車載軌道狀態(tài)巡檢技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

馬臣希，張二永，方玥，韓強(qiáng)

（1.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京100081）

車載軌道狀態(tài)巡檢技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

馬臣希1，張二永2，方玥2，韓強(qiáng)2

（1.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京100081）

介紹車載軌道狀態(tài)巡檢技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，闡述我國(guó)自行研制的車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)，該系統(tǒng)主要針對(duì)軌道存在的鋼軌表面擦傷、扣件異常、軌枕掉塊、軌道板裂紋及線路有異物等現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)，分為圖像采集、圖像分析、數(shù)據(jù)管理3個(gè)模塊。簡(jiǎn)述目前巡檢技術(shù)在我國(guó)鐵路日常檢測(cè)中的運(yùn)用狀況和作業(yè)模式，提出今后需要進(jìn)一步深化研究的領(lǐng)域。

車載；軌道狀態(tài)；巡檢技術(shù)；軌道病害；檢測(cè)；智能識(shí)別

0 引言

2017年，我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)12.4萬(wàn)km，高鐵運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)2.2萬(wàn)km，居世界第1位；旅客列車運(yùn)營(yíng)速度達(dá)到350km/h；覆蓋全國(guó)的“四縱四橫”高鐵路網(wǎng)已基本建成。在自然環(huán)境和機(jī)車車輛長(zhǎng)年累月的作用下，鐵路線路會(huì)發(fā)生軌道幾何尺寸變化、鋼軌表面擦傷和內(nèi)部傷損、路基道床變形、扣件丟失或偏移等多種病害問(wèn)題。軌道病害不僅會(huì)影響車輛運(yùn)營(yíng)，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)危及行車安全。軌道狀態(tài)檢查是及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害、保證鐵路運(yùn)輸安全性和可靠性的重要手段之一。目前，我國(guó)鐵路工務(wù)部門主要采用人工巡道和車輛巡檢2種方式進(jìn)行線路檢查。

人工巡道的傳統(tǒng)檢查方式，因其耗時(shí)、低效、主觀性強(qiáng)等諸多缺點(diǎn)，已不能滿足現(xiàn)代高鐵更快、更準(zhǔn)、自動(dòng)化的檢測(cè)要求。在此背景下，提出了基于機(jī)器視覺(jué)的非接觸式檢測(cè)方法并陸續(xù)應(yīng)用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)。通過(guò)在專用的檢測(cè)列車上安裝圖像采集設(shè)備，記錄線路的外觀狀態(tài)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的模式識(shí)別系統(tǒng)來(lái)分析和處理記錄的圖像，以發(fā)現(xiàn)線路缺陷。這種可見光視覺(jué)成像技術(shù)采用工業(yè)相機(jī)和輔助照明光源相配合，通過(guò)等間距運(yùn)動(dòng)掃描的方式，以可視化2D圖像記錄軌道設(shè)備的外觀狀態(tài)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2000年前后，澳大利亞、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始研制智能化的軌道狀態(tài)巡檢設(shè)備；2000—2005年，意大利Mermec、美國(guó)Ensco等公司也研制了智能化軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)并投產(chǎn)；2005—2010年，我國(guó)和法國(guó)等國(guó)家開始研制軌道巡檢系統(tǒng)；2010—2015年，是巡檢系統(tǒng)智能化技術(shù)深化研究發(fā)展及應(yīng)用普及階段，北美開始應(yīng)用3D巡檢技術(shù)。

澳大利亞開發(fā)的軌道掃描系統(tǒng)（RAILSCAN）[1]，采用白光和CCD相機(jī)相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)成像，可對(duì)線路進(jìn)行視頻錄像，再通過(guò)回放錄像進(jìn)行故障判斷的方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，主要測(cè)量鋼軌輪廓、磨耗等參數(shù)。

德國(guó)BvSys公司研制的軌道巡檢系統(tǒng)（RAILCHECK）[2]，采用線陣相機(jī)采集線路圖像，利用高清數(shù)字成像和圖像處理技術(shù)對(duì)主要軌道異常結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，系統(tǒng)能夠識(shí)別扣件缺失、鋼軌表面擦傷、鋼軌波磨等病害。

