周永華，高善兵，李玉東，費(fèi)向超

（1.中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司濟(jì)南西車輛段，山東 濟(jì)南 250117；2.中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250001；3.中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司日照車輛段，山東 日照 276800）

目前，全路各技術(shù)交接作業(yè)場普遍采用室外人工檢查作業(yè)方式，對(duì)車輛按照規(guī)定的檢查范圍和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)逐輛進(jìn)行人工目視檢查，確認(rèn)車輛各部件技術(shù)狀態(tài)是否符合運(yùn)用要求。由于受人員素質(zhì)、技術(shù)水平、勞動(dòng)強(qiáng)度、信息化程度等因素影響，車輛漏檢、漏修問題時(shí)有出現(xiàn)；另外受夜間作業(yè)、惡劣天氣等因素影響，加之無信息化手段進(jìn)行預(yù)警，經(jīng)技術(shù)交接作業(yè)后車輛質(zhì)量難以保證；同時(shí)出現(xiàn)問題后，無車輛部件圖像等有效手段進(jìn)行問題追溯和責(zé)任界定。借鑒列檢作業(yè)場利用TFDS 設(shè)備進(jìn)行人機(jī)分工作業(yè)的方式，以及利用智能識(shí)別技術(shù)進(jìn)行TFDS 通過作業(yè)，在專用線與接軌站間安裝TFDS 設(shè)備，同時(shí)利用智能識(shí)別技術(shù)進(jìn)行技術(shù)交接作業(yè)，以此提高專用線技術(shù)交接作業(yè)質(zhì)量，優(yōu)化技術(shù)交接作業(yè)場人員，把住干線入口關(guān)。

1 TFDS 技術(shù)發(fā)展

為了解決鐵路貨車人工技術(shù)檢查作業(yè)存在的弊端，中國從2001 年開始研發(fā)貨車故障軌旁圖像檢測系統(tǒng)（TFDS）[2-4]。TFDS 是一套集高速數(shù)字圖像采集、大容量圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和精確定位、模式識(shí)別技術(shù)于一體的智能系統(tǒng)，系統(tǒng)利用軌邊高速攝像機(jī)，拍攝通過的貨物列車車輛的底部和側(cè)部圖像，對(duì)抓拍到的圖像進(jìn)行分析，判別有關(guān)故障，達(dá)到防止車輛發(fā)生危及行車安全故障上線運(yùn)行的目的。該系統(tǒng)至今已發(fā)展至TFDS-3 型，同時(shí)隨著深度學(xué)習(xí)、AI技術(shù)的發(fā)展，車輛故障智能識(shí)別技術(shù)也日臻成熟，已在全路各大干線投入建設(shè)運(yùn)用，是當(dāng)前貨車運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要手段和組成部分。

2 TFDS 智能識(shí)別技術(shù)

2.1 TFDS 智能識(shí)別技術(shù)原理

TFDS 故障智能識(shí)別采用基于深度學(xué)習(xí)的智能識(shí)別技術(shù)，對(duì)貨車識(shí)別對(duì)象以“輛”為單位，根據(jù)TFDS過車量可選擇“多對(duì)一”或者“一對(duì)多”的識(shí)別模式?，F(xiàn)最新TFDS-3 型設(shè)備針對(duì)線陣相機(jī)采集列車圖像特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于高斯擬合的圖像歸整化方法、改進(jìn)的伽馬變換圖像增強(qiáng)方法，在圖像中定位車軸，消除傳統(tǒng)線陣相機(jī)采集圖像過程中因車輛調(diào)速使圖像產(chǎn)生畸變的問題，實(shí)現(xiàn)了識(shí)別對(duì)象的歸一化，從而改善圖像質(zhì)量。通過提取全路TFDS 識(shí)別不同車型、故障圖片擴(kuò)增深度學(xué)習(xí)樣本庫，并進(jìn)行故障樣本圖的還原，以此來實(shí)現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的故障智能識(shí)別算法在全路95%以上車型的工程化應(yīng)用。

