鐵路信號機房智能巡檢系統設計

王堅強，陳祥龍，曾科智，范 婷

（1. 中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031；2. 中國鐵路成都局集團公司，成都 610031）

鐵路信號系統作為保障列車運行安全的核心裝備，包括室外的信號機、軌道電路及轉轍機，以及室內的繼電器、發碼設備及計算機設備等，室內設備集中安裝在鐵路信號機房內。鐵路信號機房對整個信號系統的正常運行存在直接影響，其日常巡檢工作必須嚴格按規范執行。鐵路信號機房分布較為分散，日常巡檢工作主要采用人工方式，作業效率較低且難以保證質量，加之運維人力不足，導致有時信號系統室內設備異常狀態不能被及時發現，成為嚴重影響行車安全的隱患。

智能巡檢系統是自動進行設備設施及安防巡回檢查的智能系統，自動化巡檢設備沿著預設巡檢路線，自動傳輸設備檢測數值，發現異常自動上報，確保巡檢作業規范到位，還可實現巡檢全過程可視化[1]。智能巡檢系統在各行業已得到廣泛運用，例如電力行業的電力巡檢機器人能夠進行各類電力巡檢作業，通過其自身攜帶的各類傳感器、高清視頻采集器、GPS定位儀、無線遠程通信設備等，對電力線路及電力設備進行檢測，同時通過數據庫和控制基站進行數據交互[2]。隨著計算機網絡、通信、視頻監控等技術的發展，鐵路信號系統已逐步開展自動化和智能化建設和應用[3]。在鐵路信號設備智能巡檢領域，相關廠家基于機器視覺進行了鐵路信號機房巡檢機器人柔順控制方法的研究，但目前尚無成功應用實例。

為此，本文依據鐵路室內信號設備維修規程，針對信號機房日常巡檢工作的實際需要，設計了鐵路信號機房智能巡檢系統（簡稱：智能巡檢系統），運用自動化、智能化等技術，實現機房設備無人化巡檢、遠程監測與告警，方便信號維護單位及時發現信號機房內設備的異常狀態，快捷完成設備狀態檢查和故障排除，實現鐵路信號機房智能化管理和維護，夯實鐵路行車安全基礎。

1 鐵路信號機房日常運維工作及存在問題

1.1 鐵路信號機房日常運維工作

鐵路信號機房是安裝和維護鐵路信號系統室內設備的場所，主要包括微機室和機械室；微機室主要放置計算機聯鎖、列控和微機監測等信號設備，而機械室主要有組合架、軌道柜和分線柜等[4]。按照鐵路相關要求，鐵路信號機房日常運維工作主要包括：

（1）定期巡視室內設備狀態，在巡視記錄本中記錄；

（2）監測設備告警后，分析、確認及處理故障；

（3）登記進入機房的人員；

（4）采用視頻方式記錄機房施工和維修過程；

（5）重啟集中監測系統工作站；

（6）機房設備除塵等。

1.2 存在問題

目前，鐵路信號機房日常運維工作主要采用人工方式，存在以下問題：

（1）人工巡檢作業效率低，人力資源浪費嚴重：信號機房設置比較分散，機房內設備數量較多、類型多樣，設備之間連接復雜，人工巡視周期較長，不能及時發現設備異常狀態，不利于防范設備故障。為保證巡檢工作的規范性，巡檢任務往往會安排多人協同作業，并由其中1人手持攝像機視頻記錄作業過程，作為事后監控的手段，造成人力資源浪費嚴重。

（2）設備異常狀態判別準確性難以保證，且故障處理效率低：信號設備故障類型復雜多樣，在傳統人工定期巡檢作業方式下，設備異常和故障判斷的準確性依賴于信號檢修人員的專業技能和工作態度。

（3）現場作業人員與綜合維修車間溝通效率低，現場作業人員在處理故障時缺乏強有力的技術支持：在處理信號機房設備故障的過程中，現場作業人員和綜合維修車間管理人員主要通過電話了解現場情況，不利于故障判斷、處理和應急指揮[5]。

（4）缺乏有效控制進入機房作業人員的身份和行為的手段：信號機房是安全生產關鍵場所，缺乏對現場作業人員有效控制會帶來一定的安全隱患，存在影響信號設備運行穩定性和安全性的人為因素[6]。

