基于機(jī)器視覺的電熱水循環(huán)道岔融雪系統(tǒng)的設(shè)想與研究

付江南，林靖洵，馮林杰，李 博

（重慶交通大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074）

引言

道岔是鐵路運(yùn)輸設(shè)備的重要組成部分。當(dāng)發(fā)生冰凍或降雪時(shí)，如不及時(shí)清掃道岔積雪（冰），會(huì)造成道岔尖軌尖端與基本軌貼合不緊密，直接影響列車的安全運(yùn)行，甚至引發(fā)運(yùn)輸中斷。國(guó)外道岔除雪主要依靠電熱、燃?xì)饧訜?、壓縮空氣、噴燈加熱、溫水循環(huán)等方式[1]。

其中，電熱式應(yīng)用最為廣泛。電熱式的道岔融雪系統(tǒng)在道岔上安裝電加熱元件，并配套控制設(shè)備，通過(guò)采集鋼軌溫度、空氣溫度、積雪等信息，自動(dòng)控制道岔加熱系統(tǒng)的工作。我國(guó)鐵路道岔融雪設(shè)備的研發(fā)和使用起步較晚，目前正處于研發(fā)推廣階段[2]。使用較廣的電熱式融雪系統(tǒng)存在嚴(yán)重的熱量浪費(fèi)的問(wèn)題。不僅如此，融雪系統(tǒng)的工作需要人為干預(yù)來(lái)保證正常運(yùn)行，一些遠(yuǎn)程調(diào)度和關(guān)于環(huán)境參數(shù)的采集大多是為融雪系統(tǒng)提供工作策略而無(wú)法控制加熱設(shè)備工作。

基于上述電熱式融雪系統(tǒng)的不足，提出一種基于機(jī)器視覺的電熱水循環(huán)道岔融雪系統(tǒng)，該系統(tǒng)以設(shè)備智能化為出發(fā)點(diǎn)，以機(jī)器視覺技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合傳統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)采集技術(shù)，以提高能源利用率為目的，以電作為熱能來(lái)源，以水作為能量傳遞介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道道岔進(jìn)行高效、高度自動(dòng)化的融雪作業(yè)。

1 加熱系統(tǒng)比對(duì)

1.1 電加熱融雪系統(tǒng)

電加熱融雪系統(tǒng)利用安裝在道岔基本軌軌腰、軌底上部、滑床板上的加熱條進(jìn)行融雪作業(yè)，這已成為鐵路道岔融雪設(shè)備的主流。國(guó)內(nèi)電加熱融雪系統(tǒng)主要有兩種安裝方式:一是產(chǎn)品預(yù)裝在滑床板內(nèi)，二是加熱元件固定在基本軌上[3]。

加熱元件裝在滑床板內(nèi)無(wú)法對(duì)整個(gè)道岔尖軌實(shí)現(xiàn)有效加熱，尤其是枕木間積雪殘留時(shí)間較長(zhǎng)，加熱更加困難，且難于維護(hù)。加熱元件固定在基本軌上安裝簡(jiǎn)單、便于維護(hù)，可提高融雪效率。但加熱元件基本依賴進(jìn)口，成本較高。電熱式系統(tǒng)可采集外界溫度、濕度等信息，可以為系統(tǒng)工作提供依據(jù)，但無(wú)法完全自動(dòng)控制加熱作業(yè)，且存在控制不精確等問(wèn)題。

1.2 地源熱泵融雪系統(tǒng)

基于地源熱泵的融雪方式在國(guó)內(nèi)被廣為提起，我國(guó)研究人員也對(duì)其進(jìn)行了一些研究。基于地源熱泵技術(shù)的鐵路道岔融雪系統(tǒng)主要由地下埋管換熱器、用于融雪的熱水管網(wǎng)、熱泵機(jī)組、循環(huán)泵、控制閥和電氣自動(dòng)控制子系統(tǒng)等組成[4]。通過(guò)在車站道岔底座內(nèi)埋置熱管，利用地源熱泵技術(shù)，經(jīng)由埋管換熱器從地下提取熱巖土層中的低位熱能，經(jīng)熱泵提升后，將溫度較高的流體輸送到道岔底座的熱管內(nèi)。高溫?zé)崃黧w在埋管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，通過(guò)對(duì)流換熱方式，把熱量傳給道岔底座，從而達(dá)到道岔融雪化冰的目的。

地源熱泵道岔融雪技術(shù)利用水作為導(dǎo)熱介質(zhì)，熱能耗散更少，能源利用率更高。但是，這種系統(tǒng)只能工作在擁有地?zé)崮艿纳贁?shù)區(qū)域，系統(tǒng)無(wú)法推廣到我國(guó)大部分地區(qū)。

1.3 電熱水循環(huán)融雪系統(tǒng)

