動(dòng)車組主要關(guān)鍵部件安裝狀態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任朝陽(yáng)，杜錦程，申孝周，劉耀華，張 欽，高 佶，劉慶慶，關(guān) 琦

(中國(guó)鐵路南昌局集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000)

在動(dòng)車所一級(jí)修更換制動(dòng)盤左右兩側(cè)的到限閘片時(shí)，存在因閘片安裝不到位導(dǎo)致其卡扣未卡死，使得閘片處于松動(dòng)狀態(tài)的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，由于動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中啟停、振動(dòng)等因素，可能導(dǎo)致卡扣彈起后閘片脫落的安全事故(圖1)。另外，動(dòng)車組的裙板三角鎖、底板螺栓的類型、數(shù)量較多，體積小，存在人工復(fù)核遺漏的安全隱患，若動(dòng)車組出庫(kù)時(shí)三角鎖、底板螺栓松動(dòng)，則運(yùn)行中裙板、底板有可能掉落，嚴(yán)重危及動(dòng)車組運(yùn)行安全。

圖1 閘片丟失故障案例

安裝在動(dòng)車所檢查庫(kù)至存車場(chǎng)之間出入庫(kù)咽喉處的動(dòng)車組關(guān)鍵部件安裝狀態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)(SEDS)，運(yùn)用高分辨率相機(jī)可對(duì)動(dòng)車組的重點(diǎn)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行成像，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)算法在圖像中對(duì)重點(diǎn)部件的特征進(jìn)行測(cè)量分析，能更好地檢測(cè)、復(fù)核動(dòng)車組一、二級(jí)修作業(yè)后出庫(kù)閘片、裙板三角鎖及底板螺栓的檢修質(zhì)量和狀態(tài)，可在動(dòng)車組出所上線運(yùn)行前消除安全隱患，最大程度避免人為失誤造成的漏檢漏修，對(duì)動(dòng)車組安全形成“雙保險(xiǎn)”。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

SEDS系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：軌邊探測(cè)設(shè)備、軌邊機(jī)房設(shè)備和監(jiān)控中心設(shè)備。該系統(tǒng)底部安裝7臺(tái)相機(jī)，側(cè)部安裝5臺(tái)相機(jī)。為了精準(zhǔn)抓拍動(dòng)車組各個(gè)關(guān)鍵部位高清圖像，軌邊相機(jī)的布局方式以抓拍到部件的高清特征圖像為準(zhǔn)，底部以動(dòng)車組動(dòng)車和拖車閘片位置為圖像中心，側(cè)部以裙板三角鎖為圖像中心，并且采用高分辨率鏡頭以提高圖像質(zhì)量，提高自動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確率，降低誤報(bào)率。

報(bào)警終端設(shè)計(jì)方面，識(shí)別算法可以直接描述故障發(fā)生的位置并顯示此圖，分析員只需要復(fù)核確認(rèn)即可(圖2)。為了方便分析員直觀地定位故障點(diǎn)，報(bào)警終端只提供了左側(cè)裙板、右側(cè)裙板、底中通道的整車瀏覽界面，用于映射報(bào)警故障點(diǎn)，其他通道圖像只用于自動(dòng)識(shí)別。

圖2 報(bào)警終端

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)檢測(cè)對(duì)象為CRH380A、CRH2A型動(dòng)車組，檢測(cè)過(guò)程為全自動(dòng)檢測(cè)。主要功能為：

(1) 檢測(cè)閘片安裝是否到位，系統(tǒng)可以高精度地檢測(cè)出各個(gè)閘片的安裝狀態(tài)，最大程度地避免人為疏忽造成的安全隱患；

(2) 檢測(cè)裙板三角鎖鎖閉是否到位；

(3) 檢測(cè)空調(diào)蒸發(fā)器/冷凝器底板螺栓是否丟失；

(4) 系統(tǒng)具有車號(hào)識(shí)別索引功能，可以準(zhǔn)確地識(shí)別出動(dòng)車組編組號(hào)。

識(shí)別一個(gè)部件，主要解決2個(gè)問(wèn)題：首先，要準(zhǔn)確地在圖像中定位出需要識(shí)別的局部區(qū)域(ROI)；其次，在局部區(qū)域中，通過(guò)對(duì)目標(biāo)部件的圖像特征設(shè)計(jì)識(shí)別算法。下面通過(guò)2個(gè)故障識(shí)別點(diǎn)進(jìn)行分析說(shuō)明。

