吳 楠

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081)

隨著高速鐵路營(yíng)業(yè)里程的快速增長(zhǎng)，專業(yè)的檢修設(shè)備和檢修人員數(shù)量不足的問(wèn)題日益凸顯，特別是專業(yè)檢修人員的缺口將直接影響高速鐵路的安全發(fā)展。電務(wù)專業(yè)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)主要包括對(duì)電氣特性和機(jī)械特性2方面的檢測(cè)監(jiān)測(cè)，其中電氣特性的檢測(cè)監(jiān)測(cè)已通過(guò)高速綜合檢測(cè)列車、電務(wù)檢測(cè)車、微機(jī)監(jiān)測(cè)等諸多檢測(cè)監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)[1-2]。但對(duì)于機(jī)械特性的檢測(cè)，仍然主要依靠原始的人工視覺(jué)檢查的方式實(shí)現(xiàn)。人工視覺(jué)檢查主要通過(guò)人工上道的方式，輔助便攜式照明設(shè)備在天窗時(shí)間內(nèi)沿線步行檢查電務(wù)軌旁設(shè)備[3]。人工視覺(jué)檢查存在人員緊缺、檢查效率低、檢查準(zhǔn)確性低、受低溫影響大等問(wèn)題。為保證高速鐵路健康、有序、高效的發(fā)展，對(duì)于直接影響行車安全的電務(wù)軌旁設(shè)備，應(yīng)大力發(fā)展檢測(cè)設(shè)備，使用先進(jìn)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，提高電務(wù)軌旁設(shè)備的安全性，降低人力成本[4]，提高檢查效率和準(zhǔn)確性，減少由于低溫等環(huán)境因素對(duì)人員的影響。

本文以中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研制的電務(wù)軌旁設(shè)備變化巡檢系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱電務(wù)巡檢系統(tǒng))為基礎(chǔ)，提出高速鐵路電務(wù)軌旁設(shè)備變化巡檢方法，利用車輛運(yùn)行的速度優(yōu)勢(shì)，對(duì)電務(wù)軌旁設(shè)備的機(jī)械特性進(jìn)行檢查，充分利用機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別電務(wù)軌旁設(shè)備的變化，有效指導(dǎo)電務(wù)軌旁設(shè)備維修，為高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全提供技術(shù)支持和設(shè)備保障。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)概述

電務(wù)巡檢系統(tǒng)綜合應(yīng)用高速高動(dòng)態(tài)響應(yīng)感光、激光照度補(bǔ)償、圖像數(shù)據(jù)壓縮、機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)，安裝在高速鐵路巡檢車輛上，實(shí)現(xiàn)電務(wù)軌旁設(shè)備外觀的圖像采集、存儲(chǔ)和處理。電務(wù)巡檢系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比當(dāng)前檢測(cè)圖像數(shù)據(jù)和歷史圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備變化的自動(dòng)識(shí)別，并結(jié)合車載定位信息和地面臺(tái)賬數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確識(shí)別變化設(shè)備圖像和定位設(shè)備位置，將發(fā)生變化的圖像和設(shè)備公里標(biāo)提供給維護(hù)人員，指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修。

1.2 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象為電務(wù)軌旁設(shè)備，主要涵蓋電務(wù)軌旁箱盒(軌道電路防護(hù)盒、扼流變壓器、方向盒等)和電纜槽蓋板等設(shè)備，主要分布在距離軌道平面垂直方向-0.3～0.5 m，距離道心水平方向0.8～3.1 m(雙側(cè))的空間范圍內(nèi)。

通過(guò)分析研究對(duì)象可知，電務(wù)軌旁設(shè)備處于離散式的分布狀態(tài)，設(shè)備空間位置差異性較大，與圖像采集裝置的工作距離也具有較大差異。此外，電務(wù)軌旁設(shè)備的外形、材質(zhì)、顏色有較大不同，特別是外形的差異化造成圖像特征值的差異性，對(duì)圖像數(shù)據(jù)的后續(xù)分析處理造成困難。

