智能巡檢系統(tǒng)在城市軌道狀態(tài)巡檢的應(yīng)用

王春茶，黃繼輝

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院 軌道交通學(xué)院，福建 福州 350007）

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及存在問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的鐵路軌道巡檢需要人工記錄巡檢信息，并回到辦公室進(jìn)行信息的二次錄入，繁瑣復(fù)雜，且容易出錯(cuò)，效率低下。從巡檢任務(wù)的接收，到巡檢工作完成并進(jìn)行匯報(bào)，整個(gè)時(shí)間周期過(guò)長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)到2022年9 月底，國(guó)內(nèi)城市軌道交通總里程達(dá)到9195 km。隨著各國(guó)加大城市軌道交通的建設(shè)，促進(jìn)了各城市軌道交通企業(yè)積極探索城市軌道交通維保方面出現(xiàn)的問(wèn)題，其中軌道交通智能巡檢系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)逐漸成為研究重點(diǎn)[1-2]。目前智能維保存在的主要問(wèn)題如下：

首先目前城市軌道交通缺少軌道交通運(yùn)營(yíng)維護(hù)類(lèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，尤其缺少設(shè)備技術(shù)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。軌道交通行業(yè)正在組織人員研究智能維保相關(guān)技術(shù)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。

其次智能維保專(zhuān)業(yè)分散化與建立集成系統(tǒng)平臺(tái)的兼容問(wèn)題。目前，城市軌道交通智能維保通常針對(duì)某項(xiàng)設(shè)備系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置多種傳感器實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的采集、數(shù)據(jù)下載和分析，但尚未形成系統(tǒng)性工具，而且各設(shè)備系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展，呈分散化狀態(tài)[3]。

再次城市軌道交通線網(wǎng)不斷擴(kuò)大，作業(yè)強(qiáng)度要求不斷提高，需要加大對(duì)軌道智能巡檢系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用研究。

我國(guó)各城市軌道交通線網(wǎng)不斷擴(kuò)大，未來(lái)大間距、快車(chē)速對(duì)檢測(cè)要求、標(biāo)準(zhǔn)也更為嚴(yán)格。巡檢人員的作業(yè)強(qiáng)度提高、效率降低、作業(yè)質(zhì)量下降，給安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)一定隱患?？瓦\(yùn)壓力的逐步增大，開(kāi)始延后運(yùn)營(yíng)結(jié)束時(shí)間，逐步壓縮“天窗期”可用時(shí)間，又因?yàn)榫€路多，任務(wù)重，各專(zhuān)業(yè)間對(duì)“天窗期”需求也越來(lái)越多。有時(shí)，因“天窗期”被臨時(shí)占用，導(dǎo)致工務(wù)專(zhuān)業(yè)人員作業(yè)時(shí)間減少，單位時(shí)間內(nèi)工作量成倍增加。傳統(tǒng)人工巡檢的方式不僅需要大量的人力資源，且巡檢質(zhì)量往往難以保證。

隨著近年來(lái)人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的使用，極大促進(jìn)軌道交通的智能化巡檢技術(shù)的發(fā)展[4]。

2 線路智能巡檢系統(tǒng)的研發(fā)

2.1 軌道智能巡檢系統(tǒng)的工作原理

項(xiàng)目組研發(fā)的軌道智能巡檢系統(tǒng)包括拍攝系統(tǒng)、圖像存儲(chǔ)傳感器、融合中心、主服務(wù)器以及圖像分析識(shí)別軟件，其工作原理是采用多個(gè)拍攝系統(tǒng)的線陣相機(jī)連續(xù)掃描鋼軌表面和扣件，并將掃描到的圖像信息存入各個(gè)圖像存儲(chǔ)傳感器中，經(jīng)過(guò)融合中心由主服務(wù)器中的圖像分析軟件，對(duì)實(shí)時(shí)傳來(lái)到的圖像信息進(jìn)行分析校正、識(shí)別缺陷，然后輸出鋼軌表面各種病害異常狀態(tài)的完整圖像和軌道幾何檢測(cè)報(bào)告[5]。

