閆曉莉

隨著高速客運(yùn)列車(chē)、重載貨運(yùn)列車(chē)的開(kāi)行，帶動(dòng)了鐵路運(yùn)輸技術(shù)的一系列變革。在高速運(yùn)行狀態(tài)下，任何細(xì)小、細(xì)微的故障都有可能引發(fā)重大事故，因此提高機(jī)車(chē)在運(yùn)營(yíng)與檢修狀態(tài)下部件狀態(tài)的檢測(cè)和異常預(yù)警，對(duì)提高檢修運(yùn)用質(zhì)量至關(guān)重要［1］。在現(xiàn)有的檢測(cè)手段中，電務(wù)車(chē)載設(shè)備自動(dòng)檢、周期檢雖已實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)上設(shè)備全覆蓋自動(dòng)化檢查，但對(duì)車(chē)底設(shè)備還主要依靠人眼識(shí)別，主觀性較強(qiáng)，且對(duì)環(huán)境適應(yīng)性差、效率低［2］。

為解決機(jī)車(chē)車(chē)底設(shè)備檢測(cè)診斷手段不足的問(wèn)題，鄭州電務(wù)段進(jìn)行了深入調(diào)研，并委托北京思維鑫科信息技術(shù)有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)研制了一套機(jī)車(chē)走行部電務(wù)設(shè)備智能檢測(cè)診斷系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“檢測(cè)系統(tǒng)”），改變了單獨(dú)人工作業(yè)方式，提高了故障檢查的可靠性；做到全方位檢查，減輕室外作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度；基于深度學(xué)習(xí)、圖像對(duì)比的方式，識(shí)別車(chē)載設(shè)備狀態(tài)，客觀性和準(zhǔn)確性明顯提高，隨時(shí)可以掌握設(shè)備的質(zhì)量情況，為機(jī)車(chē)車(chē)底設(shè)備可視部件的科學(xué)維護(hù)提供了可靠的依據(jù)，成本低，可廣泛推廣使用。

1 檢測(cè)系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)方案

檢測(cè)系統(tǒng)由前端采集控制子系統(tǒng)（硬件）和故障圖像自動(dòng)識(shí)別子系統(tǒng)（軟件）2部分組成。硬件包括車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)和圖像自動(dòng)采集設(shè)備，可完成車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別和圖像自動(dòng)采集；軟件包括圖像智能識(shí)別軟件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件和展示客戶端軟件等，采用光流圖像測(cè)速、光學(xué)成像、聯(lián)動(dòng)控制、圖像識(shí)別與對(duì)比等關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)底設(shè)備的故障圖像智能分析。檢測(cè)系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)方案見(jiàn)圖1。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)方案

2 前端采集控制子系統(tǒng)

前端采集控制子系統(tǒng)是對(duì)機(jī)車(chē)速度、車(chē)號(hào)、車(chē)型進(jìn)行判斷，進(jìn)而控制補(bǔ)償光源和防護(hù)設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉，為攝像機(jī)的保護(hù)設(shè)備、除塵設(shè)備、攝像機(jī)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整等提供控制信息；同時(shí)根據(jù)機(jī)車(chē)速度、機(jī)車(chē)位置控制攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集、傳輸和處理，完成機(jī)車(chē)在非勻速狀態(tài)下的圖像拼接與修正，處理電務(wù)專(zhuān)業(yè)所關(guān)注設(shè)備（如電子標(biāo)簽、機(jī)感線圈、速度傳感器、接線盒等）的高清圖像信息。

2.1 硬件設(shè)備

前端采集控制子系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要由高速攝像機(jī)、補(bǔ)償光源、防護(hù)設(shè)備、車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)、測(cè)速系統(tǒng)、圖像采集計(jì)算機(jī)、控制計(jì)算機(jī)、電氣控制箱、交換機(jī)等組成，見(jiàn)圖2。其中，采集設(shè)備的數(shù)據(jù)和控制信息通過(guò)千兆網(wǎng)絡(luò)與前端控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；控制設(shè)備采集的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸至檢測(cè)中心設(shè)備。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.2 控制模塊

