于秋波，韓朝建，張曉飛，王寶順，陳 振，倪國政

（天津津鐵供電有限公司，天津 300000）

本文以天津地鐵6 號線為例，詳細(xì)介紹地鐵區(qū)間綜合智能檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在既有接觸網(wǎng)檢測車上實(shí)施功能擴(kuò)展改造，增加供電線纜紅外溫度檢測、無線場強(qiáng)檢測、限界檢測等功能，實(shí)現(xiàn)基于接觸網(wǎng)檢測車為主體的6 號線區(qū)間綜合智能檢測功能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于接觸網(wǎng)檢測車平臺搭建一套綜合檢測系統(tǒng)，包括人機(jī)交互設(shè)備、檢測服務(wù)器、環(huán)網(wǎng)電纜紅外測溫系統(tǒng)、區(qū)間設(shè)備限界檢測系統(tǒng)、無線專網(wǎng)場強(qiáng)檢測系統(tǒng)，離線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等組成部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于接觸網(wǎng)檢測車的綜合檢測系統(tǒng)Fig.1 Comprehensive detection system based on catenary inspection vehicle

2 檢測方案

2.1 環(huán)網(wǎng)電纜紅外溫度及傳感器檢測

1）設(shè)備構(gòu)成

供電電纜溫度檢測系統(tǒng)由兩組紅外相機(jī)配合定點(diǎn)溫度傳感器無線采集的方案構(gòu)成：在檢測機(jī)車兩側(cè)各安裝一組紅外相機(jī)及配套的檢測裝置；紅外相機(jī)及檢測裝置安裝在車頭兩側(cè)距離軌面70 cm 高度的側(cè)方位置，相機(jī)角度朝向側(cè)面；紅外相機(jī)像場及焦距經(jīng)過校準(zhǔn)，完全覆蓋隧道側(cè)壁供電線纜的安裝區(qū)域；設(shè)備安裝確保不侵入設(shè)備限界。

2）檢測方法

紅外相機(jī)自動對焦，對沿線路敷設(shè)于疏散平臺下方的供電環(huán)網(wǎng)電纜進(jìn)行紅外成像。

分析軟件能夠讀取紅外相機(jī)拍攝的紅外圖像并進(jìn)行形態(tài)分析。通過算法處理，分割出圖像中供電電纜成像區(qū)域；同時通過采集軌旁設(shè)備的感溫元器件的溫度，對電纜接頭處的溫度進(jìn)行精確采集。

檢測系統(tǒng)對供電電纜成像區(qū)域進(jìn)行深度分析處理，形成溫度梯度分布信息，進(jìn)一步確定電纜溫度并生成曲線圖。

依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的閾值（可修改）做出判斷，超標(biāo)點(diǎn)位輸出報(bào)警信息在人機(jī)界面上顯示，同時顯示測量值、里程位置以及實(shí)時圖像等信息。

系統(tǒng)通過對比歷史測量數(shù)據(jù)，將相同位置兩次檢測的數(shù)據(jù)信息做對比，發(fā)現(xiàn)溫度變化超出設(shè)定值的點(diǎn)，能產(chǎn)生報(bào)警。

系統(tǒng)能夠?qū)崟r存儲檢測的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，便于查詢分析時使用。

2.2 限界檢測

1）設(shè)備構(gòu)成

限界檢測系統(tǒng)由激光雷達(dá)、相機(jī)組合、水平測量裝置以及其他配套的機(jī)械、電氣裝置構(gòu)成。激光雷達(dá)用于對隧道進(jìn)行掃描，生成雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)；相機(jī)組合可觀察激光雷達(dá)的視野盲區(qū)，同時用于識別限界內(nèi)是否有人闖入，保證人身安全；水平測量裝置用于確定車輛的水平姿態(tài)，形成準(zhǔn)確的限界檢測區(qū)域，限界檢測效果如圖2 所示。

圖2 限界檢測效果示意Fig.2 Schematic diagram of clearance detection effect

雷達(dá)和相機(jī)組合安裝在檢測車車頭位置，且不影響機(jī)車連掛作業(yè)。

水平測量裝置安置在檢測機(jī)車內(nèi)部，且不影響既有設(shè)備正常工作。

設(shè)備安裝確保不侵入設(shè)備限界。

2）檢測方法

激光雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)360°限界檢測。

能夠?qū)ο藿鐧z測參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，確定雷達(dá)侵限檢測的區(qū)域。

在檢測工作前，需向系統(tǒng)輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫需結(jié)合6 號線線路實(shí)際情況建立，應(yīng)適應(yīng)隧道曲線、坡度等變化情況下的精確檢測，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫需預(yù)留擴(kuò)充空間，以備線路延長后能夠?qū)崿F(xiàn)全線的檢測。

檢測系統(tǒng)對雷達(dá)檢測的數(shù)據(jù)以及水平檢測裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理，確定侵限檢測區(qū)域內(nèi)是否存在障礙物。