2.2 TFDS 智能識(shí)別技術(shù)優(yōu)勢

基于現(xiàn)有TFDS 智能檢測技術(shù)的諸多優(yōu)勢，設(shè)計(jì)開發(fā)專用線鐵路貨車TFDS 智能技術(shù)交接平臺(tái)。該平臺(tái)應(yīng)用安裝在鐵路線路上的車號(hào)、圖像采集等設(shè)備，在列車通過設(shè)備時(shí)自動(dòng)采集通過列車的線陣圖像，傳輸至多GPU（Graphics Processing Unit，圖形處理器）中，在平臺(tái)采集的線陣圖像的基礎(chǔ)上，綜合利用深度學(xué)習(xí)和AI圖像處理等技術(shù)手段，智能識(shí)別運(yùn)行中的鐵路貨車車輛故障并進(jìn)行預(yù)警，使技術(shù)交接作業(yè)質(zhì)量受人為和環(huán)境因素影響大大降低。同時(shí)基于“科技保安全”的工作理念，積極推進(jìn)使用TFDS 對(duì)專用線鐵路貨車進(jìn)行技術(shù)交接和安全把控，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)專用線鐵路貨車技術(shù)狀態(tài)的可視化、智能化、信息化管理，以此來提升專用線交出車輛質(zhì)量。

3 TFDS 技術(shù)交接智能平臺(tái)設(shè)計(jì)

TFDS 技術(shù)交接智能平臺(tái)主要由圖像采集子系統(tǒng)、故障智能識(shí)別子系統(tǒng)及TFDS 集中作業(yè)平臺(tái)子系統(tǒng)組成，各個(gè)系統(tǒng)在相應(yīng)的運(yùn)行環(huán)境下相互獨(dú)立運(yùn)行并在綜合服務(wù)器中整合。

3.1 TFDS 運(yùn)行條件

速度和時(shí)間：適應(yīng)車速范圍為0～120 km/h，保護(hù)門開啟、關(guān)閉反應(yīng)時(shí)間小于等于1.5 s；補(bǔ)償光源開啟關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間小于等于1 s。

主要硬件：車輪傳感器為KG50 型有源車輪傳感器；車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)為車號(hào)智能識(shí)別裝置，符合GB/T 25340—2010《鐵路機(jī)車車輛自動(dòng)識(shí)別設(shè)備技術(shù)條件》的有關(guān)規(guī)定，識(shí)別率大于99.9%；存儲(chǔ)服務(wù)器保存非故障列車圖像信息的時(shí)間不少于30 d，保存故障圖片及相關(guān)信息的時(shí)間不少于2 年。

技術(shù)指標(biāo)：A 類故障識(shí)別率α大于99.99%，B 類故障識(shí)別率α大于95.00%，C類故障識(shí)別率α大于90.00%。單列車（50 輛）智能識(shí)別時(shí)間小于等于8 min，輛均誤報(bào)數(shù)時(shí)間小于等于4 件。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

3.2.1 圖像采集子系統(tǒng)

圖像采集子系統(tǒng)由軌旁設(shè)備和機(jī)房設(shè)備組成。軌旁設(shè)備包含車輪傳感器、AEI（Automatic EquipmentIdentification，鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）天線、圖像采集模塊等，用于采集圖像和車輛信息。

機(jī)房設(shè)備包含車輪傳感器處理裝置、系統(tǒng)控制模塊、AEI主機(jī)、圖像處理模塊及圖像存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)圖像和車輛信息。

3.2.2 故障智能識(shí)別子系統(tǒng)

故障智能識(shí)別子系統(tǒng)利用多進(jìn)程管理及所設(shè)計(jì)的軟件構(gòu)架可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛故障的智能識(shí)別，并將故障信息上傳至集中檢車平臺(tái)。

3.2.2.1 硬件架構(gòu)

