廖進(jìn) 吳松榮 劉東 楊平

摘 要：提出一種新的車載式地鐵軌道缺陷巡檢系統(tǒng)，利用機器視覺技術(shù)，通過對系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計，實現(xiàn)軌道道床空間全斷面高清晰成像、檢測位置信息獲取、軌道缺陷智能識別以及軌道缺陷數(shù)據(jù)無線傳輸保存等功能。最后，將該巡檢系統(tǒng)應(yīng)用在廣州地鐵 8 號線上，試驗結(jié)果表明，該巡檢系統(tǒng)具有定位精準(zhǔn)、軌道缺陷檢測精確、實時傳輸和分析的優(yōu)點，適用于我國地鐵軌道缺陷巡檢，可有力保障列車安全、可靠運行。

關(guān)鍵詞：地鐵;智能巡檢裝置;車載式;軌道缺陷處理;圖像識別

中圖分類號：U216.3

1研究背景

隨著城市規(guī)?？焖贁U大，軌道交通逐漸成為城市客運的一種主要交通工具。修建軌道交通設(shè)施的城市大多人口眾多，對軌道交通依賴度較高，數(shù)分鐘的故障延誤都將給人們的日常出行帶來極大的不便;同時軌道是關(guān)乎城市軌道交通運行安全的重要設(shè)備之一， 一旦發(fā)生軌道故障，將會引發(fā)較為嚴(yán)重的行車事故，造成無可挽回的經(jīng)濟損失和社會影響。因此，為保證運營安全，提高城市軌道交通的可用性與安全性，必須加強對軌道狀態(tài)的及時檢查。

目前國內(nèi)對軌道狀態(tài)的巡檢以人工步行巡檢為主，需要消耗大量的人力資源，而且通過人眼觀察進(jìn)行缺陷識別，受人員素質(zhì)和工作積極性的影響，具有一定的不確定性。個別線路配備了安裝在工程車上的自動巡檢裝置，利用夜間檢修時間，在工程車輛的快速行走過程中，對軌道狀態(tài)進(jìn)行快速自動檢查，但由于工程車輛上線運行須占用線路檢修時間，需要提前申請行車點，一般只能每隔1個月或者半個月對線路檢查1 次，而軌道線路需要每天巡視檢查，該方式只能作為當(dāng)前人工巡檢方式的一個補充，不能達(dá)到代替人工巡檢的目的。

此外，軌道缺陷的檢測手段還有電渦流法和超聲波法等。其中：

（1）電渦流法利用軌道探傷儀產(chǎn)生的感應(yīng)電流檢測軌道傷損，但由于檢測系統(tǒng)存在高頻激勵信號，檢測信號的處理難度較大，檢測速度較慢;

（2）超聲波法是應(yīng)用最多的技術(shù)，其探傷探頭通過向軌道發(fā)射連續(xù)的超聲波脈沖檢測軌道內(nèi)部傷損。

還有文獻(xiàn)提到采用激光傳感器檢測軌道缺陷，但該方法由于在高速以及列車晃動情況下會導(dǎo)致激光數(shù)據(jù)誤差較大，因此只能用于低速軌道檢測車。

以上方法均存在檢測速度慢、準(zhǔn)確度低及軌道缺陷檢測類別單一的缺點。

針對目前軌道缺陷檢測效率低及存在干擾時檢測準(zhǔn)確度低等問題，本文提出一種新的車載式地鐵軌道缺陷巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用機器視覺技術(shù)在車輛運行過程中實時采集軌道道床空間全斷面高清晰圖像，精確檢測列車運行位置以及智能識別軌道缺陷，并將檢測出的缺陷信息和位置信息通過無線網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送至巡檢系統(tǒng)云服務(wù)器，利用云計算技術(shù)分析和處理檢測數(shù)據(jù)，便于維修人員及時對缺陷進(jìn)行評價及處理。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與技術(shù)指標(biāo)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車載式地鐵軌道缺陷巡檢系統(tǒng)主要由安裝在電客車底部的檢測梁、安裝在車輪軸頭上的速度傳感器、安裝在車內(nèi)客室座位下的檢測機柜、部署在云服務(wù)器上的檢測數(shù)據(jù)處理服務(wù)器程序和安裝在終端監(jiān)控計算機上的客戶端程序等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)功能

