王 超 楊家旺 何建波 張抒屹 楊日城

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 阜新123000）

1 研究背景

截止2019 年底,全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到12.7 萬(wàn)公里,但部分鐵路運(yùn)轉(zhuǎn)狀況不佳,鐵軌超期服務(wù)現(xiàn)象嚴(yán)重,損傷的鐵軌占相當(dāng)比例。

對(duì)于檢測(cè)損傷鐵軌而言,人工檢測(cè)消耗時(shí)間長(zhǎng),無(wú)法確定細(xì)微傷痕,大范圍人工檢查難度大,檢測(cè)效率與質(zhì)量低；另外當(dāng)前普遍使用的超聲波探傷儀對(duì)人員要求較高,且存在缺少智能檢測(cè)設(shè)備輔助,錄像質(zhì)量低等缺點(diǎn)。因此研制智能化、平民化的鐵軌檢測(cè)設(shè)備已成為建設(shè)強(qiáng)國(guó)的發(fā)展需要。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)思路。以漏磁檢測(cè)為基礎(chǔ),將無(wú)線通信技術(shù)、移動(dòng)終端技術(shù)、GPS 定位技術(shù)等綜合應(yīng)用到鐵軌的信息傷損檢測(cè)、在線監(jiān)控、故障診斷等服務(wù)中,充分利用5G 通信技術(shù)交流、快捷的特點(diǎn),達(dá)到軌道探傷智能化的目的。

2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)。（1）體積小,該研究的目標(biāo)為設(shè)計(jì)一款便捷式的小型電動(dòng)鐵軌探傷車(chē),車(chē)子總重不超過(guò)20KG。（2）高精度鐵軌探傷,探傷小車(chē)采用2 個(gè)探頭,最遠(yuǎn)探傷可達(dá)6mm,同時(shí)充分保證了探頭發(fā)射和接受的信號(hào)不會(huì)改變。（3）在線故障識(shí)別,傳統(tǒng)的人工探傷小車(chē)無(wú)法立即確定所檢測(cè)位置的傷痕位置和深度,通過(guò)智能化的檢測(cè)方式及機(jī)器識(shí)別與人工回放復(fù)查的方式確定缺陷位置和鐵軌損傷的嚴(yán)重程度,完成損傷檢測(cè)之后小車(chē)自動(dòng)標(biāo)記鐵軌缺陷的位置信息以及深度信息。（4）在線定位功能,后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)探傷機(jī)器人所在位置,便于在完成檢測(cè)后能順利回收。（5）信息數(shù)據(jù)庫(kù),根據(jù)GPS、GIS 等定位技術(shù)準(zhǔn)確查找檢測(cè)路線上的傷損位置,并在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立修復(fù)歷史檔案。（6）自我診斷,考慮到小車(chē)可能會(huì)出現(xiàn)大的機(jī)械與電子方面上的故障,用C#語(yǔ)言建立自我診斷程序,實(shí)現(xiàn)鐵軌探傷機(jī)器人基于本體故障診斷。

圖1 漏磁原理示意圖

當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷位置時(shí),傳感器捕捉的漏磁信號(hào)以及攝像頭捕捉的圖像將第一時(shí)間發(fā)送至遠(yuǎn)端后臺(tái)系統(tǒng),并且為缺陷區(qū)域做出標(biāo)記,遠(yuǎn)端工作人員可以第一時(shí)間趕到需要維修的鐵軌區(qū)域,保證鐵路的安全性。

2.3 設(shè)計(jì)原理。假定被測(cè)的鐵磁性材料內(nèi)部材質(zhì)均勻分布,則材料內(nèi)部無(wú)缺陷時(shí),其內(nèi)部各處磁導(dǎo)率是相等的。被測(cè)樣件被磁化后,在無(wú)缺陷處,磁力線在樣件內(nèi)部平行于表面且均勻分布,此時(shí)在試件外部并無(wú)磁場(chǎng)泄漏。被測(cè)樣件表面有缺陷時(shí),由于缺陷附近材料分布不均勻,導(dǎo)致這部分材料的磁導(dǎo)率與與其他位置不相等,且缺陷內(nèi)部為空氣或其他磁導(dǎo)率相對(duì)來(lái)說(shuō)較低的材質(zhì),磁力線難以從中穿過(guò)。此時(shí)材料內(nèi)部的磁場(chǎng)不再均勻分布,雖然材料內(nèi)部仍有較多磁力線分布,但一小部分磁力線會(huì)繞過(guò)缺陷泄漏到空氣中,另外在缺陷內(nèi)部也會(huì)剩余部分磁力線[1]。