本系統(tǒng)可在動(dòng)態(tài)條件下（≤15 km/h）對(duì)軌行區(qū)設(shè)備表觀進(jìn)行360°全覆蓋動(dòng)態(tài)檢測(cè)，并具備缺陷智能識(shí)別和精確定位的功能，為軌道交通維保提供高效、智能的檢測(cè)方法。本系統(tǒng)特點(diǎn):（1）采用多路高清線陣掃描成像及光源同步技術(shù)；（2）采用海量圖像實(shí)時(shí)壓縮及顯示加速技術(shù)；（3）搭載精確定位技術(shù)，里程定位精度0.3 m；（4）基于深度學(xué)習(xí)的缺陷損傷的智能識(shí)別技術(shù)。

2.2 智能巡檢系統(tǒng)的架構(gòu)

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[6]，并參考各地方標(biāo)準(zhǔn)的要求，城市軌道交通線路設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)包括：設(shè)施運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)、設(shè)施狀態(tài)評(píng)價(jià)、設(shè)施維修、設(shè)施大修、設(shè)施更新改造。為了掌握軌道交通設(shè)施的技術(shù)狀況，國(guó)標(biāo)規(guī)定需采用目測(cè)、簡(jiǎn)單工具以及專(zhuān)業(yè)儀器、設(shè)備對(duì)設(shè)施進(jìn)行日常檢查、定期檢查和專(zhuān)項(xiàng)檢查。其中，線路的日常檢查，包括線路巡檢、鋼軌探傷和焊縫探傷。線路巡檢需要對(duì)鋼軌、連接零件、道岔、軌枕、道床、等進(jìn)行巡檢，檢查異物侵限和線路故障等，檢查周期要求為國(guó)標(biāo)不大于一周。線路巡檢工作量大，頻繁，隨著相關(guān)技術(shù)的提升，項(xiàng)目組研發(fā)軌道線路智能巡檢系統(tǒng)，其架構(gòu)總體可分為3 部分：圖像采集模塊（拍攝系統(tǒng)）、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和控制模塊（圖像存儲(chǔ)傳感器、定位控制）、數(shù)據(jù)分析模塊（融合中心、主服務(wù)器、圖像分析軟件），如圖1 所示。

圖1 智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Intelligent patrol system architecture

2.2.1 圖像采集模塊

拍攝系統(tǒng)的相機(jī)按傳感器的結(jié)構(gòu)特性可分為面陣相機(jī)和線陣相機(jī)兩類(lèi)，其中智能巡檢系統(tǒng)對(duì)面陣列相機(jī)采集到圖像的重疊區(qū)域進(jìn)行識(shí)別分析處理，而線陣相機(jī)則可對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象進(jìn)行連續(xù)采集無(wú)重疊區(qū)，因此項(xiàng)目組研發(fā)的軌道智能巡檢系統(tǒng)采用了線陣相機(jī)[6]。

在運(yùn)動(dòng)方向上，硬件參數(shù)一定的條件下，軌道智能巡檢系統(tǒng)線陣相機(jī)所采集圖像精度像素分辨率PL主要取決于其線掃描速率Vc和設(shè)備的運(yùn)行速率V0[5]：

在有裂縫檢測(cè)需求的情況下，像素分辨率需要達(dá)到0.3 mm/pixel，因此相機(jī)的線掃描速率是決定設(shè)備的檢測(cè)速度的重要因素。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和控制單元

圖像的存儲(chǔ)速度也是制約設(shè)備檢測(cè)速度的重要因素之一:像素分辨率一定的情況下，采集速度越快，單位時(shí)間圖像采集量越大，相應(yīng)的圖像存儲(chǔ)速度要求也越高。目前的解決方案主要通過(guò)優(yōu)化內(nèi)存讀取、文件封裝、磁盤(pán)寫(xiě)入過(guò)程，并采用多線程并行的模式，以提高采集圖像的存儲(chǔ)速度[7-8]。