車載式地鐵軌道缺陷巡檢系統(tǒng)能在列車最高運行速度為160 km/h的情況下，實時采集軌道道床空間全斷面高清晰圖像，精確檢測列車運行位置，并能對軌道缺陷進(jìn)行智能識別，將檢測出的缺陷信息和位置信息通過無線網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送至巡檢系統(tǒng)云服務(wù)器進(jìn)行分析和處理。

該系統(tǒng)主要功能如下。

（1）在電客車走行過程中，實時對軌道及道床進(jìn)行高清圖像采集。

（2）對軌道狀態(tài)圖像進(jìn)行智能缺陷識別，自動識別的缺陷包括鋼軌裂紋及斷軌，鋼軌扣件斷裂、移位及缺失，軌枕裂紋及掉塊，道床空間異物入侵，感應(yīng)板移位。

（3）巡檢位置檢測，即測量地鐵當(dāng)前走行的位置（公里標(biāo)），將其作為系統(tǒng)所記錄的鋼軌缺陷在線路上的坐標(biāo)信息。

（4）將鋼軌缺陷圖片的缺陷類型、缺陷位置信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云服務(wù)器。

（5）線路上需要重點關(guān)注的位置，如道岔等位置的實時圖像也可通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云服務(wù)器，便于實時查看設(shè)備狀態(tài)。

（6）將軌道缺陷信息及圖片保存至云服務(wù)器。

（7）安裝在終端監(jiān)控計算機上的客戶端程序可查看缺陷信息，并進(jìn)行匯總統(tǒng)計，對比分析，形成報表等。

2.3 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

車載式地鐵軌道缺陷巡檢系統(tǒng)缺陷檢測類別包括鋼軌扣件移位及缺失、鋼軌及軌枕裂紋、軌枕破損、道床空間異物入侵、感應(yīng)板移位、鋼軌焊縫等，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

3 系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件主要包括車下檢測梁上的硬件裝置以及車內(nèi)檢測機柜內(nèi)的硬件裝置。車下檢測梁內(nèi)布置有對軌道進(jìn)行成像的高清成像組件、觸發(fā)高清成像組件進(jìn)行同步拍照的同步裝置，以及讀取線路上電子標(biāo)簽的電子標(biāo)簽閱讀器。車下檢測梁俯視圖如圖2所示。

車內(nèi)檢測機柜內(nèi)主要布置有檢測主機、3G/4G無線數(shù)據(jù)傳送裝置和電源裝置等。車內(nèi)檢測機柜的安裝位置如圖3所示。

下面詳細(xì)介紹系統(tǒng)硬件各部件。

3.1.1 高清成像組件

高清成像組件用于對軌道區(qū)域進(jìn)行高清成像，在列車高速運行情況下獲取軌道清晰圖像，安裝示意圖如圖 4所示。

高清成像組件共有6組相機及照明光源組成，如圖 4所示。其中4組相機分別從2個側(cè)面拍攝鋼軌區(qū)域，2 組相機分別從正上方拍攝鋼軌中間的道床區(qū)域，實現(xiàn)對道床斷面的全覆蓋。在列車高速行駛時，為了確保每個扣件都能被拍到，且具有高識別率，對扣件檢測算法提出了嚴(yán)格要求：通過實測得到2個扣件之間的距離為0.6m，列車按照最高速度120 km/h考量，4 組相機進(jìn)行扣件檢測，從而計算得到每個扣件從采集、預(yù)處理到識別的整個過程應(yīng)保證在4.5 ms內(nèi)完成。相機參數(shù)和頻閃LED光源參數(shù)設(shè)計如下。

（1）相機參數(shù)配置。分辨率為2 048×2 048像素，曝光時間為0.02～1 000 ms，最高幀率為223 f/s，接口為雙千兆網(wǎng)。

（2）照明光源。采用機器視覺專用頻閃LED光源，額定功率為432 W，脈沖寬度為1～1 023 μs，響應(yīng)時間≤15 μs。

3.1.2 同步裝置

同步裝置安裝在檢測梁底部，由高速激光測距傳感器、速度傳感器、嵌入式同步觸發(fā)系統(tǒng)，以及相機觸發(fā)電路組成。其中，嵌入式同步觸發(fā)系統(tǒng)采用小型單片機系統(tǒng)，參數(shù)配置如下：①ATmega328微控制器——16MHz時鐘;②2 KB 靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）;③14個數(shù)字IO口;④6個模擬量輸入口;⑤1個計數(shù)器。

