圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在鐵路中的發(fā)展及運(yùn)用

魏來 中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司

1 圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)概述

圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)伴隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)，主要是指利用計(jì)算機(jī)這一有效的載體，對(duì)收集的圖像進(jìn)行處理、分析和理解，進(jìn)而對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，并在此基礎(chǔ)上將不同的圖像進(jìn)行識(shí)別。

這一智能技術(shù)的原理是：人體的感覺器官會(huì)在一定程度上受到圖像的刺激，并且伴隨著圖像位置的變化、距離的變化、角度的變化，圖像對(duì)人體感覺器官所產(chǎn)生的刺激也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的改變。而在這一過程中，人體的感覺器官會(huì)對(duì)圖像的變化進(jìn)行再次識(shí)別，也就是所謂的圖像再認(rèn)過程。人體感覺器官在進(jìn)行圖像識(shí)別的過程中，既包括圖像即時(shí)進(jìn)入到感覺器官中的信息，也有之前所保存的信息。可以說在圖像再認(rèn)的過程中，既包括圖像即時(shí)信息，也包括其存儲(chǔ)的信息，并對(duì)兩者之間進(jìn)行對(duì)比處理。

人體感覺器官在進(jìn)行圖像識(shí)別的時(shí)候，視線會(huì)聚集到圖像的特征上?？梢哉f，圖像的特征是圖像信息量的集中區(qū)域。并且人體感覺器官在進(jìn)行掃描的時(shí)候，也是從圖像的一個(gè)特點(diǎn)上依次轉(zhuǎn)到另一個(gè)特點(diǎn)上，在獲得大量信息之后，對(duì)其進(jìn)行選擇，得到最為關(guān)鍵的信息。而圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在應(yīng)用的時(shí)候，也是基于每一個(gè)圖像。

2 圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在鐵路上的具體應(yīng)用

2002年，原鐵道部已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到了圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的重要性，并已經(jīng)開始著手研發(fā)這一新型的技術(shù)，并將其嘗試應(yīng)用到我國的鐵路行業(yè)中。2005年，我國第一套車輛故障動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TFDS）已經(jīng)在鐵路上得到了安裝，并正式應(yīng)用。通過這一系統(tǒng)，可以對(duì)鐵路上的貨車進(jìn)行安全控制，進(jìn)一步提升了鐵路上安全防范技術(shù)，并增強(qiáng)了列檢的工作水平，進(jìn)而推動(dòng)鐵路列檢工作進(jìn)入到一個(gè)全新的階段。2007年、2012年，又對(duì)這一系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行了集中考核，并針對(duì)其應(yīng)用中存在的問題，進(jìn)行了完善。同時(shí)，設(shè)備廠家又對(duì)圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了模塊的識(shí)別率。到目前，伴隨著科學(xué)信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，TFDS系統(tǒng)也得到了一定程度的優(yōu)化和發(fā)展，逐漸升級(jí)為客車故障動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TVDS）、動(dòng)車故障動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TEDS）。通過這兩種升級(jí)和優(yōu)化系統(tǒng)，可以對(duì)鐵路中的客車、動(dòng)車實(shí)施更為有效的動(dòng)態(tài)性檢測(cè)。

無論是最初的TFDS系統(tǒng)，還是后期升級(jí)和發(fā)展的TVDS、TEDS系統(tǒng)。這三種系統(tǒng)無一例外的都是在鐵路軌道的兩邊安裝上高速攝像頭，并利用設(shè)攝像頭將列車運(yùn)行中的相關(guān)圖像進(jìn)行清晰的拍攝。拍攝完成之后，利用該系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)，將其傳輸?shù)借F路的列檢室內(nèi)，相關(guān)工作人員則利用該系統(tǒng)的終端設(shè)備對(duì)相應(yīng)的圖像進(jìn)行科學(xué)的分析，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)列車運(yùn)行中所存在的故障點(diǎn)。如此一來，就大大保障了鐵路的安全運(yùn)輸，減少了列車運(yùn)行過程中出現(xiàn)的行車事故。

3 鐵路對(duì)圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的需求分析

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全路投入的TFDS設(shè)備已經(jīng)將近360套，TVDS、TEDS相對(duì)比較少，其中TVDS約為47套，TEDS為322套。這些設(shè)備在進(jìn)行列車運(yùn)行監(jiān)測(cè)的過程中，均是利用圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，進(jìn)行列車運(yùn)行中的相關(guān)信息進(jìn)行自動(dòng)采集圖像，包括列車走行部圖像、制動(dòng)備件圖像、底架懸吊件的圖像等，同時(shí)將其傳輸?shù)借F路的列檢室之后，相關(guān)工作人員利用肉眼判斷的方式，對(duì)所有的圖像進(jìn)行分析，進(jìn)而分析出列車運(yùn)行中可能存在的故障，并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和維修。

尤其是在當(dāng)前，伴隨著高鐵的進(jìn)一步發(fā)展，列車在高速運(yùn)行的狀態(tài)下，任何一個(gè)細(xì)微的故障，都有可能引發(fā)列車出現(xiàn)重大的安全事故。因此，必須要充分利用自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，對(duì)列車高速運(yùn)行狀態(tài)下的零部件狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。

