李江昆

(中國(guó)鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司 鄭州北車輛段，河南 鄭州 450012)

貨車故障軌邊圖像檢測(cè)系統(tǒng)(TFDS)作為鐵路貨車運(yùn)行安全檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，在各大鐵路干線相繼建設(shè)運(yùn)用[1]。截至2020年，鄭州北車輛段已投入運(yùn)用的TFDS設(shè)備共計(jì)14套，覆蓋了京廣、隴海、京九、焦柳、寧西5條鐵路干線，動(dòng)態(tài)檢查貨物列車日均700余列，近4萬輛。TFDS動(dòng)態(tài)檢查作為目前一種重要的貨車運(yùn)用技術(shù)作業(yè)方式，避免了大量車輛典型故障的發(fā)生。然而，隨著高速鐵路的大量開行，普速鐵路的貨運(yùn)能力得到進(jìn)一步釋放，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員緊張、老齡化加速的現(xiàn)狀已經(jīng)無法適應(yīng)日益嚴(yán)格的安全生產(chǎn)要求，因此加快開發(fā)TFDS車輛故障自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)符合中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司“堅(jiān)持強(qiáng)基達(dá)標(biāo)、提質(zhì)增效，著力節(jié)支降耗、改革創(chuàng)新”的工作要求，能夠極大緩解現(xiàn)場(chǎng)貨車運(yùn)行安全面臨的風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)。

目前，鄭州北車輛段鄭州北動(dòng)態(tài)檢查作業(yè)場(chǎng)聯(lián)合華為技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱華為公司)，按照“重點(diǎn)故障率先突破、識(shí)別范圍不斷擴(kuò)大”的自動(dòng)識(shí)別發(fā)展思路[2]，開展TFDS車輛故障自動(dòng)識(shí)別技術(shù)研究。

1 TFDS車輛故障自動(dòng)識(shí)別面臨的困難

(1) 貨車車種車型繁雜。目前，鐵路貨車的基本種類主要包括敞車(C)、棚車(P)、平車(N)、集裝箱平車(X)、平集共用車(NX)、罐車(G)、礦石車(K)等，又根據(jù)軸重、材質(zhì)等差異分為不同的車型。

(2) 車輛故障形態(tài)多樣。根據(jù)《鐵路貨車運(yùn)用維修規(guī)程》第4章第62條人機(jī)分工TFDS動(dòng)態(tài)檢查范圍和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，車輛故障形態(tài)大體包括缺損、破損、折斷、丟失、竄出、脫落、錯(cuò)位、松動(dòng)等，并且相同類型的故障，具體的表現(xiàn)形式迥異[3]。

(3) 探測(cè)條件復(fù)雜，排除干擾困難。TFDS探測(cè)站均建在室外，時(shí)刻受到陽光、雨、雪、霧等環(huán)境影響，加上部分車輛段為了強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)控制，在車輛關(guān)鍵部位涂打粉筆標(biāo)記，這些不利因素都會(huì)導(dǎo)致TFDS探測(cè)圖片成像效果存在較大差異，不利于計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別車輛故障。

2 TFDS車輛故障自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

2.1 研究思路

前期，按照“減少檢查工位”的研究思路，首先對(duì)某一幅或幾幅TFDS圖片中的所有故障實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別，避免動(dòng)態(tài)檢車員因全數(shù)瀏覽圖片而影響作業(yè)效率。

TFDS動(dòng)態(tài)檢查分為側(cè)架工位、制動(dòng)梁工位、鉤緩工位、互鉤差工位、中間底部工位以及中間側(cè)部工位，其中各型號(hào)轉(zhuǎn)向架側(cè)架工位所包含的車輛配件基本相同，主要包括側(cè)架、承載鞍、滾動(dòng)軸承、交叉桿端部螺栓、搖枕及搖枕彈簧。與其他工位比較，側(cè)架工位的配件數(shù)量較少，相對(duì)位置固定，組合結(jié)構(gòu)類似，并且側(cè)架部位發(fā)生的故障大多嚴(yán)重危及行車安全，如承載鞍錯(cuò)位、滾動(dòng)軸承前蓋丟失、軸端螺栓丟失、交叉桿端部螺栓丟失等，因此選擇側(cè)架工位作為TFDS車輛故障自動(dòng)識(shí)別的研究對(duì)象。一旦實(shí)現(xiàn)側(cè)架工位故障的自動(dòng)識(shí)別，能夠減輕TFDS動(dòng)態(tài)檢車員六分之一的工作量，從安全生產(chǎn)和效率效益兩方面均能產(chǎn)生良好的效果，有利于自動(dòng)識(shí)別范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.2 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)原理