精準(zhǔn)定位技術(shù)是存儲(chǔ)控制單元的關(guān)鍵技術(shù)之一。項(xiàng)目組研發(fā)的軌道智能巡檢系統(tǒng)地上部分采用北斗/GPS 衛(wèi)星進(jìn)行定位，地下部分需要多種定位技術(shù)結(jié)合以滿(mǎn)足檢測(cè)的定位需要。目前主流的解決方案是綜合輪軸光電編碼器定位、RFID 電子標(biāo)簽定位、機(jī)器視覺(jué)圖像定位等多種技術(shù)融合的方式，以平衡成本、速度、精度的要求[9]。

針對(duì)巡檢過(guò)程中的數(shù)據(jù)無(wú)線通訊傳輸需求，傳統(tǒng)的解決方案有4G、WiFi、ZigBee 等。隨著我國(guó)5G 基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，5G 傳輸方案得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析單元

數(shù)據(jù)分析單元的功能為分析巡檢設(shè)備采集的圖像數(shù)據(jù)，并識(shí)別出線路存在的缺陷情況。圖像數(shù)據(jù)的處理分析流程為：圖像預(yù)處理→檢測(cè)區(qū)域分割→分割后圖像的分類(lèi)→缺陷識(shí)別。

項(xiàng)目組加大力度進(jìn)行巡檢技術(shù)研究，相繼推出鋼軌表面擦傷檢測(cè)模塊、扣件異常檢測(cè)模塊，并得到推廣使用。采用智能識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別鋼軌接頭縫隙、鋼軌表面擦傷、軌頭斷裂、彈條斷裂等異常狀態(tài)[10-11]。

2.3 智能巡檢系統(tǒng)的功能

2.3.1 鋼軌波浪磨耗檢測(cè)

項(xiàng)目組研發(fā)的軌道智能巡檢系統(tǒng)的鋼軌波浪磨耗檢測(cè)功能是一款能檢測(cè)3 m 內(nèi)鋼軌波深及波長(zhǎng)的高精度集成系統(tǒng)，滿(mǎn)足軌道交通智能安全檢測(cè)需求的一體化檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行狀態(tài)下波浪磨耗檢測(cè)，極大提高軌道交通安全檢測(cè)效率。動(dòng)態(tài)采集軌道表面數(shù)據(jù)，采集速度最高可達(dá)15 km/h；可實(shí)時(shí)查看軌道波磨情況。

2.3.2 軌道幾何檢測(cè)

項(xiàng)目組研發(fā)的軌道智能巡檢系統(tǒng)具備動(dòng)態(tài)檢測(cè)軌道幾何尺寸，及時(shí)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)軌道狀態(tài)，指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)維修的功能。具體功能特點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)軌道幾何尺寸，及時(shí)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)軌道狀態(tài)，指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)維修的功能；（2）記錄并分析軌距偏差、軌距變化率、水平偏差、三角坑等；（3）所有項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)超限報(bào)警并計(jì)入數(shù)據(jù)庫(kù)，可通過(guò)配套的智能型數(shù)據(jù)分析處理軟件對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。軌道幾何檢測(cè)報(bào)告（部分）如表1。

表1 軌道幾何檢測(cè)報(bào)告（部分）Tab.1 Track geometry inspection report (part)

2.4 智能巡檢系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新

項(xiàng)目組研發(fā)的軌道智能巡檢系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于研發(fā)多傳感器融合技術(shù)。多傳感器融合技術(shù)是一種多學(xué)科交叉的先進(jìn)技術(shù)，它的基本原理是協(xié)調(diào)所有的傳感器，將所有數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上做到統(tǒng)一，合理利用各個(gè)傳感器的能力，合理分配各個(gè)傳感器的計(jì)算單元，并綜合判斷信息的有效性和準(zhǔn)確性。

軌道智能巡檢系統(tǒng)安裝9 套傳感器，每套傳感器可以獲取單一的、不完整的信息，為了得到準(zhǔn)確的環(huán)境描述，把采集到的信息傳入到數(shù)據(jù)融合中心。利用卡爾曼濾波跟蹤濾波算法尋找不同傳感器大量數(shù)據(jù)之中可能的潛在聯(lián)系，清除冗余信息，準(zhǔn)確理解圖像信息，形成完整的系統(tǒng)環(huán)境，然后輸送到主服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一處理[12]。多傳感器融合技術(shù)流程圖如圖2 所示。

