城市軌道交通車輛360°動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

楊正華

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

隨著我國城市軌道交通運(yùn)營線路不斷增多，城市軌道車輛運(yùn)用安全保障工作變得越來越復(fù)雜,中國鐵路總公司印發(fā)了《車輛專業(yè)安全監(jiān)控技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》[1]。

設(shè)計(jì)一種安裝在入段走行線（或正線）上，實(shí)現(xiàn)車輛進(jìn)場(chǎng)（通過）時(shí)在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)車輛外觀和車輛可視部件狀態(tài)的360°圖像檢測(cè)系統(tǒng)。在車輛通過設(shè)備檢測(cè)區(qū)時(shí)，采用高速、高分辨率的線陣相機(jī)和3D 相機(jī)對(duì)車輛車頂、車底和車側(cè)的可視部件進(jìn)行2D、3D 圖像采集，針對(duì)關(guān)鍵部件的變形、缺失、異物等異常狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別預(yù)警，代替部分人工檢測(cè)，提高檢測(cè)效率和檢測(cè)質(zhì)量[2]。

1 360°圖像檢測(cè)系統(tǒng)主要功能

（1）圖像采集，使用2D 線陣相機(jī)和2D+3D 組合相機(jī)對(duì)車體進(jìn)行360°全覆蓋拍照，以采集車體表面可視部件的圖像信息，用于對(duì)車體外觀和可視部件的缺陷進(jìn)行識(shí)別。

（2）車號(hào)采集，當(dāng)車輛接近檢測(cè)區(qū)時(shí)，通過判斷接車磁鋼檢測(cè)到的信號(hào)，車輛信息采集機(jī)控制車號(hào)采集單元開啟，車輛信息采集機(jī)根據(jù)車速和車號(hào)位置信息進(jìn)行預(yù)判，當(dāng)車輛接近和通過車號(hào)采集單元拍攝區(qū)時(shí)觸發(fā)抓拍。

（3）圖像傳輸與存儲(chǔ)，線陣采集機(jī)和面陣采集機(jī)采集到圖像信息后，通過圖像傳輸子程序?qū)D像數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和圖像識(shí)別。

（4）故障識(shí)別，采用機(jī)器視覺和圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)采集到的圖像信息與標(biāo)準(zhǔn)樣本進(jìn)行比對(duì)，識(shí)別出車輛的異常狀態(tài)，識(shí)別范圍包括但不限于螺栓松動(dòng)、缺失，部件的變形、移位、缺失和異物入侵。

（5）接車與送車，采用磁鋼作為檢測(cè)車輪的傳感器，當(dāng)磁鋼感應(yīng)到有車輪經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，由此判斷是否有車輛通過。

（6）車速測(cè)量與計(jì)軸計(jì)輛，測(cè)速模塊計(jì)劃采用磁鋼模式。磁鋼3#與磁鋼4#間距為270±2mm，兩組磁鋼的功能是實(shí)現(xiàn)列車測(cè)速和計(jì)軸計(jì)輛。

（7）關(guān)鍵部件尺寸檢測(cè)，系統(tǒng)能夠采集集電靴滑板厚度和姿態(tài)的 3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的深度信息通過計(jì)算可以檢測(cè)集電靴碳滑板的姿態(tài)、磨耗、破損、斷裂等異常情況。

（8）閘瓦磨耗、撒砂管和排障器高度，軌底沉箱和左下、右下設(shè)備箱中的圖像采集模塊可拍攝到閘瓦圖片，根據(jù)線陣相機(jī)的2D 圖像和面陣相機(jī)得到的3D 信息，分析得到閘瓦表面的3D 模型，通過處理算法計(jì)算得到閘瓦的磨耗值。

2 360°圖像檢測(cè)系統(tǒng)基本組成

360°圖像檢測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集裝置、控制分析裝置、客戶終端3 部分組成，如圖1 所示。

圖1 360°圖像檢測(cè)系統(tǒng)框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集裝置安裝于軌底和軌邊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。數(shù)據(jù)采集裝置包含車輛接近觸發(fā)開關(guān)、圖像采集模組、吹風(fēng)除塵（除霧）設(shè)備、車速檢測(cè)裝置、車號(hào)圖像采集裝置和安防系統(tǒng)等其他單元。

2.2 控制分析裝置

控制分析裝置既可安裝在軌旁，也可以安裝在離數(shù)據(jù)采集裝置較近的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集裝置的供電、控制、數(shù)據(jù)和圖像的采集控制、分析處理、存儲(chǔ)，同時(shí)與智能列檢設(shè)備綜合數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊。控制分析裝置由配電設(shè)備、控制設(shè)備、工控機(jī)、數(shù)據(jù)處理和分析服務(wù)器、通信設(shè)備、UPS、PDU、電源和信號(hào)防雷裝置等設(shè)備組成。其中服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)放置工控機(jī)、數(shù)據(jù)處理和分析服務(wù)器、通信設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備等信號(hào)數(shù)據(jù)類設(shè)備，其余配電設(shè)備放置于電氣控制柜內(nèi)[3-4]。

