УСТРОЙСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОДВИЖНЫХ ЕДИНИЦ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Полезная модель относится к устройствам автоматической идентификации подвижных единиц железнодорожного транспорта (далее объект) таких как поезда, вагоны, полувагоны, цистерны и т.д. в процессе движения при прохождении ими участков железных дорог.
Заявляемое устройство идентификации предназначено для применения на объектах железной дороги, на предприятиях, использующих железнодорожный транспорт, в рамках производственного процесса которых необходима достоверная информация о передвижении объектов, их прибытии и отправлении.
Использование устройств идентификации с возможностью распознавания номеров вагонов необходимо для решения актуальных для предприятий железнодорожного транспорта задач, поскольку номера подвижного состава содержат в себе важнейшую информацию для внутренних и межгосударственных перевозочных процессов. Номера вагонов позволяют осуществлять мониторинг продвижения грузов, поиск «потерянных» транспортных единиц и представляют собой общее средство коммуникации между предприятиями.
Из уровня техники известна система учета и контроля (патент РФ на изобретение 2317909, опубл. 27.02.2008), содержащая установленные в местах контроля контрольно-учетные станции, а на контролируемых объектах идентификаторы. Каждая контрольно-учетная станция содержит считыватель, выход которого через контроллер подключен к устройствам индикации и ввода информации, а каждый идентификатор содержит антенну, подключенную к приемнику сигнала, выход которого через интерфейс ввода-вывода соединен с одной шиной ввода-вывода микропроцессора, другие информационные шины которого соединены соответственно с оперативным запоминающим устройством, постоянным запоминающим устройством и перепрограммируемым запоминающим устройством. В каждый идентификатор введены вибрационный преобразователь колебаний в электрический сигнал, выпрямитель и фильтр, входы выпрямителя и фильтра подключены к выходу вибрационного преобразователя, выход фильтра подключен к разрешающему входу микропроцессора, а выход выпрямителя - к шине питания идентификатора.
Недостатком этого технического решения является необходимость дополнительного обеспечения каждой подвижной единицы специальным датчиком (идентификатором), который неразъемно прикреплен к корпусу транспортного средства, например к раме вагона, и является необслуживаемым. Поскольку в настоящее время активно развиваются международные перевозки, и каждая из стран занимается внедрением собственных систем идентификации подвижных единиц, существует серьезная проблема обеспечения такими датчиками всего международного парка вагонов. Помимо этого, как заявляют авторы изобретения, датчики неразъемно прикреплены к корпусу транспортного средства и являются необслуживаемыми, что создает дополнительную проблему эксплуатации предлагаемой системы, поскольку в случае выхода такого датчика из строя, его невозможно заменить в пункте, где была обнаружена неисправность. С целью устранения поломки датчика, всю подвижную единицу необходимо отправлять в депо на ремонт, что значительно увеличивает время оборота подвижной единицы, и делает невозможным срочность доставки груза грузополучателю.
Известна также система автоматической идентификации для двухпутных участков железных дорог (патент на изобретение RU 2314955, дата публикации 20.01.2008), состоящая из множества кодовых бортовых датчиков и, как минимум, одного пункта считывания, который содержит антенны, подключенные к выходам антенного коммутатора, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления, при этом сигнальный вход антенного коммутатора подключен к двунаправленному выводу циркулятора, выход которого соединен с первым входом приемника, второй вход и выход которого соединены соответственно со вторым выходом и первым входом блока управления, третий выход и второй вход которого соединены соответственно с первым входом и первым выходом передатчика, второй выход которого соединен со входом циркулятора, а двунаправленный вывод блока управления соединен с первым двунаправленным выводом модема, второй двунаправленный вывод которого соединен с сетью передачи данных, отличающаяся тем, что система содержит четыре антенны, расположенные по две с внешних сторон каждого пути двухпутного участка дороги, подключенные к первому, второму, третьему и четвертому выходам антенного коммутатора, и четыре счетчика осей, расположенных по одному перед каждой антенной на ближайшем к ней пути, и соединенных своими выходами с третьим, четвертым, пятым и шестым входами блока управления, к седьмому входу и четвертому выходам которого подключены первый выход и первый вход блока обработки сигнала, второй вход которого соединен со вторым выходом приемника, а второй выход соединен со входом модема.
Использование известной системы невозможно без использования элементов идентификации, устанавливаемых на бортах вагонов, в частности, наличия множества кодовых бортовых датчиков. В связи с тем, что часть вагонов может быть не оборудована такими кодовыми датчиками, либо они пришли в негодность, либо оказались удаленными с бортов вагонов, нарушается процесс учета вагонооборота, резко снижается эффективность процесса учета грузоперевозок.
