動(dòng)車組智能檢測機(jī)器人新模式探討

邱曉歡 周金龍

（1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2.中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司廣州動(dòng)車段）

0 引言

2021年，中國大陸共有10條/段高速鐵路開通運(yùn)營，合計(jì)里程2139.54公里，車站68座，包括深汕鐵路、哈伊高鐵鐵力至伊春段先行工程、西安至安康高速鐵路、滬渝蓉沿江高鐵（武漢至宜昌段）、西十高鐵湖北段、蘭州至合作鐵路、珠肇高鐵江門至珠三角樞紐機(jī)場段、集大原高鐵、西十高鐵陜西段9條/段開工建設(shè)，合計(jì)1461.32公里。在“十四五”期間，中國高速鐵路迎來重要發(fā)展階段。

伴隨國家高鐵網(wǎng)絡(luò)的日益擴(kuò)大，動(dòng)車組的大規(guī)模運(yùn)營給檢修帶來前所未有的挑戰(zhàn)。動(dòng)車組檢修工作大多在晚上進(jìn)行，檢修工作強(qiáng)度非常大。檢修人員的工作時(shí)間長，對檢修人員的數(shù)量、經(jīng)驗(yàn)、精力、體力要求極高。

國內(nèi)目前已有多家機(jī)構(gòu)和企業(yè)對動(dòng)車組智能檢測機(jī)器人進(jìn)行研究及示范應(yīng)用，本文嘗試對該系統(tǒng)現(xiàn)有運(yùn)行模式進(jìn)行總結(jié)并提出新模式以供探討。

1 現(xiàn)有模式分析

（1）RGV搭載車底板快速掃描模塊及轉(zhuǎn)向架精掃模塊

目前在各單位投入測試的動(dòng)車組智能檢測機(jī)器人系統(tǒng)以該模式為主。

系統(tǒng)組成包括：RGV運(yùn)載平臺(tái)、RGV走行鐵軌、RGV定位裝置、多自由度機(jī)械臂、成像模塊（其中轉(zhuǎn)向架精掃模塊搭載于機(jī)械臂末端，車底板快速掃描模塊搭載于RGV運(yùn)載平臺(tái)本體之上）、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備及識(shí)別服務(wù)器設(shè)備。系統(tǒng)前端設(shè)備負(fù)責(zé)對進(jìn)入檢修庫的車輛車底各關(guān)鍵部件進(jìn)行圖像信息采集，其中轉(zhuǎn)向架精掃模塊負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向架上各關(guān)鍵部件檢測項(xiàng)點(diǎn)的拍攝，車底板快速掃描模塊負(fù)責(zé)車底板的掃描成像；網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備負(fù)責(zé)將前端設(shè)備獲取的轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件及車底板各圖像信息進(jìn)行無線傳輸；識(shí)別服務(wù)器設(shè)備負(fù)責(zé)將檢測過程中采集的圖像進(jìn)行處理，并判別車底各關(guān)鍵部件是否存在故障。

存在不足：系統(tǒng)使用鐵軌作為機(jī)器人的走行平臺(tái)，利于機(jī)器人的走行控制卻也帶來極大的弊端。車輛檢修單位由于車輛清潔需求，日常會(huì)有大量帶腐蝕性的液體流入檢修溝，安裝于檢修溝中的鐵軌一側(cè)極易產(chǎn)生污水贓物滯留（見圖1），鐵軌長期處于此環(huán)境下，會(huì)快速銹蝕，鐵軌銹蝕后極不利于機(jī)器人的行走定位停靠，在廠家不具備前端設(shè)備二次定位進(jìn)行拍照姿態(tài)調(diào)整的能力下，機(jī)器人下一步的圖像采集及圖像分析工作會(huì)受到極大影響，更有甚者會(huì)發(fā)生機(jī)械臂末端成像單元與車體發(fā)生撞擊的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 動(dòng)車組檢修溝鐵軌銹蝕嚴(yán)重

（2）無軌AGV搭載車底板快速掃描模塊及轉(zhuǎn)向架精掃模塊

目前少量廠家在嘗試此種模式。

系統(tǒng)組成包括：該模式系統(tǒng)組成與模式一系統(tǒng)組成大體接近，不同點(diǎn)在于AGV采用激光雷達(dá)導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)在檢修溝內(nèi)無軌行走控制，并在激光距離傳感器等車軸定位模塊指引下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架單元特定位置處停靠。在AGV行進(jìn)過程中，AGV本體上所搭載的車底板快速掃描裝置對車底板進(jìn)行掃描成像。在AGV完成車底板掃描后AGV返回并依次停靠于各轉(zhuǎn)向架底部關(guān)鍵位置，其后AGV上搭載的機(jī)械臂及末端成像單元根據(jù)示教路徑開始執(zhí)行轉(zhuǎn)向架單元關(guān)鍵部件圖像信息采集。