圖2 多傳感器融合技術(shù)流程圖Fig.2 Flow chart of multi-sensor fusion technology

卡爾曼濾波用于動(dòng)態(tài)環(huán)境中冗余傳感器信息的實(shí)時(shí)融合，可以提供合并數(shù)據(jù)的最佳估計(jì)。本軌道智能巡檢系統(tǒng)按照卡爾曼濾波算法得到狀態(tài)方程和觀測(cè)方程:

式中：A 表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；H 為狀態(tài)觀測(cè)矩陣；W（t）表示狀態(tài)噪聲；V（t）表示噪聲，X（t）是通過(guò)卡爾曼濾波公式獲得的系統(tǒng)估計(jì)值；Yf表示傳感器測(cè)量信息[12]。

軌道智能巡檢系統(tǒng)研發(fā)的多傳感器融合技術(shù)克服單一傳感器使用的一些缺陷，使接收到的信息更加完整。通過(guò)結(jié)合各種傳感器獲取的數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和相應(yīng)的信息融合算法，達(dá)到減少傳感器拍攝造成的誤差及提高精度的目的。

3 智能巡檢系統(tǒng)與軌道養(yǎng)護(hù)融合的實(shí)施方案

項(xiàng)目組通過(guò)對(duì)設(shè)施定期檢查的項(xiàng)目?jī)?nèi)容要求、周期要求以及可能應(yīng)用的智能化檢查手段的分析，說(shuō)明各類(lèi)設(shè)施是否可通過(guò)智能化裝置實(shí)施定期檢查，人工檢查項(xiàng)目可與哪些生產(chǎn)活動(dòng)合并實(shí)施，如日常保養(yǎng)（經(jīng)常保養(yǎng)）等[13]。線路巡檢內(nèi)容及實(shí)施方法如表2。

表2 線路巡檢內(nèi)容及實(shí)施方法分析Tab.2 Analysis of Line Patrol Inspection Contents and Implementation Methods

4 智能巡檢儀在福州地鐵線路巡檢中的應(yīng)用情況

根據(jù)福州最新的城市軌道交通規(guī)劃，到2035 年福州將要達(dá)到16 條線路，總里程將會(huì)達(dá)到621 km。截止到2022 年8 月28 日，福州地鐵1 號(hào)線、2 號(hào)線、5號(hào)線、6 號(hào)線已經(jīng)正式開(kāi)通運(yùn)行，正式進(jìn)入四線聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。另外，4 號(hào)線、2 號(hào)線延長(zhǎng)線、6 號(hào)線延長(zhǎng)線以及福州至長(zhǎng)樂(lè)機(jī)場(chǎng)城際鐵路F1 號(hào)線正在加速建設(shè)之中。隨著福州地鐵建設(shè)運(yùn)營(yíng)的高速發(fā)展，軌道線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)里程在快速增長(zhǎng)，工務(wù)設(shè)備的維保的工作量也在不斷的增加。在福州地鐵軌道狀態(tài)巡檢過(guò)程中，工務(wù)設(shè)備維保主要依靠大量的人工檢測(cè)、人工判斷、消耗了大量的人員精力且增加人工成本。在沒(méi)有技術(shù)安全防范的前提下，易因人員的失誤出現(xiàn)重大安全隱患。采用創(chuàng)新的智能巡檢檢查手段提升工務(wù)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)質(zhì)量，成為迫在眉睫問(wèn)題。

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況

為檢驗(yàn)智能巡檢系統(tǒng)的識(shí)別精度，并論證表1 與既有線路巡檢的可行性。2022 年1 月9 日—1 月12日，以福州地鐵1 號(hào)線象峰站-秀山站區(qū)間和6 號(hào)線萬(wàn)壽站-鄭和站-營(yíng)前站區(qū)間作為試驗(yàn)段，選取項(xiàng)目組研發(fā)生產(chǎn)的軌道交通智能巡檢車(chē)（設(shè)備性能見(jiàn)表3）進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如圖3 所示。