前端采集控制子系統(tǒng)控制模塊集成檢測(cè)車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)子模塊、磁鋼信號(hào)檢測(cè)子模塊、核心控制模塊、信息收發(fā)模塊等功能，通過(guò)車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)提供的車(chē)型和車(chē)號(hào)信息，再匯集磁鋼信號(hào)檢測(cè)子模塊采集并計(jì)算輸出的車(chē)速及機(jī)車(chē)位置信息，并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)由核心控制模塊輸出相關(guān)的控制信號(hào)至防護(hù)設(shè)備模塊和攝像機(jī)控制信號(hào)模塊，最終由信息收發(fā)模塊通過(guò)LAN與中心服務(wù)器進(jìn)行信息通信。控制模塊信息流程設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 控制模塊信息流程

2.3 邏輯處理模塊

前端采集控制子系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中由邏輯處理模塊處理自鎖狀態(tài)、預(yù)備狀態(tài)和接車(chē)狀態(tài)，各狀態(tài)切換過(guò)程邏輯見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)狀態(tài)切換邏輯

自鎖狀態(tài)為系統(tǒng)的保護(hù)狀態(tài)，該狀態(tài)下保護(hù)裝置處于保護(hù)位，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各磁鋼狀態(tài)。需要特殊說(shuō)明的是：自鎖狀態(tài)可視為系統(tǒng)的缺省狀態(tài)，無(wú)論系統(tǒng)處于哪個(gè)工作狀態(tài)下，只要系統(tǒng)出現(xiàn)自檢故障均跳轉(zhuǎn)至自鎖狀態(tài)，然后再對(duì)外進(jìn)行故障報(bào)警，維護(hù)人員可進(jìn)行遠(yuǎn)程/人工故障排除。

預(yù)備狀態(tài)下，各控制繼電器元件處于使能位，攝像機(jī)、LED電源處于上電預(yù)備工作狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備接車(chē)；當(dāng)預(yù)備磁鋼處于激活狀態(tài)后，系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)備狀態(tài)等待，在一定時(shí)間內(nèi)若接車(chē)磁鋼處于激活狀態(tài)后，系統(tǒng)進(jìn)入接車(chē)狀態(tài)，各種設(shè)備開(kāi)始工作。

3 故障圖像自動(dòng)識(shí)別子系統(tǒng)

故障圖像自動(dòng)識(shí)別子系統(tǒng)由檢測(cè)中心服務(wù)器及圖像自動(dòng)識(shí)別軟件構(gòu)成，主要完成采集圖像的數(shù)據(jù)運(yùn)算、智能對(duì)比和異常報(bào)警等；存儲(chǔ)機(jī)車(chē)的車(chē)號(hào)信息、歷史圖像數(shù)據(jù)、異常圖像數(shù)據(jù)等，同時(shí)與前端采集和控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；采用Web客戶端做最終的客戶應(yīng)用展示。

3.1 硬件設(shè)備

故障圖像自動(dòng)識(shí)別子系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由圖像識(shí)別服務(wù)器、圖像數(shù)據(jù)服務(wù)器、交換機(jī)、Web客戶端等設(shè)備組成。其中圖像識(shí)別服務(wù)器用于檢測(cè)中心系統(tǒng)，其硬件架構(gòu)見(jiàn)圖2。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

故障圖像自動(dòng)識(shí)別子系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)入庫(kù)機(jī)車(chē)圖像傳輸、預(yù)處理、圖像智能分析、故障判斷、圖像存儲(chǔ)、檢索、瀏覽、操作等功能；圖片智能分析、故障判斷利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)識(shí)別異常圖片并進(jìn)行標(biāo)記，方便維護(hù)人員進(jìn)行核實(shí)和查驗(yàn)；數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用MySQL，主要用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)配置信息和業(yè)務(wù)邏輯數(shù)據(jù)，如檢測(cè)結(jié)果、報(bào)警時(shí)間、圖片索引等［3］。主要軟件模塊如下。