2.3 客戶終端

客戶終端位于遠(yuǎn)程控制室，是系統(tǒng)的控制中心、數(shù)據(jù)管理中心和監(jiān)控中心，由控制機(jī)及其外圍設(shè)備構(gòu)成。在遠(yuǎn)程控制中心，可以設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，查看、統(tǒng)計(jì)、分析、打印檢測(cè)數(shù)據(jù)[5]，監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和檢測(cè)過程，如圖2、圖3 所示。

圖2 檢測(cè)設(shè)備三維布局設(shè)計(jì)

圖3 檢測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝

3 檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵部件硬件設(shè)計(jì)

3.1 車底圖像采集設(shè)備

車底圖像采集單元分為軌左沉箱、軌中沉箱和軌右沉箱，沉箱中安裝2D+3D 組合的圖像采集模塊，共同完成車底可視部件的圖像采集。采集的圖像用以檢測(cè)識(shí)別車底異物、螺栓松動(dòng)、螺栓缺失、劃痕、線纜捆扎松脫等缺陷[6]。

3.2 車側(cè)圖像采集設(shè)備

車側(cè)圖像采集設(shè)備主要由左下設(shè)備箱、右下設(shè)備箱、左中設(shè)備箱、右中設(shè)備箱、左上設(shè)備箱、右上設(shè)備箱和第三軌受流的左右集電靴檢測(cè)設(shè)備箱組成。左下設(shè)備箱和右下設(shè)備箱的圖像采集模塊為2D-4K+3D 相機(jī)，主要對(duì)車體轉(zhuǎn)向架、裙擺等區(qū)域進(jìn)行圖像采集。檢測(cè)轉(zhuǎn)向架區(qū)域是否有異物、螺栓缺失、螺栓松動(dòng)等故障缺陷。左中、右中、左上和右上設(shè)備箱的圖像采集模塊為2D-2k 相機(jī)，主要對(duì)側(cè)面車體、車窗區(qū)域進(jìn)行圖像采集。集電靴檢測(cè)設(shè)備箱的圖像采集模塊為3D 相機(jī)。

3.3 車頂圖像采集設(shè)備

車頂圖像采集設(shè)備是對(duì)車輛頂部進(jìn)行圖像采集。采集的圖像用以檢測(cè)車頂是否有異物、車頂空調(diào)外罩螺釘是否缺失等情況。車頂圖像采集設(shè)備分為車頂左、中、右設(shè)備箱。車頂左右設(shè)備箱內(nèi)采用3D 相機(jī)，車頂中設(shè)備箱采用2D-4K 相機(jī)，共同完成車頂2D 和3D 數(shù)據(jù)采集。由于安裝在車頂上，采用從上往下的拍攝角度，設(shè)備箱不再設(shè)置開關(guān)門防護(hù)。控制原理與軌底沉箱相同，圖像采集模塊系數(shù)如表1 所示。

表1 圖像采集模塊參數(shù)

3.4 車號(hào)采集設(shè)備

系統(tǒng)安裝車號(hào)圖像采集設(shè)備用以采集車輛的車號(hào)和端位信息。車號(hào)采集設(shè)備可根據(jù)系統(tǒng)控制信號(hào)拍攝車輛的車號(hào)和端號(hào)圖片，通過設(shè)備集成的圖像識(shí)別軟件輸出車號(hào)和端號(hào)信息。車號(hào)采集設(shè)備考慮夜間黑暗環(huán)境的拍攝情況，自帶補(bǔ)光設(shè)備。車號(hào)采集設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 車號(hào)采集設(shè)備技術(shù)參數(shù)

3.5 車速檢測(cè)設(shè)備

車速檢測(cè)設(shè)備主要由雷達(dá)組成，雷達(dá)實(shí)時(shí)采集過車速度，車輛信息采集機(jī)根據(jù)車速信息，通過計(jì)算后給出用來觸發(fā)圖像采集設(shè)備的采集頻率控制信號(hào)。雷達(dá)具體性能要求如表3 所示。

表3 雷達(dá)技術(shù)參數(shù)

4 檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分

如圖4 所示，360°圖像檢測(cè)系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)主要可分為3 個(gè)軟件，分別為綜合應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、圖像識(shí)別軟件。在這些軟件下還包含具體的功能單元，即綜合應(yīng)用軟件包含系統(tǒng)控制、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、車速值采集、車號(hào)信息采集并轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)采集軟件包含原始圖像采集、相機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和圖像數(shù)據(jù)傳輸，圖像識(shí)別軟件包含圖像拼接、故障識(shí)別、故障標(biāo)識(shí)，各個(gè)軟件間根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互，各功能單元間相互獨(dú)立，降低軟件間的耦合度，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠，并提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和擴(kuò)展性[7]。

圖4 圖像檢測(cè)系統(tǒng)軟件層級(jí)結(jié)構(gòu)