TFDS車輛故障自動(dòng)識(shí)別技術(shù)原理是：程序員對(duì)人工發(fā)現(xiàn)的車輛故障圖片進(jìn)行標(biāo)注后，納入自動(dòng)識(shí)別故障庫(kù)，通過AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能學(xué)習(xí)，掌握故障特征和故障形態(tài)。接收到車輛圖片后，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)通過對(duì)比分析將存在異常狀態(tài)的圖片篩選出來，交由動(dòng)態(tài)檢車員確認(rèn)后，向現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)人工檢查，將檢查結(jié)果反饋至自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中，對(duì)故障算法進(jìn)行修訂調(diào)整(圖1)。隨著車輛故障的不斷積累，自動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確性和效率都將會(huì)進(jìn)一步提升。

圖1 自動(dòng)識(shí)別故障流程

自動(dòng)識(shí)別故障的準(zhǔn)確性，應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境下動(dòng)態(tài)檢車員發(fā)現(xiàn)并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢車員確認(rèn)的故障為評(píng)判依據(jù)。研究期間，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的漏檢故障，將動(dòng)態(tài)檢車員發(fā)現(xiàn)的并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)人工檢查確認(rèn)屬實(shí)的漏檢故障，及時(shí)進(jìn)行故障標(biāo)注，納入自動(dòng)識(shí)別故障庫(kù)，以最大程度減少漏檢的發(fā)生。

2.3 研究進(jìn)展

2020年6月下旬，華為公司完成了TFDS過車數(shù)據(jù)向自動(dòng)識(shí)別服務(wù)器的實(shí)時(shí)傳輸，并通過模擬TFDS集中作業(yè)平臺(tái)展示了自動(dòng)識(shí)別結(jié)果，鄭州北車輛段5T檢測(cè)車間組織人員對(duì)TFDS自動(dòng)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行了復(fù)核確認(rèn)。因自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)仍處于前期測(cè)試階段，考慮到可能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)造成影響，當(dāng)前只將鄭州北車輛段隴海線上行TFDS探測(cè)的數(shù)據(jù)向自動(dòng)識(shí)別服務(wù)器進(jìn)行傳輸。TFDS車輛故障自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)僅對(duì)C70和C70E2種車型側(cè)架部位故障進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別結(jié)果多為搖枕彈簧、橫跨梁螺栓、鎖緊板、搭載異物等故障。

2.3.1 自動(dòng)識(shí)別故障圖片篩選

自動(dòng)識(shí)別技術(shù)研究共開展5周，第1周試驗(yàn)處于設(shè)備調(diào)試階段，自動(dòng)識(shí)別故障數(shù)量偏少，其他時(shí)間段自動(dòng)識(shí)別故障數(shù)量達(dá)到穩(wěn)定，需要人工確認(rèn)的故障圖片僅占全部識(shí)別圖片的5%以下，具體數(shù)據(jù)見表1，篩選效果顯著，且故障圖片的異常部位均有明顯標(biāo)識(shí)，可幫助動(dòng)態(tài)檢車員快速做出判斷。自動(dòng)識(shí)別初步篩選與動(dòng)態(tài)檢車員人工確認(rèn)相互配合，能夠顯著提升TFDS動(dòng)態(tài)檢查作業(yè)效率。

表1 故障圖片識(shí)別數(shù)量表

2.3.2 自動(dòng)識(shí)別故障覆蓋范圍

側(cè)架工位自動(dòng)識(shí)別故障類型及其占比如圖2所示?？梢钥闯觯詣?dòng)識(shí)別覆蓋范圍大，能夠涵蓋該工位所有車輛配件和各種常見的故障形態(tài)，且各故障在側(cè)架工位的占比符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