當(dāng)檢測到障礙物時能夠產(chǎn)生報(bào)警，同時在人機(jī)界面上顯示障礙物侵限的數(shù)量、尺寸，空間分布、里程位置及實(shí)時圖像等詳細(xì)信息。

系統(tǒng)能夠?qū)Ρ葰v史測量數(shù)據(jù)，將相同位置兩次檢測的數(shù)據(jù)信息做對比，發(fā)現(xiàn)侵入量發(fā)生變化的點(diǎn)，并能產(chǎn)生報(bào)警。

系統(tǒng)實(shí)時存儲侵限檢測的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，便于查詢分析時使用。

經(jīng)典的點(diǎn)云降噪技術(shù)是采用kd-tree 配合K-means 聚類算法，但當(dāng)前技術(shù)的點(diǎn)云和噪聲行為仍然混有物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的小噪聲點(diǎn)和噪聲，無法刪除。相比之下，常用的基于云數(shù)據(jù)與歐氏距離相對密度的方法把其剔除，影響了后續(xù)3D 模型坡度重新搭建的精度，必須直接解決。點(diǎn)云數(shù)據(jù)集是一組沒有拓?fù)溥B接的坐標(biāo)位置。通過多邊形濾波能夠求出點(diǎn)云法向量以及折射率，但點(diǎn)云模型尖銳區(qū)域差異并不突出，這也導(dǎo)致了過橋問題。本文的主要參數(shù)是采樣點(diǎn)的折射率ωi，增加多邊形濾波器的系數(shù)以提高特征保留，并用于非離群噪聲點(diǎn)的平滑。

表面法線是幾何表面的一個重要屬性。通過擬合點(diǎn)云的局部表面，能夠很好地估算法向量。本文通過主成分分析來估算法向量。首先，對采樣點(diǎn)進(jìn)行近鄰搜索，得到k個鄰近點(diǎn)來代替點(diǎn)pi的局部表面S，即pi∈S，由相鄰點(diǎn)形成的協(xié)方差矩陣C如公式（1）所示。

點(diǎn)云中任意采樣點(diǎn)的曲率可以通過擬合該點(diǎn)及其鄰域的局部曲面的曲率來表示，并通過主成分分析法估算，該點(diǎn)曲率如公式（2）所示。

雙向過濾因子取決于鄰域信息。如果點(diǎn)云模型的局部區(qū)域很尖銳，就會很難區(qū)分采樣點(diǎn)的法線方向，而無法準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)噪聲。為優(yōu)化采樣點(diǎn)的鄰域，提高噪聲點(diǎn)搜索的精度，本文采用采樣點(diǎn)的曲率作為參數(shù)來優(yōu)化雙邊濾波因子，如公式（3）所示。

點(diǎn)pi到鄰近點(diǎn)距離的平滑權(quán)重Wσc（空間權(quán)重）和特征域權(quán)重Wσs（影響權(quán)重）如公式（4）所示。

公式（4）中Wσc，Wσs均為高斯核函數(shù)，表示相鄰點(diǎn)對該點(diǎn)的影響權(quán)重；σc表示點(diǎn)pi到各鄰域點(diǎn)距離的影響因子，通常取鄰域半徑；σs表示每個鄰近點(diǎn)在pi點(diǎn)的法向量上的投影距離的影響因子，通常取鄰近點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差；當(dāng)σc確定之后，點(diǎn)云法線方向上的平滑距離和σs成正比。將優(yōu)化后的雙邊濾波因子αi代入下式，即可算出pi的幾何位置。

基于優(yōu)化雙邊濾波的非離群點(diǎn)去噪算法的具體步驟如下。

1）初始化k值，創(chuàng)建kd樹，計(jì)算pi點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)的k個鄰近點(diǎn)，如公式（5）所示。

2）利用PCA 估計(jì)點(diǎn)云的法向量ni和曲率值wi。

3）計(jì)算各采樣點(diǎn)的pi平滑權(quán)重Wσc參數(shù)x與特征域權(quán)重Wσs參數(shù)y，如公式（6）所示。

4）計(jì)算特征域權(quán)重Wσs和平滑權(quán)重Wσc。

5）將Wσs與Wσc代入到式（3）中計(jì)算雙邊濾波因子αi。

6）計(jì)算pi點(diǎn)的幾何位置，得到去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型。

當(dāng)σc一定時，隨著σs的增大，點(diǎn)云的局部幾何特征保持較好，但在較平坦的區(qū)域，平滑度較差;當(dāng)σs一定時，隨著σc增大，點(diǎn)云模型的平滑性較好，但局部幾何特征的保留較差。