5 性能及參數(shù)設(shè)計(jì)分析

5.1 車底圖像采集設(shè)備參數(shù)計(jì)算

車底圖像采集設(shè)備主要由軌左沉箱2D+3D 模塊、軌中沉箱左側(cè)2D+3D 模塊、軌中沉箱中部2D+3D 模塊、軌中沉箱右側(cè)2D+3D 模塊、軌右沉箱2D+3D 模塊組成，底部所有模塊視覺設(shè)計(jì)方案相同。

2D+3D 視覺模塊采用1 個(gè)線陣、1 個(gè)面陣、2 個(gè)不同波段線激光的方式采集車底可視部件的圖像。單個(gè)模塊2D 圖像采用2k 線陣相機(jī)，采用12mm 鏡頭，2D 圖像典型分辨率達(dá)到0.5mm/像素。

3D 圖像部分采用1 個(gè)面陣相機(jī)、1 個(gè)線結(jié)構(gòu)光、1 個(gè)6mm 鏡頭，平面方向成像分辨率為1280mm，此時(shí)平面圖像精度約1mm，深度方向平均分辨率約為6mm。

5.2 車側(cè)圖像采集設(shè)備參數(shù)計(jì)算

車側(cè)圖像采集設(shè)備主要包括左下設(shè)備箱2D+3D 模塊、右下設(shè)備箱2D+3D 模塊、左中設(shè)備箱2D 模塊、右中設(shè)備箱2D 模塊、左上設(shè)備箱2D 模塊、右上設(shè)備箱2D 模塊。其中，左下設(shè)備箱2D+3D 模與右下設(shè)備箱2D+3D 模塊視覺設(shè)計(jì)方案相同。左中設(shè)備箱2D 模塊、右中設(shè)備箱2D 模塊、左上設(shè)備箱2D 模塊、右上設(shè)備箱2D 模塊視覺方案設(shè)計(jì)相同。

左下設(shè)備箱2D+3D 模塊采用二組1 個(gè)線陣、1 個(gè)面陣、2 個(gè)不同波段線激光方式采集轉(zhuǎn)向架圖像。單個(gè)左下設(shè)備箱2D 模塊采用4k 高清線陣相機(jī)，采用25mm 鏡頭，系統(tǒng)單位像素精度達(dá)到0.25mm。

單個(gè)3D 圖像采用1 個(gè)面陣相機(jī)、1 個(gè)線結(jié)構(gòu)光、1個(gè)12mm 鏡頭，平面方向成像分辨率為1280mm，此時(shí)平面圖像精度約1mm，深度方向平均分辨率約為6mm。

左中設(shè)備箱2D 模塊采用2k 高清線陣相機(jī)，采用8mm 鏡頭，系統(tǒng)單位像素精度達(dá)到1mm，車頂圖像采集設(shè)備參數(shù)計(jì)算。

車頂圖像采集設(shè)備主要包括車頂左設(shè)備箱3D 模塊、車頂中部設(shè)備箱2D 模塊、車頂右設(shè)備箱3D 模塊。

車頂中部設(shè)備箱2D 模塊采用1 個(gè)線陣相機(jī)，1 個(gè)線激光方式采集車頂圖像，采用4K 高清線陣相機(jī)，25mm鏡頭，系統(tǒng)單位像素精度達(dá)到1mm。

頂部左右設(shè)備箱3D 模塊采用1 個(gè)面陣相機(jī)、1 個(gè)線激光、1 個(gè)12mm 鏡頭的方式檢測(cè)車體頂部外觀缺陷故障。平面方向成像分辨率為1280mm，此時(shí)平面圖像精度約2mm，深度方向平均分辨率約為6mm。

5.3 集電靴圖像采集設(shè)備參數(shù)計(jì)算

集電靴圖像采集設(shè)備使用3D 模塊對(duì)集電靴進(jìn)行檢測(cè)。

集電靴檢測(cè)模塊采用1 個(gè)面陣相機(jī)，1 個(gè)線激光方式檢測(cè)集電靴故障，使用12mm 鏡頭，平面方向成像分辨率為1280mm，此時(shí)平面圖像精度約1mm，深度方向平均分辨率約為4mm。成像示意圖如圖5、圖6 所示。

圖5 線陣成像示意圖

圖6 面陣成像示意圖

6 運(yùn)用效果

360°圖像檢測(cè)系統(tǒng)，從2022 年3 月至2022 年10 月，自動(dòng)采集車頂、車側(cè)、車底可視部件的高清圖像，通過圖像分析識(shí)別，對(duì)車頂受電弓、車側(cè)車門、車側(cè)車窗、車底箱體、牽引電機(jī)、制動(dòng)器、齒輪箱、軸箱、輪對(duì)等關(guān)鍵部位缺失、變形、損傷等異常情況進(jìn)行檢測(cè)并報(bào)警提示；故障檢出率：車頂受電弓部分≥85%，轉(zhuǎn)向架部分≥85%，轉(zhuǎn)向架部分≥85%，制動(dòng)系統(tǒng)部分≥85%，其他車下部件≥85%。