Наиболее близким техническим решением является комплекс автоматизированного учета вагонооборота (патент РФ на полезную модель №110354, опубликовано 20.11.2011), содержащий систему считывания номеров вагонов, систему обработки и передачи считываемых данных, систему распознавания номеров вагонов, систему централизованного сбора, передачи и долговременного хранения данных, автоматизированное рабочее место (АРМ) администратора, при этом система считывания номеров вагонов содержит точку считывания, выполненную в виде двух опор, установленных по обе стороны от контролируемого железнодорожного пути, на которые монтируются блок оптической регистрации, снабженный телекамерами, и осветительный блок, а также содержащий датчиковую подсистему позиционирования вагона, система обработки и передачи считываемых данных связана с системой считывания номеров вагонов, снабжена локальным сервером и содержит размещенные в контейнере контроллер, модуль локальной передачи данных, модуль удаленной передачи данных, система распознавания номеров вагонов связана с системой обработки и передачи считываемых данных и на каждой из точек считывания содержит видеосервер, программные модули счета вагонов, видеозахвата, распознавания номеров вагонов, оперативный архив видеоданных и архив составов, система централизованного сбора, передачи и долговременного хранения данных представляет собой центральный пост, содержащий долговременное хранилище данных, состоящее из накопительных модулей, программный модуль ведения баз данных и центральный сервер управления, связанный с системами считывания, распознавания через сеть Ethernet и снабженный программным модулем интеграции с АСУ предприятия.
Недостатком настоящей системы является сложность и невысокая достоверность считывания бортовых номеров, поскольку в качестве источника информации о подвижной единице используется только бортовой номер, считанный видеокамерой. Сравнение же идентифицированного бортового номера с натурным листом производится уже по окончании процесса идентификации, что говорит об отсутствии резервирования источников информации на этапе принятия решения по идентификации подвижной единицы. Помимо этого, при осмотре объекта используются видеокамеры, которые обеспечивают систему видеопотоком данных. Видеопоток занимает значительно больше места в памяти, дольше передается по линиям связи, и сложнее обрабатывается вычислительной машиной по сравнению с фотоизображением. Поскольку стандартное видеоизображение формируется из 25 кадров, необходимо провести раскадровку видео, выбрать подходящий кадр и извлечь из него бортовой номер. Когда в случае обработки фотоинформации необходима передача только одного кадра и отсутствует процесс раскадровки, что существенно снижает нагрузку на линии передачи данных и вычислительную машину.
Задачей заявляемой полезной модели является создание устройства позволяющего с высокой степенью точности и надежности производить идентификацию единиц подвижного транспорта с использованием дистанционного оборудования.
Технический результат заключается в повышении точности и надежности идентификации объектов в условиях высокого уровня помех связанных с естественным старением краски и загрязнением идентификационного номера объекта; ускорение процесса обработки считанных графических изображений бортового номера и кузова объекта; снижение технических требований к применяемому вычислительному оборудованию.
Поставленная задача решается путем создания устройства идентификации подвижных единиц железнодорожного транспорта, включающего узел считывания данных с движущейся подвижной единицы, узел передачи считанных данных, узел обработки считанных данных, узел распознавания считанных данных, узел классификации типов подвижных единиц и узел передачи и долговременного хранения данных, при этом узел считывания данных с движущейся подвижной единицы связан с узлом передачи считанных данных и включает фотоэлектрический датчик наличия объекта в зоне осмотра и не менее двух фотокамер, связанных с ним посредством линий коммуникаций, узел передачи считанных данных связан с узлом обработки считанных данных и состоит из блока ввода информации об идентификационном номере объекта, блока ввода информации о кузове объекта и блока ввода технологической информации, при этом последний связан с автоматизированной системой оперативным управлением перевозками посредством сети Intranet, узел обработки считанных данных связан с узлом распознавания считанных данных и включает блок предварительной обработки информации о бортовом номере объекта, блок выделения контуров каждого из символов бортового номера объекта, блок предварительной обработки информации о кузове объекта и блок выделения контура кузова объекта, выполненные с возможностью обеспечения выбора и реализации определенного алгоритма обработки информации, узел распознавания считанных данных связан с узлом классификации типов подвижных единиц и включает блок трехслойной искусственной нейронной сети идентификации символов бортового номера, блок трехслойной искусственной нейронной сети идентификации кузова объекта, блок преобразования и проверки технологической информации о подвижной единице, блок памяти настроек весов синапсов и информации о кодировании типов подвижных единиц, узел классификации типа подвижной единицы, связанный с узлом передачи и долговременного хранения данных, включающий блок сравнения типов подвижных единиц, полученных из, не менее, трех источников и блок управления, выполненный с возможностью синхронизации блоков устройства путем подачи сигналов активации, узел передачи и долговременного хранения данных связан с автоматизированной системой оперативного управления перевозками, включающий блок вычислительной машины, выполненный с функциями мониторинга, управления процессом идентификации, формирования, передачи и хранения отчетов по результатам идентификации подвижных единиц.