3.2.1 圖像采集存儲(chǔ)模塊

圖像采集將機(jī)車(chē)走行部圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MongoDB+GridFS分布式集群中，通過(guò)文檔key來(lái)索引［4］；圖像存儲(chǔ)采用MongoDB文檔數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)二進(jìn)制圖像數(shù)據(jù)，使用GridFS基于MongoDB來(lái)持久存儲(chǔ)文件，并且支持分布式應(yīng)用（文件分布存儲(chǔ)和讀?。?。

3.2.2 圖像智能識(shí)別模塊

圖像智能識(shí)別模塊采用Single-stage目標(biāo)檢測(cè)算法。該算法具有獨(dú)特的實(shí)時(shí)識(shí)別能力和高檢測(cè)精度。與常見(jiàn)的預(yù)訓(xùn)練策略相反，采用從頭開(kāi)始訓(xùn)練的檢測(cè)模型，其優(yōu)點(diǎn)是可以減少分類(lèi)和定位之間的任務(wù)偏差，尤其是在重疊閾值較高的情況下。但是，與基于典型的微調(diào)模型相比，從頭開(kāi)始訓(xùn)練的檢測(cè)模型需要大量的訓(xùn)練時(shí)間。為此，系統(tǒng)引入了一個(gè)Single-stage檢測(cè)框架，結(jié)合了微調(diào)預(yù)訓(xùn)練模型和從頭開(kāi)始訓(xùn)練的優(yōu)點(diǎn)［5］，采用單個(gè)Titan X GPU來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像智能識(shí)別。該模塊重點(diǎn)對(duì)電務(wù)車(chē)載設(shè)備的以下項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)識(shí)別。

1）Ⅰ、Ⅱ端機(jī)車(chē)信號(hào)感應(yīng)器安裝緊固程度，包括螺栓、螺帽、開(kāi)口銷(xiāo)、開(kāi)口銷(xiāo)劈開(kāi)角度等。

2）引入電纜（導(dǎo)線）固定，包扎良好無(wú)破損、護(hù)套完整。

3）主、備速度傳感器安裝牢固，螺栓、平墊、彈簧墊齊全；接插件、導(dǎo)線、綁扎狀態(tài)良好。

4）電子標(biāo)簽安裝牢固，螺栓、平墊、彈簧墊齊全；接插件、導(dǎo)線、綁扎狀態(tài)良好。

3.2.3 Web客戶端展示模塊

Web前端采用HTML 5+JavaScript實(shí)現(xiàn)，通過(guò)HTML構(gòu)造用戶交互界面；JS客戶端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)后臺(tái)接口服務(wù)，向后臺(tái)接口服務(wù)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求并接收反饋的數(shù)據(jù)，在IE瀏覽器中進(jìn)行顯示?？蛻舳酥С諻indows操作系統(tǒng)，無(wú)需安裝任何其他應(yīng)用軟件，只需使用Windows自帶的IE瀏覽器［6-7］。

Web應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)客戶端瀏覽、檢索和查詢(xún)機(jī)車(chē)圖像信息，并記錄操作人員的操作記錄等。

軟件交互界面主要分為控制區(qū)、用戶管理區(qū)、檢測(cè)狀態(tài)區(qū)、列車(chē)信息區(qū)、反饋信息區(qū)、硬件狀態(tài)區(qū)及備用區(qū)等，其具體功能如下。

1）控制區(qū)：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制以及數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出處理，包括配置系統(tǒng)參數(shù)、遠(yuǎn)程故障診斷和控制等功能。

2）用戶管理區(qū)：主要為系統(tǒng)用戶的管理，并呈現(xiàn)當(dāng)前用戶的各種狀態(tài)。

3）列車(chē)信息區(qū)：實(shí)現(xiàn)按照位置及車(chē)型進(jìn)行篩選，并增加按機(jī)車(chē)號(hào)查詢(xún)等功能。

