基于導(dǎo)軌機(jī)器人的重載鐵路鋼桁梁智能巡檢技術(shù)研究

鞠曉臣 陳令康 尹京

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

受地理環(huán)境限制，鐵路大量運(yùn)用了高架橋梁。高架橋梁的日常維護(hù)保養(yǎng)以及維修需要做到全面覆蓋，按照檢查制度規(guī)定［1］對(duì)橋梁進(jìn)行經(jīng)常檢查、定期檢查及特殊檢查，對(duì)橋面設(shè)施和橋梁附屬構(gòu)造物的狀況進(jìn)行巡視檢查，包括焊縫裂紋、高強(qiáng)度螺栓斷裂或缺失、鋼架構(gòu)銹蝕檢查。同時(shí)做好巡視檢查記錄，填寫檢查記錄表，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺損進(jìn)行維修。目前，采用檢查小車作為檢查平臺(tái)，需要工作人員到橋面下面進(jìn)行檢查，存在三方面的問題：①受惡劣環(huán)境影響，檢查時(shí)間得不到保證，且以人工目測(cè)、測(cè)量檢查為主，會(huì)出現(xiàn)檢查遺漏或失誤，如緊固件檢查的遺漏；②工作人員安全得不到保障；③對(duì)于距離較遠(yuǎn)的橋梁或橋梁特殊部位，檢查小車不能到達(dá)，工作人員無法接近，不能對(duì)橋梁進(jìn)行全面檢查。為解決上述問題，相繼出現(xiàn)了自動(dòng)化的車載式橋梁檢測(cè)系統(tǒng)，但至今未出現(xiàn)高效、可用于工程實(shí)踐的智能自動(dòng)化橋梁檢測(cè)系統(tǒng)［2-5］。

為解決上述人工檢查橋梁存在的問題，本文提出一種導(dǎo)軌機(jī)器人，從硬件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸和供電設(shè)計(jì)、圖像識(shí)別系統(tǒng)、系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 導(dǎo)軌式巡檢機(jī)器人

導(dǎo)軌式巡檢機(jī)器人是根據(jù)我國橋梁檢測(cè)現(xiàn)狀研發(fā)并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能化橋梁檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用導(dǎo)軌行走方式，搭載高清視頻設(shè)備，針對(duì)梁底外觀、結(jié)構(gòu)、缺陷、腐蝕等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化巡檢，遠(yuǎn)程人工操作巡檢。導(dǎo)軌機(jī)器人包括導(dǎo)軌系統(tǒng)、機(jī)器人本體、病害識(shí)別系統(tǒng)和管理平臺(tái)。導(dǎo)軌系統(tǒng)的功能是為了使機(jī)器人能夠順利到達(dá)橋梁所需檢查的結(jié)構(gòu)部位，從而能夠拍攝到結(jié)構(gòu)的圖片信息。機(jī)器人本體是導(dǎo)軌檢查系統(tǒng)的支承基礎(chǔ)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于其攜帶的傳感器和應(yīng)用環(huán)境不同，本體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部的傳動(dòng)系統(tǒng)及其基礎(chǔ)功能會(huì)有所差異。病害識(shí)別系統(tǒng)屬于導(dǎo)軌機(jī)器人中的數(shù)據(jù)處理部分，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)橋梁病害進(jìn)行識(shí)別、判斷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括病害庫的建立、病害識(shí)別算法研究以及病害判別標(biāo)準(zhǔn)的確定三部分。管理平臺(tái)是導(dǎo)軌機(jī)器人的控制部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人動(dòng)作的控制、監(jiān)測(cè)顯示機(jī)器人前端的視頻信息及處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)有病害發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)警。導(dǎo)軌機(jī)器人在重載鐵路鋼桁梁進(jìn)行工程應(yīng)用，可大幅提高橋梁檢測(cè)的精度及工作效率。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件組件主要包含四部分：承載橫梁、動(dòng)力裝置、固定組件、檢測(cè)設(shè)備。橋梁鋼結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)件最大設(shè)計(jì)質(zhì)量不超過250 kg。

通過固定組件將承載橫梁連接到橋梁原有的縱梁上，將動(dòng)力裝置連接到橋梁原有的縱梁和橫梁上，承載橫梁搭載檢測(cè)設(shè)備依靠縱梁上的動(dòng)力裝置沿著橋梁縱軸行駛，檢測(cè)設(shè)備依靠承載橫梁上的動(dòng)力裝置沿著橋梁橫軸移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橋梁最大化掃描覆蓋。導(dǎo)軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體布置見圖1。