Блок памяти, далее БП, предназначен для хранения информации о кодировании типов объектов для определения типа на основании результатов идентификации. Кроме этого, здесь блок памяти хранит настройки весов синапсов для трехслойных искусственных нейронных сетей, причем настройки одной сети отличны от настроек другой. В процессе эксплуатации устройства, нейронные сети могут обучаться и, соответственно, корректировать настройки весов синапсов.
Блок управления, далее БУ, предназначен для синхронизации блоков устройства путем подачи сигналов активации блоков. Работа блока управления контролируется вычислительной машиной, далее ПВМ, и оператором.
Блок ввода информации об идентификационном номере объекта, далее БВИН, получает цифровую информацию от одной из фотокамер, предназначенной для считывания бортового номера с движущегося объекта.
Блок ввода информации о кузове объекта, далее БВИК, получает цифровую информацию от второй фотокамеры, предназначенной для считывания всего кузова движущегося объекта. Фотокамеры приводятся в действие посредством сигнала с фотоэлектрического датчика наличия объекта в зоне осмотра, далее ДНО.
Блок ввода технологической информации, далее БВТИ, получает электронную информацию о составе поезда (номер поезда, количество вагонов в составе, бортовые номера вагонов и т.д.) из автоматизированной системы оперативного управления перевозками, далее АСОУП.
Блок предварительной обработки информации о бортовом номере объекта, далее БПОН, осуществляет бинаризацию изображения - преобразует полученное изображение в черные и белые цвета, производит формирование двоичной матрицы изображения, производит фильтрацию изображения бортового номера объекта, с целью устранения шума, далее производит анизотропную фильтрацию с целью сглаживания контуров символов бортового номера; и в итоге нормализует изображение;
Блок предварительной обработки информации о кузове объекта, далее БЛОК, осуществляет бинаризацию изображения аналогично указанной выше; формирует двоичную матрицу изображения; фильтрацию изображения кузова объекта, с целью устранения шума; далее производит анизотропную фильтрацию с целью сглаживания контура кузова; и в итоге нормализует изображение.
Блок преобразования технологической информации, далее БПТИ, преобразует в удобный для чтения вид и проверки прочитанную информацию о бортовых номерах путем расчета и сравнения контрольного восьмого знака. В результате работы, на выходе формируется массив из восьми символов, и на основании этих данных определяется тип объекта (вагон, полувагон, цистерна и т.д.);
Блок выделения контуров каждого из символов бортового номера, далее БВН, методом цепного кодирования и расчета числовых коэффициентов (признаков идентификации) на основе полученного кода, используя ортогональные экспоненциальные функции. Для каждого символа бортового номера формируется множество признаков, характеризующих его форму. Поскольку на изображении могут присутствовать посторонние символы, не являющиеся частью бортового номера, разработаны правила отказа от выделения текущего символа и перехода к следующему. Правила основаны на учете длины контуров символов и позволяют рассматривать символы только определенного размера шрифта.
Блок выделения контура кузова объекта, далее БВК, методом цепного кодирования и расчета числовых коэффициентов (признаков идентификации) на основе полученного кода, используя ортогональные экспоненциальные функции. В результате, на выходе, формируется множество признаков характеризующих форму и габариты кузова объекта.
Блок трехслойной искусственной нейронной сети идентификации символов бортового номера, далее ИНС1, предназначен для идентификации символов бортового номера объекта на основании входного множества признаков идентификации. В результате работы, на выходе формируется массив из восьми символов, и на основании этих данных определяется тип объекта (вагон, полувагон, цистерна и т.д.);
Блок трехслойной искусственной нейронной сети идентификации кузова объекта, далее ИНС2, предназначен для идентификации кузова объекта на основании входного множества признаков идентификации. В результате работы, на выходе получаем тип геометрической фигуры кузова объекта (прямоугольник, овал, трапеция) и на основании этой информации определяется тип объекта (вагон, полувагон, цистерна и т.д.);
Блок сравнения типов, далее БСТ, предназначен для принятия решения по классификации текущего объекта на основании данных о типах вагонов полученных от двух нейронных сетей и блока передачи технической информации. Принятие решения осуществляется методом голосования. В случае, когда все данные не противоречат друг другу, принимается однозначное решение по классификации. В противном случае, производится принятие решения по большинству, и передается сообщение на ПВМ. Если все три источника противоречивы - на ПВМ отправляется сообщение об ошибке.
