軌道交通車輛3D圖像在線智能檢測系統(tǒng)研究

劉冶

（北京運(yùn)達(dá)華開科技有限公司，北京 102200）

隨著我國鐵路地鐵車輛大量運(yùn)用，安全保障工作變得越來越復(fù)雜，地鐵車輛開行密度大，使得地鐵車輛檢修難度不斷提升；而地鐵車輛入庫檢車時(shí)間縮短，更使鐵路地鐵車輛運(yùn)用安全監(jiān)控面臨極大挑戰(zhàn)，單純以人為主的庫檢方式容易造成漏檢，檢車作業(yè)質(zhì)量和效率難以得到保證，增加了運(yùn)行安全隱患。因此，研制運(yùn)用一種可對運(yùn)行中的地鐵車輛進(jìn)行地對車檢測的自動(dòng)化系統(tǒng)，成為必然的發(fā)展方向。

本系統(tǒng)以人機(jī)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)全面檢和重點(diǎn)檢相結(jié)合，利用地鐵車輛結(jié)構(gòu)規(guī)范統(tǒng)一、編組固定、線路運(yùn)行規(guī)律的特點(diǎn)，采用自動(dòng)識(shí)別及圖像識(shí)別比對技術(shù)，提高了地鐵車輛故障發(fā)現(xiàn)能力和故障產(chǎn)生初期的預(yù)警能力，增強(qiáng)了地鐵車輛運(yùn)行的安全防范水平。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)具備以下功能特點(diǎn)：

（1）全自動(dòng)無人值守，免維護(hù)周期不少于半年；（2）適應(yīng)最大車速25km/h，滿足庫內(nèi)限速20km/h的車輛運(yùn)行速度要求；（3）自適應(yīng)車速，能根據(jù)車速變化動(dòng)態(tài)調(diào)整采集頻率，確保圖像數(shù)據(jù)完整有效；（4）自動(dòng)監(jiān)測識(shí)別車底關(guān)鍵懸掛部件的高溫異常故障；（5）采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)算法，加強(qiáng)圖像故障特征識(shí)別的準(zhǔn)確率和抗擾能力。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)概述

根據(jù)研制需求，系統(tǒng)主要由軌邊采集設(shè)備組、軌邊機(jī)柜以及中心機(jī)房組成。

其中，軌邊采集設(shè)備組實(shí)現(xiàn)采集列車底部、轉(zhuǎn)向架、裙擺部件的圖像數(shù)據(jù)；采集列車頂部可視部件圖像；通過熱成像采集齒輪箱、電氣箱、電機(jī)溫度。軌邊機(jī)柜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析。中心機(jī)房用于車輛信息和檢測結(jié)果展示，并可通過設(shè)備終端推送故障預(yù)警信息。

1.2 主要功能

1.2.1 底側(cè)圖像采集設(shè)備

底側(cè)圖像采集設(shè)備主要對地鐵車輛底部和側(cè)部進(jìn)行完整檢測，包括轉(zhuǎn)向架總成及部件、車下風(fēng)管、電氣連接線等重要部件。該設(shè)備采用7組線陣掃描采集裝置組成，裝置內(nèi)部配置1套線陣采集模組和1套3D深度成像模組，分布式部署在車輛的底部和側(cè)部軌道上，能對車輛底部和側(cè)部進(jìn)行連續(xù)拍攝，形成整車無縫連貫的圖像，確保圖像檢測的完整性。

1.2.2 車頂圖像采集設(shè)備

車頂圖像采集設(shè)備利用工業(yè)相機(jī)進(jìn)行采集，高亮LED對相機(jī)進(jìn)行補(bǔ)光，實(shí)時(shí)監(jiān)拍車頂。通過圖像識(shí)別算法可有效判斷車頂可視部件異常，比如，防護(hù)罩版未鎖緊、受電弓結(jié)構(gòu)異常等。