圖1 導(dǎo)軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體布置

2.1 承載橫梁

采用Q345qD鋼材定制橫梁，載重50 kg，長度小于9 m，高度約30 cm，形狀為工字形，方便檢測(cè)設(shè)備固定安裝及移動(dòng)。

2.2 動(dòng)力裝置

將動(dòng)力裝置的電機(jī)分別固定在橋梁原有檢修車的縱向軌道及后期安裝的橫向軌道上，縱向軌道驅(qū)動(dòng)裝置為承載橫梁縱向移動(dòng)提供行進(jìn)動(dòng)力，橫向軌道驅(qū)動(dòng)裝置為檢測(cè)設(shè)備橫向移動(dòng)提供行進(jìn)動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)組件大樣見圖2。

圖2 驅(qū)動(dòng)組件大樣

2.3 固定組件

固定組件起到固定和行進(jìn)作用，組件分為主動(dòng)輪和從動(dòng)輪，又可分為內(nèi)外包夾輪。將組件內(nèi)外輪包夾在工字形軌道上，與電機(jī)、橫向軌道及檢測(cè)設(shè)備相連，起到安裝固定作用。固定組件見圖3。

圖3 固定組件

2.4 檢測(cè)設(shè)備

在承載橫梁安裝可移動(dòng)平臺(tái)，平臺(tái)依靠電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)沿橋梁橫向移動(dòng)功能。將攝像機(jī)安裝在平臺(tái)上進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)設(shè)備見圖4。

圖4 檢測(cè)設(shè)備

3 數(shù)據(jù)傳輸和供電設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人采用自主無線充電系統(tǒng)，在任務(wù)周期內(nèi)可根據(jù)電池電量剩余情況自主返回充電。機(jī)器人電量滿電狀態(tài)的時(shí)間周期為6 h，在滿電狀態(tài)下任務(wù)執(zhí)行周期為2 h（根據(jù)需求可通過硬件升級(jí)提高充電效率縮短充電時(shí)長）。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)見圖5，供電系統(tǒng)架構(gòu)見圖6。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 供電系統(tǒng)架構(gòu)

4 圖像識(shí)別系統(tǒng)

通過深入學(xué)習(xí)算法，采用分類深度網(wǎng)絡(luò)SENet與人眼注意力機(jī)制相結(jié)合的方法對(duì)拍攝圖像進(jìn)行場(chǎng)景識(shí)別；采用Faster-RCNN作為基礎(chǔ)物體檢測(cè)框架，對(duì)病害區(qū)域進(jìn)行精確定位。提取形狀、灰度、紋理等底層特征，融合深度特征與底層圖像特征進(jìn)行病害識(shí)別，實(shí)現(xiàn)鋼桁梁底部桿件銹蝕、螺栓斷裂或缺失等典型病害全天候自動(dòng)檢測(cè)。

5 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)平臺(tái)屬于機(jī)器人系統(tǒng)的控制部分，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人動(dòng)作的控制，監(jiān)測(cè)顯示機(jī)器人前端的視頻信息及處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)有病害發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)警。系統(tǒng)平臺(tái)包括任務(wù)管理、巡檢結(jié)果確認(rèn)、巡檢結(jié)果分析和用戶設(shè)置四部分。

5.1 任務(wù)管理

任務(wù)管理分為全面巡檢、專項(xiàng)巡檢和手動(dòng)巡檢。專項(xiàng)巡檢包括（但不限于）螺釘斷裂巡檢，大橋主體結(jié)構(gòu)銹蝕巡檢等。每個(gè)子功能模塊集合了任務(wù)編制、任務(wù)下發(fā)等功能。根據(jù)不同的巡檢類型自動(dòng)預(yù)先設(shè)置相關(guān)巡檢點(diǎn)位，并自動(dòng)生成任務(wù)名稱。

1）全面巡檢。將需要檢測(cè)的部位（用戶可根據(jù)實(shí)際情況修改）預(yù)設(shè)到行進(jìn)線路內(nèi)，利用檢測(cè)設(shè)備對(duì)橋梁所有預(yù)設(shè)部位進(jìn)行檢查。

