■ 韓強(qiáng) 任盛偉 戴鵬 王登陽(yáng) 譚松

隨著既有線提速和高速鐵路的陸續(xù)建設(shè)，動(dòng)車組高速運(yùn)行對(duì)鐵路各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修提出了更高要求。軌道作為重要的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，其運(yùn)用狀態(tài)對(duì)行車安全具有直接和至關(guān)重要的影響。因此，必須加強(qiáng)對(duì)其動(dòng)態(tài)檢測(cè)和狀態(tài)監(jiān)控，及時(shí)指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修。軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)基于非接觸測(cè)量理念，應(yīng)用視覺(jué)測(cè)量、圖像處理、模式識(shí)別等技術(shù)，對(duì)軌道圖像信息進(jìn)行采集、分析和綜合處理，其高效、智能的特點(diǎn)能滿足高速鐵路巡檢的需求。

1 系統(tǒng)功能、組成和原理

1.1 系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)運(yùn)用CCD掃描成像、圖像處理、數(shù)據(jù)管理、模式識(shí)別、自動(dòng)控制和同步觸發(fā)等技術(shù)，對(duì)鋼軌表面及兩側(cè)狀態(tài)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析。主要技術(shù)指標(biāo)包括：（1）鋼軌表面擦傷檢測(cè)精度：橫向2 mm，縱向3 mm；（2）鋼軌扣件：扣件缺失識(shí)別率80%以上。

1.2 系統(tǒng)組成與原理

圖1為軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)組成。

軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)主要由視覺(jué)子系統(tǒng)、圖像采集存儲(chǔ)子系統(tǒng)和圖像處理子系統(tǒng)組成。圖像存儲(chǔ)方式（存儲(chǔ)圖像的大文件設(shè)計(jì)）是圖像采集存儲(chǔ)子系統(tǒng)和圖像處理子系統(tǒng)相互聯(lián)系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，圖像識(shí)別算法是圖像處理子系統(tǒng)的技術(shù)核心。

視覺(jué)子系統(tǒng)安裝于車下車體兩側(cè)鋼軌正上方位置，每側(cè)采用LEVD光源提供高亮度的漫反射光學(xué)環(huán)境，應(yīng)用3個(gè)高速線陣CCD進(jìn)行掃描成像，運(yùn)用自動(dòng)控制和同步觸發(fā)技術(shù)，將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸?shù)綀D像采集存儲(chǔ)子系統(tǒng)。

圖像采集存儲(chǔ)子系統(tǒng)應(yīng)用高速緩存和多線程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大流量圖像數(shù)據(jù)高速存儲(chǔ)，并運(yùn)用自主研發(fā)的大文件存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)管理。

圖像處理子系統(tǒng)主要應(yīng)用圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)，開發(fā)適用于鐵路環(huán)境的鋼軌表面擦傷檢測(cè)和扣件缺失檢測(cè)的識(shí)別算法，通過(guò)大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)完成工程化實(shí)現(xiàn)。

1.3 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)大文件數(shù)據(jù)模塊和數(shù)據(jù)管理機(jī)制，將圖像信息采集、自動(dòng)識(shí)別、人工復(fù)核確認(rèn)、報(bào)表編輯打印等功能流程按邏輯關(guān)系組合成軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)見圖2，操作界面見圖3。

系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制將圖像數(shù)據(jù)以大文件形式存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤。存儲(chǔ)前對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，將單次采集任務(wù)存儲(chǔ)為自定義數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)文件同時(shí)支持多任務(wù)讀寫訪問(wèn)，并能保證連續(xù)穩(wěn)定存儲(chǔ)數(shù)百公里檢測(cè)里程的數(shù)據(jù)文件。

圖1 軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)組成

軌道巡檢要求能在一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)完整存儲(chǔ)軌道圖像數(shù)據(jù)。由于圖像數(shù)據(jù)容量巨大，利用單體大文件存儲(chǔ)技術(shù)將圖像數(shù)據(jù)壓縮后存儲(chǔ)到一個(gè)單體大文件內(nèi)，并通過(guò)引入緩存機(jī)制建立同時(shí)支持讀寫的數(shù)據(jù)訪問(wèn)機(jī)制。

結(jié)合圖像處理、模式識(shí)別等技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圖像特點(diǎn)，開發(fā)適用于軌道巡檢的圖像數(shù)據(jù)瀏覽和編輯軟件，為用戶提供對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)、檢索的功能，并具有對(duì)鋼軌表面擦傷、扣件缺失等缺陷進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別的功能。

1.4 典型缺陷識(shí)別

軌道巡檢系統(tǒng)具有對(duì)典型軌道缺陷進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別的功能。在模式識(shí)別算法的設(shè)計(jì)上借鑒了“機(jī)器視覺(jué)”在人臉識(shí)別、指紋識(shí)別及醫(yī)學(xué)圖像分析等領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了機(jī)器學(xué)習(xí)模型和模式識(shí)別算法，對(duì)軌道圖像中鋼軌表面擦傷、扣件缺失（折斷、缺失）等相關(guān)典型特征進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。機(jī)器識(shí)別功能整體架構(gòu)見圖4。

模式識(shí)別功能模塊在整套系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著對(duì)軌道典型缺陷進(jìn)行輔助診斷的功能，目前采用軟件識(shí)別為主、人工確認(rèn)為輔的應(yīng)用模式。

2 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用

軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)在鄭西高速鐵路、京廣線上下行（鄭州南—武漢）、武廣高速鐵路上下行進(jìn)行5 000 km線路試驗(yàn)。

2011年9月24日，系統(tǒng)在京滬高速鐵路及先導(dǎo)段進(jìn)行巡檢。系統(tǒng)設(shè)備在鋼軌探傷車最高80 km/h速度下，全天候不同天氣情況下工作狀態(tài)正常，采集到的圖像清晰完整，典型數(shù)據(jù)見圖5—圖8。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

圖3 系統(tǒng)軟件界面

圖4 機(jī)器識(shí)別功能整體架構(gòu)

圖5 鄭西下行（KM623+816）焊筋（輔助探傷排除干擾）

圖6 武廣（KM2237+822）扣件缺失

圖7 武廣（KM2235+462）扣件缺失

圖8 京滬高速鐵路巡檢結(jié)果

3 結(jié)論

系統(tǒng)運(yùn)用CCD掃描成像、圖像處理、數(shù)據(jù)管理、模式識(shí)別、自動(dòng)控制和同步觸發(fā)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼軌表面擦傷檢測(cè)和扣件缺失檢測(cè)的功能。系統(tǒng)已在鐵道部檢測(cè)中心鋼軌探傷車上安裝運(yùn)用，試驗(yàn)驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，系統(tǒng)圖像采集穩(wěn)定、清晰，多相機(jī)對(duì)鋼軌正面和兩側(cè)掃描，采集到的圖像能清晰看到焊筋和鋼軌表面狀態(tài)，輔助超聲探傷系統(tǒng)提高系統(tǒng)識(shí)別率。識(shí)別軟件具有自動(dòng)識(shí)別扣件丟失、錯(cuò)位和鋼軌表面擦傷等功能。

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