表3 智能巡檢車(chē)設(shè)備性能Tab.3 Equipment performance of intelligent patrol inspection vehicle

圖3 設(shè)備調(diào)試與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試Fig.3 Equipment commissioning and field test

4.2 試驗(yàn)效果分析

應(yīng)用智能巡檢車(chē)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，智能分析軟件對(duì)鋼軌表面擦傷、扣件異常、異物等缺陷進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，智能巡檢系統(tǒng)檢測(cè)出的軌道病害如圖4 所示。智能檢測(cè)系統(tǒng)有效檢測(cè)出軌道病害，驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)鋼軌表面擦傷缺陷以及扣件異常(缺失、彈條歪斜、折斷等現(xiàn)象)病害，鋼軌附著異物的自動(dòng)分析功能。

圖4 智能巡檢系統(tǒng)檢測(cè)軌道病害Fig.4 Intelligent inspection system detects track defects

通過(guò)軌道智能巡檢系統(tǒng)在福州地鐵1 號(hào)線、6 號(hào)線的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用驗(yàn)證證明，該系統(tǒng)功能完善，可在15 km/h速度條件下，實(shí)現(xiàn)軌道高清圖像掃描，實(shí)時(shí)完成海量圖像數(shù)據(jù)的壓縮存儲(chǔ)，滿(mǎn)足軌道傷損智能分析判別的需求。

4.3 采用智能巡檢前后工時(shí)占比分析

根據(jù)《城軌設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)規(guī)范》規(guī)范中要求，對(duì)福州地鐵試驗(yàn)段制訂檢查頻率及內(nèi)容。（1）檢查頻率：每?jī)商爝M(jìn)行一次常規(guī)檢查。（2）檢查內(nèi)容：a.檢查是否有異物侵入限界及其他線路故障；b.檢查軌道線路是否有病害或存在病害隱患。對(duì)軌道進(jìn)行巡視檢查，重點(diǎn)檢查已發(fā)現(xiàn)病害試驗(yàn)段及薄弱位置。

根據(jù)福州地鐵試驗(yàn)段智能巡檢與人工巡檢工時(shí)比較（如圖5 所示），采用智能巡檢工/人工巡檢=（49.60+32.00）/145.60=56.04%，說(shuō)明采用智能巡檢系統(tǒng)有效降低工務(wù)設(shè)備維保的工作量。

圖5 智能巡檢與人工巡檢工時(shí)比較Fig.5 Comparison of working hours between intelligent patrol inspection and manual patrol inspection

5 結(jié)束語(yǔ)

以福州地鐵1 號(hào)線和6 號(hào)線作為試驗(yàn)段，維保人員經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核證明了軌道智能巡檢系統(tǒng)在軌道表面異常檢測(cè)中的有效性。維保人員根據(jù)檢測(cè)報(bào)告執(zhí)行了維修作業(yè)，證明了系統(tǒng)在指導(dǎo)工務(wù)維修中能起到切實(shí)可行的作用。根據(jù)試驗(yàn)耗時(shí)和傳統(tǒng)日常巡檢情況，測(cè)算得到一年內(nèi)，采用智能巡檢工時(shí)占比為人工巡檢的56.04%。多傳感器融合技術(shù)是軌道智能巡檢系統(tǒng)一項(xiàng)重要的技術(shù)，能夠很好的提升其應(yīng)用靈活性，有效減少人為的介入，提升整體的性能[12]。

采用創(chuàng)新的智能巡檢系統(tǒng)提升工務(wù)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)質(zhì)量，有效降低工務(wù)設(shè)備維保的工作量，避免以前工務(wù)設(shè)備維保依靠大量的人工檢測(cè)、人工判斷、消耗大量的人員精力且增加人工成本的局面，避免易因人員的失誤出現(xiàn)重大安全隱患。