改進(jìn)前雙邊濾波處理的點(diǎn)云效果如圖3 所示，包含（a）～（d）4 種場景：隧道區(qū)間內(nèi)；進(jìn)入站臺附近，遇到扶手；站臺范圍內(nèi)；距離站臺較遠(yuǎn)位置。改進(jìn)后的雙邊濾波處理的點(diǎn)云如圖4 所示，也包含（a）～（d）4 種場景：隧道區(qū)間內(nèi)；進(jìn)入站臺附近，遇到扶手；站臺范圍內(nèi)；距離站臺較遠(yuǎn)位置。該方法經(jīng)過據(jù)實(shí)際的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)測算，成功過濾了90%的噪聲點(diǎn)云，顯著減少了外界的因素以及雷達(dá)本身的原因造成的噪聲帶來的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對鐵軌的精準(zhǔn)識別，達(dá)到限界效果。

圖3 改進(jìn)前雙邊濾波處理的點(diǎn)云效果Fig.3 Point cloud rendering of bilateral filtering processing before Improvement

圖4 改進(jìn)后的雙邊濾波的點(diǎn)云效果Fig.4 Point cloud rendering of improved bilateral filtering processing

2.3 無線場強(qiáng)檢測

1）設(shè)備構(gòu)成

無線場強(qiáng)檢測系統(tǒng)由檢測天線、檢測主機(jī)以及人機(jī)交互界面構(gòu)成。檢測天線用于接收需要測試的通信漏纜、安防漏纜以及WLAN 無線信號；主機(jī)用于對天線接收到的無線信號進(jìn)行測試與分析；人機(jī)交互界面用于測試人員操作測試軟件，讀取信息。

檢測天線安裝于檢測車車頂。

檢測主機(jī)安裝于車內(nèi)設(shè)備機(jī)柜。

人機(jī)交互HMI，位于駕駛室操作臺（與其他檢測模塊共用一臺設(shè)備）。

設(shè)備安裝滿足設(shè)備限界安裝要求。

2）檢測方法

車頂天線接收無線信號，將信號傳送給檢測主機(jī)做數(shù)據(jù)分析，在人機(jī)交互界面上能夠?qū)崟r顯示各頻段無線信號場強(qiáng)數(shù)值。

檢測前在交互界面上設(shè)定并調(diào)節(jié)各頻段無線信號的檢測報(bào)警閾值，當(dāng)檢測到無線信號場強(qiáng)低于閾值時，在顯示界面上輸出報(bào)警信息，包括實(shí)測場強(qiáng)值、里程信息等。

檢測主機(jī)在記錄數(shù)據(jù)提供報(bào)警的同時，記錄并生成各頻段無線信號場強(qiáng)值關(guān)于里程信息的二維曲線，該曲線具備與歷史曲線對比的功能。

系統(tǒng)實(shí)時存儲場強(qiáng)檢測的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，便于查詢分析時使用。

2.4 離線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

1）設(shè)備構(gòu)成

離線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由離線管理服務(wù)器、HMI、A4 彩色打印機(jī)及鍵盤鼠標(biāo)構(gòu)成。

2）功能

離線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可按線纜溫度檢測、限界檢測、無線場強(qiáng)檢測等不同檢測系統(tǒng)分類查詢報(bào)警信息；并可依據(jù)篩選條件自動形成報(bào)警信息統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

對于每條報(bào)警信息，能夠查詢報(bào)警時間、報(bào)警位置、報(bào)警圖像等。系統(tǒng)可結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，生成對比曲線圖，以及變化趨勢。

系統(tǒng)具備開放式數(shù)據(jù)分析的功能，可依據(jù)固定模板的數(shù)據(jù)表格進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析處理工作，輸出所需的統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

3 結(jié)語

本文結(jié)合天津地鐵6 號線，對地鐵區(qū)間綜合智能檢測方法做出詳細(xì)說明，實(shí)施后具有智能監(jiān)控區(qū)間設(shè)備狀態(tài)的功能，提升設(shè)備檢測效率及準(zhǔn)確度，提高地鐵區(qū)間設(shè)備安全性。電纜紅外檢測系統(tǒng)能夠通過紅外成像的方式，對電纜局部缺陷誘發(fā)的溫升做出判斷，發(fā)現(xiàn)電纜隱性缺陷，通過智能化監(jiān)測手段實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)電纜的預(yù)防性維修。激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)每月1 次的限界檢測，能夠提前發(fā)現(xiàn)侵入設(shè)定限界范圍的物體，及時處理潛在侵限隱患，能降低侵限事件發(fā)生的概率。加裝無線場強(qiáng)測量系統(tǒng)后，可以對區(qū)間內(nèi)通信漏纜、安防漏纜、WLAN 等不同頻段通信系統(tǒng)的信號場強(qiáng)做測試，提前發(fā)現(xiàn)信號不穩(wěn)定的點(diǎn)位，及時保障行車運(yùn)營安全。離線數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)圍繞上述各監(jiān)測功能做檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，既提高數(shù)據(jù)分析的效率，又能從多方位增強(qiáng)設(shè)備狀態(tài)的評價(jià)與管理，提高設(shè)備運(yùn)維的智能化水平。