王坚强，陈祥龙，曾科智，范 婷
（1. 中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；
2. 中国铁路成都局集团公司，成都 610031）
铁路信号系统作为保障列车运行安全的核心装备，包括室外的信号机、轨道电路及转辙机，以及室内的继电器、发码设备及计算机设备等，室内设备集中安装在铁路信号机房内。铁路信号机房对整个信号系统的正常运行存在直接影响，其日常巡检工作必须严格按规范执行。铁路信号机房分布较为分散，日常巡检工作主要采用人工方式，作业效率较低且难以保证质量，加之运维人力不足，导致有时信号系统室内设备异常状态不能被及时发现，成为严重影响行车安全的隐患。
智能巡检系统是自动进行设备设施及安防巡回检查的智能系统，自动化巡检设备沿着预设巡检路线，自动传输设备检测数值，发现异常自动上报，确保巡检作业规范到位，还可实现巡检全过程可视化[1]。智能巡检系统在各行业已得到广泛运用，例如电力行业的电力巡检机器人能够进行各类电力巡检作业，通过其自身携带的各类传感器、高清视频采集器、GPS定位仪、无线远程通信设备等，对电力线路及电力设备进行检测，同时通过数据库和控制基站进行数据交互[2]。随着计算机网络、通信、视频监控等技术的发展，铁路信号系统已逐步开展自动化和智能化建设和应用[3]。在铁路信号设备智能巡检领域，相关厂家基于机器视觉进行了铁路信号机房巡检机器人柔顺控制方法的研究，但目前尚无成功应用实例。
为此，本文依据铁路室内信号设备维修规程，针对信号机房日常巡检工作的实际需要，设计了铁路信号机房智能巡检系统（简称：智能巡检系统），运用自动化、智能化等技术，实现机房设备无人化巡检、远程监测与告警，方便信号维护单位及时发现信号机房内设备的异常状态，快捷完成设备状态检查和故障排除，实现铁路信号机房智能化管理和维护，夯实铁路行车安全基础。
1.1 铁路信号机房日常运维工作
铁路信号机房是安装和维护铁路信号系统室内设备的场所，主要包括微机室和机械室；
微机室主要放置计算机联锁、列控和微机监测等信号设备，而机械室主要有组合架、轨道柜和分线柜等[4]。按照铁路相关要求，铁路信号机房日常运维工作主要包括：
（1）定期巡视室内设备状态，在巡视记录本中记录；
（2）监测设备告警后，分析、确认及处理故障；
（3）登记进入机房的人员；
（4）采用视频方式记录机房施工和维修过程；
（5）重启集中监测系统工作站；
（6）机房设备除尘等。
1.2 存在问题
目前，铁路信号机房日常运维工作主要采用人工方式，存在以下问题：
（1）人工巡检作业效率低，人力资源浪费严重：信号机房设置比较分散，机房内设备数量较多、类型多样，设备之间连接复杂，人工巡视周期较长，不能及时发现设备异常状态，不利于防范设备故障。为保证巡检工作的规范性，巡检任务往往会安排多人协同作业，并由其中1人手持摄像机视频记录作业过程，作为事后监控的手段，造成人力资源浪费严重。
（2）设备异常状态判别准确性难以保证，且故障处理效率低：信号设备故障类型复杂多样，在传统人工定期巡检作业方式下，设备异常和故障判断的准确性依赖于信号检修人员的专业技能和工作态度。
（3）现场作业人员与综合维修车间沟通效率低，现场作业人员在处理故障时缺乏强有力的技术支持：在处理信号机房设备故障的过程中，现场作业人员和综合维修车间管理人员主要通过电话了解现场情况，不利于故障判断、处理和应急指挥[5]。
（4）缺乏有效控制进入机房作业人员的身份和行为的手段：信号机房是安全生产关键场所，缺乏对现场作业人员有效控制会带来一定的安全隐患，存在影响信号设备运行稳定性和安全性的人为因素[6]。