1.2.3 車底關(guān)鍵懸掛高溫異常監(jiān)測設(shè)備

該設(shè)備主要對車底的齒輪箱、電氣箱、電機(jī)等重點(diǎn)部件溫度進(jìn)行檢測，利用紅外溫度相機(jī)對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷溫度是否異常并進(jìn)行報(bào)警。該設(shè)備可對特定區(qū)域或指定區(qū)域中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行針對性溫度監(jiān)測。

1.2.4 車號(hào)識(shí)別錄入設(shè)備

車號(hào)識(shí)別錄入設(shè)備主要負(fù)責(zé)對經(jīng)過車輛的車號(hào)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，錄入數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)過車數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，以便平臺(tái)系統(tǒng)用于查詢檢索相關(guān)故障。根據(jù)研制要求，采用一組工業(yè)面陣相機(jī)實(shí)現(xiàn)對過往車輛的車號(hào)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)拍，采集車號(hào)圖像后進(jìn)行OCR字符識(shí)別，需要先對圖像進(jìn)行灰度化、灰度拉伸、邊緣提取、二值化等處理，然后，通過水平跳變檢測進(jìn)行字符分割，最后將分割出的字符與模板字符匹配識(shí)別出車號(hào)信息，完成車號(hào)自動(dòng)識(shí)別。對于不理想的車號(hào)圖像（如臟污、反光等干擾），利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行專項(xiàng)訓(xùn)練優(yōu)化，以提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

1.2.5 接車和測速裝置

圖像采集過程中，需要根據(jù)車速動(dòng)態(tài)調(diào)整采集的幀率，保證采集的圖像沒有變形。系統(tǒng)采用磁鋼進(jìn)行測速，其基本原理為：每兩個(gè)磁鋼為1組，每組中2個(gè)磁鋼間設(shè)置不小于20cm的安裝距離。同一個(gè)車輪依次經(jīng)過2個(gè)磁鋼后先后產(chǎn)生2次觸發(fā)信號(hào)，磁鋼間的距離除以2次觸發(fā)的時(shí)間間隔后計(jì)算出當(dāng)前車輛的速度。

1.2.6 吹風(fēng)除塵裝置

吹風(fēng)除塵裝置主要解決雨水、塵土等對設(shè)備視窗的干擾影響。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件，最終選用視窗玻璃鍍AgI和風(fēng)機(jī)除塵相結(jié)合的方式進(jìn)行除污。

1.2.7 全自動(dòng)防護(hù)門裝置

防護(hù)門裝置在沒有過車時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)有磁鋼觸發(fā)后，開關(guān)門自動(dòng)打開，采集設(shè)備開始工作，車輛完全通過后開關(guān)門自動(dòng)關(guān)閉。由于現(xiàn)場設(shè)備安裝尺寸的限制，開關(guān)門采用水平移動(dòng)的方式進(jìn)行打開和關(guān)閉。設(shè)計(jì)采用1組步進(jìn)式電機(jī)，根據(jù)設(shè)置的脈沖數(shù)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過齒輪結(jié)構(gòu)帶動(dòng)開關(guān)門打開和閉合。

1.2.8 軌邊機(jī)柜服務(wù)器

軌邊布置戶外空調(diào)機(jī)柜，內(nèi)部安裝供電模組、服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備。用于實(shí)現(xiàn)走行部底部、側(cè)部、頂部可視部件圖像和底部溫度的采集、傳輸、存儲(chǔ)功能，通過識(shí)別分析程序?qū)崿F(xiàn)對車輛走行部和底部的異常分析和高溫報(bào)警功能。

1.2.9 數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)部署在地面服務(wù)器上，采用B/S架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意終端可通過網(wǎng)頁進(jìn)行訪問，解決了軟件部署和跨平臺(tái)的工程問題。該數(shù)據(jù)平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)用戶管理、查看所有過車信息、通過車號(hào)查看實(shí)時(shí)故障、查看故障維修記錄、查看各類故障統(tǒng)計(jì)等功能。

2 關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 采用深度學(xué)習(xí)算法優(yōu)化檢測效果

