城市軌道交通車輛360°動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)設計與研究

楊正華

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

隨著我國城市軌道交通運營線路不斷增多，城市軌道車輛運用安全保障工作變得越來越復雜,中國鐵路總公司印發(fā)了《車輛專業(yè)安全監(jiān)控技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》[1]。

設計一種安裝在入段走行線（或正線）上，實現(xiàn)車輛進場（通過）時在線動態(tài)檢測車輛外觀和車輛可視部件狀態(tài)的360°圖像檢測系統(tǒng)。在車輛通過設備檢測區(qū)時，采用高速、高分辨率的線陣相機和3D 相機對車輛車頂、車底和車側(cè)的可視部件進行2D、3D 圖像采集，針對關鍵部件的變形、缺失、異物等異常狀態(tài)進行自動識別預警，代替部分人工檢測，提高檢測效率和檢測質(zhì)量[2]。

1 360°圖像檢測系統(tǒng)主要功能

（1）圖像采集，使用2D 線陣相機和2D+3D 組合相機對車體進行360°全覆蓋拍照，以采集車體表面可視部件的圖像信息，用于對車體外觀和可視部件的缺陷進行識別。

（2）車號采集，當車輛接近檢測區(qū)時，通過判斷接車磁鋼檢測到的信號，車輛信息采集機控制車號采集單元開啟，車輛信息采集機根據(jù)車速和車號位置信息進行預判，當車輛接近和通過車號采集單元拍攝區(qū)時觸發(fā)抓拍。

（3）圖像傳輸與存儲，線陣采集機和面陣采集機采集到圖像信息后，通過圖像傳輸子程序?qū)D像數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理服務器進行存儲和圖像識別。

（4）故障識別，采用機器視覺和圖像識別技術(shù)對采集到的圖像信息與標準樣本進行比對，識別出車輛的異常狀態(tài)，識別范圍包括但不限于螺栓松動、缺失，部件的變形、移位、缺失和異物入侵。

（5）接車與送車，采用磁鋼作為檢測車輪的傳感器，當磁鋼感應到有車輪經(jīng)過時產(chǎn)生感應信號，由此判斷是否有車輛通過。

（6）車速測量與計軸計輛，測速模塊計劃采用磁鋼模式。磁鋼3#與磁鋼4#間距為270±2mm，兩組磁鋼的功能是實現(xiàn)列車測速和計軸計輛。

（7）關鍵部件尺寸檢測，系統(tǒng)能夠采集集電靴滑板厚度和姿態(tài)的 3D 點云數(shù)據(jù)，利用3D 點云數(shù)據(jù)的深度信息通過計算可以檢測集電靴碳滑板的姿態(tài)、磨耗、破損、斷裂等異常情況。

（8）閘瓦磨耗、撒砂管和排障器高度，軌底沉箱和左下、右下設備箱中的圖像采集模塊可拍攝到閘瓦圖片，根據(jù)線陣相機的2D 圖像和面陣相機得到的3D 信息，分析得到閘瓦表面的3D 模型，通過處理算法計算得到閘瓦的磨耗值。

2 360°圖像檢測系統(tǒng)基本組成

360°圖像檢測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集裝置、控制分析裝置、客戶終端3 部分組成，如圖1 所示。

圖1 360°圖像檢測系統(tǒng)框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集裝置安裝于軌底和軌邊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。數(shù)據(jù)采集裝置包含車輛接近觸發(fā)開關、圖像采集模組、吹風除塵（除霧）設備、車速檢測裝置、車號圖像采集裝置和安防系統(tǒng)等其他單元。

2.2 控制分析裝置

控制分析裝置既可安裝在軌旁，也可以安裝在離數(shù)據(jù)采集裝置較近的現(xiàn)場設備間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集裝置的供電、控制、數(shù)據(jù)和圖像的采集控制、分析處理、存儲，同時與智能列檢設備綜合數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行通訊?？刂品治鲅b置由配電設備、控制設備、工控機、數(shù)據(jù)處理和分析服務器、通信設備、UPS、PDU、電源和信號防雷裝置等設備組成。其中服務器機柜內(nèi)放置工控機、數(shù)據(jù)處理和分析服務器、通信設備、數(shù)據(jù)存儲設備等信號數(shù)據(jù)類設備，其余配電設備放置于電氣控制柜內(nèi)[3-4]。

