一种铁路车辆质检图像记录系统的研制分析
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摘要：文章通过分析研制一种适合铁路车辆制造和修理过程的图像记录系统，提高铁路车辆质检的可靠性和可追溯性，实现质检记录的信息化。
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）07-
1 项目来源
目前多数铁路车辆修造单位的质量检查工作均依靠检查人员填写质量记录的方式进行，其他控制检查工作质量的有效手段不多，检查人员的工作过程与检查方法是否规范无法追溯。根据铁道部关于车辆检修及质量控制自动化、信息化要求的指示精神，开发一种质量检查图像记录分析系统来记录质量检查工作过程的图像并进行分析，使质量检查过程记录方式和控制手段适应铁路发展的需求。
2 主要功能
根据目前铁路车辆质量检查工作的需求，车辆质量检查图像记录分析系统需要实现的主要功能如下：能够对车辆的各种质量检查过程进行图像采集，并将采集的图像传输到主服务器；主服务器管理软件按车号或零部件编号等要求对图像进行分类、编辑、保存，作为车辆质量检查过程的原始图像记录；保证采集图像的有效性与唯一性；对所采集的图像进行分析以控制质量检查工作过程的规范性。
3 项目关键技术分析
车辆质量检查图像记录系统采用的关键技术为图像采集、无线图像传输与图像分析三部分，目前这三种技术的发展十分迅速，为我们开发本系统提供了技术基础。
3.1 图像采集
目前图像采集技术快速发展，针对各种应用场合的不同尺寸、结构、分辨率的摄像装置与模块种类繁多，功能也越来越先进，完全能满足车辆质量检查过程中图像采集的需要。
3.2 无线图像传输技术
无线图像传输设备从技术应用标准上分为三类：第一种是公共网络型，利用中国移动、中国联通等电信运营商的无线网络，采用包括GSM、CDMA、3G等技术进行图像传输；第二种是专用网络型，利用WLAN、DSSS、MESH等无线网络技术进行图像传输；第三种是专业图像传输型，利用移动数字电视传输网络，采用包括COFDM、8VSB、TDS-OFDM等技术进行图像传输。
以上三类技术各有不同的应用面和优缺点。公共网络的使用成本过大是目前制约无线视频监控发展的主要问题，例如目前各移动运营商3G网络的视频通话费用都为0.6元/分钟，如按一天8个小时的工作量计算，一套无线传输装置就产生288元的话费。公用网络的第二个缺点是速度不稳定，如速度最快的3G网络的数据传输速度远远达不到宣称的2Mbps，其实际传输速度仅为0.4～1Mbps左右，而当网络繁忙时可能连这一速度的1/3都达不到，用户要想传输高质量的视频恐怕还需要继续等待。
专用无线网络传输速度比较高，但只能在通视环境下应用，不能在阻挡环境中和移动中使用，所以仅适合在办公室或家庭内使用，在车辆质检过程中如果检查人员钻入车辆底部或内部将大大影响图像的传输质量，所以不适合在本方案中采用。
从专业技术应用角度，在图像质量、传输距离、移动性能方面来说，第三类无线图像传输技术都有明显优势。在这些传输技术中，主要以COFDM技术为代表，COFDM调制技术是一种无线环境下的高速传输技术，该技术是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。COFDM技术有很多优点，首先适合在建筑物内等非通视和有阻挡的环境中应用，具有卓越的绕射、穿透能力；其次适合高速数据传输，速率一般大于4Mbps，满足高质量视音频的传输；最后在复杂电磁环境中，COFDM具备优异的抗干扰性能。采用COFDM技术的缺点是设备的前期投入较高，但一次性投入完成后后期不会再产生使用成本。本方案采用COFDM技术进行无线图像传输能够满足要求。
4 项目难点
车辆质检图像记录系统主要的开发难点为图像采集装置的硬件结构及如何保证图像采集的有效性与唯一性。
4.1 图像采集装置
本系统中图像采集装置包括摄像头、人机交互装置、无线图像传输装置、电源、显示器（视需要安装）等部分，应满足以下要求：