1.3 總體構(gòu)架

根據(jù)國(guó)內(nèi)高速鐵路電務(wù)軌旁設(shè)備的安裝位置和分布情況，設(shè)計(jì)電務(wù)巡檢系統(tǒng)總體構(gòu)架。電務(wù)巡檢系統(tǒng)主要由圖像采集裝置、照度補(bǔ)償裝置、采集控制單元、同步觸發(fā)單元、存儲(chǔ)分析服務(wù)器等組成。圖像采集控制單元采集圖像數(shù)據(jù)，建立圖像數(shù)據(jù)與列車定位信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)顯示界面實(shí)時(shí)顯示圖像數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)分析服務(wù)器對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析處理，通過(guò)對(duì)比當(dāng)前圖像數(shù)據(jù)和歷史圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備變化的自動(dòng)識(shí)別，并結(jié)合電務(wù)軌旁設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)和同步定位信息，將地面設(shè)備信息和圖像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)起來(lái)，輸出變化設(shè)備里程信息，由人工確認(rèn)設(shè)備變化性質(zhì)，切實(shí)指導(dǎo)維修。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 系統(tǒng)試驗(yàn)

電務(wù)巡檢系統(tǒng)于2016年3月安裝在高速鐵路綜合巡檢車上；2017年4月，該系統(tǒng)在中國(guó)鐵道科學(xué)研究院國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心完成型式試驗(yàn)；同年7月，該系統(tǒng)在某試驗(yàn)線開(kāi)展運(yùn)用考核試驗(yàn)，完成了運(yùn)用考核大綱要求的運(yùn)行 10 000 km、作業(yè)100 h的考核要求。系統(tǒng)安裝接口及安全性、可靠性等到了良好的印證。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及驗(yàn)證

電務(wù)巡檢系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中積累了大量電務(wù)軌旁設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)覆蓋了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全部研究對(duì)象。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

電務(wù)巡檢系統(tǒng)綜合應(yīng)用時(shí)間延時(shí)積分、微秒級(jí)曝光等圖像采集技術(shù)，在高速運(yùn)動(dòng)條件下獲取高清晰度、高分辨率和低失真的圖像數(shù)據(jù)。同時(shí)，為保證圖像數(shù)據(jù)的對(duì)比度[6]和對(duì)比算法的魯棒性，考慮電務(wù)軌旁設(shè)備與圖像采集設(shè)備的距離和角度的差異化、微秒級(jí)曝光時(shí)間、雜散光干擾等因素，系統(tǒng)應(yīng)用單色性、方向性指標(biāo)優(yōu)異的激光光源，結(jié)合CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)光譜響應(yīng)函數(shù)和成像鏡頭MTF(Modulation Transfer Function)曲線[7]，設(shè)計(jì)光源→采集對(duì)象→CMOS的完整光路，保證視場(chǎng)處于高亮度、高均勻度的光照條件下，有效保證圖像數(shù)據(jù)的對(duì)比度。圖像數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 電務(wù)軌旁設(shè)備圖像數(shù)據(jù)(檢測(cè)速度為160 km/h)

由圖1可知，在高速運(yùn)動(dòng)(最高檢測(cè)速度160 km/h)條件下，電務(wù)巡檢系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)覆蓋了電務(wù)軌旁箱盒(軌道電路防護(hù)盒、扼流變壓器等)、電纜槽蓋板等設(shè)備的外觀信息，圖像無(wú)拖影無(wú)模糊，對(duì)焦清晰，景深有效覆蓋研究對(duì)象，無(wú)明顯畸變和果凍效應(yīng)，圖像清晰，視場(chǎng)亮度均勻，解決了離散式分布狀態(tài)下電務(wù)巡檢系統(tǒng)的圖像采集問(wèn)題。

2.2.2 數(shù)據(jù)管理

電務(wù)巡檢系統(tǒng)應(yīng)用Camera Link高速數(shù)據(jù)傳輸、GPU(Graphic Processing Unit)圖像壓縮和基于SSD(Solid State Drive)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸、壓縮和存儲(chǔ)。

此外，系統(tǒng)結(jié)合車載定位信息建立圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合地面設(shè)備臺(tái)賬信息關(guān)聯(lián)圖像數(shù)據(jù)與物理信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將設(shè)備圖像從海量背景圖像中篩選出來(lái)，建立設(shè)備圖像回放和索引機(jī)制，結(jié)合地面設(shè)備臺(tái)賬信息指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)維修維護(hù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析

