軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)

■ 韓強 任盛偉 戴鵬 王登陽 譚松

隨著既有線提速和高速鐵路的陸續(xù)建設(shè)，動車組高速運行對鐵路各項基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維修提出了更高要求。軌道作為重要的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，其運用狀態(tài)對行車安全具有直接和至關(guān)重要的影響。因此，必須加強對其動態(tài)檢測和狀態(tài)監(jiān)控，及時指導(dǎo)養(yǎng)護維修。軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)基于非接觸測量理念，應(yīng)用視覺測量、圖像處理、模式識別等技術(shù)，對軌道圖像信息進行采集、分析和綜合處理，其高效、智能的特點能滿足高速鐵路巡檢的需求。

1 系統(tǒng)功能、組成和原理

1.1 系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)運用CCD掃描成像、圖像處理、數(shù)據(jù)管理、模式識別、自動控制和同步觸發(fā)等技術(shù)，對鋼軌表面及兩側(cè)狀態(tài)的圖像數(shù)據(jù)進行記錄和分析。主要技術(shù)指標(biāo)包括：（1）鋼軌表面擦傷檢測精度：橫向2 mm，縱向3 mm；（2）鋼軌扣件：扣件缺失識別率80%以上。

1.2 系統(tǒng)組成與原理

圖1為軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)組成。

軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)主要由視覺子系統(tǒng)、圖像采集存儲子系統(tǒng)和圖像處理子系統(tǒng)組成。圖像存儲方式（存儲圖像的大文件設(shè)計）是圖像采集存儲子系統(tǒng)和圖像處理子系統(tǒng)相互聯(lián)系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，圖像識別算法是圖像處理子系統(tǒng)的技術(shù)核心。

視覺子系統(tǒng)安裝于車下車體兩側(cè)鋼軌正上方位置，每側(cè)采用LEVD光源提供高亮度的漫反射光學(xué)環(huán)境，應(yīng)用3個高速線陣CCD進行掃描成像，運用自動控制和同步觸發(fā)技術(shù)，將圖像數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)綀D像采集存儲子系統(tǒng)。

圖像采集存儲子系統(tǒng)應(yīng)用高速緩存和多線程控制技術(shù)，實現(xiàn)大流量圖像數(shù)據(jù)高速存儲，并運用自主研發(fā)的大文件存儲技術(shù)進行圖像數(shù)據(jù)管理。

圖像處理子系統(tǒng)主要應(yīng)用圖像處理和模式識別技術(shù)，開發(fā)適用于鐵路環(huán)境的鋼軌表面擦傷檢測和扣件缺失檢測的識別算法，通過大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)完成工程化實現(xiàn)。

1.3 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計通過大文件數(shù)據(jù)模塊和數(shù)據(jù)管理機制，將圖像信息采集、自動識別、人工復(fù)核確認、報表編輯打印等功能流程按邏輯關(guān)系組合成軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)見圖2，操作界面見圖3。

系統(tǒng)通過設(shè)計大容量數(shù)據(jù)存儲機制將圖像數(shù)據(jù)以大文件形式存儲到計算機硬盤。存儲前對圖像進行壓縮，將單次采集任務(wù)存儲為自定義數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)文件同時支持多任務(wù)讀寫訪問，并能保證連續(xù)穩(wěn)定存儲數(shù)百公里檢測里程的數(shù)據(jù)文件。

圖1 軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)組成

軌道巡檢要求能在一個檢測周期內(nèi)完整存儲軌道圖像數(shù)據(jù)。由于圖像數(shù)據(jù)容量巨大，利用單體大文件存儲技術(shù)將圖像數(shù)據(jù)壓縮后存儲到一個單體大文件內(nèi)，并通過引入緩存機制建立同時支持讀寫的數(shù)據(jù)訪問機制。

結(jié)合圖像處理、模式識別等技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場圖像特點，開發(fā)適用于軌道巡檢的圖像數(shù)據(jù)瀏覽和編輯軟件，為用戶提供對圖像數(shù)據(jù)進行標(biāo)識、檢索的功能，并具有對鋼軌表面擦傷、扣件缺失等缺陷進行自動識別的功能。

1.4 典型缺陷識別

軌道巡檢系統(tǒng)具有對典型軌道缺陷進行自動識別的功能。在模式識別算法的設(shè)計上借鑒了“機器視覺”在人臉識別、指紋識別及醫(yī)學(xué)圖像分析等領(lǐng)域的成功經(jīng)驗，設(shè)計了機器學(xué)習(xí)模型和模式識別算法，對軌道圖像中鋼軌表面擦傷、扣件缺失（折斷、缺失）等相關(guān)典型特征進行自動識別。機器識別功能整體架構(gòu)見圖4。

模式識別功能模塊在整套系統(tǒng)中擔(dān)負著對軌道典型缺陷進行輔助診斷的功能，目前采用軟件識別為主、人工確認為輔的應(yīng)用模式。

2 系統(tǒng)現(xiàn)場試驗和應(yīng)用

軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)在鄭西高速鐵路、京廣線上下行（鄭州南—武漢）、武廣高速鐵路上下行進行5 000 km線路試驗。

2011年9月24日，系統(tǒng)在京滬高速鐵路及先導(dǎo)段進行巡檢。系統(tǒng)設(shè)備在鋼軌探傷車最高80 km/h速度下，全天候不同天氣情況下工作狀態(tài)正常，采集到的圖像清晰完整，典型數(shù)據(jù)見圖5—圖8。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

圖3 系統(tǒng)軟件界面

圖4 機器識別功能整體架構(gòu)

圖5 鄭西下行（KM623+816）焊筋（輔助探傷排除干擾）

圖6 武廣（KM2237+822）扣件缺失

圖7 武廣（KM2235+462）扣件缺失

圖8 京滬高速鐵路巡檢結(jié)果

3 結(jié)論

系統(tǒng)運用CCD掃描成像、圖像處理、數(shù)據(jù)管理、模式識別、自動控制和同步觸發(fā)等技術(shù)，實現(xiàn)了鋼軌表面擦傷檢測和扣件缺失檢測的功能。系統(tǒng)已在鐵道部檢測中心鋼軌探傷車上安裝運用，試驗驗證和現(xiàn)場應(yīng)用表明，系統(tǒng)圖像采集穩(wěn)定、清晰，多相機對鋼軌正面和兩側(cè)掃描，采集到的圖像能清晰看到焊筋和鋼軌表面狀態(tài)，輔助超聲探傷系統(tǒng)提高系統(tǒng)識別率。識別軟件具有自動識別扣件丟失、錯位和鋼軌表面擦傷等功能。

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