趙俊彥，任崇巍，王德明

（1 哈爾濱鐵路局科學技術研究所，黑龍江哈爾濱150006； 2 沈陽鐵路局，遼寧沈陽110001）

圖像檢測技術作為鐵路安全監(jiān)控的輔助手段，在鐵路上的應用相當?shù)膹V泛，從貨車（TFDS）到客車（TVDS）都得到了很好的應用，而代表鐵路高速發(fā)展最重要的動車組，因為其對可靠性、安全性要求更高，在高速運行狀態(tài)下的任何一個細小的故障都可能引發(fā)重大事故。因此，要確保實現(xiàn)動車組安全可靠、高效運行，不僅要依靠科學的檢修運用管理機制，同時還要采取措施，加強動車組檢車作業(yè)輔助手段，提高安全防范能力，而圖像檢測手段是一種相對成熟、穩(wěn)定的技術，非常適合作為動車組故障檢測的輔助手段。

1 系統(tǒng)設計原理

由于動車組和普通客車功能一樣承擔著運送旅客的任務，下面從普通客車軌邊圖像檢測系統(tǒng)（TVDS）設計原理入手，分析動車組軌邊圖像檢測系統(tǒng)的設計內容。

TVDS系統(tǒng)由3大部分組成。（1）軌邊探測設備，進行圖像檢測，包括軌邊防護設備、高速攝像機、補償光源、車輪傳感器；（2）軌邊機房設備，進行圖像處理，包括車輛信息采集計算機、圖像采集計算機及控制箱；（3）檢測作業(yè)中心，包括數(shù)據(jù)存儲服務器、室內作業(yè)終端計算機、高速交換設備、運用管理平臺、檢測作業(yè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。動車組的軌邊圖像檢測系統(tǒng)設計也可以考慮按照這個思路進行，但由于動車組檢測范圍和物理構造與客車存在很大的不同，所以動車組軌邊圖像檢測系統(tǒng)需要進行側部（考慮裙板遮擋）、頂部的重新設計。

1．1 動車組檢測范圍

按照動車組檢修的特點，考慮到實際作業(yè)情況，動車組檢測的內容分為5個部分。

（1）轉向架部分。轉向架排障器外觀狀態(tài)；聯(lián)軸器外觀狀態(tài)；牽引電機外觀；電機安裝座螺栓狀態(tài)；速度傳感器外觀狀態(tài)；牽引裝置外觀狀態(tài)，牽引座裂損，牽引桿橡膠節(jié)點開裂破損；轉向架構架狀態(tài)，各安裝管線狀態(tài)，油壓減振器外觀，減振器座裂紋，抗側滾扭桿裝置外觀；側架裂損；軸箱彈簧、軸箱及定位裝置外觀狀態(tài)；空氣彈簧外觀狀態(tài)；高度調整閥、調整桿配件缺損。

（2）基礎制動部分。盤型制動裝置閘片外觀狀態(tài)；夾鉗裝置配件狀態(tài)。

（3）車端連接部分。車鉤及各跨連連接線連接狀態(tài)；風擋下部。

（4）車底部分。車體排障器底部；車底板及蓋板變形、松脫、缺損；懸吊螺栓裂損、丟失；冷卻風道破損，排風口狀態(tài)。

（5）車頂部分。車載信號接收器外觀狀態(tài)、車頂外觀及緊固件狀態(tài)等。

1．2 圖像檢測內容

按照動車組的系統(tǒng)物理構造（圖1所示），為了涵蓋1．1節(jié)列出的動車組檢測范圍，需要對動車組頂部、側部、底部分別實現(xiàn)圖像檢測。

圖1 動車組系統(tǒng)物理構造圖

此外，動車組底部電機及輸出端軸承、聯(lián)軸器、齒輪箱、輪盤、制動盤、閘片、空調、電源、螺栓等均需測溫，測溫部位多，動車組底部發(fā)熱還未摸索出規(guī)律，點溫方式容易漏探，需要更加準確的測溫方式。

因此，動車組故障軌邊圖像檢測系統(tǒng)的設計必須考慮到以上內容后，還要增加其他輔助設備和技術來完成動車組的圖像檢測。

2 關鍵技術及設計方案

2．1 圖像處理技術

系統(tǒng)利用各種數(shù)學方法和變換手段提高圖像中的研究目標與背景的對比度，有選擇性地突出圖像中有需求的特征和抑制某些不需要的特征，以此達到增加圖像清晰度和提高圖像質量的效果，圖2是車底對比效果圖。

圖2 車底對比效果圖

系統(tǒng)采用國外進口高清彩色數(shù)字攝像頭，分辨率達到200萬像素（目前最新的TFDS設備使用攝像頭為分辨率140萬像素的黑白相機）。采用彩色相機可以有效的區(qū)分動車底部或側部是正常的水跡還是油污或者銹蝕等其他故障，減少室內檢車員因看圖像無法區(qū)分故障圖像造成的誤判和誤報。圖3對比可以清晰的看到銹蝕而不是故障。

圖3 底部彩色黑白對比效果圖

2．2 圖像識別技術

大量的圖像，如果僅靠人工，時間長了也會出現(xiàn)視覺疲勞，造成漏檢。系統(tǒng)可自動對所有攝像頭采集的圖像進行圖像處理，采用智能學習算法對同一車輛的統(tǒng)一部位的圖像進行比對和分析，對出現(xiàn)異常的圖像進行自動報警和提示。圖4為系統(tǒng)采用先進的變化檢測算法，通過對同一車輛的歷史正常圖片和待檢圖片進行對比，實現(xiàn)對部件是否變化進行檢測，對有異常變化的部分發(fā)出提示預警，以達到最大限度降低漏檢和全面提升檢車作業(yè)效率的目的。