電務(wù)巡檢系統(tǒng)采集了海量的圖像數(shù)據(jù)，如果僅憑人工瀏覽的方式檢測(cè)設(shè)備故障，存在人力資源浪費(fèi)、工作效率低、準(zhǔn)確性差、視覺(jué)疲勞等問(wèn)題，因此需要應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)算法，通過(guò)對(duì)比當(dāng)前圖像數(shù)據(jù)和歷史圖像數(shù)據(jù)，對(duì)圖像進(jìn)行像素級(jí)的配準(zhǔn)，進(jìn)而通過(guò)比較圖像數(shù)據(jù)的范數(shù)[5]，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值，實(shí)現(xiàn)設(shè)備變化的自動(dòng)識(shí)別，并結(jié)合圖像數(shù)據(jù)庫(kù)和地面設(shè)備臺(tái)賬信息，指導(dǎo)電務(wù)軌旁設(shè)備維修。

1)圖像配準(zhǔn)

在相同圖像采集條件下，由于時(shí)間差異、位置差異、車輛振動(dòng)等因素的客觀存在，檢測(cè)圖像(測(cè)試組)和歷史圖像(對(duì)照組)存在橫向和縱向2個(gè)方向的像素錯(cuò)位，若不進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，則圖像數(shù)據(jù)直接做“減法”(每個(gè)像素灰度值直接相減)時(shí)存在L0、L1和L2范數(shù)過(guò)大的情況。其中L0范數(shù)定義為向量中非0元素的個(gè)數(shù)。

L1范數(shù)定義為向量元素絕對(duì)值之和，即

(1)

L2范數(shù)定義為向量元素的平方和再開(kāi)方，即

(2)

選取不同時(shí)間同一線路采集的圖像數(shù)據(jù)，圖像直接相減結(jié)果如圖2所示。

圖2 圖像直接相減結(jié)果

由圖2可知，檢測(cè)圖像直接與歷史圖像相減，其L0范數(shù)/面積約為 0.342 568(此面積為圖像數(shù)據(jù)的像素?cái)?shù))，L1范數(shù)/面積約為 19.057 8，L2范數(shù)/面積約為 91.586 6。通過(guò)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的分析可以得知，檢測(cè)圖像和歷史圖像具有高度的相似性，L0范數(shù)比高階范數(shù)的魯棒性更強(qiáng)。對(duì)于由時(shí)間差異和位置差異引起的像素錯(cuò)位，通過(guò)計(jì)算L0范數(shù)/公共面積的最小值，將檢測(cè)圖像和歷史圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。圖像配準(zhǔn)的尋優(yōu)目標(biāo)即通過(guò)尋找L0范數(shù)/公共面積的最小值，當(dāng)最小值小于系統(tǒng)設(shè)定閾值，且重合部分為最大面積時(shí)，認(rèn)為檢測(cè)圖像和歷史圖像匹配。圖3為圖像配準(zhǔn)示意，圖4為圖像配準(zhǔn)后相減結(jié)果。

圖3 圖像配準(zhǔn)示意

圖4 圖像配準(zhǔn)后相減結(jié)果

圖像配準(zhǔn)后，L0范數(shù)/公共面積約為 0.078 169，配準(zhǔn)前L0范數(shù)/面積約為 0.342 568，可計(jì)算出配準(zhǔn)效果約為 0.342 568/0.078 168 6=4.38倍，配準(zhǔn)效果明顯。基于上述圖像配準(zhǔn)的原則，選取 5 000 張檢測(cè)圖像和相應(yīng)的歷史圖像計(jì)算配準(zhǔn)前后L0范數(shù)/面積。由于檢測(cè)圖像和歷史圖像相似度極高，公共面積與圖像面積近似，因此使用圖像面積代替公共面積，以便于計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，圖像配準(zhǔn)能夠有效減少檢測(cè)圖像和歷史圖像直接相減導(dǎo)致的L0范數(shù)過(guò)大的問(wèn)題。

高速鐵路線路上安裝的電務(wù)軌旁設(shè)備沿線路方向呈離散式的分布狀態(tài)，電務(wù)巡檢系統(tǒng)更關(guān)注電務(wù)軌旁設(shè)備(特定對(duì)象)的圖像數(shù)據(jù)，而特定對(duì)象的圖像數(shù)據(jù)一般占全部圖像數(shù)據(jù)的2%～5%，因此對(duì)全部圖像數(shù)據(jù)中特定對(duì)象的檢測(cè)圖像進(jìn)行回歸分析。圖5為電務(wù)軌旁設(shè)備(特定對(duì)象)配準(zhǔn)前后L0范數(shù)/面積散點(diǎn)圖?？芍?，配準(zhǔn)前L0范數(shù)/面積一般在0.2以上，配準(zhǔn)后L0范數(shù)/面積一般在0.1以下，配準(zhǔn)前后L0范數(shù)/面積有顯著變化，顯著消除由時(shí)間差異和位置差異引起的像素錯(cuò)位的干擾，便于后續(xù)圖像數(shù)據(jù)的分析。

