馬凌宇

摘 要

圖像識(shí)別技術(shù)是人工智能的一個(gè)重要方面，是運(yùn)用計(jì)算機(jī)以及數(shù)學(xué)運(yùn)算對(duì)形狀、字符模型以及圖形圖像實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別、評(píng)價(jià)的過(guò)程，既減少了人工勞動(dòng)力，還能夠存儲(chǔ)原始數(shù)值，便于檢查和運(yùn)用，有著很大的優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在鐵路的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并對(duì)其在鐵路行業(yè)中的發(fā)展進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】圖像自動(dòng)識(shí)別 鐵路 應(yīng)用

1 圖像識(shí)別技術(shù)

圖像識(shí)別指的是指圖像刺激于人體感覺(jué)器官，其距離的變化或在人體感覺(jué)器官上刺激位置的變化，都會(huì)引起圖像在視網(wǎng)膜上的位置和狀態(tài)的變化。大家對(duì)其的識(shí)別是經(jīng)驗(yàn)過(guò)的某一圖像的過(guò)程，也稱(chēng)作圖像再認(rèn)。在圖像識(shí)別中，既要有即時(shí)進(jìn)到感官的信息，也要有之前保存的信息。在這一狀況下，人們?nèi)允悄軌蛘J(rèn)出之前所感覺(jué)過(guò)的圖像。而且圖像識(shí)別能夠不受感覺(jué)途徑的所限。僅有經(jīng)過(guò)保存的信息與即時(shí)的信息實(shí)現(xiàn)比較的處理過(guò)程，才會(huì)完成對(duì)圖像的再認(rèn)。

圖像識(shí)別技術(shù)一般是基于圖像的重要特點(diǎn)的。每幅圖像都有其特點(diǎn)，對(duì)圖像識(shí)別時(shí)人體器官的研究證明，視線(xiàn)會(huì)匯聚在圖像的特征上，也就是信息量集中的區(qū)域。而且人的掃描路徑也總會(huì)依序從一個(gè)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)上。可以得出，在圖像識(shí)別中，知覺(jué)功能需要除去輸入的過(guò)多信息，選擇關(guān)鍵的信息。并且，在大腦里肯定有一個(gè)管理整合信息的機(jī)能，它能把人們獲取的信息組合成一個(gè)整體的知覺(jué)形象。

在人體圖像識(shí)別機(jī)制中，對(duì)很多圖像的識(shí)別常常要經(jīng)過(guò)各個(gè)層級(jí)的信息處理才會(huì)完成。對(duì)那些熟知的圖像，因?yàn)楂@得了它的主要特征，就會(huì)把它看作一個(gè)單元來(lái)識(shí)別，而不再關(guān)注它的其他部分了。這類(lèi)由單獨(dú)的單元構(gòu)成的整體叫做組塊，每一組塊是一起被感覺(jué)的。在文字形式的識(shí)別中，人們不僅能夠把一個(gè)漢字的筆劃或偏旁等單元構(gòu)成一個(gè)組塊，而且能把常常在同時(shí)出現(xiàn)的字或詞構(gòu)成組塊單位來(lái)進(jìn)行識(shí)別。本文對(duì)圖像識(shí)別技術(shù)在鐵路的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在鐵路的應(yīng)用

2005年，第一套車(chē)輛故障動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TFDS）在鐵路獲得安裝應(yīng)用，TFDS設(shè)備是國(guó)內(nèi)鐵路貨車(chē)安全防范警示體系地對(duì)車(chē)安全控制系統(tǒng)（5T系統(tǒng)）設(shè)施中自主創(chuàng)新研發(fā)的現(xiàn)代化車(chē)輛運(yùn)用安全技術(shù)設(shè)備，不斷在當(dāng)前運(yùn)輸組織運(yùn)作下起到越來(lái)越關(guān)鍵的安全防范效果，實(shí)現(xiàn)了全新技術(shù)層面的升級(jí)，增強(qiáng)了列檢工作水平，車(chē)輛列檢工作方式有了全面的創(chuàng)新。

動(dòng)車(chē)故障動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TEDS） 、車(chē)輛故障動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TVDS）是5T系統(tǒng)中TFDS對(duì)客車(chē)車(chē)輛、動(dòng)車(chē)管理的有效拓展，做到了對(duì)客車(chē)車(chē)輛、動(dòng)車(chē)車(chē)輛的有效監(jiān)測(cè)。

TFDS、TEDS、TVDS都是運(yùn)用軌邊裝設(shè)的攝像頭，來(lái)觀察運(yùn)行貨車(chē)、客車(chē)、動(dòng)車(chē)組的走行部、制動(dòng)配件等等各個(gè)運(yùn)行位置的圖像，并利用網(wǎng)絡(luò)迅速傳送到列檢室內(nèi)設(shè)備實(shí)現(xiàn)分析并及時(shí)預(yù)警，迅速觀察到故障信息，避免車(chē)輛事故，確保鐵路的運(yùn)行安全。

