管春玲，鐘秋燕

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州，510430）

對軌道交通車輛進(jìn)行檢修保養(yǎng)，是保證軌道交通車輛安全運(yùn)行的基本前提[1～2]。隨著我國軌道交通運(yùn)營里程和運(yùn)營車輛的逐步增加，現(xiàn)有機(jī)務(wù)段、動(dòng)車所的軌道交通車輛的檢修能力逐漸趨于飽和，軌道交通車輛數(shù)量配備與實(shí)際檢修能力存在錯(cuò)位發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的軌道交通車輛檢修作業(yè)主要是基于人工完成，多數(shù)在夜間進(jìn)行，工作繁瑣、強(qiáng)度大、時(shí)間緊，在檢修效率和檢修質(zhì)量上面臨雙向壓力[3]。因此十分有必要對軌道交通車輛的檢修技術(shù)進(jìn)行升級，本文對基于巡檢機(jī)器人的軌道交通車輛底部檢測方法進(jìn)行了深入研究，最終實(shí)現(xiàn)了立體化、智能化、信息化的全方位多角度檢修新模式，在有效保證檢修效率和檢修質(zhì)量的同時(shí)降低了人工勞動(dòng)的強(qiáng)度[4～5]。

1 機(jī)器人巡檢系統(tǒng)硬件組成

基于軌道交通車輛底部檢測目標(biāo)的特點(diǎn)及檢測目標(biāo)的分布情況，在軌道交通車輛檢修車間的車庫地溝構(gòu)建基于巡檢機(jī)器人的軌道交通車輛車底檢測系統(tǒng)[6]。在軌道交通車輛入庫后，基于巡檢機(jī)器人以轉(zhuǎn)向架為單位對軌道交通車輛的車底情況進(jìn)行常規(guī)巡檢，系統(tǒng)對軌道交通車輛的整車底部進(jìn)行圖像檢查，從多個(gè)角度對車底的關(guān)鍵部件進(jìn)行圖像信息采集，并對測試項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行逐一測量，將檢測結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)送給主控中心和智能手持終端[7～8]。基于巡檢機(jī)器人的軌道交通車輛車底檢測系統(tǒng)主要包括了數(shù)據(jù)分析單元、數(shù)據(jù)服務(wù)器、智能手持終端、供電單元、機(jī)器人、圖像數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、傳感器等，具體的系統(tǒng)組成及功能描述如表1所示。

表1 車底檢測系統(tǒng)組成及功能描述

2 巡檢功能實(shí)現(xiàn)原理

2.1 定位巡檢實(shí)現(xiàn)原理

軌道交通車輛車底檢測系統(tǒng)采用雙機(jī)器人配置結(jié)構(gòu)，通過兩次定位檢測，完成對單個(gè)轉(zhuǎn)向架的檢測，能夠滿足對軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架核心部件的全方位、多角度檢測[9～10]。該項(xiàng)定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要綜合考慮巡檢機(jī)器人自身的性能參數(shù)、單個(gè)機(jī)器人的升降高度、雙機(jī)器人之間的間隔距離等。檢測過程中，要保證用最少的定位次數(shù)（兩次）完成對軌道交通車輛底部轉(zhuǎn)向架的核心部件的檢測，實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛檢修時(shí)長的壓縮以保證檢修效率[11]。

軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架共包含了兩根軸，軌道交通車輛車底檢測系統(tǒng)兩次分別定位在不同軸的左側(cè)和右側(cè)，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對整個(gè)轉(zhuǎn)向架檢測項(xiàng)點(diǎn)的覆蓋。軌道交通車輛車底檢測系統(tǒng)第一次定位后，機(jī)器人1負(fù)責(zé)檢測1號軸的左側(cè)，機(jī)器人2負(fù)責(zé)檢測2號軸的左側(cè)和轉(zhuǎn)向架中部；檢測系統(tǒng)第二次定位后，機(jī)器人1負(fù)責(zé)檢測1號軸的右側(cè)及轉(zhuǎn)向架的中部，機(jī)器人2負(fù)責(zé)檢測2號軸的右側(cè)。具體檢測原理如圖1所示。

圖1 定位巡檢實(shí)現(xiàn)原理

2.2 車底圖像二維識(shí)別原理

采用結(jié)構(gòu)相似性（SSIM）指標(biāo)來衡量兩幅圖像的相似程度；采用圖像點(diǎn)特征的方法對軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架核心部件進(jìn)行特征檢測、特征匹配、提出誤差匹配，最終再基于結(jié)構(gòu)相似性指標(biāo)來衡量匹配結(jié)果。對應(yīng)位置的計(jì)算結(jié)果越大，說明二者的差異程度越小，反之，二者的差異程度越大，可能出現(xiàn)部件形變或部件丟失。

假定存在兩張圖像A和圖像B，兩張圖像的結(jié)構(gòu)相似性可按照如下方式計(jì)算得到：

其中，μA為A的平均值，μB為B的平均值，為A的方差，

為B的方差，σAB為A和B的協(xié)方差，m1和m2是用來保持計(jì)算收斂的常數(shù)。

其中，K是像素的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)區(qū)間，m1的取值為0.01，m2的取值為0.03。結(jié)構(gòu)相似性的取值范圍為，當(dāng)兩張圖像完全一樣時(shí)，結(jié)構(gòu)相似性參數(shù)值為1，當(dāng)兩張圖完全不一樣時(shí)，結(jié)構(gòu)相似性參數(shù)為-1。