2 系統設計目標

本文提出一種高效、實用的鐵路信號機房智能巡檢系統方案，為鐵路信號維護部門提供自動化作業裝備和信息化維修管理工具，保證巡檢作業質量，提高鐵路信號機房維護管理水平。

（1）實現機房日常巡檢作業無人化：采用機房巡檢自動化技術，代替人工完成鐵路信號機房設備的日常巡檢作業，嚴格按規范執行巡檢作業，大幅減輕鐵路信號機房日常維護工作量，達到減員增效的目的。

（2）實現設備異常自動識別與告警：運用智能化技術，通過分析處理巡檢數據，自動識別信號設備的異常狀態，準確定位異常設備位置，并及時將設備異常告警反饋至綜合維修車間。

（3）支持現場人員快速處理設備故障：借助遠程視頻監控技術，方便綜合維修車間維修管理人員實時掌握機房設備狀況及現場作業人員作業情況，為雙方建立便捷的溝通渠道，通過雙方高效協作實現故障快速處理。

（4）增強信號機房作業人員安全管控：通過身份驗證、作業過程遠程監控和設置安全防護邊界等手段，保障機房作業生產安全。

3 系統構成及工作流程

3.1 系統構成

鐵路信號機房智能巡檢系統主要由機房智能巡檢設備、數據中心設備和維修終端設備構成，如圖1所示。

圖1 鐵路信號機房智能巡檢系統構成示意

（1）機房智能巡檢設備：采用軌道式巡檢機器人[7]，主要由軌道、視頻/圖像采集裝置（高清攝像機）、懸掛行走裝置、雷達探測器、拍攝臂（可90度旋轉）、無線通信模塊及天線、升降旋轉電機控制模塊等組成；此外，可視實際需要，選配溫濕度傳感器，以及用于監視關鍵設備線路和部件的溫度變化的紅外熱成像儀；通過可編程的升降旋轉電機控制模塊，按照設置好的預置位參數，運行至各巡檢位置，拍攝機房設備的視頻/圖像，探測設備溫度；實時將視頻/圖像及設備溫度等監測數據上傳至數據中心設備，實現對信號機房的遠程巡檢。

（2）數據中心設備： 通常設置在信號一體化綜合維修車間信息機房內，主要包括綜合應用服務器、視頻/圖像存儲器和智能分析服務器；其中，綜合應用服務器自動下達巡檢指令，存儲基礎數據、巡檢計劃、監測數據及設備異常告警數據，為維修車間終端設備提供信號機房運維管理應用服務；視頻/圖像存儲器集中存儲和管理所管轄的信號機房內各種巡檢視頻/圖像，提供視頻/圖像數據訪問服務；智能分析服務器完成設備巡檢視頻/圖像的智能分析[7]。

（3） 維修車間終端設備 ：包括調度監控終端和維修管理終端；調度監控終端設置在綜合維修車間調度室，主要由調度監控終端和聲光報警裝置等組成[8]，為調度員提供信號機房運行監控界面和異常告警提醒；維護管理終端通常設置在綜合維修車間信號工區，主要為信號維護人員提供查看信號機房巡檢信息和遠程作業指導的操作界面。

3.2 主要工作流程

系統主要工作流程如圖2所示。

圖2 鐵路信號機房智能巡檢系統主要工作流程示意

（1）調度員根據室內信號設備維修規程要求，使用調度監控終端編制信號機房巡檢計劃，并保存在綜合運用服務器中。

（2）綜合應用服務器根據巡檢計劃，自動生成各機房巡檢指令，通過通信網絡下達給機房智能巡檢設備。

（3）機房智能巡檢設備通過無線通信模塊接收巡檢指令，驅動電機沿著軌道運行，雷達探測運行前方是否有障礙物，視頻/圖像采集裝置定點采集設備巡檢視頻/圖像，紅外熱成像儀采集設備外溫或重點部位溫度，將視頻/圖像和溫度監測數據分別實時傳輸至視頻/圖像存儲器和綜合應用服務器。

（4）智能分析服務器從圖像存儲器中讀取巡檢視頻/圖像進行處理，基于智能圖像分析算法，確定組合架架號及層號、綜合柜架號及層號和其他機柜柜號及層號等設備位置信息；結合機房設備位置表，自動識別設備指示燈。

（5）綜合應用服務器接收到智能分析服務器識別的設備指示燈信息，結合設備指示燈狀態表基礎數據，判斷設備是否出現異常狀態。

（6）識別到設備異常時，調度監控終端及聲光報警器立即發出報警，提醒調度員予以關注；調度員可使用調度監控終端監視綜合維修車間負責維護的所有信號機房設備狀態，查看巡檢視頻及記錄。

