摘要：針對人工檢測動車組故障時，存在人員檢修壓力過大、檢修能力不足的問題，設(shè)計了一種運用機器人+視覺識別技術(shù)的列車車底智能檢測系統(tǒng)。詳細闡述了列車車底智能檢測系統(tǒng)的總體架構(gòu)、檢測流程和關(guān)鍵技術(shù)，以期能夠促進列車車底智能檢測系統(tǒng)的進一步推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機器人;視覺識別技術(shù);智能檢測

0 引言

目前我國有數(shù)個動車所已經(jīng)引進了智能檢測技術(shù)，可以同步完成動車組一級檢修中的走行部兩側(cè)、車頂、車底設(shè)備的檢測工作，節(jié)省檢修時間，提高檢修效率，同時可以減少作業(yè)人員，降低動車所人員的檢修壓力[1-2]。本文主要研究如何通過機器人+視覺識別技術(shù)實現(xiàn)車底智能檢測。

1 車底智能檢測應(yīng)用分析

動車組一級檢修周期是4 000 km或48 h，包括對制動、輪軸、受電弓在內(nèi)的全面檢測，一般由1～2個檢修作業(yè)小組完成[3]。檢修人員的檢修作業(yè)強度大、時間長，身體容易疲憊，作業(yè)質(zhì)量無法得到保證。檢修作業(yè)人員的檢修經(jīng)驗因人而異，無法為動車組檢修故障的大數(shù)據(jù)分析提供有效依據(jù)。針對以上問題，本文提出通過車底智能檢測機器人代替檢修人員人工檢測作業(yè)的建議。

2 車底智能檢測系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 ? ?總體架構(gòu)

列車車底智能檢測是用車底智能檢測機器人代替檢修作業(yè)人員，對動車組車底故障進行測量、識別和判斷。智能機器人替代人的雙腳，實現(xiàn)對列車車底的自動巡航[4]。六軸機械臂替代人的手臂，完全模擬人手臂伸入轉(zhuǎn)向架內(nèi)部檢測，甚至可達到人工無法檢測到的位置。視覺識別技術(shù)替代人的眼睛，自動采集圖像。工業(yè)計算軟件替代人的大腦，對圖像故障進行識別判斷，與車底標(biāo)準(zhǔn)模板進行綜合對比分析，生成故障檢測報告，實現(xiàn)對動車組底部故障的自動排查。再通過檢修作業(yè)人員的人工復(fù)核、故障信息查詢、故障統(tǒng)計分析等手段，完善動車所一級檢修管理工作[4]。

2.2 ? ?檢測流程

（1）檢修人員核準(zhǔn)待檢測列車的車型、車組號、列位等信息后，車底智能檢測機器人接收到檢測任務(wù)，自動調(diào)用此車型的作業(yè)方案，并開始檢測作業(yè)。

（2）車底智能檢測機器人在移動中快速采集車底圖像（采集范圍能覆蓋列車的列寬）。

（3）自動巡航模塊監(jiān)控車底特征零部件位置信息，根據(jù)該位置信息自動巡航到車底被遮擋零部件的位置，六軸機械臂對轉(zhuǎn)向架進行關(guān)鍵部位的圖像采集。

（4）采集后的圖像通過無線方式傳輸?shù)揭曈X識別服務(wù)器，工業(yè)計算軟件根據(jù)特定識別算法與該車標(biāo)準(zhǔn)模板綜合比對分析，生成故障檢測報告。

（5）檢修人員根據(jù)故障檢測報告，通過人工確認(rèn)或復(fù)核等方式確定故障，上報故障數(shù)據(jù)庫，并進行針對性修復(fù)。

3 主要功能與核心技術(shù)

（1）智能檢測。車底智能檢測機器人采集圖像后，通過圖像分割識別和特定識別算法，與車底標(biāo)準(zhǔn)模板綜合對比分析，并生成故障檢測報告。采集車底圖像模塊采用激光三角法測試，通過激光照射到被測物體時的3D成像規(guī)律，計算出被測物體的三維圖像信息[5]。關(guān)鍵部位采集圖像模塊采用結(jié)構(gòu)光，對關(guān)鍵部位進行多角度采集，形成完整的三維圖像信息，通過特定識別算法對關(guān)鍵部位進行故障識別。采集方式靈活，檢測效率高，可實現(xiàn)對車底結(jié)構(gòu)的多層次檢測。

