軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

2.1.2 列車運(yùn)行速度檢測(cè)
關(guān)于列車運(yùn)行速度檢測(cè)問(wèn)題，本文采用檢測(cè)相鄰運(yùn)動(dòng)幀，并計(jì)算相鄰運(yùn)動(dòng)幀間的位置變化與時(shí)間的關(guān)系來(lái)得到列車運(yùn)動(dòng)的速度。
（1）依據(jù)差分幀運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，可以得到列車進(jìn)入監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的首幀運(yùn)動(dòng)圖象；（2）利用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)原理，檢測(cè)出列車進(jìn)入畫(huà)面的第二運(yùn)動(dòng)幀，將第二運(yùn)動(dòng)幀在圖象中的位置和進(jìn)入畫(huà)面的時(shí)間戳等參數(shù)通過(guò)ADSL發(fā)送到井上的監(jiān)控PC機(jī)上；（3）井上監(jiān)控PC機(jī)根據(jù)（1）和（2）兩項(xiàng)的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出被監(jiān)控列車進(jìn)入監(jiān)控畫(huà)面的前兩個(gè)相鄰運(yùn)動(dòng)幀的差幀P；（4）根據(jù)得到的差幀P，計(jì)算出列車在第二運(yùn)動(dòng)幀相對(duì)于列車在第一運(yùn)動(dòng)幀移動(dòng)的長(zhǎng)度，即移動(dòng)象素的個(gè)數(shù)ΔP；（5）可以按式(1)計(jì)算出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的每幀圖象對(duì)應(yīng)列車運(yùn)動(dòng)方向的視場(chǎng)總長(zhǎng)度L（單位為米）；（6）根據(jù)列車進(jìn)入畫(huà)面的第一、第二運(yùn)動(dòng)幀對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳，計(jì)算列車的運(yùn)行速度V（米/秒）。

2.1.3 系統(tǒng)的約束條件
根據(jù)各種參數(shù)及相互關(guān)系可知，在列車運(yùn)動(dòng)方向紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的每幀圖象的視場(chǎng)總長(zhǎng)度L＝2×[d×tan(α/2)]，如果選擇的CCD鏡頭的視場(chǎng)角為80°，鏡頭布置位置距離被監(jiān)測(cè)列車上表面是1到1.5米，那么，紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在PAL制信號(hào)[5]條件下（每秒25幀視頻圖象）能夠不失真地監(jiān)測(cè)到列車的最高時(shí)速是多少呢？
根據(jù)“采樣定理[6]”，如果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采樣頻率fs = 25Hz（PAL制），分別考慮CCD鏡頭布置位置距離被監(jiān)測(cè)列車上表面1米和1.5米兩種情況。

(1) CCD鏡頭位置距離被監(jiān)測(cè)列車1米
根據(jù)這些參數(shù)和基本假設(shè)，可以按照公式(3)計(jì)算出每幀圖象對(duì)應(yīng)列車運(yùn)動(dòng)方向的視場(chǎng)總長(zhǎng)度：
L = 2×[d×tan(α/2)] = 2×[1×tan(80°/2)] = 2×0.8391 = 1.6782 米
根據(jù)“采樣定理”知，采樣頻率fs必須大于被測(cè)信號(hào)最高頻率的兩倍，采樣后的信號(hào)才不會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，即fs ≥ 2fc。
如果按照f(shuō)c = fs/2計(jì)算，fc = 12.5Hz，在此情況下，相應(yīng)地能夠允許列車的最高運(yùn)行時(shí)速為Vmax = 20.98(米/秒)，即允許被監(jiān)測(cè)列車最高以每小時(shí)75.5公里的時(shí)速通過(guò)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)，而目前礦井列車的最高設(shè)計(jì)時(shí)速僅為10米/秒（相當(dāng)于每小時(shí)36公里），一般正常情況下，列車在井下的運(yùn)動(dòng)速度通常為3米/秒到5米/秒。因此，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全可以滿足監(jiān)測(cè)需要。
(2) 要滿足10米/秒的最高設(shè)計(jì)時(shí)速，CCD鏡頭布置位置距離被監(jiān)測(cè)列車上表面最短距離
d = L/(2×0.8391) = 0.8/(2×0.8391) = 0.4767米
也就是說(shuō)，如果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的CCD鏡頭距離被監(jiān)測(cè)列車上表面大于0.5米，就可以對(duì)礦井列車進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

同樣，如果適當(dāng)加大鏡頭與被監(jiān)測(cè)物體的間距，就可以對(duì)運(yùn)行速度更高的物體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，照此看來(lái)，本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣。

2.2 列車移動(dòng)方向識(shí)別
首先，約定兩個(gè)基本概念：列車的上行方向和列車的下行方向。列車的上行方向：列車從采區(qū)運(yùn)輸產(chǎn)品到井上方向定義為列車的上行方向；列車的下行方向：列車從井上到采區(qū)方向定義為列車的下行方向。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

（1）首先根據(jù)列車圖象的俯視特征和模式識(shí)別的基本原理，檢測(cè)出“運(yùn)動(dòng)物體”是否進(jìn)入監(jiān)測(cè)畫(huà)面以及在圖象中的具體位置；
（2）根據(jù)CCD攝像機(jī)俯視列車得到的列車圖象具有“矩形特征”這一特點(diǎn)，區(qū)分并識(shí)別出進(jìn)入監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)物體是否是列車；
（3）根據(jù)事先約定的列車上行方向、列車下行方向以及CCD鏡頭的布置位置，連續(xù)跟蹤列車進(jìn)入監(jiān)測(cè)畫(huà)面的第一運(yùn)動(dòng)幀、第二運(yùn)動(dòng)幀和第三運(yùn)動(dòng)幀，以第二運(yùn)動(dòng)幀、第一運(yùn)動(dòng)幀以及它們的差幀來(lái)初步確定列車的運(yùn)行方向，再以第三運(yùn)動(dòng)幀、第二運(yùn)動(dòng)幀以及它們的差幀來(lái)驗(yàn)證前面確定的初步運(yùn)行方向是否正確。

2.3 列車運(yùn)行異常告警處理

2.3.1 列車進(jìn)入監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)后停止運(yùn)行
由于井下條件特殊，一旦運(yùn)行中的列車由于機(jī)械或電力等原因造成列車停止運(yùn)行，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該立即向井上控制中心告警，并進(jìn)行閉鎖。因?yàn)槊簜}(cāng)容量有限，如果列車運(yùn)輸系統(tǒng)一旦停運(yùn)，輕者會(huì)造成相關(guān)采區(qū)停工和煤倉(cāng)事故，重者會(huì)造成機(jī)車追尾或相撞事故。因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須迅速告警，以便采取必要的措施保障運(yùn)輸安全。告警處理如下：
　　
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將在列車進(jìn)入監(jiān)測(cè)畫(huà)面后，連續(xù)采集視頻圖象，不斷比較得到的各幀圖象之間的差異，運(yùn)用幀間閾值法判斷列車的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)列車停止運(yùn)行（連續(xù)若干幀圖象完全一致或幀間差值小于給定閾值），井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將立即向井上監(jiān)控中心發(fā)送列車停止運(yùn)行標(biāo)志位和時(shí)間戳，井上PC機(jī)收到停止標(biāo)志和時(shí)間戳后，便進(jìn)行系統(tǒng)閉鎖、聲光告警和監(jiān)控日志記錄。