根據(jù)上文所述，通過(guò)計(jì)算特定對(duì)象圖像(電務(wù)軌旁設(shè)備)和非特定對(duì)象圖像配準(zhǔn)效果(配準(zhǔn)前L0范數(shù)/面積除以配準(zhǔn)后L0范數(shù)/面積)可知，特定對(duì)象圖像配準(zhǔn)效果均大于3～5，非特定對(duì)象圖像配準(zhǔn)效果均小于1～3，配準(zhǔn)效果對(duì)于特定對(duì)象圖像(電務(wù)軌旁設(shè)備)更加有效。

2)變化識(shí)別

圖像配準(zhǔn)后，可初步認(rèn)定L0范數(shù)/面積在一定程度上反映了設(shè)備的變化情況，可以通過(guò)設(shè)定變化閾值，將超過(guò)變化閾值的特定對(duì)象圖像數(shù)據(jù)篩選出來(lái)，結(jié)合圖像數(shù)據(jù)庫(kù)和地面設(shè)備臺(tái)賬，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)設(shè)備變化，指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修。

選取不同時(shí)間同一線路采集的圖像數(shù)據(jù)，將檢測(cè)圖像(測(cè)試組)和歷史圖像(對(duì)照組)進(jìn)行配準(zhǔn)后，再將圖像數(shù)據(jù)直接“相減”，通過(guò)判斷超過(guò)閾值的L0范數(shù)/面積，得到變化圖像，結(jié)合圖像數(shù)據(jù)和地面設(shè)備臺(tái)賬確定電務(wù)軌旁設(shè)備圖像，進(jìn)而由人工確認(rèn)變化性質(zhì)，對(duì)惡性設(shè)備故障進(jìn)行維修。系統(tǒng)檢測(cè)的變化圖像如圖6、圖7所示。

圖6 系統(tǒng)檢測(cè)的變化圖像(石子移動(dòng))

圖7 系統(tǒng)檢測(cè)的變化圖像(護(hù)欄異物)

由圖6可知，高速鐵路有砟線路道砟石子向鋼軌方向移動(dòng)；由圖7可知，護(hù)欄出現(xiàn)條狀異物。高速鐵路線路異常變化可通過(guò)電務(wù)軌旁巡檢系統(tǒng)變化識(shí)別分析方法準(zhǔn)確識(shí)別出來(lái)，結(jié)合圖像數(shù)據(jù)和地面設(shè)備臺(tái)賬，由人工確認(rèn)變化性質(zhì)，對(duì)惡性設(shè)備變化進(jìn)行維修。良性變化和惡性變化分別記錄為正樣本和負(fù)樣本，便于后續(xù)深度學(xué)習(xí)積累數(shù)據(jù)，在不久的將來(lái)替代人工實(shí)現(xiàn)自動(dòng)確認(rèn)變化性質(zhì)。

3 結(jié)論

本文深入分析了電務(wù)巡檢系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)總體構(gòu)架進(jìn)行了闡述；分別從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析的角度，驗(yàn)證了總體構(gòu)架的可行性和可靠性。系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)消除了檢測(cè)圖像數(shù)據(jù)和歷史圖像數(shù)據(jù)由于時(shí)間差異和位置差異造成的像素差異，進(jìn)而篩選超過(guò)閾值的異常變化數(shù)據(jù)，并結(jié)合圖像數(shù)據(jù)庫(kù)和地面設(shè)備臺(tái)賬信息，篩選電務(wù)軌旁設(shè)備變化數(shù)據(jù)，并通過(guò)人工確認(rèn)的方法指導(dǎo)維修。同時(shí)積累正、負(fù)樣本，旨在未來(lái)引入深度學(xué)習(xí)，替代人工實(shí)現(xiàn)自動(dòng)確認(rèn)變化性質(zhì)。

隨著高速鐵路營(yíng)業(yè)里程的快速增長(zhǎng)，鐵路行業(yè)已在著力推行多專業(yè)融合的綜合巡檢技術(shù)，旨在減少人工成本，提高檢測(cè)效率，保證鐵路行業(yè)健康、有序、高效地發(fā)展，為高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全保駕護(hù)航。