2.3 客戶終端

客戶終端位于遠程控制室，是系統(tǒng)的控制中心、數(shù)據(jù)管理中心和監(jiān)控中心，由控制機及其外圍設備構(gòu)成。在遠程控制中心，可以設置系統(tǒng)參數(shù)，查看、統(tǒng)計、分析、打印檢測數(shù)據(jù)[5]，監(jiān)控設備的運行狀態(tài)和檢測過程，如圖2、圖3 所示。

圖2 檢測設備三維布局設計

圖3 檢測設備現(xiàn)場安裝

3 檢測系統(tǒng)關鍵部件硬件設計

3.1 車底圖像采集設備

車底圖像采集單元分為軌左沉箱、軌中沉箱和軌右沉箱，沉箱中安裝2D+3D 組合的圖像采集模塊，共同完成車底可視部件的圖像采集。采集的圖像用以檢測識別車底異物、螺栓松動、螺栓缺失、劃痕、線纜捆扎松脫等缺陷[6]。

3.2 車側(cè)圖像采集設備

車側(cè)圖像采集設備主要由左下設備箱、右下設備箱、左中設備箱、右中設備箱、左上設備箱、右上設備箱和第三軌受流的左右集電靴檢測設備箱組成。左下設備箱和右下設備箱的圖像采集模塊為2D-4K+3D 相機，主要對車體轉(zhuǎn)向架、裙擺等區(qū)域進行圖像采集。檢測轉(zhuǎn)向架區(qū)域是否有異物、螺栓缺失、螺栓松動等故障缺陷。左中、右中、左上和右上設備箱的圖像采集模塊為2D-2k 相機，主要對側(cè)面車體、車窗區(qū)域進行圖像采集。集電靴檢測設備箱的圖像采集模塊為3D 相機。

3.3 車頂圖像采集設備

車頂圖像采集設備是對車輛頂部進行圖像采集。采集的圖像用以檢測車頂是否有異物、車頂空調(diào)外罩螺釘是否缺失等情況。車頂圖像采集設備分為車頂左、中、右設備箱。車頂左右設備箱內(nèi)采用3D 相機，車頂中設備箱采用2D-4K 相機，共同完成車頂2D 和3D 數(shù)據(jù)采集。由于安裝在車頂上，采用從上往下的拍攝角度，設備箱不再設置開關門防護。控制原理與軌底沉箱相同，圖像采集模塊系數(shù)如表1 所示。

表1 圖像采集模塊參數(shù)

3.4 車號采集設備

系統(tǒng)安裝車號圖像采集設備用以采集車輛的車號和端位信息。車號采集設備可根據(jù)系統(tǒng)控制信號拍攝車輛的車號和端號圖片，通過設備集成的圖像識別軟件輸出車號和端號信息。車號采集設備考慮夜間黑暗環(huán)境的拍攝情況，自帶補光設備。車號采集設備技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 車號采集設備技術(shù)參數(shù)

3.5 車速檢測設備

車速檢測設備主要由雷達組成，雷達實時采集過車速度，車輛信息采集機根據(jù)車速信息，通過計算后給出用來觸發(fā)圖像采集設備的采集頻率控制信號。雷達具體性能要求如表3 所示。

表3 雷達技術(shù)參數(shù)

4 檢測系統(tǒng)軟件部分

如圖4 所示，360°圖像檢測系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)主要可分為3 個軟件，分別為綜合應用軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、圖像識別軟件。在這些軟件下還包含具體的功能單元，即綜合應用軟件包含系統(tǒng)控制、設備運行狀態(tài)監(jiān)測、車速值采集、車號信息采集并轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)采集軟件包含原始圖像采集、相機運行狀態(tài)監(jiān)測和圖像數(shù)據(jù)傳輸，圖像識別軟件包含圖像拼接、故障識別、故障標識，各個軟件間根據(jù)通信協(xié)議進行通信和數(shù)據(jù)交互，各功能單元間相互獨立，降低軟件間的耦合度，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定可靠，并提高系統(tǒng)的可維護性和擴展性[7]。