4.1.1 体积小巧、重量轻，便于检查人员携带，对检查人员的正常工作影响小。摄像头的重量及体积较小，但无线图像传输装置与电源的重量较大。COFDM无线图像传输系统包括图像发射机与图像接收机，图像接收机固定安装，其重量可以不考虑，但标准的便携式图像发射机重量都在3公斤以上，无论检查人员背在身上或采用手提形式随身携带都将对检查人员的工作造成一定影响。如果对图像发射机进行小型化开发，开发时间、开发成本及图像传输质量都不可确定，我们建议在对图像发射机进行小型化开发的同时，先以公共网络的3G技术来进行图像传输，保证系统其他部分的开发按计划进行，等小型COFDM图像发射机开发成功后再进行过渡。
图像采集装置采用可充电电池提供电源，在摄像头工作及图像进行无线传输时耗电量较大，所以要求的电池容量较大，会增加图像采集装置的整体重量。
图像采集装置的结构形式也十分关键，可以采取的形式有手持式、眼镜式或头盔式，但眼镜式或头盔式结构的重量不宜过大，这就限制了图像采集装置的功能扩展，调焦与图像显示功能较难实现，而且对于被采集物体的高度有一定限制，过高或过低都会对采集过程造成不便。手持式结构使用较灵活，可以根据需要增加各种附加功能，但图像采集过程会占用一定的时间。
4.1.2 具有较高的图像及视频分辨率，图像清晰度好。摄像头的分辨率可选择的范围较大，但无线图像传输系统能够传输的图像分辨率却十分有限，如COFDM图像传输系统最大为700×500左右，3G图像传输系统最大为500×300左右。图像的分辨率越小，图像分析的效果也就越差，要达到理想的图像分析效果，必须提高无线图像传输系统的分辨率，但这又与无线传输系统的质量、体积相矛盾，而且在技术上实现的难度也比较大。
在图像采集过程中，要采集到清晰的图像需要保证摄像头有合理的分辨率与焦距。假如摄像头的焦距固定，要拍到一定范围内的图像就需要操作者人为地控制摄像头与被拍摄物体的距离，被拍摄范围的面积不同，距离也不同。假如摄像头的焦距可变，就可以在图像采集装置与被拍摄物体距离固定的情况下调节焦距来获得最佳图像，但这需要增加调焦装置与液晶显示屏，会增加系统的硬件复杂
程度。
环境因素对图像质量也有很大的影响，如光线过亮或过暗以及收到，电焊等偶然光线的干扰，要想采集到清晰可分析的图像，就需要采取各种措施来克服这些干扰因素，如屏蔽过亮光线、增加辅助光源等方法。
4.1.3 能够与主服务器进行信息交换。在图像采集过程中，主服务器需要与操作人员进行一定的信息交换，如开始图像采集前操作者需要为主服务器提供零部件的编号等信息，采集过程中主服务器可能会提示各种异常信息。要进行信息交换，最简单的方法是为主服务器配备专门的操作人员，通过对讲机与现场图像采集人员通话以完成信息交换，这种情况仅适合于现场采集终端较少的情况，自动化程度较低，人为因素影响较大。另一种方法是为图像采集装置安装微型CPU、液晶显示器与输入键盘，再通过无线网络与主服务器进行通讯。采用这种方法可以有效提高信息交换过程的自动化与可靠性，但会增加图像采集装置硬件的复杂程度。
4.2 保证图像的有效性与唯一性
保证图像的有效性与唯一性主要是指如何能够证明系统所采集的具体图像就是特定车辆或零部件的图像，因为相同型号的车辆或零部件其图像的差异很小，单纯从图像上很难区分，必须采用其他方法结合生产现场的实际情况来控制图像的有效性与唯一性。
5 主要技术参数
图像分辨率：700×500
视频传输速度：20帧/s
工作温度：-10℃～50℃
图像采集装置电源供电时间：4h
图像采集装置重量：2.5kg
6 图像采集试点的选择
为减小项目的开发难度，增加项目开发成功的可能性，图像采集内容不宜过多，图像分析要求也不宜过高，所以我们拟首先以某个工序检查过程作为图像采集分析试点，等系统软硬件等各部分都比较成熟完善后再推广到车辆整体及其他大部件的检查过程中。
7 社会经济效益分析
车辆质量检查图像记录系统的应用，将在车辆产品质量检查过程中引入机器视觉与图像分析等新技术、新方法，能够提高质检工作的自动化程度，促进检查员工作的规范化，为质量检查工作提供可靠的追溯依据。
据调研，铁路系统目前还没有类似的采用移动图像采集装置来记录质检过程的系统，本项目的适应性比较广泛，可用于车辆的整体或零部件检查过程，如果本项目开发成功并进行推广将带来显著的经济效益。
作者简介：高志刚（1965-），男，河北人，供职于河北南车铁龙机电设备有限公司，教授级高级工程师，研究方向：机械制造。