2.1 三角鎖鎖閉不到位故障識(shí)別

系統(tǒng)拍攝的三角鎖圖像分布在左右側(cè)部上相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)，各個(gè)三角鎖高度基本一致。將2個(gè)相機(jī)拍攝的圖像沿縱向以輛為單位拼接成大圖，沿橫向截取寬度為600像素的條狀區(qū)域(圖3中2條紅線之間的區(qū)域)，所有的三角鎖均在該區(qū)域中。

圖3 三角鎖區(qū)域定位示意圖

截取以三角鎖中心為原點(diǎn)的300像素寬的正方形區(qū)域作為識(shí)別目標(biāo)及正樣本，其他任意區(qū)域的300像素寬的區(qū)域?yàn)樨?fù)樣本，提取方向梯度直方圖特征(HOG特征)，作用是將二維灰度圖像通過(guò)提取梯度信息并進(jìn)行編碼后轉(zhuǎn)換為一個(gè)一維特征向量。

將正負(fù)樣本進(jìn)行標(biāo)記(label)，正樣本的label為1，負(fù)樣本為-1。把特征向量及l(fā)abel送入支持向量機(jī)(SVM)中進(jìn)行訓(xùn)練，得到模型文件。線上運(yùn)行時(shí)，根據(jù)三角鎖之間的距離等先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行定位框篩選(圖4)，得到每一個(gè)三角鎖區(qū)域的局部圖像(圖3中藍(lán)色框)。

圖4 三角鎖定位框篩選

由于最終目標(biāo)是獲取三角鎖的精確位置(圖3中綠色框)，故在藍(lán)色框區(qū)域基礎(chǔ)上，以完全準(zhǔn)確位置的三角鎖圖像為正樣本，以其他位置的圖像為負(fù)樣本，再次進(jìn)行訓(xùn)練，得到模型文件。在線運(yùn)行時(shí)，可進(jìn)一步得到三角鎖的精確位置，最終得到三角鎖局部圖像(圖3中綠色框)。

得到三角鎖區(qū)域后進(jìn)行識(shí)別，將正確位置的三角鎖定義為正樣本，旋轉(zhuǎn)超過(guò)一定角度(如30°)的三角鎖定義為負(fù)樣本(圖5)，并送入SVM進(jìn)行訓(xùn)練，得到用于識(shí)別(分類)的模型文件。線上運(yùn)行時(shí)，經(jīng)過(guò)前面的定位過(guò)程，即可對(duì)三角鎖是否有明顯旋轉(zhuǎn)進(jìn)行判斷。

圖5 三角鎖典型正負(fù)樣本圖例

2.2 閘片區(qū)域部件識(shí)別

閘片及附屬件的識(shí)別首先也是要解決部件局部的定位問(wèn)題。不同于裙板三角鎖，底部轉(zhuǎn)向架部分部件多，同時(shí)存在一定光干擾，給定位工作帶來(lái)較大難度，需要充分利用已有的列車相關(guān)信息縮小定位范圍。

由于閘片及附屬件的主要作用是列車制動(dòng)，因此確定車輪(或車軸)在圖像中的位置會(huì)非常有利于閘片相關(guān)部件位置的確定。如圖6所示，選取2條紅色直線之間的局部區(qū)域，根據(jù)光線因素，車輪位置的局部像素值很高，同時(shí)根據(jù)側(cè)部與底部圖像存在的同步掃描對(duì)應(yīng)關(guān)系，則對(duì)于轉(zhuǎn)向架區(qū)域，車軸的位置也隨之被確定。

圖6 車輪位置的確定

對(duì)于底部不同通道的圖像，每一個(gè)通道均有其關(guān)注的閘片位置。閘片相關(guān)部件所在區(qū)域沿車軸方向基本固定，縱向在車軸上下劃分出一個(gè)固定范圍，使得需要識(shí)別的區(qū)域不超過(guò)該范圍(圖7)。

圖7 底部識(shí)別范圍

下一步就是如何精細(xì)地確定各重要部件的位置。首先選取一局部區(qū)域作為基準(zhǔn)定位區(qū)域，該區(qū)域要有足夠的辨識(shí)度，在閘片故障前后變化要盡可能小。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，選取圖8中綠色框局部區(qū)域作為定位基準(zhǔn)區(qū)域。以大量過(guò)車圖像中的基準(zhǔn)定位區(qū)域?yàn)檎龢颖?，以識(shí)別范圍內(nèi)其他位置的區(qū)域作為負(fù)樣本，提取HOG特征并送入SVM中進(jìn)行訓(xùn)練，得到模型文件。線上運(yùn)行時(shí)，結(jié)合模型文件精準(zhǔn)定位基準(zhǔn)區(qū)域后，由于關(guān)注的部件與基準(zhǔn)區(qū)域之間的相對(duì)位置關(guān)系是固定的，最終可以得到重要部件局部圖像。