TFDS 技術(shù)交接智能平臺(tái)由圖像智能分析服務(wù)器、故障智能識(shí)別模塊組成。多個(gè)智能識(shí)別模塊可實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行，并由進(jìn)程集中管理。每臺(tái)GPU 對(duì)應(yīng)一個(gè)后臺(tái)管理進(jìn)程，進(jìn)程開機(jī)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)并進(jìn)行模塊初始化，等待識(shí)別任務(wù)。進(jìn)行任務(wù)識(shí)別時(shí)，多機(jī)、多進(jìn)程、多模塊可并行執(zhí)行識(shí)別任務(wù)，提高資源利用率及識(shí)別效率。

3.2.2.2 軟件架構(gòu)

TFDS 技術(shù)交接智能平臺(tái)研究與開發(fā)整體架構(gòu)如圖1 所示，分為框架、存儲(chǔ)、服務(wù)、網(wǎng)關(guān)、前端5 個(gè)層次。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)圖

框架：基于主流深度學(xué)習(xí)框架PyTorch 搭建智能識(shí)別平臺(tái)，可為智能識(shí)別提供多種運(yùn)行時(shí)所需的環(huán)境及較高的推理性能。

存儲(chǔ)：通過數(shù)據(jù)庫和磁盤陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像和列車信息的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)保護(hù)，并且為提升算法運(yùn)行速度加裝顯卡內(nèi)存。

服務(wù)：根據(jù)軸距信息和部件的位置的先驗(yàn)信息，獲得各部件的粗定位后，采用深度學(xué)習(xí)、圖像處理等方法對(duì)部件進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，并將識(shí)別出的故障信息錄入數(shù)據(jù)庫和上傳至TFDS 集中檢車平臺(tái)。

網(wǎng)關(guān)：規(guī)范統(tǒng)一對(duì)外接口，對(duì)外部數(shù)據(jù)和內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離，減少對(duì)外暴露服務(wù)，以此增加系統(tǒng)的安全性，保障后臺(tái)服務(wù)及網(wǎng)絡(luò)安全性。

前端：向TFDS 集中檢車平臺(tái)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供智能識(shí)別發(fā)現(xiàn)故障信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶的友好交互。

3.3 TFDS 集中檢車平臺(tái)子系統(tǒng)

TFDS 集中檢車平臺(tái)子系統(tǒng)采用經(jīng)典的B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式）架構(gòu)設(shè)計(jì)，前端頁面主要負(fù)責(zé)支持用戶平時(shí)的日常工作，包括交接班、分組排班、智能分車、檢車、故障確認(rèn)下發(fā)等工作。與其他子系統(tǒng)通過Socket 或Http 等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，平臺(tái)采取后臺(tái)異步任務(wù)方式實(shí)現(xiàn)過車數(shù)據(jù)同步。

3.4 平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

3.4.1 圖像信息采集技術(shù)

充分利用TFDS-3 型設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，采用高速工業(yè)線陣掃描攝像機(jī)作為拍攝單元，使用紅外線性激光光源作為拍攝補(bǔ)償光源，提高它抗沙塵、雨雪、陽光的干擾能力，同時(shí)使拍攝圖像白夜、遠(yuǎn)近亮度保持一致。

3.4.2 故障智能識(shí)別技術(shù)

平臺(tái)通過建模拓展，目前可智能識(shí)別65大類故障，根據(jù)軸距信息和部件位置的先驗(yàn)信息，獲得各部件的粗定位后，采用深度學(xué)習(xí)、圖像處理等方法對(duì)部件進(jìn)行識(shí)別。部件檢測定位算法需要首先訓(xùn)練一個(gè)用于部件定位的分類器。經(jīng)過對(duì)各種類型車輛檢測的相關(guān)調(diào)研，首先將部件的故障進(jìn)行分類，建立標(biāo)準(zhǔn)樣本圖庫，在訓(xùn)練過程中，樣本圖庫中的正樣本和反樣本在經(jīng)過預(yù)處理和特征提取后，訓(xùn)練形成該部件的分類器，在后續(xù)的檢測定位過程中，經(jīng)過同樣的預(yù)處理和特征提取算法后，由先前訓(xùn)練好的分類器進(jìn)行分類，最后依據(jù)分類結(jié)果確定是否存在故障。對(duì)于一幅TFDS 圖像，固定一個(gè)掃描窗口，將整幅TFDS 圖像掃描一遍后，依據(jù)每一個(gè)掃描窗口的分類結(jié)果，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)部件的精確定位。