作為結(jié)構(gòu)相似性理論的實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)相似性參數(shù)從圖像組成的角度將結(jié)構(gòu)信息定義為獨(dú)立于亮度、對比度的，反映場景中物體結(jié)構(gòu)的屬性，并將失真建模為亮度、對比度和結(jié)構(gòu)三個(gè)不同元素的組合。用均值作為亮度的估計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)差作為對比度的估計(jì)，協(xié)方差作為結(jié)構(gòu)相似程度的度量。圖像的二維識(shí)別結(jié)果如圖2所示，檢測到了轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)了異常，轉(zhuǎn)向架上出現(xiàn)了異物附著。

圖2 軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架檢測異常結(jié)果

2.3 車底圖像三維檢測原理

采用雙目相機(jī)和結(jié)構(gòu)光相互配合運(yùn)用的方式來實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架核心部件三維結(jié)構(gòu)的檢測，在實(shí)現(xiàn)上包括雙目圖像交互匹配和三維外形復(fù)原兩部分。進(jìn)行雙目圖像交互配合時(shí)先要基于張正友標(biāo)定模型進(jìn)行雙目相機(jī)的標(biāo)定，再利用雙目紋理圖像來完成圖像特征點(diǎn)的交互匹配，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配準(zhǔn)點(diǎn)三維計(jì)算，最終得到大量的匹配點(diǎn)，由此可以對核心部件的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效恢復(fù)?；谌S檢測的雙目紋理成像如圖3所示。

圖3 基于三維檢測的雙目紋理成像

2.4 圖像傳輸原理

軌道交通車輛車底檢測系統(tǒng)所采集到的圖像都是高清圖像，其數(shù)據(jù)量非常大，而此數(shù)據(jù)對進(jìn)行轉(zhuǎn)向架、連接器等部件狀態(tài)的檢測意義非常重大，同時(shí)為保證檢測時(shí)效，需將此圖像數(shù)據(jù)快速傳輸至數(shù)據(jù)分析中心進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，因此圖像數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)為此系統(tǒng)核心能力之一。車底檢測系統(tǒng)基于圖像分層編解碼的窄帶寬、超高清圖像傳輸技術(shù)，對原始圖像數(shù)據(jù)分層處理，優(yōu)先對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，以保證作業(yè)人員能夠在短時(shí)間內(nèi)得到自己所需要的數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)加載高清圖像，提升作業(yè)人員的體驗(yàn)感，在現(xiàn)場局域網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采用分層數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)后，高清圖像的加載速度顯著提升。圖像傳輸原理如圖4所示。

圖4 圖像傳輸原理

3 實(shí)例運(yùn)用分析

基于巡檢機(jī)器人的軌道交通車輛車底檢測系統(tǒng)能夠?qū)壍澜煌ㄜ囕v的轉(zhuǎn)向架、連接器等進(jìn)行全方位、多角度的檢測，并能夠?qū)z測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的運(yùn)算和管理。該系統(tǒng)已經(jīng)在部分機(jī)務(wù)段及動(dòng)車所進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，其實(shí)際價(jià)值主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

(1)軌道交通車輛車底檢測系統(tǒng)采用了機(jī)器人技術(shù)，現(xiàn)場作業(yè)人員可以根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)的檢測結(jié)果確定是否需要進(jìn)行部分結(jié)果復(fù)驗(yàn)。這樣能夠進(jìn)一步確定實(shí)際需要進(jìn)行的工作，減少不必要的工作，縮短檢修時(shí)間，提高檢修效率，降低人工成本。

(2)以往需要通過人工完成的細(xì)節(jié)檢測、消耗時(shí)間較多的工作，通過檢測系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)診斷定位，從而展開具有針對性的維修保養(yǎng)，縮短常規(guī)檢修作業(yè)時(shí)間。

(3)降低檢修工作的安全風(fēng)險(xiǎn)，由于車輛檢修工作需要安排在車間地溝中進(jìn)行，地溝光線較弱，存在一定的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。采用機(jī)器人檢測系統(tǒng)后可以大量減少作業(yè)人員地溝作業(yè)項(xiàng)目，現(xiàn)場作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)可得到一定程度降低。

(4)實(shí)現(xiàn)管理成本的降低，采用軌道交通車輛車底檢測系統(tǒng)后，車輛全部的數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行數(shù)字化處理，檢測結(jié)果存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)服務(wù)器中，方便運(yùn)營單位進(jìn)行歷史追溯，在出現(xiàn)人員工作疏忽造成安全隱患發(fā)生時(shí)可快速明確相關(guān)責(zé)任人員，強(qiáng)化作業(yè)人員責(zé)任心。

4 結(jié)論

軌道交通車輛車底檢測系統(tǒng)運(yùn)用了機(jī)器人技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等，能夠快速、全面實(shí)現(xiàn)對軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架、連接器等車底部件的全方位、多角度檢測，并對檢測發(fā)現(xiàn)的異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警提示。軌道交通車輛車底檢測系統(tǒng)的運(yùn)用，對提高軌道交通車輛安全性、降低人工成本、降低時(shí)間成本、提升企業(yè)經(jīng)營效益方面起到了積極的作用。對于保障軌道交通車輛的高效、安全運(yùn)營具有重要引導(dǎo)意義。