圖8 CRH380A車型卡簧鉤定位示意圖

針對(duì)傳統(tǒng)的HOG特征結(jié)合SVM分類器的算法在閘片重要部件上識(shí)別故障時(shí)存在誤報(bào)率高、漏報(bào)情況也較多的問(wèn)題，本系統(tǒng)將深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于故障圖像的識(shí)別中，具體應(yīng)用為基于keras框架下的VGG16深度網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重要部件圖像特征的提取，采用KNN分類器作為判斷算法。在一輛車的圖像中，每一個(gè)通道不同部位的部件識(shí)別結(jié)果匯總成一個(gè)一維向量存于一個(gè)文本文件中，無(wú)故障判斷為1，有故障判斷為-1。

對(duì)于CRH2A型鎖簧(圖7(b)紅色框部分)，VGG16結(jié)合KNN算法依然會(huì)偶爾存在漏報(bào)現(xiàn)象。為解決該問(wèn)題，在之前對(duì)該區(qū)域的定位基礎(chǔ)上，觀察鎖簧結(jié)構(gòu)(圖9(a))可知，由于光照的原因，鎖簧附近會(huì)存在一個(gè)穩(wěn)定的陰影區(qū)域，將圖像二值化(圖9(b))得到陰影部分(圖9(c))，再尋找包圍陰影部分的最小矩形(圖9(d))，計(jì)算最后矩形的長(zhǎng)邊的斜率(圖9(e))，就可以獲得鎖簧的角度信息。若鎖簧有明顯旋轉(zhuǎn)，則斜率亦會(huì)有較大變化。

圖9 鎖簧旋轉(zhuǎn)情況識(shí)別過(guò)程

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2017年8月1日—12月30日，利用南昌車輛段南昌西動(dòng)車所配屬的動(dòng)車組，對(duì)安裝在南昌西動(dòng)車所出入庫(kù)咽喉處的SEDS系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試步驟：(1)預(yù)設(shè)故障，在動(dòng)車組的重點(diǎn)部件(裙板三角鎖、閘片、閘片安裝托及底板螺栓)設(shè)置模擬真實(shí)故障(表1)；(2)該動(dòng)車組出庫(kù)完全通過(guò)SEDS設(shè)備；(3)測(cè)試完畢后，排除預(yù)設(shè)故障。

表1 預(yù)設(shè)故障表

通過(guò)5個(gè)多月的模擬故障及測(cè)試結(jié)果分析，積累了大量故障樣本，隨著故障樣本積累的逐漸增多，通過(guò)故障樣本訓(xùn)練，從10月份開(kāi)始識(shí)別算法趨于穩(wěn)定，故障識(shí)別兌現(xiàn)率達(dá)到50%以上，基本實(shí)現(xiàn)零漏報(bào)。在設(shè)備試用過(guò)程中，室外相機(jī)受環(huán)境影響，拍攝的圖像質(zhì)量有所下降，導(dǎo)致誤報(bào)率有一定程度的升高，定期維護(hù)可以提高拍攝圖像質(zhì)量，降低誤報(bào)率。測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10 三角鎖識(shí)別情況

圖11 CRH380A閘片識(shí)別情況

4 總結(jié)

SEDS系統(tǒng)在試運(yùn)用期間，獲得了大量的故障樣本，目前完成了動(dòng)車組裙板三角鎖安裝不到位、閘片丟失、閘片附件安裝不到位、空調(diào)蒸發(fā)器/冷凝器底板螺栓丟失等故障的自動(dòng)識(shí)別，以后將逐步實(shí)現(xiàn)各關(guān)鍵部位故障的自動(dòng)識(shí)別、報(bào)警，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)動(dòng)車組可視部位的一級(jí)修故障檢測(cè)。

SEDS系統(tǒng)的應(yīng)用推廣將有利于提高動(dòng)車組檢修作業(yè)質(zhì)量，由“人防”向“技防”轉(zhuǎn)變，且安全責(zé)任可追溯，提升動(dòng)車組檢修安全保障能力及管理能力。