本文提出一种高效、实用的铁路信号机房智能巡检系统方案，为铁路信号维护部门提供自动化作业装备和信息化维修管理工具，保证巡检作业质量，提高铁路信号机房维护管理水平。
（1）实现机房日常巡检作业无人化：采用机房巡检自动化技术，代替人工完成铁路信号机房设备的日常巡检作业，严格按规范执行巡检作业，大幅减轻铁路信号机房日常维护工作量，达到减员增效的目的。
（2）实现设备异常自动识别与告警：运用智能化技术，通过分析处理巡检数据，自动识别信号设备的异常状态，准确定位异常设备位置，并及时将设备异常告警反馈至综合维修车间。
（3）支持现场人员快速处理设备故障：借助远程视频监控技术，方便综合维修车间维修管理人员实时掌握机房设备状况及现场作业人员作业情况，为双方建立便捷的沟通渠道，通过双方高效协作实现故障快速处理。
（4）增强信号机房作业人员安全管控：通过身份验证、作业过程远程监控和设置安全防护边界等手段，保障机房作业生产安全。
3.1 系统构成
铁路信号机房智能巡检系统主要由机房智能巡检设备、数据中心设备和维修终端设备构成，如图1所示。
图1 铁路信号机房智能巡检系统构成示意
（1）机房智能巡检设备：采用轨道式巡检机器人[7]，主要由轨道、视频/图像采集装置（高清摄像机）、悬挂行走装置、雷达探测器、拍摄臂（可90度旋转）、无线通信模块及天线、升降旋转电机控制模块等组成；
此外，可视实际需要，选配温湿度传感器，以及用于监视关键设备线路和部件的温度变化的红外热成像仪；
通过可编程的升降旋转电机控制模块，按照设置好的预置位参数，运行至各巡检位置，拍摄机房设备的视频/图像，探测设备温度；
实时将视频/图像及设备温度等监测数据上传至数据中心设备，实现对信号机房的远程巡检。
（2）数据中心设备：
通常设置在信号一体化综合维修车间信息机房内，主要包括综合应用服务器、视频/图像存储器和智能分析服务器；
其中，综合应用服务器自动下达巡检指令，存储基础数据、巡检计划、监测数据及设备异常告警数据，为维修车间终端设备提供信号机房运维管理应用服务；
视频/图像存储器集中存储和管理所管辖的信号机房内各种巡检视频/图像，提供视频/图像数据访问服务；
智能分析服务器完成设备巡检视频/图像的智能分析[7]。
（3） 维修车间终端设备 ：包括调度监控终端和维修管理终端；
调度监控终端设置在综合维修车间调度室，主要由调度监控终端和声光报警装置等组成[8]，为调度员提供信号机房运行监控界面和异常告警提醒；
维护管理终端通常设置在综合维修车间信号工区，主要为信号维护人员提供查看信号机房巡检信息和远程作业指导的操作界面。
3.2 主要工作流程
系统主要工作流程如图2所示。
图2 铁路信号机房智能巡检系统主要工作流程示意
（1）调度员根据室内信号设备维修规程要求，使用调度监控终端编制信号机房巡检计划，并保存在综合运用服务器中。
（2）综合应用服务器根据巡检计划，自动生成各机房巡检指令，通过通信网络下达给机房智能巡检设备。
（3）机房智能巡检设备通过无线通信模块接收巡检指令，驱动电机沿着轨道运行，雷达探测运行前方是否有障碍物，视频/图像采集装置定点采集设备巡检视频/图像，红外热成像仪采集设备外温或重点部位温度，将视频/图像和温度监测数据分别实时传输至视频/图像存储器和综合应用服务器。
（4）智能分析服务器从图像存储器中读取巡检视频/图像进行处理，基于智能图像分析算法，确定组合架架号及层号、综合柜架号及层号和其他机柜柜号及层号等设备位置信息；
结合机房设备位置表，自动识别设备指示灯。
（5）综合应用服务器接收到智能分析服务器识别的设备指示灯信息，结合设备指示灯状态表基础数据，判断设备是否出现异常状态。
（6）识别到设备异常时，调度监控终端及声光报警器立即发出报警，提醒调度员予以关注；