圖2 識(shí)別算法流程圖

關(guān)于系統(tǒng)自動(dòng)化檢測的識(shí)別算法，同類產(chǎn)品中普遍采用“歷史比對”的方式，即通過算法分析識(shí)別相鄰兩次過車所采集圖像上的差異，并高亮標(biāo)識(shí)。這種方式僅能為運(yùn)維人員提供差異提醒，對運(yùn)維工作指導(dǎo)意義不明顯，運(yùn)維排查效率不高，不能直接判定故障。

本系統(tǒng)引入基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，首先對車輛目標(biāo)特征進(jìn)行檢索，再識(shí)別判斷特定目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的故障特征。檢測識(shí)別的思路和流程與人工巡檢非常接近，運(yùn)維人員易上手好排查，同時(shí)，系統(tǒng)可直接輸出具體部位的具體故障，大幅減少人員分析判斷的過程，提高運(yùn)維檢測效率。

2.2 引入3D深度數(shù)據(jù)排除紋理干擾

關(guān)于圖像故障識(shí)別，圖像中紋理特征通常可以提供足夠豐富的數(shù)據(jù)信息，所以多數(shù)圖像檢測類系統(tǒng)普遍采用2D紋理圖像進(jìn)行識(shí)別分析。但2D紋理圖像缺少立體深度信息，某些特殊紋理（如陰影、強(qiáng)反光、油漬、水漬、粉筆刻劃等）容易造成識(shí)別錯(cuò)誤或故障誤判，引入深度信息可有效剔除2D紋理干擾問題，提高算法準(zhǔn)確率。

圖3 3D深度圖像（右）可有效剔除2D紋理圖像（左）中的標(biāo)簽和污跡

3 實(shí)際運(yùn)用效果

3.1 可視故障特征檢測

一般情況下，運(yùn)維檢查出的故障有一定的離散隨機(jī)性，短期內(nèi)真實(shí)反饋故障不具備多樣性，無法充分驗(yàn)證系統(tǒng)的檢測效果，故考慮通過在車底和車側(cè)容易發(fā)生故障的部位綁上白色布條作為故障標(biāo)志物，調(diào)度車輛通過檢測設(shè)備，然后查看系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果，復(fù)核驗(yàn)證故障識(shí)別效果。

圖4 轉(zhuǎn)向架側(cè)部多處綁定故障標(biāo)志物的識(shí)別效果示意

圖5 車輛底部管夾處綁定故障標(biāo)志物的識(shí)別效果示意

3.2 車底關(guān)鍵懸掛高溫異常監(jiān)測

針對過往車輛底部進(jìn)行熱成像溫度監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)對車底特定部位區(qū)域的針對性實(shí)時(shí)溫度測量，也可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測。經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，高溫異常點(diǎn)多發(fā)生在牽引齒輪箱、聯(lián)軸器和高壓設(shè)備箱。實(shí)際高溫監(jiān)測熱像圖詳見圖6。

圖6 車輛底部關(guān)鍵部位高溫監(jiān)測效果示意

4 結(jié)語

城市軌道交通正在日新月異地變化，通過該系統(tǒng)對城市軌道交通運(yùn)營車輛走行部和底部狀態(tài)的全面監(jiān)控，將能有效地增加車輛運(yùn)行的安全保障，從而為城市軌道交通的安全運(yùn)行、設(shè)備維護(hù)工作帶來積極的作用。

本系統(tǒng)在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也可以創(chuàng)造可觀的社會(huì)效益。本系統(tǒng)的實(shí)施有以下作用：（1）改變了傳統(tǒng)作業(yè)模式，極大地提高了我國城市軌道交通安全監(jiān)測能力；（2）縮短現(xiàn)場事故原因分析時(shí)間，從而縮短故障分析處理時(shí)間，將對行車調(diào)度和運(yùn)力運(yùn)量匹配影響降低到最小；（3）主要解決了傳統(tǒng)手段檢修周期長、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等問題，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)力，對節(jié)能降耗起到了非常重要的作用；（4）未來隨著系統(tǒng)的成熟，該系統(tǒng)可逐步替代人工日檢只需人確認(rèn)，極大地降低了人力成本。