3 圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在鐵路的需求

當(dāng)前，鐵路聯(lián)網(wǎng)投入使用的TVDS設(shè)備47套、TFDS設(shè)備有359套、TEDS設(shè)備32套，負(fù)責(zé)著每日監(jiān)控鐵路70多萬(wàn)輛貨車(chē)、4.7萬(wàn)輛客車(chē)以及1700組動(dòng)車(chē)組的行駛安全責(zé)任，TVDS、TFDS、TEDS都運(yùn)用了圖像自動(dòng)收集、人工讀取的形式對(duì)火車(chē)故障實(shí)現(xiàn)分析。伴隨列車(chē)編組、數(shù)量的持續(xù)擴(kuò)充，尤其是高速列車(chē)組大面積的運(yùn)行，在高速行駛下，一點(diǎn)微小的問(wèn)題都會(huì)造成很大的安全隱患，所以增強(qiáng)動(dòng)車(chē)組在快速行駛中車(chē)輛狀態(tài)的檢查和問(wèn)題告警、增強(qiáng)動(dòng)車(chē)組行駛監(jiān)控質(zhì)量非常關(guān)鍵。

TVDS、TFDS、TEDS系統(tǒng)工作人員時(shí)刻觀測(cè)數(shù)量龐大的圖像，易于出現(xiàn)疲乏漏檢、誤差，且人工操作提高了對(duì)車(chē)輛故障問(wèn)題的主觀性，客觀性不夠。必須運(yùn)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別動(dòng)、客、貨車(chē)運(yùn)作故障并有效排除不重要圖片的圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，增強(qiáng)設(shè)備自動(dòng)化水平，免除人為引發(fā)的故障漏檢、誤差。

圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)以電腦網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像處理技術(shù)等作為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)對(duì)獲取的圖像信息實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和分析，獲得出車(chē)輛關(guān)鍵部分是不是存在不正常狀況，并能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不正常圖像的自動(dòng)區(qū)域定位和異常類(lèi)型分取，完成動(dòng)、客、貨車(chē)車(chē)輛檢測(cè)自動(dòng)化，并構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題庫(kù)，應(yīng)用模式識(shí)別技術(shù)有效增強(qiáng)系統(tǒng)檢測(cè)精準(zhǔn)度和工作效率，完成對(duì)車(chē)輛故障圖像的自動(dòng)識(shí)別，減少檢車(chē)人員工作強(qiáng)度，增強(qiáng)工作效率，確保車(chē)輛運(yùn)行安全。

4 圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的分析

要實(shí)現(xiàn)圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，就要首先明確動(dòng)、客、貨車(chē)故障種類(lèi)及TFDS、TVDS、TEDS系統(tǒng)圖像收集范圍，才能給出自動(dòng)識(shí)別技術(shù)及識(shí)別方法、技術(shù)要求。

4.1 明確故障類(lèi)型

依據(jù)多面體元件多維空間輪廓技術(shù)研究，動(dòng)、客、貨車(chē)故障可以分為兩種：

（1）部件失去或斷裂；

（2）按照各級(jí)修程規(guī)定有關(guān)零部件形變尺寸度量表，調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部模型數(shù)據(jù)，明確部件是否損傷。

識(shí)別方法：利用準(zhǔn)確定位方法、多角度配比同器件的有效特征點(diǎn)技術(shù)。從圖像中獲得各部分輪廓值，與調(diào)節(jié)好的數(shù)值精準(zhǔn)模型比較，觀察其零部件持續(xù)的輪廓值是不是與所建模型提供輪廓值相同，如果此值與模型對(duì)比結(jié)果為整體上或部分上的不一致，就定義為失去或損傷。

4.2 有效的故障識(shí)別方法

4.2.1 應(yīng)用當(dāng)前較多使用的相關(guān)檢測(cè)類(lèi)軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別研究

比如：COGNEX Vision Pro、Matrox Inspector等，這些相關(guān)的軟件在對(duì)流水線(xiàn)上的加工部件做出檢測(cè)時(shí)能夠獲得非常高的檢測(cè)以及測(cè)量準(zhǔn)確，不過(guò)需要圖像質(zhì)量要高，成像類(lèi)似性要好。因?yàn)閯?dòng)、客、貨車(chē)工作環(huán)境問(wèn)題，該技術(shù)很難在TFDS等系統(tǒng)中有效的運(yùn)用。

4.2.2 應(yīng)用常用的圖像處理方法實(shí)現(xiàn)二維圖像故障檢測(cè)模塊研究

這一技術(shù)在研發(fā)和調(diào)試時(shí)都必須有足夠的問(wèn)題樣例作為開(kāi)發(fā)憑據(jù)，不過(guò)許多大的故障出現(xiàn)概率不高，且許多故障元件表現(xiàn)形式多樣，在二維圖像上元件與背景投影在相機(jī)感光芯片上時(shí)混在一起，虛警率很高。另外，動(dòng)、客、貨車(chē)元件數(shù)量多，不能將所有的部件都實(shí)現(xiàn)故障模塊開(kāi)發(fā)，

4.2.3 應(yīng)用比對(duì)識(shí)別的形式實(shí)現(xiàn)異常檢測(cè)

這一技術(shù)能夠精準(zhǔn)獲得圖像中的問(wèn)題，但對(duì)那些非固定編組的車(chē)輛很難獲得該列車(chē)的以前的圖像，算法運(yùn)用性仍然不足。