调度员可使用调度监控终端监视综合维修车间负责维护的所有信号机房设备状态，查看巡检视频及记录。
系统用户主要包括系统管理员、调度员和信号维护人员。系统管理员主要负责用户管理，完成信号机房监控设备参数的设置和基础数据的维护。调度员主要负责编制信号机房巡检计划，掌握信号机房巡检动态及设备工作状态，及时响应系统异常告警并进行处理。信号维护人员主要负责掌握信号机房巡检情况，接收故障处理任务，并为现场作业人员提供远程指导。系统主要功能如图3所示。
图3 铁路信号机房智能巡检系统功能
4.1 系统维护
为系统管理员提供用户管理、系统参数设置、数据字典维护等功能，方便系统运用管理。
（1）用户管理：添加和删除用户，设置用户操作权限，重置用户密码；
验证系统登录用户身份的合法性，仅允许用户访问授权功能。
（2）设备参数设置：根据信号机房室内设备布置，设置各信号机房轨道式巡检机器人的巡检预置位参数。
（3）基础数据维护：完成机房设备位置表、设备指示灯状态表、设备温度表和设备图像库等基础数据的录入和修改。
4.2 机房巡检
调度员编制信号机房巡检计划，根据巡检计划下达各机房巡检指令，机房智能巡检设备自动执行巡检指令，完成巡检数据的采集。
（1）计划编制与下达：参照室内信号设备维修规程要求，结合各信号机房实际情况，调度员完成信号机房巡检计划的编制；
系统依据巡检计划自动生成各机房巡检指令，并下达给机房智能巡检设备。
（2）机房周期巡检：机房智能巡检设备依据巡检指令，定时启动工作，自动运行至各预置位，录制巡检视频/图像并上传。
（3）设备异常识别：系统采用智能图像分析技术，处理机房智能巡检设备采集的信号设备视频/图像数据，自动检测巡检时信号设备指示灯状态（例如：on/off、颜色、是否闪烁等），并与基础数据库中设备指示灯状态表进行对比，完成信号设备异常状态自动识别，若出现异常状态立即报警。
（4）设备温度监测：通过红外热成像探头，监测机房设备的外温或重点部位的温度[9]，上传设备温度监测数据；
当设备温度超限时立即报警。
（5）远程定点检查：调度员可视需要，远程控制机房智能巡检设备移动至重点关注位置，拍摄视频/图像、测温并实时上传检查数据。
4.3 辅助故障处理
当机房信号设备出现异常告警时，机房智能巡检设备按要求拍摄和上传故障设备的视频/图像，并为现场作业人员分析和排除故障提供远程指导。
（1）设备故障复查：当系统检测到设备故障时，调度员可在调度监控终端上选择故障设备，向机房智能巡检设备下达设备故障复查指令，机房智能巡检设备快速移动到故障设备所在位置，完成故障设备复查视频/图像拍摄和测温，并上传数据。
（2）故障检查遥控：当设备检测到设备故障时，综合维修车间信号维护人员可在维修管理终端上查看机房巡检和故障复查视频/图像，必要时远程控制机房智能巡检设备移动到故障设备位置拍摄视频/图像，以查看故障设备当前运行状态。
（3）远程作业指导：现场作业人员在信号机房处理故障的过程中，信号维护人员可在维修管理终端上，通过机房智能巡检设备提供的远程视频监控和语音通话功能，向信号机房内现场作业人员提供作业指导。
4.4 现场人员管控
远程监督现场作业人员，确保作业规范达标；
防止现场作业人员进入防护区域，保障信号机房现场作业安全。
（1）人员识别与验证：通过机房智能巡检设备的摄像机采集机房内现场人员的人脸信息，并与作业单上的照片进行比对，不一致时报警。
（2）作业远程监控：通过机房智能巡检设备的摄像机，拍摄现场作业过程的视频录像，远程监督现场作业过程。
（3）安防侵入报警（可选）：为机房危险区域设置智能防护边界，检测到人员越界时立即报警。
5.1 可视化监控技术
