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摘要：介紹在地鐵車輛軸承故障在線檢測(cè)裝置（MBD）中，通過圖像識(shí)別技術(shù)獲取地鐵車號(hào)信息，對(duì)故障軸承進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)故障軸承的跟蹤和預(yù)報(bào)。針對(duì)車號(hào)圖像識(shí)別設(shè)備的原理構(gòu)成，采用的相關(guān)設(shè)備部件的系統(tǒng)集成、軟件功能，開發(fā)、運(yùn)用中出現(xiàn)的問題以及改進(jìn)措施等技術(shù)問題進(jìn)行相關(guān)介紹和分析。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；車號(hào)識(shí)別；圖像處理；攝像拍攝；LED補(bǔ)償光源

利用成熟的高清圖像成像技術(shù)，通過采集車輪信號(hào)觸發(fā)定位實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵車號(hào)的拍照；在車號(hào)圖像識(shí)別軟件接收拍攝的車號(hào)圖片并進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示后，利用先進(jìn)圖像處理技術(shù)對(duì)過車圖片中的車號(hào)進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)識(shí)別到的車號(hào)按照制定的報(bào)文協(xié)議生成報(bào)文，報(bào)文包含過車時(shí)間、方向、速度、總輛數(shù)、總軸數(shù)、車型、車號(hào)等信息；然后將報(bào)文提供給地鐵車輛軸承故障在線檢測(cè)裝置（MBD），從而完成故障預(yù)報(bào)軸承的跟蹤與定位。

1系統(tǒng)介紹

當(dāng)列車到達(dá)系統(tǒng)拍攝區(qū)域，首先車輪壓過安裝在鋼軌上的磁鋼，產(chǎn)生模擬觸發(fā)信號(hào)，傳送至“磁鋼信號(hào)采集設(shè)備”，然后將過車觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換為相機(jī)拍照的控制信號(hào)，控制相機(jī)與頻閃燈進(jìn)行拍照。此時(shí)，攝像機(jī)拍攝的車體原圖像照片（.JPG）經(jīng)“磁鋼信號(hào)采集設(shè)備”轉(zhuǎn)送至“車號(hào)圖像識(shí)別主機(jī)”，由該主機(jī)中的“圖像識(shí)別軟件”進(jìn)行處理，獲取車號(hào)信息，判別車序信息等，最終生成AEI報(bào)文，完成車號(hào)軸承的跟蹤與定位。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)主要由車號(hào)圖像識(shí)別采集控制箱、安裝支架和保護(hù)箱、高速相機(jī)、高清鏡頭、頻閃燈組成。車號(hào)圖像識(shí)別采集控制箱見圖2，安裝支架和保護(hù)箱見圖3，高速攝像機(jī)見圖4，高清鏡頭見圖5，頻閃燈見圖6，LED補(bǔ)償光源見圖7。1.1車號(hào)圖像識(shí)別采集控制主機(jī)。車號(hào)圖像識(shí)別采集控制主機(jī)由主控板、開關(guān)電源模塊、指示燈板、信號(hào)接口構(gòu)成。單片機(jī)STM32F429作為主控芯片，單片機(jī)自帶的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）用于6路磁鋼信號(hào)的采樣，采樣頻率大于10kHz。F429芯片自帶SD卡控制器，配合軟件上的FATFS文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。串口通過232電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)串口的通信，可以收發(fā)相應(yīng)的串口協(xié)議命令對(duì)單片機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行控制。使用TCP/IP協(xié)議芯片W5500實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)傳輸采樣數(shù)據(jù)至上位機(jī)，百兆網(wǎng)的速率足夠支撐磁鋼采集數(shù)據(jù)的帶寬。車號(hào)圖像識(shí)別采集控制箱尺寸為標(biāo)準(zhǔn)2U機(jī)箱，前面板有磁鋼信號(hào)指示燈、12V電源指示燈、攝像機(jī)觸發(fā)信號(hào)指示燈、運(yùn)行指示燈、電源開關(guān)等。后面板有220V交流電插頭、磁鋼接入端子、攝像機(jī)與頻閃燈的供電接口、攝像機(jī)觸發(fā)信號(hào)接口、通信串口、網(wǎng)口等。主控板的供電由12V開關(guān)電源提供，開關(guān)電源模塊配置12V/10A電源模塊。12V電源分2路，1路給主控板供電，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，另1路給后背板上的接口，用于給攝像機(jī)和頻閃燈供電。1.2安裝支架和保護(hù)箱。安裝支架主要功能是把安裝有攝像機(jī)、高清鏡頭、頻閃燈的保護(hù)箱進(jìn)行固定，其高度可變，可以按照要求進(jìn)行調(diào)整。1.3高速攝像機(jī)。采用型號(hào)為BasleracA1920-40gcGigE的攝像機(jī)。攝像機(jī)配有SonyIMX249CMOS感光芯片，最大幀速率可以達(dá)到42fps，攝像機(jī)分辨率為230萬像素。具有千兆網(wǎng)口，能夠輕松支持100m線材輸出。1.4高清鏡頭。選用的是KOWA公司出品的HC系列百萬像素工業(yè)鏡頭。KowaLM6HC鏡頭采用6mm固定焦距，光圈范圍F1.8～F16。其中分辨率能夠達(dá)到120lp/mm；低失真率＜0.05%；邊緣仍然明亮清晰。最近對(duì)焦距離可達(dá)100mm。帶固定光圈和調(diào)焦的螺釘，可以在工業(yè)振動(dòng)環(huán)境使用。1.5頻閃燈。采用蘇州美力拓生產(chǎn)的LKL-W210型號(hào)白光頻閃燈。1.6LED補(bǔ)償光源補(bǔ)償光源采用LED光源類型，直流24V供電，功率100W，時(shí)間和環(huán)境光感可控，照射面積30m2以上，304不銹鋼支架。