圖4 自動異常報警示意圖

對于重點的螺栓螺母以及ADD閥，可以采用圖像自動識別技術進行自動故障判別，此技術與貨車TFDS的關門車自動識別及心盤螺栓丟失自動識別類似，見圖5。

圖5 心盤螺栓丟失自動識別

2．3 紅外熱成像技術

系統(tǒng)采用熱成像技術可以解決目前紅外測溫方式只能測量某幾點溫度的缺陷，測溫更加全面準確，高速紅外熱成像儀能完成動車底部的全息熱成像圖，并準確測量各部件的溫度，測量范圍大（測溫高達400℃）；紅外熱像儀形成的全息熱成像圖能顯現(xiàn)出動車在運行過程中因松動、摩擦造成的沖擊形成的熱點，便于發(fā)現(xiàn)隱性故障，如圖6就是輪軸部位熱正常成像圖和異常成像圖的對比。

圖6 輪軸部位熱成像圖

2．4 軌邊圖像檢測設備設計

為了提高檢測的自動化程度，使用圖像檢測基于圖像識別技術設計系統(tǒng)進行輔助檢車作業(yè)，在動車組運行入庫或進站時就進行圖像檢測，提前預報并處理故障，從而進一步提高動車組的運行安全。具體設計方案如圖7所示。

圖7 軌邊圖像檢測設備設計整體效果圖

在動車入庫或者進站臺（適應列車速度：0～160 km／h，停車無影響）的頂部、側部和底部分別部署若干圖像檢測設備，完成動車頂部、側部和底部零部件的圖像檢測。

其中頂部兩側的攝像機用來拍攝動車頂部的部件圖像，能夠清晰檢測到頂部框架、緊固部件、連接件及ADD閥門把手等部件的外觀狀態(tài)。

側部兩側，采用兩套側箱，一套高度稍低的專門拍攝轉向架側面，一套專門拍攝裙板螺栓螺母，確保濾網(wǎng)防護板上的緊固螺栓能夠看清三角形標志的方向。

底部采用一套沉箱中放置5個高清彩色攝像頭，能夠清晰檢測到底部的排障器、牽引電機、聯(lián)軸器、齒輪箱、軸箱、牽引拉桿、各種管線、跨接線、基礎制動裝置、輪軸、制動盤、閘片以及底部各螺栓螺母、圓銷開口銷等外觀狀態(tài)；一套高速熱成像儀（目前測溫范圍可達0～200℃，完全滿足現(xiàn)場應用要求）及防護裝置放置在軌中間，采集動車底部電機、聯(lián)軸器、齒輪箱、制動盤、空調等部件的全息熱成像圖，準確顯示圖像上各點的溫度，對異常溫度進行自動報警提示；在該防護裝置兩頭放置一套紅外軸溫探測設備，能夠自動采集輪軸2個端部的軸溫并記錄，對異常軸溫進行報警和提示。

3 應用情況

3．1 西安動車所圖像檢測軌邊設備部署介紹

根據(jù)西安動車所目前的實際情況，京天威公司為西安動車所提供了一套動車軌邊圖像檢測系統(tǒng)部署方案，如圖8所示為西安動車所軌邊探測設備部署方案圖。

軌邊探測設備和軌邊機房設備組成，包括軌邊防護設備、高速攝像機、補償光源、車輪傳感器、車輛信息采集計算機、圖像采集計算機及控制箱、檢測作業(yè)中心（由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成，包括數(shù)據(jù)存儲服務器、室內作業(yè)終端計算機、高速交換設備、運用管理平臺、檢測作業(yè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)）。

圖8 西安動車所軌邊探測設備部署方案圖

具體拍攝效果內容如圖9所示，包括動車組轉向架側部、底部，中間部側部、底部，車端連接部側部、底部（動車組頂部的圖像暫時沒有列出）。

圖9 系統(tǒng)拍攝效果展示圖

3．2 故障圖例

以西安動車所軌邊圖像檢測系統(tǒng)為例，介紹該系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的典型故障圖例。

系統(tǒng)安裝在西安動車所出入庫的咽喉要道處，先后完成了系統(tǒng)調研、軟件硬件系統(tǒng)的設計、硬件生產及老化試驗、軟件開發(fā)、硬件安裝實施、軟件安裝部署等工作，在系統(tǒng)安裝調試完畢后開始試用，發(fā)現(xiàn)的典型故障有防松鐵絲折斷、底部打擊變形、閘片磨耗過限、鉚釘損壞、底部裂紋、頂部腐蝕、牽引電機擦傷、裙板腐蝕等，相關故障圖例見圖10～圖13。

圖10 CRH2C型車底部打擊變形

圖11 頂部腐蝕

圖12 裙板腐蝕

4 結束語

動車組軌邊圖像檢測技術的推廣適應我國鐵路快速發(fā)展和鐵道部關于旅客列車檢修布局調整的思路，具有廣泛的應用前景，該方案的研制實現(xiàn)了動車檢修運用技術由“人檢人修”方式向“機檢人修”方式的過渡，動車質量由“人控”向“機控”的轉變，減輕了現(xiàn)場作業(yè)勞動強度，提高運輸效率，確保運輸安全，具有良好的社會效益。

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