關(guān)于動車組故障軌邊圖像檢測系統(tǒng)的設(shè)計

趙俊彥，任崇巍，王德明

（1 哈爾濱鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，黑龍江哈爾濱150006； 2 沈陽鐵路局，遼寧沈陽110001）

圖像檢測技術(shù)作為鐵路安全監(jiān)控的輔助手段，在鐵路上的應(yīng)用相當(dāng)?shù)膹V泛，從貨車（TFDS）到客車（TVDS）都得到了很好的應(yīng)用，而代表鐵路高速發(fā)展最重要的動車組，因為其對可靠性、安全性要求更高，在高速運行狀態(tài)下的任何一個細(xì)小的故障都可能引發(fā)重大事故。因此，要確保實現(xiàn)動車組安全可靠、高效運行，不僅要依靠科學(xué)的檢修運用管理機(jī)制，同時還要采取措施，加強(qiáng)動車組檢車作業(yè)輔助手段，提高安全防范能力，而圖像檢測手段是一種相對成熟、穩(wěn)定的技術(shù)，非常適合作為動車組故障檢測的輔助手段。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

由于動車組和普通客車功能一樣承擔(dān)著運送旅客的任務(wù)，下面從普通客車軌邊圖像檢測系統(tǒng)（TVDS）設(shè)計原理入手，分析動車組軌邊圖像檢測系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容。

TVDS系統(tǒng)由3大部分組成。（1）軌邊探測設(shè)備，進(jìn)行圖像檢測，包括軌邊防護(hù)設(shè)備、高速攝像機(jī)、補(bǔ)償光源、車輪傳感器；（2）軌邊機(jī)房設(shè)備，進(jìn)行圖像處理，包括車輛信息采集計算機(jī)、圖像采集計算機(jī)及控制箱；（3）檢測作業(yè)中心，包括數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、室內(nèi)作業(yè)終端計算機(jī)、高速交換設(shè)備、運用管理平臺、檢測作業(yè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。動車組的軌邊圖像檢測系統(tǒng)設(shè)計也可以考慮按照這個思路進(jìn)行，但由于動車組檢測范圍和物理構(gòu)造與客車存在很大的不同，所以動車組軌邊圖像檢測系統(tǒng)需要進(jìn)行側(cè)部（考慮裙板遮擋）、頂部的重新設(shè)計。

1．1 動車組檢測范圍

按照動車組檢修的特點，考慮到實際作業(yè)情況，動車組檢測的內(nèi)容分為5個部分。

（1）轉(zhuǎn)向架部分。轉(zhuǎn)向架排障器外觀狀態(tài)；聯(lián)軸器外觀狀態(tài)；牽引電機(jī)外觀；電機(jī)安裝座螺栓狀態(tài)；速度傳感器外觀狀態(tài)；牽引裝置外觀狀態(tài)，牽引座裂損，牽引桿橡膠節(jié)點開裂破損；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架狀態(tài)，各安裝管線狀態(tài)，油壓減振器外觀，減振器座裂紋，抗側(cè)滾扭桿裝置外觀；側(cè)架裂損；軸箱彈簧、軸箱及定位裝置外觀狀態(tài)；空氣彈簧外觀狀態(tài)；高度調(diào)整閥、調(diào)整桿配件缺損。

（2）基礎(chǔ)制動部分。盤型制動裝置閘片外觀狀態(tài)；夾鉗裝置配件狀態(tài)。

（3）車端連接部分。車鉤及各跨連連接線連接狀態(tài)；風(fēng)擋下部。

（4）車底部分。車體排障器底部；車底板及蓋板變形、松脫、缺損；懸吊螺栓裂損、丟失；冷卻風(fēng)道破損，排風(fēng)口狀態(tài)。

（5）車頂部分。車載信號接收器外觀狀態(tài)、車頂外觀及緊固件狀態(tài)等。

1．2 圖像檢測內(nèi)容

按照動車組的系統(tǒng)物理構(gòu)造（圖1所示），為了涵蓋1．1節(jié)列出的動車組檢測范圍，需要對動車組頂部、側(cè)部、底部分別實現(xiàn)圖像檢測。