2.4 總體架構(gòu)。鐵軌探傷小車(chē)分為如下五個(gè)系統(tǒng)。（1）探傷系統(tǒng)。探傷系統(tǒng)由滑靴式探頭、漏磁檢測(cè)裝置、采集處理器以及漏磁探傷軟件。小車(chē)安裝的漏磁檢測(cè)裝置產(chǎn)生磁感線到行駛鋼軌上,鋼軌傷口返回的磁信號(hào)被滑靴式探頭接收,磁信號(hào)經(jīng)信息處理,再傳輸?shù)缴衔粰C(jī),達(dá)成探傷數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ)。當(dāng)有損傷信息出現(xiàn)時(shí),需要探傷車(chē)在鋼軌上及時(shí)噴涂標(biāo)記。（2）伺服系統(tǒng)。伺服子系統(tǒng)主要為探輪以及探輪支架構(gòu)成,用螺栓將探輪以及探輪支架連接車(chē)架上面,保證探傷結(jié)果平穩(wěn)、準(zhǔn)確和可靠。（3）電氣工程控制管理系統(tǒng)。以stm32f103 為MCU,連接進(jìn)行控制伺服電機(jī)控制器、避障、GPS 定位等系統(tǒng),做到可以實(shí)時(shí)有效控制與調(diào)整探傷運(yùn)行環(huán)境參數(shù),保證小車(chē)平穩(wěn)的運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取各模塊分析數(shù)據(jù)。（4）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。車(chē)架和輔助裝置等部件組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)漏磁探傷小車(chē)在被檢測(cè)的軌道上平穩(wěn)行走,并作為平臺(tái)搭載伺服系統(tǒng)、探傷系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。（5）制動(dòng)系統(tǒng)。漏磁探傷小車(chē)在鐵軌上正常行駛時(shí),當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺口處返回的磁信號(hào)或前方有意外狀況發(fā)生時(shí),小車(chē)就需要緊急制動(dòng)停車(chē),為了實(shí)現(xiàn)探傷小車(chē)制動(dòng)的安全平穩(wěn),小車(chē)準(zhǔn)備了兩種情況下的制動(dòng)方案：在發(fā)現(xiàn)缺口時(shí)處理器會(huì)選擇腳剎閘瓦式機(jī)械制動(dòng)；在GPS 和攝像頭監(jiān)測(cè)下若發(fā)生緊急情況將會(huì)采用電磁剎車(chē)制動(dòng)。電子自動(dòng)抱閘制動(dòng)減速機(jī)與制動(dòng)器連接,斷電后車(chē)輪會(huì)自動(dòng)抱閘,遠(yuǎn)端控制下（減速）,電器控制閘瓦減速使車(chē)輛停止,停止后車(chē)輪會(huì)自動(dòng)抱閘,鎖死[3]。

2.5 軟件架構(gòu)。采用C/S 架構(gòu)（服務(wù)器/客戶(hù)端）。具體使用三層C/S 的基本結(jié)構(gòu)（三層即用戶(hù)端界面層、應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)服務(wù)層）。這是一種多對(duì)多的結(jié)構(gòu),中間通過(guò)TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸。用戶(hù)界面層可以用“NO PC”終端、手機(jī)、智能平板電腦。此種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)以下幾點(diǎn)：（1）應(yīng)用各層可以并行開(kāi)發(fā),各層也可以選擇各自最合適的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,保證程序的可維護(hù)性[4]。（2）服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存大量探傷信息,信息基數(shù)大。使用該架構(gòu),安全性的維護(hù)與管理比較容易實(shí)現(xiàn)。（3）靈活的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu),減少了硬件投資。（4）檢測(cè)產(chǎn)生大量鐵路信息,該架構(gòu)可支持異種數(shù)據(jù)庫(kù),支持海量?jī)?chǔ)存,具備較強(qiáng)的可用性。

圖2 小車(chē)側(cè)面圖

2.6 數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì),確定為根據(jù)現(xiàn)有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)表的名稱(chēng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),該數(shù)據(jù)項(xiàng),該數(shù)據(jù)項(xiàng)代碼,數(shù)據(jù)類(lèi)型的名稱(chēng)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件可以采用Oracle10G。

2.7 開(kāi)發(fā)工具?；谠迹刚Z(yǔ)）C#開(kāi)發(fā)框架,本機(jī)應(yīng)用程序包括以下功能：（1）使用標(biāo)準(zhǔn)的用戶(hù)界面,并滿(mǎn)足每個(gè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。以提供一個(gè)優(yōu)化的效能配合硬件設(shè)備裝置。（2）C#函式庫(kù)供使用者可以使用,開(kāi)發(fā)工作人員可使用C#撰寫(xiě)教學(xué)程序,并透過(guò)學(xué)生良好的設(shè)計(jì),通過(guò)在不同發(fā)展平臺(tái)資源共享經(jīng)濟(jì)部分應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)代碼。編譯封裝技術(shù)完成的程序由于不經(jīng)過(guò)一個(gè)中間轉(zhuǎn)譯,直接編譯為原生的二進(jìn)制數(shù)據(jù)執(zhí)行相關(guān)文件[2]。