4）檢測(cè)狀態(tài)區(qū)：當(dāng)滿足篩選條件后，檢測(cè)狀態(tài)區(qū)可呈現(xiàn)各項(xiàng)檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)狀態(tài)；雙擊各檢測(cè)點(diǎn)，可調(diào)取故障圖像進(jìn)行故障復(fù)核。

5）反饋信息區(qū)：反饋當(dāng)前系統(tǒng)正在進(jìn)行的工作，使操作人員能夠一目了然。

6）硬件狀態(tài)區(qū)：反饋當(dāng)前系統(tǒng)的自檢狀態(tài)、磁鋼狀態(tài)等，可根據(jù)需要進(jìn)行添加或減少狀態(tài)顯示。

4 系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)用

4.1 系統(tǒng)硬件部署

系統(tǒng)硬件整體部署于鄭州機(jī)務(wù)段段內(nèi)機(jī)車(chē)入庫(kù)咽喉區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)部署框圖見(jiàn)圖5。

圖5 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝部署框圖

系統(tǒng)采用G3-GM11-M2420的工業(yè)攝像頭配合力凌鏡頭來(lái)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集，可獲得2 448×2 048分辨率，30 fps幀率的視頻圖像；采用千兆網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；用標(biāo)準(zhǔn)磁鋼進(jìn)行機(jī)車(chē)來(lái)車(chē)預(yù)警、觸發(fā)相機(jī)和機(jī)車(chē)測(cè)速；采用波長(zhǎng)為647～700 nm紅光補(bǔ)光燈進(jìn)行攝像補(bǔ)光；自主設(shè)計(jì)相機(jī)防護(hù)沉箱和側(cè)箱，及24 V的開(kāi)箱控制電機(jī)；采用帶空調(diào)的軌旁機(jī)柜來(lái)保證軌旁控制設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性；采用光纖進(jìn)行軌旁采集的圖像數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)服務(wù)器之間的通信。

4.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試

在基建及硬件設(shè)備部署到位后，先進(jìn)行了系統(tǒng)的整體聯(lián)調(diào)，分別對(duì)電源、通信光纖、LVDS端口線、攝像機(jī)網(wǎng)線、攝像機(jī)電源、補(bǔ)光燈、防護(hù)箱電機(jī)、車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)等線纜進(jìn)行連接和調(diào)試；確認(rèn)無(wú)誤后，再進(jìn)行前端控制與采集系統(tǒng)的調(diào)試，檢查車(chē)號(hào)車(chē)型識(shí)別、車(chē)軸計(jì)軸、車(chē)速計(jì)算、圖像采集等數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圖像自動(dòng)采集設(shè)備拍照質(zhì)量，調(diào)節(jié)補(bǔ)償光源亮度、角度和閃光時(shí)間；調(diào)整工業(yè)攝像機(jī)的光圈大小、快門(mén)時(shí)間和焦距等參數(shù)。

在系統(tǒng)硬件調(diào)試完畢的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行軟件調(diào)試。該部分主要加強(qiáng)軟件智能計(jì)算模型訓(xùn)練和機(jī)器模型的自學(xué)習(xí)。

在調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題需重點(diǎn)關(guān)注和解決。

1）因環(huán)境為有砟股道，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的過(guò)程中，陽(yáng)光干擾、水汽霧氣、灰塵等因素造成了攝像機(jī)成像效果的不穩(wěn)定，為此需要根據(jù)所選用的高速攝像機(jī)，進(jìn)行補(bǔ)償光源、異物水汽清掃風(fēng)機(jī)等設(shè)備的匹配，并進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試。

2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，各種設(shè)備的應(yīng)用時(shí)序需緊密配合，尤其是防護(hù)設(shè)備箱、補(bǔ)償電源、攝像機(jī)與風(fēng)機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制是關(guān)鍵技術(shù)之一。