美國(guó)Ensco公司利用圖像分析技術(shù)開發(fā)了軌道視覺(jué)檢查系統(tǒng)（TVIS）[3]，包括4個(gè)線掃描相機(jī)，覆蓋了整個(gè)軌道的寬度（見圖1），這4個(gè)相機(jī)以3.175mm的分辨率連續(xù)采集軌道的俯視圖。該系統(tǒng)主要針對(duì)美國(guó)鐵路線路還保留大量木枕的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)。

圖1 美國(guó)Ensco公司軌道視覺(jué)檢查系統(tǒng)（TVIS）結(jié)構(gòu)

意大利Mermec公司研制的軌道巡檢系統(tǒng)基于光學(xué)的非接觸檢測(cè)技術(shù)，采用線陣相機(jī)采集和存儲(chǔ)線路圖片。系統(tǒng)的光源和相機(jī)分離，車內(nèi)還裝有大功率的風(fēng)冷設(shè)備，為車下檢測(cè)設(shè)備散熱，系統(tǒng)檢測(cè)速度為160km/h（見圖2）。系統(tǒng)具備自動(dòng)識(shí)別功能，主要識(shí)別鋼軌表面擦傷、扣件缺失、魚尾板螺栓丟失和裂縫等。我國(guó)青藏鐵路公司于2006年引進(jìn)了該系統(tǒng)，2009年正式投入使用，至今仍在青藏鐵路公司格爾木工務(wù)段使用，主要對(duì)格拉線進(jìn)行軌道狀態(tài)巡檢[4]。此外，日本鐵路公司及荷蘭RailVision、德國(guó)STNAtlasElectronic、美國(guó)BeenaVision、英國(guó)DeltaRail、加拿大Sperry等公司都有相關(guān)基于視覺(jué)檢測(cè)原理的工務(wù)巡檢系統(tǒng)，各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理類似，但在功能上存在差異，其數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)多針對(duì)主要客戶提供的軌道數(shù)據(jù)和需求進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，各有特色。總體而言，應(yīng)用自動(dòng)化設(shè)備代替人工檢查是工務(wù)巡檢的發(fā)展趨勢(shì)，后續(xù)將會(huì)大規(guī)模普及和進(jìn)一步深化研究。

圖2 意大利Mermec公司軌道巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)效果

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所于2005年立項(xiàng)，開展巡檢技術(shù)研究。2008年，京津城際鐵路開通運(yùn)營(yíng)，為其拓展了研究對(duì)象。2010年，原鐵道部立項(xiàng)重點(diǎn)課題《高速鐵路綜合巡檢及線路里程精確定位技術(shù)研究》，并在5臺(tái)GTC-60型鋼軌探傷車上裝備“鋼軌表面擦傷檢測(cè)系統(tǒng)”，成功研制了車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)[5]。2011年，京滬高鐵開通運(yùn)營(yíng)推動(dòng)了巡檢技術(shù)的進(jìn)一步研發(fā)，同年原鐵道部立項(xiàng)重大課題《高速鐵路工務(wù)巡檢綜合技術(shù)研究》。2012年，扣件異常識(shí)別模塊研究成功并推廣使用。2013年后，GTC-80型鋼軌探傷車開始裝備車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)，截至目前，全路裝備數(shù)量已超過(guò)20套[6]。

2 我國(guó)車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)

車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)主要針對(duì)軌道中存在的鋼軌表面擦傷、扣件異常、軌枕掉塊、軌道板裂紋及線路有異物等現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)。從功能上可將該檢測(cè)系統(tǒng)分為圖像采集、圖像分析和數(shù)據(jù)管理3個(gè)模塊，模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系見圖3。