高速激光測距傳感器對著鋼軌外側(cè)道床區(qū)域進(jìn)行測量，參數(shù)配置如下：①測量范圍為60～2 000 mm;② 響應(yīng)時間為1 ms;③測量分辨率為1 mm;④激光類型為Ⅰ 類激光;⑤模擬量輸出為4～20 mA。

3.1.3 電子標(biāo)簽閱讀器

電子標(biāo)簽閱讀器采用工業(yè)級閱讀器（HD Reader），是一種能遠(yuǎn)距離識別ID標(biāo)簽卡的射頻識別設(shè)備（RFID），機械和電子部分具有非常好的堅固耐用性，適用于惡劣環(huán)境，具有防噴射水、防塵及抵御其他惡劣環(huán)境條件的結(jié)構(gòu)保護(hù)，可在400 km/h速度下準(zhǔn)確識別線路上的電子標(biāo)簽信息。電子標(biāo)簽閱讀器布置在檢測梁中部下方，在線路上

每1km布置1個，用于在列車運行過程中感應(yīng)線路上電子標(biāo)簽位置，對運行里程進(jìn)行校準(zhǔn)。缺陷檢測位置定位原理如圖5所示。

各部分功能如下。

（1）速度傳感器。輸出距離脈沖，車輪每轉(zhuǎn)動1周輸出80脈沖。

（2）軌枕感應(yīng)傳感器。通過快速光電測量判斷軌枕位置。

（3）同步觸發(fā)控制器。根據(jù)距離脈沖計算走行距離后傳輸給檢測主機，并結(jié)合走行距離信息和軌枕感應(yīng)傳感器輸出的軌枕信息判斷軌枕位置，在軌枕位置處觸發(fā)控制6組相機同步采集軌道圖像。

3.1.4 檢測主機

檢測主機用于圖像的智能識別、檢測結(jié)果的保存及發(fā)送。檢測主機采用車載準(zhǔn)用緊湊式工業(yè)服務(wù)器，參數(shù)配置如下：①E2400 32核CPU;②32G內(nèi)存;③MSI1080ti獨立顯卡;④256 G固態(tài)硬盤;⑤2T可拔插式硬盤盒;⑥15個千兆網(wǎng)口。

3.1.5 無線數(shù)據(jù)傳輸裝置

檢測結(jié)果通過布置在車內(nèi)檢測機柜內(nèi)的工業(yè)4G路由器傳輸至云服務(wù)器，也可通過車內(nèi)多網(wǎng)融合系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。

3.1.6 電源裝置

檢測裝置的電源由車輛系統(tǒng)提供的DC110V和AC220V兩路電源供給。在線路正常運行過程中由AC220V供電，在車輛停止運行降弓后由DC110V電源逆變?yōu)锳C220V電源用于系統(tǒng)關(guān)機。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的工作流程如圖6所示，主要包括檢測位置信息獲取、信息采集（包括同步觸發(fā)裝置和高清成像）、軌道缺陷智能識別以及軌道缺陷數(shù)據(jù)無線傳輸保存等，詳細(xì)分析如下。

3.2.1 檢測位置信息獲取

地鐵上電運行后，巡檢系統(tǒng)獲電啟動。車輛運行后，通過速度傳感器輸出的距離脈沖，計算出列車走行里程。通過獲取線路上的電子標(biāo)簽信息和列車TCMS信息對檢測位置進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.2.2 同步觸發(fā)裝置

