既能做到实时超限报警，又能做到准确测量精确度达到毫米级的超限数据和超限级别。

Description

一种列车装载状态高清监控及超限检测方法

技术领域

本发明涉及一种列车装载状态高清监控及超限检测方法，属于铁路安全监测领域。

背景技术

在铁路货物运输过程中，由于受线路条件和车辆状况以及牵引速度诸多因素的影响，常常导致货物连同加固材料发生位移，形成安全隐患。近年来因货车装载超限所造成的事故时有发生。

根据有关资料统计，我国铁路部门每年因为铁路货物被盗而遭索赔金额高达1.5亿人民币；铁路公安经常需要通过回放监控录像，寻找线索。一些犯罪分子，通过隐匿在敞车车厢内，躲避搜索，到处逃窜。如何对这些车辆进行有效监控，也是当前需要解决的问题。

传统列车装载超限检测手段包括红外对管检测技术、激光雷达测量技术、二维摄影测量技术，使用红外对管检测原理是，按照车辆限界的轮廓布置一系列的红外传感器，形成一个多边形的超限监测框。当车辆有超限部位存在时，则相应位置的红外线就会被隔断，这样就可以大致判断超限所在位置。红外监测技术简单易行，但是存在明显缺陷：只能确定某一方向上有一级超限存在，并不能确定具体的超限位置和超限级别；不能全面检测货物超限，下部超限无法检测，中部超限对管有一个在地面上，很容易被灰尘、污物遮挡，产生大量误报；红外激光测量无法将现场检测情况以图片的形式保留，充其量只能记录超限时刻，但据此根本无法确定超限物体的部位和大小，无法进行复核，同时对观场干扰物（如飞虫、纸等）和实际超限物不易区分。

应用激光雷达测距原理组成的检测系统，具有成熟的激光测距技术、安装方便，精度较高，系统配备多台激光雷达来协同工作，测量得到货车车辆的横断面轮廓图。但是同样存在明显缺陷：目前最先进的激光雷达的扫描频率是100HZ，也就是雷达扫描一周的时间是10毫秒，假设列车行进速度为36km/h，每毫秒10mm,也就是说，激光雷达的检测灵敏度是100mm,即小于100mm的超限物，激光雷达很可能测不到。对于局界口这种速度在60-80KM/H的正线速度来说，小于200mm的超限物激光雷达测到的几率小。我们不可能只扫到一个超限点，就判别该位置装载超限，因为在前期的滤波算法中已经将只有一个点超限的情况排除掉了。

二维摄影测量技术安装位置与红外对管类似，并在摄像机背景部位安装背景板，以减少复杂背景对图像分析的干扰。其优点是可以看到超限图片，通过人工查看的方式确认是否为误报。这种方式可以进一步测得超限物超出一级限界尺寸，大致估计超限级别，但该方式也存在很明显的缺点：得到的是超出一级限界尺寸，不能真正得到超限级别，测量中部超限的背景板安装在轨道两侧的地面上，很容易被列车抛下的物体污染，从而影响图像分析，产生大量误报，有时候误报能达到几千张，也就是整列车误报，根本无法使用，因为是二维平面测量，1250mm以下部位的货物超限无法获取。

目前铁路上用的最多的是综合手段测量，摄像机抓拍分析尺寸，同时结合激光雷达检测手段，尽量取得超限物体的超限级别和准确超限尺寸。但这种综合方式只是简单的堆砌，并不能充分发挥每种技术手段的优势。以图像分析技术为基础，获取的超限，在根据激光雷达检测出的结果进行甄选，但是，是否为误报，仍不能判断。例如小于100mm的超限物，图像技术检测到了，激光雷达方法并未检测到，那没我们是判断是超限还是误报，仍无从下手。如果判断是超限，则有可能是背景板污染造成的误报，如果判断不超限，也有可能是超限物小于100mm，激光雷达并未检测到。因此这种综合检测并不能从根本上解决问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种列车装载状态高清监控及超限检测方法，解决现有技术的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种列车装载状态高清监控及超限检测方法，其特征在于包括，