圖像采集模塊通過(guò)將相機(jī)安裝在高速運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)車上進(jìn)行拍攝，以圖像形式記錄檢測(cè)車行經(jīng)路途中的軌道狀態(tài)。在成像視場(chǎng)的設(shè)計(jì)上，將2組相機(jī)（每組3個(gè)）吊裝在一個(gè)垂直于鋼軌的空間截面，從6個(gè)不同視角獲取軌道圖像。為每組相機(jī)配置了輔助照明光源，保證成像視場(chǎng)的光照強(qiáng)度和光譜均勻度，確保獲得高品質(zhì)的圖像信息，并通過(guò)接收里程定位系統(tǒng)的信息將數(shù)據(jù)與空間里程關(guān)聯(lián)，獲得完整的軌道圖像數(shù)據(jù)。車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)相機(jī)、光源與軌道的空間位置關(guān)系見圖4，圖像采集軟件得到的數(shù)字圖像見圖5。

圖3 車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)模塊間數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系

圖4 軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)相機(jī)、光源與軌道的空間位置關(guān)系

圖像分析模塊采用機(jī)器識(shí)別為主、人工確認(rèn)為輔的方式對(duì)典型軌道病害進(jìn)行檢測(cè)。圖像分析軟件的工作界面見圖6，點(diǎn)擊“機(jī)器識(shí)別”按鈕可啟動(dòng)智能識(shí)別模塊，識(shí)別結(jié)果會(huì)自動(dòng)顯示在信息列表中，操作員可對(duì)信息進(jìn)行逐一復(fù)核確認(rèn)。

圖像分析模塊中最重要的是軌道病害智能識(shí)別模塊，其工作流程可分為區(qū)域分割、目標(biāo)探測(cè)、特征描述、數(shù)據(jù)降維及模式分類5個(gè)環(huán)節(jié)。整個(gè)過(guò)程是將采集存儲(chǔ)的軌道圖像按照機(jī)器識(shí)別原理，分割為鋼軌、扣件、道床3大區(qū)域，然后在各個(gè)區(qū)域中將待識(shí)別的特征目標(biāo)提取出來(lái)（如鋼軌、扣件等），識(shí)別模塊以特征目標(biāo)的典型病害為識(shí)別對(duì)象，設(shè)計(jì)模式分類器對(duì)軌道狀態(tài)進(jìn)行判別。檢測(cè)出的軌道病害通過(guò)專業(yè)軟件存入數(shù)據(jù)庫(kù)并通知操作員，操作員結(jié)合對(duì)應(yīng)圖像對(duì)機(jī)器識(shí)別輸出結(jié)果進(jìn)行復(fù)核編輯后，形成最終檢測(cè)報(bào)告。車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)檢測(cè)到的典型軌道病害見圖7。

圖5 圖像采集軟件得到的數(shù)字圖像

圖6 圖像分析軟件工作界面

圖7 車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)檢測(cè)到的典型軌道病害

數(shù)據(jù)管理模塊為圖像數(shù)據(jù)及軌道病害信息管理設(shè)計(jì)了檢索、查詢功能。利用檢索功能可通過(guò)線路名稱及采集時(shí)間打開指定的圖像數(shù)據(jù)文件，通過(guò)散列表技術(shù)實(shí)現(xiàn)按索引、里程的數(shù)據(jù)快速檢索。信息查詢功能主要是對(duì)已檢出的軌道病害信息進(jìn)行查找，該功能可通過(guò)設(shè)置采集時(shí)間、鋼軌股道、病害類型、里程范圍、工務(wù)管段等字段對(duì)病害信息進(jìn)行組合查詢。

綜上所述，車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)通過(guò)對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識(shí)別軌道病害。檢測(cè)結(jié)果以固定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ)，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析報(bào)告（見圖8）。

圖8 車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析報(bào)告

3 我國(guó)車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)運(yùn)用狀況和作業(yè)模式

隨著我國(guó)高鐵干線的逐漸開通，原有依賴人工巡道方式的線路檢測(cè)模式已很難適應(yīng)當(dāng)前運(yùn)營(yíng)速度不斷提高的現(xiàn)實(shí)，在列車密度很大的干線這種矛盾日益突出，既無(wú)法保證鐵路運(yùn)營(yíng)的安全性，也很難保障巡道工人的人身安全。因此，我國(guó)18個(gè)鐵路局（公司）已陸續(xù)推行基于車輛巡檢的方式對(duì)管內(nèi)工務(wù)設(shè)備進(jìn)行巡檢。