2）專項(xiàng)巡檢。在全面巡檢時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注某一方面問題而設(shè)定部分側(cè)重巡檢路線（如單位側(cè)重點(diǎn)或者需要重點(diǎn)檢查的對(duì)象）。

3）手動(dòng)巡檢。自動(dòng)巡檢與手動(dòng)巡檢可以自由切換，當(dāng)切換到手動(dòng)巡檢后，需要操作人員通過監(jiān)控截面用鼠標(biāo)操控機(jī)械行進(jìn)到需要觀察的地方，對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行人眼觀察識(shí)別。

5.2 巡檢結(jié)果確認(rèn)

1）設(shè)備告警查詢確認(rèn)。該模塊功能包括：審核確認(rèn)設(shè)備的實(shí)時(shí)告警信息，查詢、瀏覽、輸出設(shè)備的歷史告警信息，分析設(shè)備的告警頻次及告警類型等。

2）巡檢結(jié)果瀏覽。①該模塊以結(jié)構(gòu)樹的形式根據(jù)巡檢部位進(jìn)行次序設(shè)置，同時(shí)按照次序逐點(diǎn)查詢所有巡檢部位的采集信息，并核對(duì)、確認(rèn)這些采集到的信息。②所有巡檢部位信息由全部采集信息和閾值組成，用戶可以通過判斷采集信息得出結(jié)果，結(jié)果包括兩項(xiàng)：識(shí)別正常和識(shí)別異常，默認(rèn)為識(shí)別正常。③若結(jié)果為識(shí)別異常，需填寫實(shí)際情況與告警等級(jí)并對(duì)原始值進(jìn)行修正，修正值另行保存到審核后的數(shù)據(jù)表中，不覆蓋機(jī)器人自動(dòng)識(shí)別的錯(cuò)誤的原始數(shù)據(jù)表，以便比對(duì)、分析。④當(dāng)本次巡檢任務(wù)包含的所有點(diǎn)位均確認(rèn)后，可輸入審核人和審核時(shí)間，此時(shí)具備生成任務(wù)報(bào)告條件。

3）巡檢報(bào)告生成。該模塊功能包括：生成、查詢、瀏覽、輸出當(dāng)前巡檢報(bào)告和查詢、瀏覽、輸出歷史巡檢報(bào)告。①根據(jù)時(shí)間段和巡檢類型設(shè)置查詢條件，顯示相應(yīng)的歷史任務(wù)清單表格。②任務(wù)查詢分析具有查詢、重置、導(dǎo)出和查看報(bào)告四項(xiàng)功能，分別為：按查詢條件列出任務(wù)清單；清空查詢條件；將查詢結(jié)果導(dǎo)出為Excel報(bào)表，導(dǎo)出報(bào)表格式與查詢結(jié)果界面相同；查看選中任務(wù)清單的任務(wù)報(bào)告，并導(dǎo)出報(bào)告。

5.3 巡檢結(jié)果分析

該模塊功能包括：查詢、瀏覽、輸出各巡檢部位任務(wù)，分析各設(shè)備的巡檢覆蓋情況，并可查詢、瀏覽及審核確認(rèn)該巡檢任務(wù)信息，導(dǎo)出相應(yīng)的報(bào)告。

1）對(duì)比分析。該模塊以設(shè)備樹的形式瀏覽、對(duì)比分析全部巡檢部位的采集信息和識(shí)別結(jié)果，并生成分析報(bào)告。①橫向?qū)Ρ确治觯焊鶕?jù)設(shè)備樹選取多個(gè)巡檢部位，左側(cè)展示巡檢點(diǎn)位、識(shí)別時(shí)間和識(shí)別結(jié)果，右側(cè)通過宮格的形式依次展示所選巡檢部位的采集信息，進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?。②豎向?qū)Ρ确治觯焊鶕?jù)設(shè)備樹選取單個(gè)巡檢部位，還可查詢?cè)撗矙z部位的歷史信息。根據(jù)時(shí)間段設(shè)置查詢條件，左側(cè)展示識(shí)別時(shí)間和識(shí)別結(jié)果，右側(cè)通過宮格的形式按照時(shí)間順序展示所選巡檢部位的采集信息，進(jìn)行豎向?qū)Ρ确治?。③篩選展示采集信息的宮格形式，包括單圖、四宮格、六宮格。④巡檢點(diǎn)位的采集信息為圖片信息，顯示該圖片的說明。⑤巡檢點(diǎn)位橫向或豎向?qū)Ρ刃畔⒈砭奢敵?，?dǎo)出報(bào)表格式與查詢結(jié)果界面相同。