TFDS、TVDS、TEDS在監(jiān)測(cè)的過程中，每時(shí)每刻都要將大量的監(jiān)測(cè)圖像傳遞到列檢室內(nèi)，終端設(shè)備的工作人員不得不每天面對(duì)海量的圖片。在這種情況下，工作人員極容易受到疲勞等因素的影響，出現(xiàn)誤檢、漏檢等現(xiàn)象，甚至這種人工判讀的方式具有一定的主觀性，效率較低。在這種情況下，就可以充分利用圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)TFDS、TVDS、TEDS所拍攝的監(jiān)測(cè)圖片進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)和分析，并根據(jù)圖片的性質(zhì)，將其自動(dòng)歸類處理。同時(shí)，利用該技術(shù)還可以建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圖庫，進(jìn)而可以對(duì)列車故障圖像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。如此一來，不僅提高了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率，也在一定程度上降低了系統(tǒng)終端工作人員的工作量，并提高了其工作的效率和精準(zhǔn)性，進(jìn)而極大地提升了鐵路的監(jiān)測(cè)效率，減少了列車運(yùn)行中安全事故的發(fā)生率。

4 圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)分析

4.1 故障分類

在利用圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的時(shí)候，可以利用多面體部件、多維及空間輪廓技術(shù)這兩點(diǎn)，將列車的故障類型分為兩大類，即：部件丟失和部件折斷、結(jié)合規(guī)定中相關(guān)零部件的形變尺寸，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確認(rèn)配件是否出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

在具體對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別的時(shí)候，可充分利用精確定位、多角度匹配關(guān)鍵特征等技術(shù)，從海量的監(jiān)測(cè)圖像中，提取列車運(yùn)行中所有部件的輪廓值，并將列車實(shí)際部件的輪廓值與相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合對(duì)比范圍，對(duì)列車部件實(shí)際情況進(jìn)行準(zhǔn)確的判定。

4.2 故障識(shí)別方法

圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在對(duì)監(jiān)測(cè)圖像進(jìn)行故障識(shí)別的過程中，主要是利用四種方法進(jìn)行：第一、利用大型工業(yè)檢測(cè)類軟件進(jìn)行故障識(shí)別。但是在使用這類方法的時(shí)候，對(duì)圖像質(zhì)量要求相對(duì)比較高，要求監(jiān)測(cè)圖像一致性較高。但是在鐵路監(jiān)測(cè)中，受到列車運(yùn)行環(huán)境的影響，這種方法很難應(yīng)用；第二、利用圖像處理方法，開發(fā)二維圖像故障檢測(cè)模塊。該方法應(yīng)用的過程中，開發(fā)和調(diào)試階段必須要擁有相應(yīng)的故障樣本，但列車運(yùn)行中重大故障幾率較低，且故障表現(xiàn)形式多樣。此外，在利用這種處理方式的時(shí)候，因?yàn)榱熊嚱Y(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，組成部件眾多，無法對(duì)所有有的列車組成部件進(jìn)行模塊開發(fā)，這也在一定程度上影響了其具體的使用；第三、采用識(shí)別的方式。通過該識(shí)別方式，可從海量的檢測(cè)圖像中，對(duì)列車部件異常圖像進(jìn)行精準(zhǔn)的提取，但是如果列車為非固定編組的貨車，則很難使用該方法進(jìn)行識(shí)別。第四、采用三維圖像的建模識(shí)別。該方法是圖像故障識(shí)別方法中的主要發(fā)展方向，通過三維圖像可以對(duì)列車運(yùn)行中的所有部件空間結(jié)構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)完整的獲取，并將其與結(jié)構(gòu)模型中的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，即可發(fā)現(xiàn)其中存在的異?，F(xiàn)象。

4.3 圖像識(shí)別及運(yùn)用軟件平臺(tái)

這一平臺(tái)具有強(qiáng)大的功效，可以為整合系統(tǒng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對(duì)所有的數(shù)據(jù)集中進(jìn)行調(diào)度、對(duì)所有的圖像信息進(jìn)行瀏覽，對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合圖像信息判識(shí)結(jié)果等進(jìn)行智能化自動(dòng)故障報(bào)警等。同時(shí)通過這一軟件平臺(tái)，可以對(duì)圖像識(shí)別設(shè)備使用過程進(jìn)行全程化、動(dòng)態(tài)化的監(jiān)控和管理，確保其運(yùn)行正常。

4.4 圖像自動(dòng)識(shí)別裝置

在這一系統(tǒng)中，主要包含了四個(gè)重要的組成部分，分別是自動(dòng)對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別的服務(wù)器、對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別的調(diào)度框架程序、對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別的模塊、及圖像平臺(tái)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口等。其中，平臺(tái)數(shù)據(jù)接口是一個(gè)重要的媒介，識(shí)別調(diào)度框架程序可通過其獲得列車的信息，并將信息反饋至圖像自動(dòng)識(shí)別模塊，圖像識(shí)別模塊則對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)，識(shí)別調(diào)度框架程序還可以利用這一媒介，與運(yùn)用平臺(tái)軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并將其自動(dòng)識(shí)別的結(jié)果，反饋到運(yùn)用軟件平臺(tái)中，使其對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，有效保障了數(shù)據(jù)的安全。而圖像自動(dòng)識(shí)別模塊和運(yùn)用軟件平臺(tái)則主要對(duì)識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行顯示、統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析。

5 結(jié)束語

圖像識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在鐵路運(yùn)營中得到了應(yīng)用，保障了行車安全，提高列檢效率，提升列檢質(zhì)量。以圖像識(shí)別技術(shù)為核心的視覺圖像技術(shù)具有較高的推廣價(jià)值，可以應(yīng)用到鐵路勘察、建設(shè)、驗(yàn)收、運(yùn)營等多個(gè)環(huán)節(jié)，提升作業(yè)質(zhì)量和效率。