2軟件開發(fā)

2.1軟件開發(fā)環(huán)境。圖像識(shí)別軟件主要采用Microsoftvisualstudio軟件中的C#進(jìn)行程序代碼開發(fā)和編寫。采用MicrosoftVisualStudio作為軟件的開發(fā)環(huán)境，主要是因?yàn)樵撥浖哂幸粋€(gè)基本完整的開發(fā)工具集，包括了軟件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境（IDE）等。2.2軟件功能。圖像識(shí)別軟件主要功能流程：接收攝像機(jī)拍攝的圖片和存儲(chǔ)后，對(duì)圖片進(jìn)行圖像處理，處理過的圖片通過識(shí)別庫(kù)進(jìn)行字母和數(shù)字識(shí)別，識(shí)別出的字母和數(shù)字用軟件中編寫的車號(hào)、車型算法進(jìn)行識(shí)別排序，然后按照固定的報(bào)文格式輸出報(bào)文。車號(hào)的圖像識(shí)別功能：采用開源的圖像識(shí)別庫(kù)對(duì)采集的過車圖片進(jìn)行圖像處理，識(shí)別出圖片中的字母和數(shù)字，通過軟件中編寫的車號(hào)識(shí)別模型算法，提取出地鐵車號(hào)，并通過輛序算法代碼進(jìn)行車輛輛序排序。過車信息接收、處理和存儲(chǔ)功能：主要是接收、處理和存儲(chǔ)過車圖片信息，軟件通過調(diào)用攝像機(jī)相關(guān)控制命令，接收攝像機(jī)拍攝的圖片信息進(jìn)行圖片識(shí)別處理，生成AEI過車報(bào)文，并根據(jù)過車時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，按照設(shè)置文件中的配置刪除舊的圖片信息。軟件功能如圖9。2.3圖像處理。對(duì)圖片處理采用C#中的OpenCvSharp計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)，OpenCvSharp視覺庫(kù)直接封裝了更多的OpenCV方法，降低了學(xué)習(xí)難度，大部分繼承了IDisposable接口，方便使用using語句塊，支持Mono。程序通過OpenCvSharp庫(kù)對(duì)采集的原始圖片進(jìn)行切割、灰度化、二值化、中值濾波、腐蝕、膨脹、縮放等函數(shù)處理，提取出帶有車型、車號(hào)等信息的圖片。2.4車號(hào)識(shí)別。車號(hào)識(shí)別采用Tesseract-OCR庫(kù)進(jìn)行識(shí)別，Tesseract是一個(gè)開源的OCR（OpticalCharacterRecognition，光學(xué)字符識(shí)別）引擎，可以識(shí)別多種格式的圖像文件并將其轉(zhuǎn)換成文本，目前已支持60多種語言（包括中文）。該識(shí)別庫(kù)可以通過訓(xùn)練的方法，根據(jù)需求自定義識(shí)別庫(kù)，開發(fā)出符合自身需求的OCR引擎。該系統(tǒng)的識(shí)別庫(kù)就是通過訓(xùn)練得到的，訓(xùn)練的圖片為處理過的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際過車圖片。