Заявляемое устройство представлено на рисунке и включает узел считывания данных с движущейся подвижной единицы 1, включающий фотоэлектрический датчик наличия объекта в зоне осмотра 2 и две фотокамеры 3 и 4, связанных датчиком посредством линий коммуникаций. Узел передачи считанных данных 5 состоит из блока ввода информации об идентификационном номере объекта 6, блока ввода информации о кузове объекта 7 и блока ввода технологической информации 8, при этом последний связан с автоматизированной системой оперативным управлением перевозками 9 посредством сети Intranet. Узел обработки считанных данных 10 включает блок предварительной обработки информации о бортовом номере объекта 11 и соединенный с ним последовательно блок выделения контуров каждого из символов бортового номера объекта 12, блок предварительной обработки информации о кузове объекта 13 и соединенный с ним последовательно блок выделения контура кузова объекта 14. Узел распознавания считанных данных 15 включает блок трехслойной искусственной нейронной сети идентификации символов бортового номера 16, блок трехслойной искусственной нейронной сети идентификации кузова объекта 17, блок преобразования и проверки технологической информации о подвижной единице 18 и блок памяти настроек весов синапсов и информации о кодировании типов подвижных единиц 19. Узел классификации типа подвижной единицы 20 включает блок сравнения типов подвижных единиц 21 и блок управления 22. Узел передачи и долговременного хранения данных 23 связан с автоматизированной системой оперативного управления перевозками 9 и включает блок вычислительной машины 24. Обслуживание вычислительной машины осуществляется оператором 25.
Принцип работы устройства заключается в кворумном резервировании источников информации об объекте. Кворумное резервирование основано на одновременном использовании трех и более независимых источников информации об объекте - изображения идентификационного номера объекта, изображения кузова объекта и ранее введенной технологической информации об объекте (номер поезда, количество вагонов в составе поезда, бортовые номера вагонов), получаемой от автоматизированной системы оперативным управлением перевозками АСОУП, посредством сети Intranet.
Фотоизображения идентификационного номера и кузова, считанные с борта объекта и проверенная технологическая информация об
идентификационном номере, позволяют сформировать четкую картину перед принятием решения по классификации типа объекта. Принятие решения по классификации типа объекта осуществляется в блоке сравнения типов.
Во время движения состава поезда, датчик наличия объекта ДНО 2, установленный рядом с железнодорожным путем, фиксируют наличие подвижной единицы, и посылает сигнал фотокамерам 3 и 4. Фотокамеры делают снимки подвижной единицы один раз, и посредством линии коммуникаций передают фотоизображения в блоки БВИН 6 и БВИК 7. Одновременно с этим в блок БВТИ 8 из АСОУП 9 передается посредством железнодорожной сети Intranet технологическая информация, например, натурный лист поезда формы ДУ-1. Блок БВИН 6 передает изображение в БПОН 11, блок БВИК 7 передает изображение в БПОК 13, блок БВТИ 8 передает натурный лист поезда в БПТИ 18.
Изображение бортового номера обрабатывается процедурой кодирования в блоке БПОН 11. В результате обработки, формируется двоичная матрица изображения. С целью улучшения качества, к двоичной матрице применяются процедуры фильтрации. В результате обработки устраняется шум, и сглаживаются контуры символов бортового номера. Матрица передается в блок БВН 12, где, на основании данных из матрицы, выделяются контуры символов бортового номера и, на основании данных о кривизне контуров, рассчитываются числовые коэффициенты. В результате, для описания всех символов используется двумерный массив, размером [1…8; 1…32], хранящий числовые коэффициенты. Массив имеет восемь столбцов для восьми символов бортового номера по тридцать две строки для хранения числовых коэффициентов каждого из символов. Далее массив передается на вход ИНС1 16.