車輛啟動走行后，同步觸發(fā)系統(tǒng)通過計數(shù)器端口讀取距離脈沖，并開始通過模擬量輸入端口測量檢測梁安裝位置距道床區(qū)域的高度。當(dāng)走行到軌枕位置時，由于軌枕具有一定的高度，而且上面安裝有扣件等部件，測量高度會出現(xiàn)階躍性變化，同步觸發(fā)系統(tǒng)根據(jù)高度變化判斷當(dāng)前位置是否為軌枕位置。為避免道床上其他隨機出現(xiàn)的凸起設(shè)施對測量造成干擾，系統(tǒng)還結(jié)合由速度脈沖計算出的走行距離進(jìn)行綜合判斷。

同步觸發(fā)系統(tǒng)確認(rèn)為軌枕位置后，通過系統(tǒng)IO口驅(qū)動觸發(fā)電路，即觸發(fā)高清成像組件各相機同步進(jìn)行拍攝。

3.2.3 高清成像

高清成像組件由同步觸發(fā)裝置輸出的同步信號驅(qū)動，同步拍攝軌道區(qū)域的圖像;照明光源在拍攝時同步發(fā)光，為相機提供照明。各相機采集的高清圖片通過千兆以太網(wǎng)發(fā)送至車內(nèi)檢測機柜內(nèi)的檢測主機進(jìn)行分析與處理。

3.2.4 軌道缺陷智能識別

車內(nèi)檢測主機通過高清成像組件傳輸?shù)能壍缊D像進(jìn)行圖像智能分析，實時識別出扣件缺陷、軌道異物、軌枕缺陷、鋼軌缺陷、感應(yīng)板移位等信息。

3.2.5 軌道缺陷數(shù)據(jù)無線傳輸保存

檢測裝置在運行過程中智能識別到的軌道缺陷，包括缺陷圖片、運行位置、時間、車次等信息，實時通過車載無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云服務(wù)器保存，并實時推送至車輛段終端監(jiān)控計算機，通過客戶端軟件界面可實時顯示和查看缺陷信息。

4 系統(tǒng)驗證

為更好地驗證所提出的車載式地鐵軌道缺陷巡檢系統(tǒng)的性能，自2018年8月開始在廣州地鐵8號線正式使用該地鐵軌道缺陷巡檢系統(tǒng)，每天隨編號為169170車輛巡視檢查軌道，截至2019年3月系統(tǒng)共查出1 615處缺陷（含重復(fù)），其中扣件缺陷1 310處，軌枕破損290處，道床異物15處。軌道缺陷樣例如圖7所示，經(jīng)驗證檢出率為100%。

檢測出的缺陷信息和位置信息通過無線網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送至巡檢系統(tǒng)云服務(wù)器，工作人員利用云計算技術(shù)分析和處理檢測數(shù)據(jù)（圖8），可以實時了解軌道缺陷位置和缺陷種類。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種車載式地鐵軌道缺陷巡檢系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由檢測梁、速度傳感器、檢測機柜、檢測數(shù)據(jù)處理服務(wù)器程序和客戶端程序等組成。該系統(tǒng)利用機器視覺技術(shù)在車輛運行過程中實時采集軌道道床空間全斷面高清晰圖像，精確檢測列車運行位置以及智能識別軌道缺陷，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實時將檢測出的缺陷信息和位置信息發(fā)送至巡檢系統(tǒng)云服務(wù)器。最后，以廣州地鐵8號線為例，證明了該系統(tǒng)具有定位精準(zhǔn)、軌道缺陷檢測率精確、實時傳輸和分析的優(yōu)點，并驗證了該方案可行，適用于我國軌道缺陷巡檢，可有力保障列車安全、可靠運行。

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收稿日期 2019-06-15

責(zé)任編輯 黨選麗

Design of on-board inspection system for subway track defects

Liao Jin， Wu Songrong， Liu Dong， et al.

Abstract： This paper proposes a new on-board subway track defect inspection system. By using machine vision technology and the design of the hardware and software of the system， it realizes the functions of full section high-definition imaging of track bed space， acquisition of inspection position information， intelligent identification of track defects and wireless transmission and storage of track defect data. In the conclusion， the inspection system is used on Guangzhou metro line 8， and the test results show that the inspection system has the advantages of accurate positioning， accurate inspection rate of track defects， real-time transmission and analysis. It is suitable for the inspection of track defects in China and effectively guarantees the safe and reliable operation of trains.

Keywords： subway， intelligent inspection device， on-board， track defect processing， image recognition