通过机身旋转90度的高清摄像机组实时监控列车经过路段；

当感应列车到达时，启动录像系统，记录高清摄像机组拍摄的列车影像；

采用线阵CCD摄像机对列车进行扫描，使用线性LED灯作为背光光源，将实时图像与列车到达前采集的背景图片对比（图像相减），同时对图像相减得到的图片进行中值滤波和高斯滤波，若有超限物体挡住线性LED灯的背光光源，图像中会出现灰度值超过200的区域，若该区域超出列车限界，则输出报警信号，并根据线阵CCD摄像机标定参数计算出列车装载超限物体的宽和高，线阵CCD摄像机标定参数包括内部参数（透视变换参数和径向畸变切向畸变参数）和外部参数（线阵CCD摄像机的坐标位置）；

然后，触发双目视觉立体测量相机对列车进行扫描，将获取的列车顶部和两侧图像的每一对图像进行canny边缘检测、在此基础上再进行基于角点特征的图像匹配(利用极限约束，减少搜索范围，计算相关性)，对匹配的特征点，特征点包括角点，梯度变化大的点，边缘点等具有明显图像特征的点，根据双目视觉立体测量相机的标定参数计算出特征点的三维坐标，双目视觉立体测量相机的标定参数包括内部参数（透视变换参数和径向畸变切向畸变参数）和外部参数（线阵CCD摄像机的坐标位置），获取列车装载超限物体超限尺寸和列车外围轮廓，将列车外围轮廓和货物装载超限界限图对比，根据预先设定的列车装载超限界限值确定超限级别；

同时触发高清摄像机组抓拍监控视频图像，对图像预处理，对图像进行中值滤波和高斯滤波，再采用自适应二值化算法（边缘提取），若灰度跳跃值超过一定区域（灰度值小的区域且在轨面以上1.2米到3米之间的区域），则认为是列车车门车窗打开、篷布破损的异常情况，并就异常情况发出报警，同时将异常情况图片存储；针对监控视频中列车顶部的图像，根据高清摄像机组与铁轨相对位置的标定，对列车车厢图片进行列车车厢轮廓和列车装载货物轮廓提取，通过列车车厢轮廓和列车装载货物轮廓对比判断列车装载货物偏移。

本发明的有益效果是：采用高清摄像机组实时监控通过监控区域的列车，结合线阵CCD相机扫描检测，双目视觉立体测量相机三维立体测量货车轮廓，综合三者优势，对货车装载进行全面三维实施检测，获取超限物体的三维坐标，从技术手段上解决以往设备不能检测1250mm以下超限、不能准确检测超限物体超限级别，不能实时检测，检测精度及检测灵敏度不能满足列车装载状态检测的需要等问题。

在上述技术方案的基础上，进一步，所述一种列车装载状态高清监控及超限检测方法，其特征在于，所述旋转90度的高清摄像机组采用同步摄像机的LED频闪补光技术，高清摄像机组有专用接口输出快门脉冲信号给LED频闪补光灯，LED频闪灯的瞬间照度是常亮灯的3-4倍，通过四画面或三画面实时监控列车顶部图像、两侧图像，所述两侧图像为正对列车拍摄获取。

采用上述进一步方案的有益效果是列车监控系统视频图像清晰，分辨率高，通过旋转摄像机，使得垂直视场角足够大，能够使相机视场在铁轨边近距离覆盖整个车厢侧面，垂直达到1600P，克服了传统的因轨道边安装限界影响而采用广角镜头及倾斜拍摄而产生的广角畸变、拖尾、图像模糊，车号与图像不匹配等重大的技术难题。

进一步，所述一种列车装载状态高清监控及超限检测方法，还包括对列车计轴计辆，通过对列车车厢分节处图像特征分析，获取列车分节信息和列车行驶方向信息，获取列车行驶状态，对行驶的列车同时开启射频功放来识别车号标签，同时根据计轴计辆信息，列车行驶状态信息，车号标签以及列车分节信息，将监控视频存成图片打包存档。

采用上述进一步方案的有益效果是匹配的车号信息、分节信息、图片信息、视频信息（与确保信息联网后含确保的所有信息）存储在数据库中，用户可以根据车次、车号、车厢序号快速定位到图片和视频进行查看。

进一步，所述通过机身旋转90°的高清摄像机组实时监控列车经过路段的步骤包括，

调节监控视频缓放等级，实时查看行驶车速过快的列车装载状态；

在同一局域网内通过网页现场实时监控列车通过视频；

通过对列车图片进行灰度值均值分析，获取环境照度条件，采用智能曝光调节算法远程修改高清摄像机组参数。

智能曝光调节算法以均值误差信号、中值误差信号和平均特征距离误差信号的加权和作为调光控制系统的误差输入，结合实验数据，调整增益控制方程和步长控制方程的系数，实现相机连续自动曝光的调整。

