張漢平　歐偉　范忠林　吳宇　吳耿才　劉東光　賴(lài)文輝　張密

摘 要：論述了新型軌道綜合智能檢測(cè)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證效果，新型軌道綜合智能檢測(cè)系統(tǒng)由圖像采集處理、里程定位、離線數(shù)據(jù)分析三個(gè)子系統(tǒng)組成，圖像采集處理采用了高速二維線陣相機(jī)、高速三維激光測(cè)量等技術(shù)，并基于深度學(xué)習(xí)算法的圖像智能識(shí)別方法對(duì)軌道扣件異常、鋼軌表面缺陷病害進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，可以安裝在運(yùn)營(yíng)電客車(chē)或工程車(chē)上，對(duì)軌道圖像進(jìn)行采集、分析和綜合統(tǒng)計(jì)處理，相關(guān)維修人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患并進(jìn)行檢修，從而提高了軌道線路巡檢效率和準(zhǔn)確率，保障了地鐵列車(chē)的運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)視覺(jué);三維激光測(cè)量;深度學(xué)習(xí);精確定位;智能識(shí)別

中圖分類(lèi)號(hào)：U270.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著我國(guó)城市的不斷發(fā)展，地鐵軌道交通已成為其中不可分割的重要組成部分。軌道作為重要的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，其運(yùn)用狀態(tài)對(duì)行車(chē)安全具有直接和至關(guān)重要的影響?，F(xiàn)階段，對(duì)于軌道的檢測(cè)主要是人工巡檢，該方式依賴(lài)于自然條件、巡檢人員的精力和熟練度。

在過(guò)去幾十年中，世界上許多個(gè)國(guó)家的鐵路研究院和一些研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品的公司就利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)研發(fā)出了許多監(jiān)控鐵路構(gòu)配件的狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，例如日本的列車(chē)運(yùn)營(yíng)管理自動(dòng)化系（COMTARC）、德國(guó)MEMEC公司的軌檢綜合檢測(cè)車(chē)等，大大地增加了準(zhǔn)確率和檢測(cè)效率，并且實(shí)時(shí)高效，也增加了檢測(cè)的可靠性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理為基于先進(jìn)的二維和三維圖像采集技術(shù)對(duì)軌道設(shè)備、設(shè)施進(jìn)行成像，將采集的數(shù)據(jù)與線路里程信息相對(duì)應(yīng)，獲得完整的二維和三維軌道圖像數(shù)據(jù)記錄，然后采用圖像處理和基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)智能識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道病害的自動(dòng)檢測(cè)、識(shí)別，同時(shí)輸出缺陷報(bào)表，指導(dǎo)工務(wù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修。

軌道綜合智能巡檢系統(tǒng)從功能上可劃分為圖像采集處理、里程定位、離線數(shù)據(jù)分析三個(gè)功能模塊。

1.1 圖像采集模塊

圖像采集模塊的主要功能是在列車(chē)高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，采集軌道全斷面、軌枕、道床區(qū)域的二維和三維圖像;盡可能完整地呈現(xiàn)扣件、軌道夾板、軌枕、軌面的清晰圖像;采集速度要滿足列車(chē)0 km/h～120 km/h的工況下運(yùn)行;為此采用了高速線陣相機(jī)進(jìn)行二維圖像采集、采用了高速三維激光掃描相機(jī)進(jìn)行三維成像。

圖像采集模塊主要由二維線陣相機(jī)成像裝置、三維激光掃描成像裝置、同步觸發(fā)裝置、采集主機(jī)及軟件系統(tǒng)等組成。

二維線陣相機(jī)成像裝置采用了5組線陣圖像采集模塊分別對(duì)左右軌和軌枕進(jìn)行全斷面圖像采集，二維線陣相機(jī)的采樣頻率>30 kHz，在120 km/h時(shí)速下能夠達(dá)到縱向1 mm的采樣間距;設(shè)備的布局圖如下：