（2）標(biāo)準(zhǔn)模板生成。系統(tǒng)根據(jù)采集相同部件的多張照片，使用多種視覺識別技術(shù)，提取圖像標(biāo)準(zhǔn)模板，再通過向量機技術(shù)抓住關(guān)鍵樣本，生成標(biāo)準(zhǔn)模板。

（3）深度學(xué)習(xí)。智能機器人對同一故障圖像進行深度學(xué)習(xí)，根據(jù)圖像變化量生成一個可信度權(quán)數(shù)，主動分析檢修歷史數(shù)據(jù)以及同車型的橫向數(shù)據(jù)，結(jié)合各系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行綜合計算，形成最終可信度權(quán)數(shù)，不斷提升視覺識別的準(zhǔn)確率，提高列車故障的預(yù)防功能，實現(xiàn)人工零復(fù)核[6]。

（4）大容量圖像數(shù)據(jù)傳輸。動車所內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、熱點多，使用2G網(wǎng)絡(luò)容易產(chǎn)生干擾，因此采用5G網(wǎng)絡(luò)，支持802.11ac無線路由器及無線AP，減少信號干擾，保證無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。根據(jù)車底故障圖像的特點，設(shè)計高清圖像壓縮傳輸技術(shù)，實現(xiàn)有限帶寬下的大容量圖像數(shù)據(jù)傳輸[7]。

（5）智能機器人的高精度定位。智能機器人智能導(dǎo)航、智能定位技術(shù)是建設(shè)檢測機器人系統(tǒng)的一項重要基礎(chǔ)工作。智能機器人在移動過程中監(jiān)控車底特征零部件的高度變化，當(dāng)高度在特定范圍內(nèi)波動時，可準(zhǔn)確判斷列車位置[8]。

（6）結(jié)構(gòu)光傳感器。采用特定波長的不可見光的紅外激光作為光源，它發(fā)射出來的光經(jīng)過編碼投影在物體上，可以準(zhǔn)確知道圖像中每個點離攝像頭的距離，加上該點在2D圖像中的（x，y）坐標(biāo)，得到物體的位置和深度信息。

（7）車底成像系統(tǒng)。主要由2個2D+3D成像組件構(gòu)成，采用高亮度激光補光配合機械精調(diào)機構(gòu)，保證高質(zhì)量的成像穩(wěn)定性，折返光路設(shè)計可獲取高精度的2D+3D匹配圖像，對齊誤差小于2個像素點，提升識別算法精度。

（8）虛擬現(xiàn)實應(yīng)用。在車底智能檢測機器人設(shè)計時采用離線編程技術(shù)，編程員通過虛擬現(xiàn)實直觀地檢查編程結(jié)果，進行人工編輯修正。首先在電腦上重建整個3D工作場景，確認(rèn)需要檢測的關(guān)鍵部位，配合編程員的操作，自動生成六軸機械臂的運動軌跡及控制指令，再將程序?qū)肓S機械臂[9]。

（9）列車檢修故障大數(shù)據(jù)分析。檢測數(shù)據(jù)與車號相匹配保存，對動車組運行狀態(tài)、故障信息進行統(tǒng)計分析，形成匯總數(shù)據(jù)及相應(yīng)報表，便于指導(dǎo)運輸及檢修計劃等，為后期的高鐵信息化等大數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)語

列車車底智能檢測系統(tǒng)是集機器人技術(shù)、高精度定位技術(shù)、自動控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和快速圖像采集技術(shù)、圖像分割識別技術(shù)、大容量圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、視覺識別技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)于一體的智能系統(tǒng)。應(yīng)用此智能檢測系統(tǒng)將大大縮短列車檢修時間，減輕作業(yè)人員的勞動強度，提高檢測作業(yè)質(zhì)量和效率，顯著提高動車組、大功率機車的檢修自動化水平，并為動車組檢修故障的大數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

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收稿日期：2020-04-28

作者簡介：龍偉（1990—），男，湖南湘潭人，助理工程師，研究方向：視覺檢測與自動化。