可视化监控技术采用动态图形灵活定制监控对象，可综合展示被监控资源的工作状态、关键性能指标及附属信息，将大量枯燥、繁琐的数据转化为易被感知和理解的图形或图像元素，帮助用户快速感知变化，掌握被监控资源整体状况；
用户通过点选操实现快捷的信息交互，轻松管理不断增多的资源。为方便用户使用，采用电子地图和三维虚拟展示技术实现可视化管理界面。
5.1.1 信号机房分布电子地图
信号综合维修车间通常负责十多个信号机房的维护，这些机房分布较为分散。以信号机房分布电子地图作为可视化管理界面，可动态电子地图监控画面叠加多维度信息，全面掌握所辖区域内所有信号机房巡检计划执行情况、巡检结果及异常告警。同时，信号机房分布电子地图可实现与三维虚拟信号机房直接链接，用户通过鼠标点选操作，即可快速查看信号机房内部设备巡检详情。
5.1.2 三维虚拟信号机房
基于信号机房及机房设备图像，采用虚拟仿真技术生成逼真的虚拟信号机房环境，用户可通过鼠标操作，从各个角度和位置查看机房设备。三维虚拟信号机房能够与视频监控紧密结合，实现三维虚拟场景与二维视频监控的无缝链接，使用户可以在虚拟信号机房画面上通过鼠标操作，直接查看该设备相关的巡检视频、监测数据和异常状态，使系统具备强大的二维、三维可视化集成监控能力。
5.2 智能图像分析技术
智能图像分析技术是一种基于目标行为的智能图像处理技术，可将场景中的目标与背景相分离，去除背景干扰，识别出目标，进而分析、追踪出现在摄像机场景内目标的行为。一旦目标在场景中出现了违反预定义规则的行为，系统会自动发出报警[10]。本系统采用智能图像分析技术主要识别信号设备标识，以及设备指示灯状态。
5.2.1 信号设备标识识别
信号设备标识识别基于图像分析，通过对机房图像颜色特征分析，提取组合架、综合柜和轨道柜边缘，根据投影和左边变换进行倾斜矫正，然后根据垂直投影进行字符切割，识别组合架、综合柜和轨道柜铭牌，确定柜/架号及层号；
查询基础数据信号设备位置表，获取柜/架内设备编号及类型信息，在设备图像库中提取机房图像特定位置设备图像的特征信息，与设备图像的特征信息进行比较，再次核对该位置设备类型。
5.2.2 设备指示灯识别
信号设备指示灯状态主要包括常亮绿灯（如正常工作状态、区段空闲状态等）、常亮红灯（如故障状态、区段占用状态等）、闪灯和灭灯状态。指示灯状态的准确识别，需要对一段时间内多帧图像进行连续处理。通过设备类型获得设备指示灯设置及位置特征信息，再通过提取每一帧图像中特定位置设备图像的特征信息，识别各指示灯显示颜色，根据指示灯逐帧显示的颜色，判定指示灯状态。
本文设计了一套功能较为完善的铁路信号机房智能巡检系统，可将调度员编制的巡检计划自动转换为巡检作业指令，下达给机房智能巡检设备，完成设备视频/图像及温度等监测数据的采集；
采用智能图像分析技术，自动识别设备指示灯，据此判断设备是否出现异常；
当检测到设备异常时，立即向调度员报警，及时安排维修人员进行处理。此外，借助轨道式巡检机器人的视频监控和语音通话功能，可辅助现场作业人员处理故障，强化现场作业安全管控。该系统可代替人工完成机房设备的大部分日常巡检作业，大幅减轻日常维护工作量，达到减员增效、保障现场作业安全的目的。
目前仅考虑通过设备指示灯识别来判断设备异常/故障。后续可考虑线缆连接头脱落、连接线缆破损等常见故障的智能识别，完善设备异常/故障识别能力。此外，实现与信号机房环境监测系统的数据接口，能够自动采集机房环境监测数据，如温度、湿度、烟雾（火灾）、门窗开闭、照明等，将环境监测数据与设备视频/图像及设备温度等监测数据相融合，自动生成完整的信号机房巡检记录，满足信号维护管理需要。
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