圖4 圖像檢測系統(tǒng)軟件層級結(jié)構(gòu)

5 性能及參數(shù)設計分析

5.1 車底圖像采集設備參數(shù)計算

車底圖像采集設備主要由軌左沉箱2D+3D 模塊、軌中沉箱左側(cè)2D+3D 模塊、軌中沉箱中部2D+3D 模塊、軌中沉箱右側(cè)2D+3D 模塊、軌右沉箱2D+3D 模塊組成，底部所有模塊視覺設計方案相同。

2D+3D 視覺模塊采用1 個線陣、1 個面陣、2 個不同波段線激光的方式采集車底可視部件的圖像。單個模塊2D 圖像采用2k 線陣相機，采用12mm 鏡頭，2D 圖像典型分辨率達到0.5mm/像素。

3D 圖像部分采用1 個面陣相機、1 個線結(jié)構(gòu)光、1 個6mm 鏡頭，平面方向成像分辨率為1280mm，此時平面圖像精度約1mm，深度方向平均分辨率約為6mm。

5.2 車側(cè)圖像采集設備參數(shù)計算

車側(cè)圖像采集設備主要包括左下設備箱2D+3D 模塊、右下設備箱2D+3D 模塊、左中設備箱2D 模塊、右中設備箱2D 模塊、左上設備箱2D 模塊、右上設備箱2D 模塊。其中，左下設備箱2D+3D 模與右下設備箱2D+3D 模塊視覺設計方案相同。左中設備箱2D 模塊、右中設備箱2D 模塊、左上設備箱2D 模塊、右上設備箱2D 模塊視覺方案設計相同。

左下設備箱2D+3D 模塊采用二組1 個線陣、1 個面陣、2 個不同波段線激光方式采集轉(zhuǎn)向架圖像。單個左下設備箱2D 模塊采用4k 高清線陣相機，采用25mm 鏡頭，系統(tǒng)單位像素精度達到0.25mm。

單個3D 圖像采用1 個面陣相機、1 個線結(jié)構(gòu)光、1個12mm 鏡頭，平面方向成像分辨率為1280mm，此時平面圖像精度約1mm，深度方向平均分辨率約為6mm。

左中設備箱2D 模塊采用2k 高清線陣相機，采用8mm 鏡頭，系統(tǒng)單位像素精度達到1mm，車頂圖像采集設備參數(shù)計算。

車頂圖像采集設備主要包括車頂左設備箱3D 模塊、車頂中部設備箱2D 模塊、車頂右設備箱3D 模塊。

車頂中部設備箱2D 模塊采用1 個線陣相機，1 個線激光方式采集車頂圖像，采用4K 高清線陣相機，25mm鏡頭，系統(tǒng)單位像素精度達到1mm。

頂部左右設備箱3D 模塊采用1 個面陣相機、1 個線激光、1 個12mm 鏡頭的方式檢測車體頂部外觀缺陷故障。平面方向成像分辨率為1280mm，此時平面圖像精度約2mm，深度方向平均分辨率約為6mm。

5.3 集電靴圖像采集設備參數(shù)計算

集電靴圖像采集設備使用3D 模塊對集電靴進行檢測。

集電靴檢測模塊采用1 個面陣相機，1 個線激光方式檢測集電靴故障，使用12mm 鏡頭，平面方向成像分辨率為1280mm，此時平面圖像精度約1mm，深度方向平均分辨率約為4mm。成像示意圖如圖5、圖6 所示。

圖5 線陣成像示意圖

圖6 面陣成像示意圖

6 運用效果

360°圖像檢測系統(tǒng)，從2022 年3 月至2022 年10 月，自動采集車頂、車側(cè)、車底可視部件的高清圖像，通過圖像分析識別，對車頂受電弓、車側(cè)車門、車側(cè)車窗、車底箱體、牽引電機、制動器、齒輪箱、軸箱、輪對等關鍵部位缺失、變形、損傷等異常情況進行檢測并報警提示；故障檢出率：車頂受電弓部分≥85%，轉(zhuǎn)向架部分≥85%，轉(zhuǎn)向架部分≥85%，制動系統(tǒng)部分≥85%，其他車下部件≥85%。