圖1 二維線陣相機(jī)成像裝置設(shè)備

二維線陣相機(jī)成像裝置內(nèi)部集成了紅外補(bǔ)償光源，符合鐵路設(shè)備國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)TB、防護(hù)等級(jí)IP67，適應(yīng)環(huán)境溫度-40℃～60℃。

采集圖像效果圖：

圖2 二維線陣相機(jī)成像裝置采集效果圖

三維激光掃描裝置采用了高速激光掃描三維成像系統(tǒng)，采集頻率大于15 kHz，滿足120 km/h時(shí)速下2 mm的縱向采樣間距;同時(shí)配置了一臺(tái)激光線結(jié)構(gòu)光進(jìn)行輪廓測(cè)量，可以精確測(cè)量鋼軌的輪廓外形，同時(shí)通過(guò)點(diǎn)云渲染的方式還原鋼軌及扣件的三維圖像。

設(shè)備采集的三維點(diǎn)云圖像如下圖所示：

圖3 三維激光掃描裝置采集效果圖

同步觸發(fā)裝置安裝在檢測(cè)梁底部，主要功能是通過(guò)在列車(chē)軸端安裝的光電編碼器輸出的脈沖，來(lái)同步觸發(fā)各個(gè)相機(jī)進(jìn)行拍照的功能，由于編碼器輸出脈沖與速度成正比，所以使得線陣模塊采集的行頻率隨速度精確變化，保證了采集圖像的正常比例，杜絕了橫向和縱向的變形。

1.2 里程定位模塊

里程定位模塊的功能是實(shí)時(shí)獲取列車(chē)當(dāng)前運(yùn)行的速度和位置信息，為圖像采集的數(shù)據(jù)提供里程定位信息。

主要采用速度傳感器和軌道電子標(biāo)簽的方式進(jìn)行綜合定位。

車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，由安裝在車(chē)輪軸頭上的速度傳感器隨著車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而輸出距離脈沖，通過(guò)對(duì)距離脈沖計(jì)數(shù)計(jì)算出列車(chē)走行里程;在列車(chē)加減速和彎道位置，由于慣性會(huì)產(chǎn)生空轉(zhuǎn)和打滑的情況，導(dǎo)致計(jì)算的里程信息產(chǎn)生累積誤差，需要通過(guò)其他方式的位置信息進(jìn)行里程校準(zhǔn)。

在軌道線路上每隔一定距離布置一個(gè)RFID電子標(biāo)簽，在檢測(cè)裝置上安裝高速閱讀器。當(dāng)列車(chē)通過(guò)電子標(biāo)簽位置時(shí)，會(huì)自動(dòng)識(shí)別出電子標(biāo)簽的卡號(hào)，將這個(gè)卡號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行比對(duì)，獲取該標(biāo)簽所對(duì)應(yīng)的里程信息，同時(shí)對(duì)當(dāng)前檢測(cè)的位置進(jìn)行一次里程校準(zhǔn)，避免產(chǎn)生累積誤差。

通過(guò)綜合定位后的定位誤差可以達(dá)到+/-2 m內(nèi)。

1.3 離線數(shù)據(jù)分析模塊

離線數(shù)據(jù)分析模塊包含：智能識(shí)別、圖像顯示和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。

圖像采集完成后，由于數(shù)據(jù)量十分龐大，依靠人工瀏覽尋找病害變化的方式不可行，需要采用智能識(shí)別的方式進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別分類(lèi)。

缺陷檢測(cè)的具體流程可分為圖像增強(qiáng)、圖像分割、目標(biāo)檢測(cè)、特征描述、數(shù)據(jù)降維和模式分類(lèi)五個(gè)環(huán)節(jié)。