4 系統功能

系統用戶主要包括系統管理員、調度員和信號維護人員。系統管理員主要負責用戶管理，完成信號機房監控設備參數的設置和基礎數據的維護。調度員主要負責編制信號機房巡檢計劃，掌握信號機房巡檢動態及設備工作狀態，及時響應系統異常告警并進行處理。信號維護人員主要負責掌握信號機房巡檢情況，接收故障處理任務，并為現場作業人員提供遠程指導。系統主要功能如圖3所示。

圖3 鐵路信號機房智能巡檢系統功能

4.1 系統維護

為系統管理員提供用戶管理、系統參數設置、數據字典維護等功能，方便系統運用管理。

（1）用戶管理：添加和刪除用戶，設置用戶操作權限，重置用戶密碼；驗證系統登錄用戶身份的合法性，僅允許用戶訪問授權功能。

（2）設備參數設置：根據信號機房室內設備布置，設置各信號機房軌道式巡檢機器人的巡檢預置位參數。

（3）基礎數據維護：完成機房設備位置表、設備指示燈狀態表、設備溫度表和設備圖像庫等基礎數據的錄入和修改。

4.2 機房巡檢

調度員編制信號機房巡檢計劃，根據巡檢計劃下達各機房巡檢指令，機房智能巡檢設備自動執行巡檢指令，完成巡檢數據的采集。

（1）計劃編制與下達：參照室內信號設備維修規程要求，結合各信號機房實際情況，調度員完成信號機房巡檢計劃的編制；系統依據巡檢計劃自動生成各機房巡檢指令，并下達給機房智能巡檢設備。

（2）機房周期巡檢：機房智能巡檢設備依據巡檢指令，定時啟動工作，自動運行至各預置位，錄制巡檢視頻/圖像并上傳。

（3）設備異常識別：系統采用智能圖像分析技術，處理機房智能巡檢設備采集的信號設備視頻/圖像數據，自動檢測巡檢時信號設備指示燈狀態（例如：on/off、顏色、是否閃爍等），并與基礎數據庫中設備指示燈狀態表進行對比，完成信號設備異常狀態自動識別，若出現異常狀態立即報警。

（4）設備溫度監測：通過紅外熱成像探頭，監測機房設備的外溫或重點部位的溫度[9]，上傳設備溫度監測數據；當設備溫度超限時立即報警。

（5）遠程定點檢查：調度員可視需要，遠程控制機房智能巡檢設備移動至重點關注位置，拍攝視頻/圖像、測溫并實時上傳檢查數據。

4.3 輔助故障處理

當機房信號設備出現異常告警時，機房智能巡檢設備按要求拍攝和上傳故障設備的視頻/圖像，并為現場作業人員分析和排除故障提供遠程指導。

（1）設備故障復查：當系統檢測到設備故障時，調度員可在調度監控終端上選擇故障設備，向機房智能巡檢設備下達設備故障復查指令，機房智能巡檢設備快速移動到故障設備所在位置，完成故障設備復查視頻/圖像拍攝和測溫，并上傳數據。

（2）故障檢查遙控：當設備檢測到設備故障時，綜合維修車間信號維護人員可在維修管理終端上查看機房巡檢和故障復查視頻/圖像，必要時遠程控制機房智能巡檢設備移動到故障設備位置拍攝視頻/圖像，以查看故障設備當前運行狀態。

（3）遠程作業指導：現場作業人員在信號機房處理故障的過程中，信號維護人員可在維修管理終端上，通過機房智能巡檢設備提供的遠程視頻監控和語音通話功能，向信號機房內現場作業人員提供作業指導。

4.4 現場人員管控

遠程監督現場作業人員，確保作業規范達標；防止現場作業人員進入防護區域，保障信號機房現場作業安全。

（1）人員識別與驗證：通過機房智能巡檢設備的攝像機采集機房內現場人員的人臉信息，并與作業單上的照片進行比對，不一致時報警。

（2）作業遠程監控：通過機房智能巡檢設備的攝像機，拍攝現場作業過程的視頻錄像，遠程監督現場作業過程。

（3）安防侵入報警（可選）：為機房危險區域設置智能防護邊界，檢測到人員越界時立即報警。

5 關鍵技術

5.1 可視化監控技術

可視化監控技術采用動態圖形靈活定制監控對象，可綜合展示被監控資源的工作狀態、關鍵性能指標及附屬信息，將大量枯燥、繁瑣的數據轉化為易被感知和理解的圖形或圖像元素，幫助用戶快速感知變化，掌握被監控資源整體狀況；用戶通過點選操實現快捷的信息交互，輕松管理不斷增多的資源。為方便用戶使用，采用電子地圖和三維虛擬展示技術實現可視化管理界面。