存在不足：由于檢修溝地面平整性差，且檢修車輛在檢修溝上的停靠位置非絕對固定，AGV上搭載的車底板快掃模塊及其他感應(yīng)裝置與檢修車輛的空間位置相對關(guān)系處于非恒定及難以追蹤狀態(tài)，且由于AGV本體在行進(jìn)過程中會(huì)發(fā)生垂直方向上震動(dòng)及行進(jìn)方向上打滑，AGV上攜載的線掃模塊行進(jìn)距離測量模塊數(shù)據(jù)失準(zhǔn)，在此條件下通過快掃模塊得到的車底板圖像畸變將非常嚴(yán)重，并在相當(dāng)大程度上影響車底板缺陷判定工作的準(zhǔn)確性。轉(zhuǎn)向架單元關(guān)鍵部件的圖像信息采集及分析工作也將面臨比模式一更大的挑戰(zhàn)。

2 新模式探討

在保證技術(shù)可靠的前提下，為追求建設(shè)成本更具優(yōu)勢的系統(tǒng)方案，本課題組提出的新模式為：無軌AGV配合軌邊系統(tǒng)組合應(yīng)用。

系統(tǒng)組成：本系統(tǒng)由負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件、車輛特定位置圖像信息采集的AGV裝置及負(fù)責(zé)車底板圖像信息采集的軌邊系統(tǒng)組成，其中無軌AGV搭載柔性機(jī)械臂與成像單元（安裝于機(jī)械臂末端）在檢修溝中運(yùn)行，根據(jù)轉(zhuǎn)向架及車輛特定位置檢測項(xiàng)點(diǎn)分布情況，AGV在各個(gè)轉(zhuǎn)向架底部及車輛特定位置依次停靠，在進(jìn)行AGV與轉(zhuǎn)向架單元及特定位置空間關(guān)系解算后，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整機(jī)械臂系列動(dòng)作中各姿態(tài)關(guān)鍵參數(shù)，保證末端成像單元按照預(yù)定拍照距離及角度對各項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行圖像信息采集并通過點(diǎn)對點(diǎn)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將收集到的圖像信息傳送至后臺(tái)圖像識(shí)別服務(wù)器；軌邊系統(tǒng)由布置于列車走行鋼軌底部的成像單元及軌旁的車號(hào)識(shí)別模塊組成，當(dāng)檢修車輛從該裝置上部經(jīng)過時(shí)，成像單元自動(dòng)觸發(fā)并開始執(zhí)行拍照任務(wù)，在整列車通過后，系統(tǒng)將所采集到的車底板圖像進(jìn)行拼接并將完整圖像通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳送至識(shí)別服務(wù)器進(jìn)行車底板缺陷故障判定。

系統(tǒng)優(yōu)勢：無軌AGV配合枕邊系統(tǒng)的組合應(yīng)用，一方面保證車輛圖像信息（轉(zhuǎn)向架信息、車輛特定位置信息及車底板信息）得到完整有效采集；另一方面由于車底板掃描模塊安裝于車輛入庫咽喉位置，所有入庫檢修車輛車底板圖像信息均可通過該套裝置完成采集，無須在每臺(tái)移動(dòng)設(shè)備上安裝一套線掃模塊（只可對停靠在相應(yīng)檢修溝的車輛進(jìn)行車底板圖像信息采集），可在很大程度上減少系統(tǒng)建設(shè)成本。

以單檢修庫六臺(tái)機(jī)器人配置系統(tǒng)分析示意如圖2、圖3所示。

其中，有軌機(jī)器人模式系統(tǒng)包含：

1）六套轉(zhuǎn)向架精掃模塊（安裝于機(jī)械臂末端）；

圖2 有軌機(jī)器人模式示意

圖3 無軌機(jī)器人新模式示意

2）六套底板掃描模塊；

3）六套帶高精度齒條的機(jī)器人行走軌。

無軌機(jī)器人新模式系統(tǒng)包含：

1）六套轉(zhuǎn)向架精掃模塊（安裝于機(jī)械臂末端）；

2）一套底板掃描模塊（安裝于車輛入庫咽喉位置處）。

通過上述示意描述可見，無軌機(jī)器人新模式優(yōu)勢明顯。

3 結(jié)束語

動(dòng)車組智能檢測機(jī)器人系統(tǒng)作為車輛智能運(yùn)維基礎(chǔ)感知層重要信息入口，可全方位進(jìn)行動(dòng)車組信息感知和智能管控。系統(tǒng)依托動(dòng)車組結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，可從時(shí)間、空間和狀態(tài)三個(gè)維度在動(dòng)車組健康狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)上生成其潛在狀態(tài)軌跡路徑集描述，為動(dòng)車組檢修及修程修制改革提供重要數(shù)據(jù)依據(jù)。為促使該生態(tài)往更良性方向發(fā)展，設(shè)備研發(fā)企業(yè)與車輛運(yùn)營單位合力優(yōu)化設(shè)備形態(tài)極為關(guān)鍵，也將成為重要課題。