采用上述进一步方案的有益效果是，对列车装载状态进行实时监控，为多业务部门监控终端提供监视图像，可以根据列车车厢查看图片信息并作为有力证据和分析资料。

进一步，所述双目视觉立体测量相机采用双目视觉分析技术，根据开启射频功效识别的车号标签，获取列车型号，根据列车型号和图像匹配得到特征匹配点，根据线阵CCD摄像机扫描出的列车装载超限物体信息，筛选无用点，对权重比较大的匹配点进行重点分析。

采用上述进一步方案的有益效果是扫描精度和识别灵敏度可达毫米级，并能知道超限物的三维尺寸，准确获取超限级别。

附图说明

图1为本发明系统监控支架上硬件布局图；

图2为本发明系统设备平面布置图；

图3为本发明系统网络通讯结构图；

图4为本发明货物装载超限界限图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、高清摄像机，2、线阵CCD摄像机，3、双目视觉立体测量相机，4、LED频闪灯，5、线性LED灯，6、测速车轮探测器，7、计轴车轮探测器，8、车号地面天线，9、智能控制分析系统，10、串口服务器，11、光交换机，12、图像分析服务器，13、流媒体及存储服务器，14、车号采集模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，1为高清摄像机，每个摄像机配两个LED频闪灯4，两侧的高清摄像机对列车侧面进行监控，顶部高清摄像机垂直向下对列车顶部进行监控；线阵CCD摄像机的对面安放线性光源；双目视觉立体测量相机安装在两侧和顶部。

图4是超货物装载超限界限图，如图所示，铁路列车货物装载超限分为3级，最里面一层为机车限界，超出者为一级超限，中间的粗实线为二级限界，超出者为二级超限，最外面一层为建筑限界，超出者为超级超限。

实施例1，如图2图3所示，车速车轮探测器6，感应到列车到达，智能控制分析系统9根据磁钢信号，对列车计轴计辆测速，同时触发读取车号采集模块14发送微波至车号地面天线8，车号地面天线将通过列车的射频电子标签反射回的微波信号上传至采集的射频车号信息，智能控制分析系统9采集车号采集模块14转发的车号信息，将列车计轴计节信息，车号信息打包成列车信息，通过串口服务器10、光交换机11将信号上传至图像分析服务器12、流媒体及存储服务器13，流媒体及存储服务器13通过光交换机11采集高清摄像机1的视频信号，并存盘，图像分析服务器12读取流媒体及存储服务器13的录像信息，结合智能控制分析系统9上传的列车信息，根据车厢分节处图像特征，对计辆信息进行校正，对图像进行图像预处理、灰度值统计，当灰度跳跃值超过一定区域，说明列车出现车门车窗打开，篷布破损，并报警，将异常情况高清图片存储。针对顶部视频，通过对相机与铁轨相对位置的标定，对列车车厢图片进行车厢轮廓和装载货物轮廓提取，判断装载货物是否偏移。线阵CCD摄像机2实时分析是否有超限物遮挡线性光源，有遮挡即报警，并输出触发信号给双目视觉摄像机3，高清摄像机1，这3组摄像机分别将实时图像信号通过光交换机11上传给图像分析服务器12，将线阵CCD摄像机得到的超限信息、高清图片、列车信息打包存储，图像分析服务器12，对2个双目视觉立体测量相机获取的图像匹配、提取特征点、根据相机标定参数计算出匹配点的三维坐标，获取列车装载超限物体超限尺寸和铁路货车外围轮廓，将列车外围轮廓和货物装载超限界限图对比，确定超限级别。

列车运行和装载的安全监控：通过自动检测列车运行中的货车车辆及装载货物的三维轮廓，并根据测量结果进行超限检测，实现了列车在运行过程中货物运行、装载状态的有序可控，切实保障了货物列车装运安全。该系统的应用与推广有着重大的社会效益：及时发现安全隐患及时处理，避免列车装运安全事故发生；监测装有贵重及危险货物运输的棚车车门是否关闭，及时获取棚车车门状态，保障铁路贵重及危险货物运输安全。

编组站入站口的货运检测：自动准确的检测到货物装载的上部中部下部端部超限及相应级别，列车顶部、左侧、右侧的动态图象监视和录像功能，替代货检作业，起到减员增效的作用。