Изображение кузова обрабатывается процедурой кодирования в блоке БПОК 13. В результате обработки, формируется двоичная матрица изображения. С целью улучшения качества, к двоичной матрице применяется процедура фильтрации. В результате обработки устраняется шум, и сглаживается контур кузова. Матрица передается в блок БВК 14, в котором, происходит выделение контура кузова, и определяются габариты объекта (длина и высота). На основании данных о кривизне кузова, рассчитываются числовые коэффициенты. Результаты расчета записываются в массив данных, размером [1…3; 1…32]. Первый столбец содержит тридцать два числовых коэффициента, ячейка [2; 1] содержит длину кузова, а ячейка [3; 1] - высоту кузова. Далее массив передается на вход ИНС2 17.
Из натурного листа поезда в блоке БПТИ 18, осуществляется чтение данных о бортовых номерах вагонов в текущем составе поезда. В процессе чтения, для каждого бортового номера осуществляется проверка контрольного восьмого символа. Ошибочно заполненные данные помечаются меткой. В результате, на выходе получается двумерный массив данных Nlp [1…2; 1…N]. Первый столбец используется для хранения данных о бортовом номере, второй столбец - для хранения метки. Количество строк - зависит от количества вагонов в составе поезда. После того, как массив данных заполнен, принимается решение по идентификации типа объекта. Результат принятия решения передается в блок БСТ21.
На вход трехслойной нейронной сети ИНС1 16 за один цикл работы подается массив, хранящий тридцать два числовых коэффициета. Для идентификации бортового номера объекта необходим восьмикратный запуск нейронной сети. Входным является массив, размером [1…8; 1…32]. ИНС1 16 из БП 19 загружает настройки весов синапсов. За один цикл работы 32 числовых коэффициента взвешиваются в соответствии с настройками весов синапсов нейронной сети, и в выходном слое сети принимается решение по идентификации одного символа. В результате восьмикратного запуска работы сети, заполняется вектор Reshenie [0…1], состоящий из двух ячеек. В нулевой ячейке данного вектора хранится идентифицированный номер объекта, а в первой ячейке - тип объекта, идентифицированный на основании полученного бортового номера. Далее тип объекта передается в БСТ 21.
На вход трехслойной нейронной сети ИНС2 17 подается массив, хранящий тридцать два числовых коэффициента. Для идентификации кузова объекта необходим однократный запуск сети. Входным является массив, размером [1…3; 1…32]. ИНС2 17 из БП 19 загружает настройки весов синапсов. Числовые коэффициенты взвешиваются в соответствии с настройками весов синапсов нейронной сети, и в выходном слое сети принимается решение по идентификации формы кузова объекта. На основании информации о форме и габаритах кузова, принимается решение по идентификации типа объекта. Результатом работы является заполненный вектор Reshenie2 [0…2], состоящий из трех ячеек. В нулевой ячейке данного вектора хранится тип объекта, в первой ячейке - длина объекта, во второй ячейке - высота объекта. Далее тип объекта передается в БСТ 21.
Таким образом, перед принятием решения по классификации объекта в БСТ 21 хранится информация о типе объекта, полученная из трех независимых резервных источников (ИНС1 16, ИНС2 17 и БПТИ 18). В теории надежности данный метод резервирования называется «Кворумным». После того, как вся информация получена, БУ 22 подает сигнал активации процесса классификации объекта на основании результатов сравнения трех типов объекта. Принятие решения осуществляется методом голосования. В случае, когда все данные не противоречат друг другу, принимается однозначное решение по классификации, результаты передаются в ПВМ 24. В противном случае производится принятие решения по большинству, и передается сообщение в ПВМ 24. Если все три источника противоречивы, в ПВМ 24 отправляется сообщение об ошибке. ПВМ 24 выводит результаты классификации на дисплей.
Оператор 25 осуществляет контроль за работой устройства идентификации. В случае возникновения ошибок, имеет возможность просмотреть фотоизображения объектов и принять решение по классификации самостоятельно. По результатам идентификации подвижных единиц всего состава поезда, принимается решение по корректировке или подтверждении полученного натурного листа поезда формы ДУ-1. Результаты передаются в АСОУП 9.
Заявленное устройство позволяет реализовать алгоритм кворумного резервирования источников первичной информации о подвижных единицах железнодорожного транспорта в процессе их идентификации. В результате проведенных расчетов было установлено, что в случае применения резервирования, повышение вероятности успеха идентификации объекта составляет 28%.
Также устройство позволяет ускорить процесс идентификации путем ускорения процессов считывания, передачи и предварительной обработки исходной графической информации за счет использования цифровых фотоизображений бортового номера и кузова объекта. Ускоренная обработка информации происходит за счет ускорения процесса выделения кузова объекта и бортового номера путем применения метода цепного кодирования их контуров и формирования множества признаков идентификации на основании цепного кода.