以滾動(dòng)軸承前蓋螺栓丟失故障識(shí)別為例，其檢測流程如圖2 所示。

圖2 滾動(dòng)軸承前蓋螺栓丟失檢測流程圖

輸入圖片在2 類候選框中進(jìn)行檢測，選取丟失類置信度最高的候選框，如果丟失類候選框的置信度高于設(shè)定閾值則輸出報(bào)警；計(jì)算軸端螺栓類候選框的置信度高于設(shè)定閾值數(shù)量，如果個(gè)數(shù)小于3，則輸出報(bào)警，其余情況不報(bào)警。識(shí)別過程中，首先讀取軸承前蓋子圖像，隨后輸入檢測網(wǎng)絡(luò)模型，輸出正常類，若未識(shí)別出故障，則系統(tǒng)不對(duì)圖片進(jìn)行突出顯示；如若系統(tǒng)識(shí)別出該圖片存在故障，則會(huì)將該圖片故障部位突出顯示，如圖3 所示。

圖3 滾動(dòng)軸承軸端螺栓檢測結(jié)果圖

4 平臺(tái)應(yīng)用效果

該平臺(tái)應(yīng)用效果具體如下：①減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提高了工作效率，縮短了技檢時(shí)間，提高了車輛交接質(zhì)量，保障貨物列車安全運(yùn)行；②實(shí)現(xiàn)對(duì)過車信息、車輛部件圖像、故障圖像及處理信息等數(shù)據(jù)的精確采集上報(bào)，保障對(duì)損壞車輛問題的質(zhì)量追溯，加強(qiáng)愛車管理工作；③TFDS 智能識(shí)別技術(shù)的運(yùn)用，擺脫作業(yè)人員因業(yè)務(wù)素質(zhì)、工作環(huán)境等因素對(duì)作業(yè)質(zhì)量帶來的影響，確保車輛故障被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并得到處置，嚴(yán)控專用線交出車輛技術(shù)狀態(tài)，防止事故、故障車輛進(jìn)入國鐵線路運(yùn)行；④在減少技術(shù)交接作業(yè)站停時(shí)間、減少貨車周轉(zhuǎn)時(shí)間和提高貨車運(yùn)輸效率的同時(shí)，提升專用線鐵路貨車技術(shù)交接作業(yè)質(zhì)量和運(yùn)用管理的現(xiàn)代化水平，確保車輛運(yùn)輸安全暢通。

5 結(jié)束語

專用線鐵路貨車TFDS 智能技術(shù)交接平臺(tái)，在利用TFDS 最新型設(shè)備采集線陣圖像基礎(chǔ)上，綜合利用深度學(xué)習(xí)和AI圖像處理等技術(shù)和多智能識(shí)別模塊并行運(yùn)行，為專用線交出車輛，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別車輛故障。該平臺(tái)在專用線的投入試用，能夠?qū)崿F(xiàn)將人工技術(shù)交接作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槭覂?nèi)對(duì)報(bào)警圖片進(jìn)行復(fù)核，現(xiàn)場對(duì)故障進(jìn)行專項(xiàng)處置。通過這一技術(shù)可以消除人員素質(zhì)、環(huán)境因素等的影響，顯著提高作業(yè)質(zhì)量。同時(shí)大幅降低現(xiàn)場作業(yè)人員的需求和工作量，提高了勞產(chǎn)率，節(jié)約了用工成本，實(shí)現(xiàn)減員增效。綜上所述，專用線鐵路貨車TFDS 智能技術(shù)交接平臺(tái)的應(yīng)用，對(duì)提高車輛技術(shù)交接作業(yè)質(zhì)量和工作效率具有重要意義，把住干線入口關(guān)，為鐵路貨運(yùn)增量和運(yùn)輸安全暢通提供保障。