5.1.1 信號機房分布電子地圖

信號綜合維修車間通常負責十多個信號機房的維護，這些機房分布較為分散。以信號機房分布電子地圖作為可視化管理界面，可動態電子地圖監控畫面疊加多維度信息，全面掌握所轄區域內所有信號機房巡檢計劃執行情況、巡檢結果及異常告警。同時，信號機房分布電子地圖可實現與三維虛擬信號機房直接鏈接，用戶通過鼠標點選操作，即可快速查看信號機房內部設備巡檢詳情。

5.1.2 三維虛擬信號機房

基于信號機房及機房設備圖像，采用虛擬仿真技術生成逼真的虛擬信號機房環境，用戶可通過鼠標操作，從各個角度和位置查看機房設備。三維虛擬信號機房能夠與視頻監控緊密結合，實現三維虛擬場景與二維視頻監控的無縫鏈接，使用戶可以在虛擬信號機房畫面上通過鼠標操作，直接查看該設備相關的巡檢視頻、監測數據和異常狀態，使系統具備強大的二維、三維可視化集成監控能力。

5.2 智能圖像分析技術

智能圖像分析技術是一種基于目標行為的智能圖像處理技術，可將場景中的目標與背景相分離，去除背景干擾，識別出目標，進而分析、追蹤出現在攝像機場景內目標的行為。一旦目標在場景中出現了違反預定義規則的行為，系統會自動發出報警[10]。本系統采用智能圖像分析技術主要識別信號設備標識，以及設備指示燈狀態。

5.2.1 信號設備標識識別

信號設備標識識別基于圖像分析，通過對機房圖像顏色特征分析，提取組合架、綜合柜和軌道柜邊緣，根據投影和左邊變換進行傾斜矯正，然后根據垂直投影進行字符切割，識別組合架、綜合柜和軌道柜銘牌，確定柜/架號及層號；查詢基礎數據信號設備位置表，獲取柜/架內設備編號及類型信息，在設備圖像庫中提取機房圖像特定位置設備圖像的特征信息，與設備圖像的特征信息進行比較，再次核對該位置設備類型。

5.2.2 設備指示燈識別

信號設備指示燈狀態主要包括常亮綠燈（如正常工作狀態、區段空閑狀態等）、常亮紅燈（如故障狀態、區段占用狀態等）、閃燈和滅燈狀態。指示燈狀態的準確識別，需要對一段時間內多幀圖像進行連續處理。通過設備類型獲得設備指示燈設置及位置特征信息，再通過提取每一幀圖像中特定位置設備圖像的特征信息，識別各指示燈顯示顏色，根據指示燈逐幀顯示的顏色，判定指示燈狀態。

6 結束語

本文設計了一套功能較為完善的鐵路信號機房智能巡檢系統，可將調度員編制的巡檢計劃自動轉換為巡檢作業指令，下達給機房智能巡檢設備，完成設備視頻/圖像及溫度等監測數據的采集；采用智能圖像分析技術，自動識別設備指示燈，據此判斷設備是否出現異常；當檢測到設備異常時，立即向調度員報警，及時安排維修人員進行處理。此外，借助軌道式巡檢機器人的視頻監控和語音通話功能，可輔助現場作業人員處理故障，強化現場作業安全管控。該系統可代替人工完成機房設備的大部分日常巡檢作業，大幅減輕日常維護工作量，達到減員增效、保障現場作業安全的目的。

目前僅考慮通過設備指示燈識別來判斷設備異常/故障。后續可考慮線纜連接頭脫落、連接線纜破損等常見故障的智能識別，完善設備異常/故障識別能力。此外，實現與信號機房環境監測系統的數據接口，能夠自動采集機房環境監測數據，如溫度、濕度、煙霧（火災）、門窗開閉、照明等，將環境監測數據與設備視頻/圖像及設備溫度等監測數據相融合，自動生成完整的信號機房巡檢記錄，滿足信號維護管理需要。