2）生成報(bào)表。①通過時(shí)間段、監(jiān)測(cè)類型、識(shí)別類型、設(shè)備類型、設(shè)備區(qū)域、設(shè)備樹模糊篩選組合設(shè)置查詢條件，生成需要的報(bào)表內(nèi)容。②報(bào)表的字段可由用戶自由選擇。③報(bào)表顯示輸出格式可選擇按時(shí)間或點(diǎn)位順序排列。④采集信息為圖片。⑤界面有查詢、重置、導(dǎo)出、按時(shí)間排列按鈕，功能分別為：按查詢條件列出數(shù)據(jù)清單；清空查詢條件；將查詢結(jié)果導(dǎo)出為Excel報(bào)表，導(dǎo)出報(bào)表格式與查詢結(jié)果界面相同。當(dāng)查詢結(jié)果為多個(gè)時(shí)間多個(gè)點(diǎn)位時(shí)，優(yōu)先按時(shí)間順序排列。

5.4 用戶設(shè)置

1）告警閾值設(shè)置。告警閾值設(shè)置實(shí)現(xiàn)了設(shè)備巡檢和系統(tǒng)自檢信息告警閾值的設(shè)定，該界面僅對(duì)管理員開放。①預(yù)警就是對(duì)未達(dá)到缺陷程度的信息進(jìn)行預(yù)告，提醒用戶注意。②對(duì)各巡檢點(diǎn)位的閾值設(shè)置，應(yīng)滿足運(yùn)維需要。③告警值應(yīng)按照同類設(shè)備類別模型批量自動(dòng)設(shè)置，并能根據(jù)需要對(duì)單個(gè)設(shè)備報(bào)警閾值進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。④閾值上下限按照識(shí)別類型的不同分別填寫數(shù)值或百分比。

2）告警消息訂閱設(shè)置。告警消息訂閱設(shè)置實(shí)現(xiàn)短信提醒設(shè)定，消息可按告警類型、發(fā)送時(shí)間、發(fā)送頻率進(jìn)行選擇設(shè)置。該功能僅對(duì)管理員開放。短信提醒格式：告警時(shí)間+點(diǎn)位名稱+識(shí)別結(jié)果。系統(tǒng)應(yīng)具備此功能，各公司根據(jù)自身?xiàng)l件及需要進(jìn)行選擇。

3）權(quán)限管理。權(quán)限管理實(shí)現(xiàn)對(duì)組織人員以及權(quán)限的設(shè)置，分為組織人員、權(quán)限設(shè)置兩個(gè)子菜單。①組織人員可進(jìn)行用戶的添加、刪除、修改（登錄名、密碼等）等操作，主要包括登錄名、登陸密碼、用戶權(quán)限、綁定手機(jī)號(hào)、短信提醒功能開關(guān)、登錄IP、最后登錄時(shí)間、操作、備注。②權(quán)限設(shè)置。權(quán)限分為普通用戶、管理員。普通用戶可進(jìn)行使用任務(wù)管理、設(shè)備告警查詢等模塊的功能。管理員在普通用戶基礎(chǔ)上，可進(jìn)行用戶設(shè)置模塊的功能維護(hù)以及系統(tǒng)各模塊、功能的全面編制和修改。用戶登錄后如果30 min未進(jìn)行任務(wù)操作，則自動(dòng)退出登錄。

4）巡檢點(diǎn)位設(shè)置。巡檢點(diǎn)位設(shè)置可實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢點(diǎn)位按設(shè)備類型導(dǎo)入、新增、修改、刪除等功能。該界面僅對(duì)管理員開放。

6 結(jié)論

本文提出的應(yīng)用于重載鐵路鋼桁梁的導(dǎo)軌機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)鋼桁梁底部桿件銹蝕、螺栓斷裂或缺失等典型病害全天候自動(dòng)檢測(cè)，遠(yuǎn)程人工操作巡檢，與傳統(tǒng)鋼桁梁人工巡檢相比，更能滿足橋梁巡檢向智能化發(fā)展的實(shí)際需求，是橋梁智能化無人巡檢技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，擁有廣闊的應(yīng)用前景。