3運(yùn)用改進(jìn)措施

3.1提高夜間照明度。設(shè)備運(yùn)行初期，圖片識(shí)別正確率較低，原因主要是夜間光線不足，拍攝效果較差，圖片拍攝效果總體較黑，極大影響了后期圖片處理。為增加光線強(qiáng)度，提高夜間拍攝效果，為設(shè)備添加夜間拍攝補(bǔ)光燈（圖10）。3.2避免逆光拍攝。運(yùn)用發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致圖像拍攝效果較差的因素還有“頻閃燈的反光效果”。由于地鐵列車的車體外側(cè)面形成由上至下弧度曲面，在夜間頻閃燈工作時(shí)，所拍攝照片的中間部位出現(xiàn)一條強(qiáng)度很高的豎條型光亮帶，導(dǎo)致出現(xiàn)在光帶位置的車號(hào)被腐蝕掉，同時(shí)，由于車體為光滑表面的不銹鋼材質(zhì)，導(dǎo)致頻閃燈照射到車體表面時(shí)出現(xiàn)反光效果，使得攝像機(jī)處于逆光狀態(tài)下拍照，照片兩側(cè)灰度值極大，影響了后期圖像處理效果。針對(duì)上述情況，對(duì)攝像機(jī)與頻閃燈的角度進(jìn)行了調(diào)節(jié)，使頻閃燈成水平略向下的角度，避免逆光拍攝，以及減少光帶面積。3.3提高陰雨天氣識(shí)別率。由于設(shè)備的運(yùn)用環(huán)境是室外，不可避免陰雨天氣，當(dāng)下雨時(shí)，雨滴落在鏡頭處影響了圖片識(shí)別的效果。為提高識(shí)別率，對(duì)圖片處理的算法進(jìn)行優(yōu)化，采用局部二值化方法以像素鄰域的信息為基礎(chǔ)來計(jì)算每一個(gè)像素的閾值。如果圖像中的一個(gè)像素（x，y）的灰度級(jí)高于在（x，y）點(diǎn)的閾值面的計(jì)算值，那么把像素（x，y）標(biāo)記為背景，否則為前景字符。在處理二值化時(shí)，采用ADAPTIVE_THRESH_MEAN_C方法，其閾值是由blocksize確定的像素（x，y）在blocksize×blocksize范圍內(nèi)的鄰域像素值減參數(shù)C得到的平均值。通過多次試驗(yàn)最終確定較合適的閥值來控制二值化的范圍與自適應(yīng)閾值算法中減去的常數(shù)值，盡量避免雨滴等障礙物的干擾，在一定程度上提高了圖像識(shí)別效果。

4總結(jié)

車號(hào)圖像識(shí)別設(shè)備運(yùn)行情況穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地鐵車號(hào)的自動(dòng)識(shí)別。車號(hào)圖像識(shí)別設(shè)備為地鐵車輛軸承故障在線檢測(cè)裝置（MBD）提供車號(hào)信息，完成了故障軸承的跟蹤和定位，為地鐵車輛軸承早期故障診斷與判別提供技術(shù)支持與保障。該設(shè)備也可為其他系統(tǒng)提供車號(hào)信息，在地鐵應(yīng)用領(lǐng)域具有很高推廣價(jià)值。

作者:杜東偉 張陸軍 邢傳義 梁雙慶 彭博 單位:北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司