圖1 動車組系統(tǒng)物理構(gòu)造圖

此外，動車組底部電機(jī)及輸出端軸承、聯(lián)軸器、齒輪箱、輪盤、制動盤、閘片、空調(diào)、電源、螺栓等均需測溫，測溫部位多，動車組底部發(fā)熱還未摸索出規(guī)律，點溫方式容易漏探，需要更加準(zhǔn)確的測溫方式。

因此，動車組故障軌邊圖像檢測系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮到以上內(nèi)容后，還要增加其他輔助設(shè)備和技術(shù)來完成動車組的圖像檢測。

2 關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計方案

2．1 圖像處理技術(shù)

系統(tǒng)利用各種數(shù)學(xué)方法和變換手段提高圖像中的研究目標(biāo)與背景的對比度，有選擇性地突出圖像中有需求的特征和抑制某些不需要的特征，以此達(dá)到增加圖像清晰度和提高圖像質(zhì)量的效果，圖2是車底對比效果圖。

圖2 車底對比效果圖

系統(tǒng)采用國外進(jìn)口高清彩色數(shù)字?jǐn)z像頭，分辨率達(dá)到200萬像素（目前最新的TFDS設(shè)備使用攝像頭為分辨率140萬像素的黑白相機(jī)）。采用彩色相機(jī)可以有效的區(qū)分動車底部或側(cè)部是正常的水跡還是油污或者銹蝕等其他故障，減少室內(nèi)檢車員因看圖像無法區(qū)分故障圖像造成的誤判和誤報。圖3對比可以清晰的看到銹蝕而不是故障。

圖3 底部彩色黑白對比效果圖

2．2 圖像識別技術(shù)

大量的圖像，如果僅靠人工，時間長了也會出現(xiàn)視覺疲勞，造成漏檢。系統(tǒng)可自動對所有攝像頭采集的圖像進(jìn)行圖像處理，采用智能學(xué)習(xí)算法對同一車輛的統(tǒng)一部位的圖像進(jìn)行比對和分析，對出現(xiàn)異常的圖像進(jìn)行自動報警和提示。圖4為系統(tǒng)采用先進(jìn)的變化檢測算法，通過對同一車輛的歷史正常圖片和待檢圖片進(jìn)行對比，實現(xiàn)對部件是否變化進(jìn)行檢測，對有異常變化的部分發(fā)出提示預(yù)警，以達(dá)到最大限度降低漏檢和全面提升檢車作業(yè)效率的目的。

圖4 自動異常報警示意圖

對于重點的螺栓螺母以及ADD閥，可以采用圖像自動識別技術(shù)進(jìn)行自動故障判別，此技術(shù)與貨車TFDS的關(guān)門車自動識別及心盤螺栓丟失自動識別類似，見圖5。

圖5 心盤螺栓丟失自動識別

2．3 紅外熱成像技術(shù)

系統(tǒng)采用熱成像技術(shù)可以解決目前紅外測溫方式只能測量某幾點溫度的缺陷，測溫更加全面準(zhǔn)確，高速紅外熱成像儀能完成動車底部的全息熱成像圖，并準(zhǔn)確測量各部件的溫度，測量范圍大（測溫高達(dá)400℃）；紅外熱像儀形成的全息熱成像圖能顯現(xiàn)出動車在運行過程中因松動、摩擦造成的沖擊形成的熱點，便于發(fā)現(xiàn)隱性故障，如圖6就是輪軸部位熱正常成像圖和異常成像圖的對比。

圖6 輪軸部位熱成像圖

2．4 軌邊圖像檢測設(shè)備設(shè)計

為了提高檢測的自動化程度，使用圖像檢測基于圖像識別技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行輔助檢車作業(yè)，在動車組運行入庫或進(jìn)站時就進(jìn)行圖像檢測，提前預(yù)報并處理故障，從而進(jìn)一步提高動車組的運行安全。具體設(shè)計方案如圖7所示。

圖7 軌邊圖像檢測設(shè)備設(shè)計整體效果圖

在動車入庫或者進(jìn)站臺（適應(yīng)列車速度：0～160 km／h，停車無影響）的頂部、側(cè)部和底部分別部署若干圖像檢測設(shè)備，完成動車頂部、側(cè)部和底部零部件的圖像檢測。