3）在補(bǔ)光燈調(diào)試中，因車(chē)底部分空間為鏤空（即沒(méi)有輪對(duì)遮擋），雙方側(cè)箱補(bǔ)光燈發(fā)出的頻閃光源會(huì)導(dǎo)致對(duì)側(cè)相機(jī)過(guò)曝光，需在控制補(bǔ)光燈頻閃時(shí)，錯(cuò)開(kāi)相機(jī)拍攝時(shí)間與補(bǔ)光燈頻閃時(shí)間。

4）補(bǔ)光燈選型時(shí)，因拍攝物體為深色金屬，為保證成像效果，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用640～700 nm波長(zhǎng)的紅光補(bǔ)光燈成像效果最好。

為實(shí)現(xiàn)故障圖像的異常報(bào)警，其中關(guān)鍵的一步是被對(duì)比圖像與智能學(xué)習(xí)比對(duì)的模型圖像之間的配準(zhǔn)，而配準(zhǔn)的主要目的是消除圖像采集過(guò)程中由于車(chē)速、天氣、光線、抖動(dòng)等外部因素造成的圖像不一致，實(shí)現(xiàn)歸一化。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

1）改善檢測(cè)人員的工作條件，減輕室外作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高檢測(cè)質(zhì)量。系統(tǒng)部署后，檢測(cè)人員可以由單獨(dú)的“室外檢查”改為“室內(nèi)室外聯(lián)檢”。作業(yè)人員先利用系統(tǒng)去查看設(shè)備狀況，發(fā)現(xiàn)可疑點(diǎn)后，再有針對(duì)性地下車(chē)底檢查設(shè)備狀態(tài)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，每臺(tái)機(jī)車(chē)平均作業(yè)時(shí)間可以由25 min縮短至8 min，作業(yè)時(shí)間減少68%。

2）視頻可檢索與定位播放，便于對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行復(fù)檢和追溯。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，按照設(shè)備檢測(cè)視頻存儲(chǔ)時(shí)間不少于6個(gè)月，故障圖像保存不少于5年的要求，檢測(cè)人員可以隨時(shí)進(jìn)行檢索和回放。

3）對(duì)檢測(cè)出的故障數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘，為周期檢提供依據(jù)。系統(tǒng)按車(chē)型、修程、故障時(shí)間等對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并匯總，提取有效數(shù)據(jù)，形成高價(jià)值信息，生成有效的分析處理結(jié)果；為相關(guān)設(shè)備檢測(cè)周期的確定提供數(shù)據(jù)支撐，保障風(fēng)險(xiǎn)可控。

4）系統(tǒng)后續(xù)將逐步實(shí)現(xiàn)智能診斷的功能，可進(jìn)一步降低檢測(cè)人員的工作強(qiáng)度。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的機(jī)車(chē)圖像歷史數(shù)據(jù)，利用深度學(xué)習(xí)的算法不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)、反饋、更新的迭代訓(xùn)練過(guò)程，不斷地提高系統(tǒng)適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)智能診斷功能。通過(guò)對(duì)比分析當(dāng)前采集到的圖像數(shù)據(jù)，利用智能診斷找出可疑設(shè)備異常點(diǎn)，經(jīng)檢測(cè)人員再上車(chē)進(jìn)行確認(rèn)和處理，可進(jìn)一步降低檢測(cè)人員的工作強(qiáng)度。

6 結(jié)語(yǔ)

機(jī)車(chē)走行部電務(wù)設(shè)備智能診斷檢測(cè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)合理、功能齊全、人機(jī)交互友好，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，它的成功研制與應(yīng)用，改變了原有機(jī)車(chē)入庫(kù)檢測(cè)作業(yè)的工作模式，實(shí)現(xiàn)了車(chē)底設(shè)備的遠(yuǎn)程識(shí)別和智能診斷，目前該系統(tǒng)已在現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。