分析對(duì)比電熱融雪系統(tǒng)與地源熱泵融雪系統(tǒng)的優(yōu)劣，采用電熱水循環(huán)融雪系統(tǒng)作為加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由電熱元件與散熱水管組成。在道岔部位的軌枕之間預(yù)埋散熱水管，使用電能加熱水，將熱水送入散熱水管中。水流將熱量輻射至水管周圍融化冰雪。再將冷水送回加熱裝置重新加熱，形成一個(gè)加熱—散熱—加熱的循環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)以水作為導(dǎo)熱媒介，采用電熱裝置加熱水，相較于燃燒化石燃料熱水而言可大大提高能量利用率，減少環(huán)境污染。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制融雪系統(tǒng)工作，需對(duì)道岔環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。除了傳統(tǒng)的軌道溫度、天氣監(jiān)測(cè)等參數(shù)，本文還設(shè)想加裝機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為融雪系統(tǒng)工作提供依據(jù)。

2.1 傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)主要集中在兩方面：軌道溫度和天氣狀況。在道岔鋼軌上安裝溫度傳感器可采集到鋼軌的溫度，當(dāng)溫度較低時(shí)，可能出現(xiàn)道岔結(jié)冰、長(zhǎng)時(shí)間積雪等現(xiàn)象。此時(shí)需采取融雪措施來(lái)保證行車安全。然而，單一的軌道溫度參數(shù)是無(wú)法反映軌道是否確實(shí)存在結(jié)冰、積雪等現(xiàn)象。為更精準(zhǔn)地控制，融雪系統(tǒng)通常要獲取實(shí)時(shí)天氣狀況[5]，對(duì)軌道狀況進(jìn)行更精確的測(cè)算。天氣數(shù)據(jù)大多源于當(dāng)?shù)貧庀笳?，相?duì)于一個(gè)道岔所覆蓋的區(qū)域而言，單個(gè)氣象站反映的天氣狀況覆蓋范圍太大，存在較大誤差，使得對(duì)軌道狀況的測(cè)算無(wú)法達(dá)到理想精度。

2.2 機(jī)器視覺識(shí)別

機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)是人工智能在圖像識(shí)別這一領(lǐng)域的分支，它整合了機(jī)器學(xué)習(xí)算法、圖像處理、信號(hào)處理、傳感器技術(shù)、光學(xué)、視頻等技術(shù)，通過(guò)拍攝的圖像分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像內(nèi)容的識(shí)別與分類。

機(jī)器視覺系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于其靈活性和自動(dòng)化程度高。在一些不適于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或者人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺來(lái)替代人工視覺。同時(shí)，在重復(fù)性勞動(dòng)中，用機(jī)器視覺檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)的效率和自動(dòng)化程度。

基于上述機(jī)器視覺優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)想在電熱水循環(huán)融雪系統(tǒng)中加入機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)來(lái)對(duì)道岔狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法來(lái)訓(xùn)練識(shí)別系統(tǒng)，使其能夠分辨道岔積雪與未積雪的區(qū)別，進(jìn)而評(píng)估道岔積雪的程度。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)提出融雪策略，控制系統(tǒng)進(jìn)行融雪作業(yè)，以期提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，并保證車輛通行安全。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，電熱水循環(huán)道岔融雪系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟，機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，但還未曾應(yīng)用于該領(lǐng)域。限于現(xiàn)有條件，難以對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)地考察或開展實(shí)驗(yàn)。對(duì)于不同道岔的工作情況、道岔在不同天氣下的表現(xiàn)以及道岔在極端寒冷地區(qū)的積雪結(jié)冰情況，目前也無(wú)法獲得與之有關(guān)的科學(xué)數(shù)據(jù)。

然而，基于機(jī)器視覺的電熱水循環(huán)道岔融雪系統(tǒng)的設(shè)想與研究的設(shè)計(jì)思想具有先進(jìn)性。隨著人工智能的興起，傳統(tǒng)老舊的、自動(dòng)化程度低的融雪設(shè)備終將遭到淘汰。不僅是利用機(jī)器視覺識(shí)別檢測(cè)道岔的積雪結(jié)冰情況，人工智能的思想還可應(yīng)用于熱量調(diào)度，進(jìn)一步提高能量的利用率，減少環(huán)境污染。由此，基于機(jī)器視覺的電熱水循環(huán)道岔融雪系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]曹達(dá).道岔融雪控制系統(tǒng)典型問(wèn)題分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2017（1）：1-2.

[2]王相暉.RD1型電加熱道岔融雪系統(tǒng)介紹及應(yīng)用實(shí)例[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2010（2）：48-49.

[3]王濤.電加熱道岔融雪系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].鐵道通信信號(hào)，2010（7）：37-38.

[4]賀清.基于地源熱泵的高速道岔融雪系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2017（4）：1-4.

[5]李蘭蘭.基于電加熱融雪系統(tǒng)的道岔結(jié)構(gòu)傳熱特性[J].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，30（6）：744-745.