2.8 關(guān)鍵技術(shù)。（1）漏磁檢測(cè)技術(shù)。如果鐵軌表面或者內(nèi)部存在缺陷,則磁通量發(fā)生畸變,并且一些磁感應(yīng)線將泄露到表面?zhèn)诨蛲ㄟ^(guò)空氣再進(jìn)入材料從而在表面形成漏磁場(chǎng)。通過(guò)分析磁場(chǎng)傳感器捕獲的漏磁信號(hào)可以得到鐵軌缺陷的位置及大小。（2）GPS 定位技術(shù)。通過(guò)使用GPS 定位技術(shù),主控臺(tái)的操作人員可以了解小車(chē)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)軌跡,以了解小車(chē)運(yùn)動(dòng)路徑是否會(huì)有火車(chē)行駛,及時(shí)為火車(chē)讓開(kāi)道路。同時(shí),發(fā)現(xiàn)鐵軌有傷痕時(shí),通過(guò)GPS 定位確定傷痕的位置,在傳輸信息中說(shuō)明并在顯示圖上做出標(biāo)記。（3）智能機(jī)器學(xué)習(xí)。小車(chē)運(yùn)行中所遇到的所有傷痕經(jīng)過(guò)參數(shù)計(jì)算留存最終數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)里,小車(chē)控制系統(tǒng)通過(guò)深度學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存的傷痕數(shù)據(jù)并將學(xué)習(xí)到的數(shù)據(jù)運(yùn)用到新的傷痕探測(cè)中。（4）信息追蹤管理。追蹤功能包括系統(tǒng)登錄信息、數(shù)據(jù)請(qǐng)求信息等,方便技術(shù)人員處理信息,維護(hù)系統(tǒng)。（5）工作流技術(shù),通過(guò)在服務(wù)器端配置各個(gè)流程的節(jié)點(diǎn)以及規(guī)則等,系統(tǒng)上線后業(yè)務(wù)人員可以按照反饋需求對(duì)功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和調(diào)整。（6）大數(shù)據(jù)與云計(jì)算。鐵軌探傷信息數(shù)量龐大,采用大數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和關(guān)聯(lián)分析。采集到的所有數(shù)據(jù)上傳到云端,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)“云”將巨大的數(shù)據(jù)計(jì)算運(yùn)算,最后將結(jié)果合并,得到小車(chē)需要深度學(xué)習(xí)的具體數(shù)據(jù)。（7）機(jī)器視覺(jué)?；谝环N動(dòng)態(tài)圖像識(shí)別技術(shù),基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替,讓周?chē)南袼刂到咏恼鎸?shí)值。該方法對(duì)噪聲有良好的濾除作用,同時(shí)能夠保護(hù)圖像特征部分的邊緣,使之不被模糊[6]。

圖3 實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)

3 創(chuàng)新特色

3.1 在線故障識(shí)別。人工識(shí)別與機(jī)器識(shí)別結(jié)合檢測(cè)鐵軌,保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,發(fā)現(xiàn)探傷處機(jī)器將標(biāo)記缺陷位置,提高檢修效率。

3.2 多傳感器融合。圖像傳感器、超聲波傳感器等多傳感器融合使鐵軌探傷機(jī)器人具備足夠的安全性與數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

3.3 機(jī)器視覺(jué)?；趧?dòng)態(tài)圖像識(shí)別技術(shù),檢測(cè)裝置接收到的圖像進(jìn)行預(yù)處理并提取特征,生成易于人眼識(shí)別的圖像。

3.4 信息數(shù)據(jù)庫(kù)。鐵軌探傷數(shù)據(jù)整理收錄到信息數(shù)據(jù)庫(kù)中,為機(jī)器深度學(xué)習(xí)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.5 自我診斷。針對(duì)檢測(cè)機(jī)器人可能會(huì)在在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生機(jī)械和電子方面的故障,自我診斷程序檢測(cè)潛在漏洞并發(fā)送給檢修人員。

4 結(jié)論

對(duì)比當(dāng)前的人工檢測(cè)手段,本發(fā)明節(jié)省了人工勞動(dòng),提高了軌道檢測(cè)質(zhì)量與效率,助推了軌道檢測(cè)智能化發(fā)展。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等新興領(lǐng)域的不斷發(fā)展,高效率檢測(cè)與智能化省級(jí)已經(jīng)成為鐵路安全檢測(cè)的必然發(fā)展趨勢(shì),該發(fā)明通過(guò)機(jī)器人視覺(jué)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù),一次性完成多項(xiàng)軌道檢測(cè)模塊任務(wù),為鐵軌探傷提供了高精度、高效率的檢測(cè)服務(wù)。通過(guò)人工智能、大數(shù)據(jù)等對(duì)現(xiàn)有機(jī)器檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行賦能,最終實(shí)現(xiàn)鐵軌安全檢測(cè)的自動(dòng)化和智能化升級(jí)。