其中頂部兩側(cè)的攝像機(jī)用來拍攝動車頂部的部件圖像，能夠清晰檢測到頂部框架、緊固部件、連接件及ADD閥門把手等部件的外觀狀態(tài)。

側(cè)部兩側(cè)，采用兩套側(cè)箱，一套高度稍低的專門拍攝轉(zhuǎn)向架側(cè)面，一套專門拍攝裙板螺栓螺母，確保濾網(wǎng)防護(hù)板上的緊固螺栓能夠看清三角形標(biāo)志的方向。

底部采用一套沉箱中放置5個高清彩色攝像頭，能夠清晰檢測到底部的排障器、牽引電機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪箱、軸箱、牽引拉桿、各種管線、跨接線、基礎(chǔ)制動裝置、輪軸、制動盤、閘片以及底部各螺栓螺母、圓銷開口銷等外觀狀態(tài)；一套高速熱成像儀（目前測溫范圍可達(dá)0～200℃，完全滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求）及防護(hù)裝置放置在軌中間，采集動車底部電機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪箱、制動盤、空調(diào)等部件的全息熱成像圖，準(zhǔn)確顯示圖像上各點的溫度，對異常溫度進(jìn)行自動報警提示；在該防護(hù)裝置兩頭放置一套紅外軸溫探測設(shè)備，能夠自動采集輪軸2個端部的軸溫并記錄，對異常軸溫進(jìn)行報警和提示。

3 應(yīng)用情況

3．1 西安動車所圖像檢測軌邊設(shè)備部署介紹

根據(jù)西安動車所目前的實際情況，京天威公司為西安動車所提供了一套動車軌邊圖像檢測系統(tǒng)部署方案，如圖8所示為西安動車所軌邊探測設(shè)備部署方案圖。

軌邊探測設(shè)備和軌邊機(jī)房設(shè)備組成，包括軌邊防護(hù)設(shè)備、高速攝像機(jī)、補(bǔ)償光源、車輪傳感器、車輛信息采集計算機(jī)、圖像采集計算機(jī)及控制箱、檢測作業(yè)中心（由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成，包括數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、室內(nèi)作業(yè)終端計算機(jī)、高速交換設(shè)備、運用管理平臺、檢測作業(yè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)）。

圖8 西安動車所軌邊探測設(shè)備部署方案圖

具體拍攝效果內(nèi)容如圖9所示，包括動車組轉(zhuǎn)向架側(cè)部、底部，中間部側(cè)部、底部，車端連接部側(cè)部、底部（動車組頂部的圖像暫時沒有列出）。

圖9 系統(tǒng)拍攝效果展示圖

3．2 故障圖例

以西安動車所軌邊圖像檢測系統(tǒng)為例，介紹該系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的典型故障圖例。

系統(tǒng)安裝在西安動車所出入庫的咽喉要道處，先后完成了系統(tǒng)調(diào)研、軟件硬件系統(tǒng)的設(shè)計、硬件生產(chǎn)及老化試驗、軟件開發(fā)、硬件安裝實施、軟件安裝部署等工作，在系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后開始試用，發(fā)現(xiàn)的典型故障有防松鐵絲折斷、底部打擊變形、閘片磨耗過限、鉚釘損壞、底部裂紋、頂部腐蝕、牽引電機(jī)擦傷、裙板腐蝕等，相關(guān)故障圖例見圖10～圖13。

圖10 CRH2C型車底部打擊變形

圖11 頂部腐蝕

圖12 裙板腐蝕

4 結(jié)束語

動車組軌邊圖像檢測技術(shù)的推廣適應(yīng)我國鐵路快速發(fā)展和鐵道部關(guān)于旅客列車檢修布局調(diào)整的思路，具有廣泛的應(yīng)用前景，該方案的研制實現(xiàn)了動車檢修運用技術(shù)由“人檢人修”方式向“機(jī)檢人修”方式的過渡，動車質(zhì)量由“人控”向“機(jī)控”的轉(zhuǎn)變，減輕了現(xiàn)場作業(yè)勞動強(qiáng)度，提高運輸效率，確保運輸安全，具有良好的社會效益。

［1］岡薩雷斯．?dāng)?shù)字圖像處理［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

［2］沈 清，湯 霖．模式識別導(dǎo)論［M］．國防科技大學(xué)出版社，1991．

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