當(dāng)接收到輸入圖像時(shí)，該模塊先利用濾波等圖像增強(qiáng)技術(shù)消除光線、霧霾等對(duì)圖像質(zhì)量的影響，以豐富圖像信息量，加強(qiáng)圖像的識(shí)別效果;圖像分割為鋼軌、扣件和道床三個(gè)區(qū)域;分割完成后，使用目標(biāo)檢測(cè)算法將每個(gè)區(qū)域中的待識(shí)別的特征目標(biāo)提取出來(lái)，比如鋼軌、扣件、軌枕等;然后以特征目標(biāo)的典型病害為識(shí)別對(duì)象，通過(guò)特征變換將圖像空間轉(zhuǎn)化到更易于識(shí)別的特征空間;最后采用模式分類(lèi)方法完成病害類(lèi)型的判別。

該系統(tǒng)對(duì)各類(lèi)缺陷的識(shí)別率都在90%以上，識(shí)別率跟網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練所采用的樣本量相關(guān)，樣本量越多，檢測(cè)模型的性能就會(huì)越優(yōu)異。通過(guò)檢測(cè)次數(shù)增加，其訓(xùn)練樣本量不斷擴(kuò)充，讓模型學(xué)習(xí)到更多有用信息，從而提高系統(tǒng)的檢測(cè)性能。

圖像顯示功能集成在軟件界面，通過(guò)圖像拼接可以清晰地呈現(xiàn)軌道和軌枕全斷面的圖像，如圖4所示，并且具備里程和站點(diǎn)位置提示，便于人工復(fù)核和查看。

圖4 軌道圖像分析界面

圖像顯示還可以將故障數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行導(dǎo)出，為維修人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核提供依據(jù)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能可以將每趟車(chē)跑車(chē)的缺陷進(jìn)行報(bào)表統(tǒng)計(jì)，如圖5所示，可以按照時(shí)間、站點(diǎn)區(qū)間、缺陷類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，為軌道缺陷數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。

圖5 軌道缺陷統(tǒng)計(jì)分析

2 系統(tǒng)驗(yàn)證核實(shí)

軌道綜合智能巡檢系統(tǒng)在東莞地鐵二號(hào)線安裝以來(lái)，每次巡檢能檢出彈條缺失、彈條松動(dòng)、鋼軌波磨、鋼軌掉塊、道床異物缺陷等軌道缺陷，且檢測(cè)快、識(shí)別準(zhǔn)，能夠及時(shí)地向相應(yīng)維修工班提供故障信息和故障位置，從而能及時(shí)地處理故障，保障地鐵的安全運(yùn)營(yíng)。

軌道異常識(shí)別案例如圖6、7所示：

從軌道巡檢系統(tǒng)檢測(cè)的結(jié)果對(duì)比分析來(lái)看，每次跑車(chē)都會(huì)發(fā)現(xiàn)一些在檢測(cè)周期間隔內(nèi)新產(chǎn)生的軌道病害。較為常見(jiàn)的是扣件彈條移位、鋼軌波磨、鋼軌掉塊等病害缺陷，對(duì)比以往人工步行巡檢，新型綜合智能巡檢系統(tǒng)的檢出效率和效果均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工巡檢，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、符合，系統(tǒng)對(duì)鋼軌波磨、扣件脫落、扣件斷裂等病害的檢出率在90%以上。

3 結(jié)論

本文提出的新型軌道綜合巡檢系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)二維視覺(jué)、三維測(cè)量、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，結(jié)合目標(biāo)檢測(cè)算法采集軌道鋼軌和道床空間全斷面高清晰圖像、精確檢測(cè)列車(chē)運(yùn)行位置以及智能識(shí)別軌道缺陷，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)離線分析軟件存儲(chǔ)顯示，方便工作人員監(jiān)視，及時(shí)處理故障。以東莞地鐵二號(hào)線為例，驗(yàn)證了本文所提出的新型軌道綜合巡檢系統(tǒng)具有檢測(cè)快、識(shí)別準(zhǔn)，能夠及時(shí)地向相應(yīng)維修工班提供故障信息和故障位置，保障了地鐵運(yùn)營(yíng)安全，節(jié)約了地鐵運(yùn)營(yíng)成本。