關(guān)于動(dòng)車組故障軌邊圖像檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(yáng)鐵路局，遼寧沈陽(yáng)110001）

圖像檢測(cè)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(dòng)車組，因?yàn)槠鋵?duì)可靠性、安全性要求更高，在高速運(yùn)行狀態(tài)下的任何一個(gè)細(xì)小的故障都可能引發(fā)重大事故。因此，要確保實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組安全可靠、高效運(yùn)行，不僅要依靠科學(xué)的檢修運(yùn)用管理機(jī)制，同時(shí)還要采取措施，加強(qiáng)動(dòng)車組檢車作業(yè)輔助手段，提高安全防范能力，而圖像檢測(cè)手段是一種相對(duì)成熟、穩(wěn)定的技術(shù)，非常適合作為動(dòng)車組故障檢測(cè)的輔助手段。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

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

TVDS系統(tǒng)由3大部分組成。（1）軌邊探測(cè)設(shè)備，進(jìn)行圖像檢測(cè)，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(jì)算機(jī)、圖像采集計(jì)算機(jī)及控制箱；（3）檢測(cè)作業(yè)中心，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、室內(nèi)作業(yè)終端計(jì)算機(jī)、高速交換設(shè)備、運(yùn)用管理平臺(tái)、檢測(cè)作業(yè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。動(dòng)車組的軌邊圖像檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也可以考慮按照這個(gè)思路進(jìn)行，但由于動(dòng)車組檢測(cè)范圍和物理構(gòu)造與客車存在很大的不同，所以動(dòng)車組軌邊圖像檢測(cè)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(jì)。

1．1 動(dòng)車組檢測(cè)范圍

按照動(dòng)車組檢修的特點(diǎn)，考慮到實(shí)際作業(yè)情況，動(dòng)車組檢測(cè)的內(nèi)容分為5個(gè)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(diǎn)開(kāi)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(dòng)部分。盤型制動(dòng)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(hào)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(cè)內(nèi)容

按照動(dòng)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(dòng)車組檢測(cè)范圍，需要對(duì)動(dòng)車組頂部、側(cè)部、底部分別實(shí)現(xiàn)圖像檢測(cè)。

圖1 動(dòng)車組系統(tǒng)物理構(gòu)造圖

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

因此，動(dòng)車組故障軌邊圖像檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(lái)完成動(dòng)車組的圖像檢測(cè)。

2 關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)比效果圖。

圖2 車底對(duì)比效果圖

系統(tǒng)采用國(guó)外進(jìn)口高清彩色數(shù)字?jǐn)z像頭，分辨率達(dá)到200萬(wàn)像素（目前最新的TFDS設(shè)備使用攝像頭為分辨率140萬(wàn)像素的黑白相機(jī)）。采用彩色相機(jī)可以有效的區(qū)分動(dòng)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(wú)法區(qū)分故障圖像造成的誤判和誤報(bào)。圖3對(duì)比可以清晰的看到銹蝕而不是故障。

圖3 底部彩色黑白對(duì)比效果圖

2．2 圖像識(shí)別技術(shù)

大量的圖像，如果僅靠人工，時(shí)間長(zhǎng)了也會(huì)出現(xiàn)視覺(jué)疲勞，造成漏檢。系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)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(duì)同一車輛的統(tǒng)一部位的圖像進(jìn)行比對(duì)和分析，對(duì)出現(xiàn)異常的圖像進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警和提示。圖4為系統(tǒng)采用先進(jìn)的變化檢測(cè)算法，通過(guò)對(duì)同一車輛的歷史正常圖片和待檢圖片進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)部件是否變化進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)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(dòng)異常報(bào)警示意圖

對(duì)于重點(diǎn)的螺栓螺母以及ADD閥，可以采用圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)故障判別，此技術(shù)與貨車TFDS的關(guān)門車自動(dòng)識(shí)別及心盤螺栓丟失自動(dòng)識(shí)別類似，見(jiàn)圖5。

圖5 心盤螺栓丟失自動(dòng)識(shí)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(cè)溫方式只能測(cè)量某幾點(diǎn)溫度的缺陷，測(cè)溫更加全面準(zhǔn)確，高速紅外熱成像儀能完成動(dòng)車底部的全息熱成像圖，并準(zhǔn)確測(cè)量各部件的溫度，測(cè)量范圍大（測(cè)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(dòng)車在運(yùn)行過(guò)程中因松動(dòng)、摩擦造成的沖擊形成的熱點(diǎn)，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(duì)比。

圖6 輪軸部位熱成像圖

2．4 軌邊圖像檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

為了提高檢測(cè)的自動(dòng)化程度，使用圖像檢測(cè)基于圖像識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行輔助檢車作業(yè)，在動(dòng)車組運(yùn)行入庫(kù)或進(jìn)站時(shí)就進(jìn)行圖像檢測(cè)，提前預(yù)報(bào)并處理故障，從而進(jìn)一步提高動(dòng)車組的運(yùn)行安全。具體設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 軌邊圖像檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)整體效果圖

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

其中頂部?jī)蓚?cè)的攝像機(jī)用來(lái)拍攝動(dòng)車頂部的部件圖像，能夠清晰檢測(cè)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?jī)蓚?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(gè)高清彩色攝像頭，能夠清晰檢測(cè)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(dòng)裝置、輪軸、制動(dòng)盤、閘片以及底部各螺栓螺母、圓銷開(kāi)口銷等外觀狀態(tài)；一套高速熱成像儀（目前測(cè)溫范圍可達(dá)0～200℃，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求）及防護(hù)裝置放置在軌中間，采集動(dòng)車底部電機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪箱、制動(dòng)盤、空調(diào)等部件的全息熱成像圖，準(zhǔn)確顯示圖像上各點(diǎn)的溫度，對(duì)異常溫度進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警提示；在該防護(hù)裝置兩頭放置一套紅外軸溫探測(cè)設(shè)備，能夠自動(dòng)采集輪軸2個(gè)端部的軸溫并記錄，對(duì)異常軸溫進(jìn)行報(bào)警和提示。

3 應(yīng)用情況

3．1 西安動(dòng)車所圖像檢測(cè)軌邊設(shè)備部署介紹

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

軌邊探測(cè)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(jì)算機(jī)、圖像采集計(jì)算機(jī)及控制箱、檢測(cè)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(chǔ)服務(wù)器、室內(nèi)作業(yè)終端計(jì)算機(jī)、高速交換設(shè)備、運(yùn)用管理平臺(tái)、檢測(cè)作業(yè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)）。

圖8 西安動(dòng)車所軌邊探測(cè)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(dòng)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(dòng)車組頂部的圖像暫時(shí)沒(méi)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(dòng)車所軌邊圖像檢測(cè)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(dòng)車所出入庫(kù)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(jì)、硬件生產(chǎn)及老化試驗(yàn)、軟件開(kāi)發(fā)、硬件安裝實(shí)施、軟件安裝部署等工作，在系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后開(kāi)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(guò)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(jiàn)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(yǔ)

動(dòng)車組軌邊圖像檢測(cè)技術(shù)的推廣適應(yīng)我國(guó)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(shí)現(xiàn)了動(dòng)車檢修運(yùn)用技術(shù)由“人檢人修”方式向“機(jī)檢人修”方式的過(guò)渡，動(dòng)車質(zhì)量由“人控”向“機(jī)控”的轉(zhuǎn)變，減輕了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高運(yùn)輸效率，確保運(yùn)輸安全，具有良好的社會(huì)效益。

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