車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)用單位根據(jù)線路設(shè)備管理需求，制定檢測(cè)和維修計(jì)劃，按照固定周期對(duì)線路設(shè)備進(jìn)行普查，并建立周期性檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)維修作業(yè)的閉環(huán)管理機(jī)制，真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化檢測(cè)、智能化分析、集成化管理的體系化作業(yè)，堪稱“以科技保安全”的典范。車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)作業(yè)和維修流程見圖9。

4 結(jié)束語(yǔ)

車載軌道狀態(tài)巡檢技術(shù)的推廣應(yīng)用為工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施外觀狀態(tài)檢測(cè)提供了先進(jìn)、自動(dòng)化的手段。檢測(cè)技術(shù)自動(dòng)化程度高，提高了檢測(cè)作業(yè)效率，改善了巡檢人員的工作環(huán)境，檢測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠，為鐵路自動(dòng)化、高速化運(yùn)營(yíng)提供了技術(shù)支持。

圖9 車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)作業(yè)和維修流程

今后還需進(jìn)一步開展以下研究：研究可滿足160km/h及更高檢測(cè)速度的車載軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)；研究更穩(wěn)定、準(zhǔn)確、智能化程度更高的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，降低人工復(fù)核的工作強(qiáng)度；研究更多病害的智能化分析，如軌道板裂縫、軌枕裂縫、軌面波磨、光帶異常、道床異物等病害；研究巡檢設(shè)備的3D視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)擦傷深度測(cè)量、扣件或螺栓的浮起測(cè)量、裂縫深度測(cè)量等。

[1]張未．澳大利亞RAILSCAN非接觸式軌道測(cè)量系統(tǒng)[J]． 上海鐵道科技，2001(3)：46-49.

[2]張未．德國(guó)RAILCHECK光電式自動(dòng)化鋼軌檢測(cè)系統(tǒng) 在軌道檢查車中的應(yīng)用[J]．哈爾濱鐵道科技， 2001(4)：2-4.

[3]SINGH M，SINGH S，JAISWALL，et al．Autonomous rail track inspection using vision based system[C]//Proceedings of the 2006 International Conference on Computational Intelligence for Homeland Security and Personal Safety． Alexandria，2006.

[4]柴雪松，朱錦堂，馬輝．青藏鐵路高原巡檢車的研 究[C]//青藏鐵路運(yùn)營(yíng)管理及相關(guān)技術(shù)研討會(huì)論文 集．北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

[5]許貴陽(yáng)，史天運(yùn)，任盛偉，等．基于計(jì)算機(jī)視覺(jué) 的車載軌道巡檢系統(tǒng)研制[J]．中國(guó)鐵道科學(xué)， 2013，34(1)：138-144.

[6]徐其瑞，石永生，許貴陽(yáng)，等．GTC-80型鋼軌探 傷車及其運(yùn)用[J]．中國(guó)鐵路，2013(11)：55-58.

Development and Application of Onboard Patrol Inspection Technologies for Rail Status

MA Chenxi1，ZHANG Eryong2，F(xiàn)ANG Yue2，HAN Qiang2
（1. Beijing IMAP Technology Co Ltd，Beijing 100081，China；2. Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The paper reviews the research progress of onboard patrol inspection technologies on rail status in both China and beyond. On this basis, it introduces the functions and features of the domestically-developed onboard patrol inspection system for rail status. With three modules for image collection, image analysis and data management, the system targets the potential scratch on surface, fasterning abnormality, sleeper spalling, loose tie cracking and foreign objects on track, etc. The paper then summarizes the operation and working mode in the routine inspection in China and proposes the potential areas for further study.

onboard；rail status；patrol inspection technology；rail hazard；inspection；smart recognition

U216.3

A

1001-683X（2017）10-0091-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.091

馬臣希（1987—），男，助理研究員，碩士。E-mail：owenryan@aliyun.com

責(zé)任編輯 李鳳玲

2017-07-08