4.2.4 有關(guān)三維圖像的建模識(shí)別技術(shù)

這一技術(shù)利用三維圖像能夠整體獲取每種識(shí)別部件的空間構(gòu)造模型，應(yīng)用與該構(gòu)造模型進(jìn)行三維數(shù)據(jù)比對(duì)進(jìn)行該部件的問(wèn)題檢測(cè)，能夠發(fā)揮比對(duì)識(shí)別檢測(cè)準(zhǔn)確的特點(diǎn)，同時(shí)由于目標(biāo)與背景在三維模型上能夠準(zhǔn)確區(qū)分，整個(gè)算法的虛警率有效減少，是當(dāng)前機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。該識(shí)別技術(shù)，首先實(shí)現(xiàn)三維圖像數(shù)據(jù)收集，應(yīng)用2個(gè)高清相機(jī)構(gòu)成一個(gè)掃描單元，創(chuàng)建一個(gè)雙目視覺(jué)采集路徑，收集貨車(chē)底部和側(cè)下位的相關(guān)圖像；接著構(gòu)建立體模型，視差圖像能夠看到，經(jīng)過(guò)雙目視覺(jué)處理能夠獲取立體信息（即3D信息），通過(guò)這些信息經(jīng)過(guò)算法運(yùn)算能夠創(chuàng)建車(chē)底、側(cè)部的高精度立體模型。

4.3 圖像識(shí)別及運(yùn)用軟件平臺(tái)

圖像識(shí)別及運(yùn)用軟件平臺(tái)，為系統(tǒng)提供圖像信息瀏覽、數(shù)據(jù)集中調(diào)度、自動(dòng)化智能化故障報(bào)警、設(shè)備運(yùn)用、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等作用，還實(shí)現(xiàn)了設(shè)備使用的全過(guò)程監(jiān)控和觀測(cè)。

4.4 圖像自動(dòng)識(shí)別裝置

圖像自動(dòng)識(shí)別裝置，包括圖像自動(dòng)識(shí)別服務(wù)器、運(yùn)行在該服務(wù)器上的識(shí)別調(diào)度框架部分、圖像自動(dòng)識(shí)別部分及平臺(tái)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口等，是對(duì)圖像故障實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別的專(zhuān)用裝置，

以TFDS系統(tǒng)為例：

（1）識(shí)別調(diào)度框架部分，利用平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口自動(dòng)獲得車(chē)輛信息，并立刻調(diào)動(dòng)識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別；

（2）識(shí)別調(diào)度框架部分，利用平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口與圖像識(shí)別及運(yùn)用軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；

（3）識(shí)別調(diào)度框架部分整體上把自動(dòng)識(shí)別結(jié)果反應(yīng)給圖像識(shí)別及運(yùn)用軟件平臺(tái)，確保數(shù)據(jù)安全，方便數(shù)據(jù)匯總管理；

（4）圖像識(shí)別及運(yùn)用軟件平臺(tái)負(fù)擔(dān)識(shí)別結(jié)果的展示、統(tǒng)計(jì)、對(duì)比研究等。

5 圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在鐵路的運(yùn)用情況

2002年，原鐵道部組織了相關(guān)設(shè)備廠商對(duì)圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在鐵路中的應(yīng)用進(jìn)行研究工作，通過(guò)2007年、2012年的兩次考察審核以及改善，設(shè)備廠商持續(xù)優(yōu)化識(shí)別算法，增強(qiáng)模塊識(shí)別率。當(dāng)前，交叉桿端部牢固螺栓松動(dòng)、貨車(chē)軸承擋鍵遺失、閘瓦插銷(xiāo)突出等問(wèn)題，客車(chē)單元制動(dòng)缸鉗型杠桿開(kāi)口銷(xiāo)遺失、基礎(chǔ)制動(dòng)配件（閘瓦）遺失、單元制動(dòng)缸安裝圓銷(xiāo)遺失，以及動(dòng)車(chē)組走行部、底架懸吊件、鉤緩連續(xù)、制動(dòng)工件、車(chē)體兩側(cè)裙板等位置圖像的自動(dòng)識(shí)別模塊都已實(shí)現(xiàn)了故障及時(shí)通報(bào)，達(dá)到了實(shí)際使用需求。

6 結(jié)語(yǔ)

圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)對(duì)于確保動(dòng)、客、貨車(chē)行駛安全、減少人工勞動(dòng)程度、增強(qiáng)列檢工作效率、提升檢車(chē)水平有著關(guān)鍵意義，當(dāng)前圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)已在貨車(chē)TFDS、客車(chē)TVDS和動(dòng)車(chē)TEDS上獲得有效應(yīng)用，伴隨圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展、改善和進(jìn)一步運(yùn)用，將逐漸引入到機(jī)車(chē)及供電檢測(cè)領(lǐng)域，以后定會(huì)在鐵路運(yùn)輸安全保障工作中發(fā)揮更大的作用。

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作者單位

哈爾濱市科佳通用機(jī)電股份有限公司 黑龍江省哈爾濱市 150001