用于超限货物运输的超限级别的确定以及中途局间交接的复核检测：超限车在初始装车时的等级确认较为困难，在没有本装置前全凭人工检测，效率低下而且测量精确度不高，本装置可以精确测量超限长度及级别，避免铁路部门的超限运输收费不到位。同时在超限货物运输途中，本装置可以取代货检人员的交接检查，自动匹配相应超限尺寸及级别，检查货物是否有串动和移动。

编组站出站口的货运复查：控制本站作业质量。通过图像录制和记录数据，做到心中有数，有据可查，可以提高作业人员的责任心。为部门管理提供了科学依据。该系统的使用能提高货检工作效率，达到减员增效的作用。

货场或专用线车辆管理系统：在货场出入口、专用线出入口安装该设备，能够对进入货场和使用铁路车辆的厂区进行监控和管理。准确把握车辆进出时间以及进出的车辆状态，可作为责任参定的有力证据和分析资料。

各铁路局分界口：在铁路局分界口安装该设备，能够在分界口准确把握车辆进出时间及货车装载装填，可作为责任参定的有力证据和分析资料。并且高清视频有利于铁路公安系统及时发现敞车车厢隐匿的闲杂人员，防止犯罪分子借助货车车厢到处逃窜。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种列车装载状态高清监控及超限检测方法，其特征在于包括，

通过机身旋转90度的高清摄像机组实时监控列车经过路段；

当感应列车到达时，启动录像系统，记录高清摄像机组拍摄的列车影像；

采用线阵CCD摄像机对列车进行扫描，使用线性LED灯作为背光光源，将实时图像与列车到达前采集的背景图片对比，同时加上滤波，若有超限物体挡住线性LED灯的背光光源，则输出报警信号，并根据线阵CCD摄像机标定参数计算出列车装载超限物体的宽和高；

然后，触发双目视觉立体测量相机对列车进行扫描，将获取的每一对图像进行图像匹配，提取特征点，根据双目视觉立体测量相机的标定参数计算出特征点的三维坐标，获取列车装载超限物体超限尺寸和列车外围轮廓，将列车外围轮廓和货物装载超限界限图对比，根据预先设定的列车装载超限界限值确定超限级别；

同时触发高清摄像机组抓拍监控视频图像，对图像预处理，统计灰度值，根据灰度跳跃值超过一定区域识别列车车门车窗打开、篷布破损的异常情况，并就异常情况发出报警，同时将异常情况图片存储，针对监控视频中列车顶部的图像，根据高清摄像机组与铁轨相对位置的标定，对列车车厢图片进行列车车厢轮廓和列车装载货物轮廓提取，通过列车车厢轮廓和列车装载货物轮廓对比判断列车装载货物是否偏移。

2.根据权利要求1所述一种列车装载状态高清监控及超限检测方法，其特征在于，所述高清摄像机组采用同步摄像机的LED频闪补光技术，实时监控列车顶部图像、两侧图像，所述两侧图像为高清摄像机组正对列车拍摄获取。

3.根据权利要求1所述一种列车装载状态高清监控及超限检测方法，其特征在于，还包括对列车计轴计辆，通过对列车车厢分节处图像特征分析，获取列车分节信息和列车行驶方向信息，获取列车行驶状态，对行驶的列车同时开启射频功放来识别车号标签，同时根据计轴计辆信息、列车行驶状态信息、车号标签以及列车分节信息，将监控视频存成图片打包存档。

4.根据权利要求1所述一种列车装载状态高清监控及超限检测方法，其特征在于，所述通过机身旋转90度的高清摄像机组实时监控列车经过路段的步骤包括，

调节监控视频缓放等级，实时查看行驶车速过快的列车装载状态；

在同一局域网内通过网页现场实时监控列车通过视频；

根据列车行驶速度，分节将列车监控视频打包成图片储存；

通过对列车图片进行灰度值均值分析，获取环境照度条件，采用智能曝光调节算法远程修改高清摄像机组参数。

5.根据权利要求3所述一种列车装载状态高清监控及超限检测方法，其特征在于，所述双目视觉立体测量相机采用双目视觉分析法，根据开启射频功效识别的车号标签，获取列车型号，根据列车型号和图像匹配得到特征匹配点，根据线阵CCD摄像机扫描出的列车装载超限物体信息，筛选无用点，对权重比较大的匹配点进行重点分析。

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