圖2 側(cè)架工位自動(dòng)識(shí)別故障類型及其占比

2.3.3 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)屬實(shí)故障的自動(dòng)識(shí)別情況

2020年7月22日—8月4日，TFDS人工動(dòng)態(tài)檢查作業(yè)提交并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)屬實(shí)的車輛故障120件，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)共提交100件，漏檢20件?，F(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)屬實(shí)故障明細(xì)見表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)屬實(shí)故障明細(xì)

自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)鋼地板破損，鎖緊板移位、變形，車輛搭載異物三類故障的識(shí)別率達(dá)到90%以上，識(shí)別效果較好。滾動(dòng)軸承前蓋碰撞和施封鎖丟失故障漏檢率較高，表明自動(dòng)識(shí)別精度設(shè)置過低，可以通過適當(dāng)調(diào)整識(shí)別閾值實(shí)現(xiàn)故障的全部識(shí)別。滾動(dòng)軸承滲油和搖枕彈簧折斷均未能識(shí)別，表明這2類故障在自動(dòng)識(shí)別故障庫(kù)中較少，故障標(biāo)注不準(zhǔn)確。

從目前TFDS自動(dòng)識(shí)別故障的現(xiàn)狀可以看出，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)故障特征的掌握還存在偏差，距離現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用還有差距。需要華為公司的的技術(shù)人員與TFDS運(yùn)用管理人員進(jìn)行溝通，針對(duì)未識(shí)別故障逐一進(jìn)行分析，修正TFDS自動(dòng)識(shí)別模型，提高故障識(shí)別的準(zhǔn)確率。

3 TFDS車輛故障自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用前景

在確保不發(fā)生較大車輛故障漏檢的前提下，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用分兩步實(shí)現(xiàn)：第一步以提高作業(yè)效率為目標(biāo)，逐步擴(kuò)大自動(dòng)識(shí)別范圍[2]。實(shí)現(xiàn)對(duì)通用鐵路貨車側(cè)架工位的自動(dòng)識(shí)別后，每列車的技檢時(shí)間由10 min縮短為8 min，動(dòng)態(tài)檢查作業(yè)組由5人減至4人。第二步以替代人工檢查為目標(biāo)，做到鐵路貨車全范圍的故障自動(dòng)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)貨車運(yùn)用安全“三防”體系建設(shè)從“人防”到“技防”的重大進(jìn)步，大大減少TFDS動(dòng)態(tài)檢車員數(shù)量，顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

4 TFDS車輛故障自動(dòng)識(shí)別技術(shù)發(fā)展建議

(1) 不斷完善更新故障庫(kù)。車輛故障的自動(dòng)識(shí)別高度依賴于既往發(fā)現(xiàn)的車輛故障，故障圖片越多自動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確率越高。這就需要積累大量的故障圖片，不斷更新、補(bǔ)充故障庫(kù)。對(duì)于嚴(yán)重危及行車安全的不常見故障，可以采用在特定場(chǎng)所人為制造車輛故障或者利用圖像處理軟件將無故障的車輛圖片修飾為故障圖片，以供自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)。

(2) 建立識(shí)別結(jié)果雙向反饋機(jī)制。目前，華為公司的技術(shù)人員重點(diǎn)對(duì)漏檢故障圖片進(jìn)行正反饋，通過不斷調(diào)整識(shí)別模型的預(yù)報(bào)閾值，標(biāo)注故障特征供系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)。對(duì)誤報(bào)故障還未形成負(fù)反饋機(jī)制，將來應(yīng)在故障庫(kù)中對(duì)誤報(bào)故障進(jìn)行剔除，以提高系統(tǒng)識(shí)別故障的準(zhǔn)確率。

(3) 繼續(xù)推進(jìn)其他車型側(cè)架部位的故障自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)研發(fā)。由C70和C70E型車輛逐步擴(kuò)大到其他所有裝用轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的車輛，進(jìn)而擴(kuò)展至其他車種車型，早日實(shí)現(xiàn)通用鐵路貨車側(cè)架工位故障全識(shí)別。