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“智慧双眼”,轨道交通中的机器视觉


时间:2019-06-17

应用领域:交通


   机器视觉技术是人工智能技术的一个分支,是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科。机器视觉技术主要通过计算机来模拟人的视觉功能,从客观事物的图像中提取信息,进行处理并加以理解,最终用于实际检测、测量和控制。机器视觉的诞生和应用,大幅解放了人类劳动力,同时提高了生产检测的智能化水平,提升装备的使用效率、可靠性及稳定性。
   随着新技术、新理论在机器视觉系统中的应用,机器视觉技术将在国民经济的各领域中发挥更大作用,其广阔的应用前景,将为社会的发展带来新的技术革命。我国正处于由劳动密集型向技术密集型转型的时期,对提高生产效率、提高检测精度、降低人工成本的机器视觉方案有着迫切的市场需求,已成为全球机器视觉技术发展最为活跃的地区之一。
   我国对“十三五”后三年中国交通运输工作已进行了全面部署,主要包括8个方面,共76项任务,涉及深化交通运输供给侧结构性改革、高品质建设现代交通运输体系、高层次建设交通创新体系、高要求建设交通安全体系等目标,其中计划明确,到2020年,中国高速铁路里程达到3万公里,覆盖80%以上的城区常住人口100万以上的城市;高速公路总里程达到15万公里,基本覆盖城镇人口20万以上城市及地级行政中心。
   此外,根据新《中长期铁路网规划》,到2030年,我国高速铁路网规模将达到4.5万公里左右,铁路网规模将达到20万公里左右。随着我国高速铁路的快速发展,我国已成为轨道交通最长、运输密度最高、成网运营场景最复杂的国家。在轨道交通高速发展的背后,在如此庞大的运营体系下,如何能够高效、精准地维护轨道交通安全运营、有效避免未知事故及风险的发生,成为各铁路部门亟待解决的问题。铁路相关部门必须加强安全风险源的控制和排除,防患于未然,提前检测、及时维护。众所周知,在轨道交通车辆高速运行过程中,其基础设施、设备的健康状态已成为车辆能否安全、稳定、高速运营的关键,铁路安全事关千家万户、亿万人民,确保高铁和旅客安全的责任极其重大。
   随着人工智能技术的不断发展,依靠以往人工视觉、量尺等传统检测技术已无法满足现代高速铁路网日趋增长的技术需求,而基于机器视觉的检测系统及设备具有速度快、精度高、非接触的特点,被广泛应用于轨道交通装备及设施的监测、检测中。目前,成熟的机器视觉的技术及产品主要还是依靠进口,虽然国内已有几家企业意在进入该领域,但整体技术水平仍处于相对初级阶段,无法全部满足检测需求。大连维德集成电路有限公司通过8年的不断努力,以机器视觉技术为核心,专注开发与制造高端智能视觉检测设备及系统,在前端图像采集、智能算法、实时传输等方面拥有全球领先的技术水平和完全自主知识产权,通过与各行业紧密合作,已开发出一系列视觉感知准确、可靠性高、速度快、一体化的国内领先智能视觉产品。尤其是在轨道交通领域取得了突破性成果,在供电、工务、车辆、地铁领域全面开花,已研发出多款检测精度高、检测速度快、定位准确、误报率低的高端智能视觉检测设备,填补了多项技术和产品的市场空白,部分产品性能已完全可与国外产品相媲美。
供电段:接触网悬挂状态检测系统(4C)
   我国电气化铁路的快速发展,对铁路牵引供电设备的安全性、可靠性、稳定性提出了更高的要求。因接触网设备多为露天设备、处于动态工作状态,一旦发生故障就会直接影响牵引供电系统的正常运行,导致列车延误停运,严重的会危及到旅客和工作人员的生命财产安全。而早期建设的电气化铁路沿线已陆续进入检修维护阶段,接触网设备故障包括几何参数超限、零部件缺失损坏、磨耗、变形等,通过检测发现这些问题,分析原因,可以提前采取相应措施进行检修维护,规避风险,从而提高接触网工作的可靠性,保证高速列车的安全平稳运行。既有的巡检方式主要依靠简易的检测器械,由人工作业的方式进行目视和部分机械检测方式进行检测,而由于高速铁路工作环境的特殊性,仅能利用夜间天窗点进行巡检,进一步降低了检测效率。
   随着轨道交通里程的快速增加,运营时间增长,传统巡检无法满足现代化铁路运营的需求,接触网悬挂状态检测系统(4C)应运而生。德国在电气化铁路领域起步较早,是最早一批采用高分辨率摄像机和图像处理技术来实现接触网非接触式检测的国家,接触网检测技术先进且研究深入,大多数国家都引进了其先进的技术和设备,我国在图像处理检测系统的研究主要是在德国技术的基础上发展起来的。大连维德通过多年的技术累积和现场试验,采用机器视觉+激光+3D成像技术创新性研发了一款集腕臂、包络线、吊弦、导线高度、拉出值、接触网磨耗、三维对标等诸多结构的综合性矩阵式智能检测系统,解决了铁路接触网设备检测精度差、效率低、风险高的难题,完全符合《高速铁路供电安全检测监测系统(6C系统)》标准。在2014年,该产品就通过了武汉铁路局科委在武汉组织的“接触网悬挂状态检测监测系统”技术评审,是国内唯一一个可以在接触网悬挂状态检测系统中检测出吊弦部件的智能化检测系统,依托机器视觉技术的创新研究,现已实现接触网全结构件状态的实时监测检测技术,已在上海、武汉等地进行试验应用,得到行业用户的一致好评。
工务段:便携式轨道结构件智能检测仪
   在铁路运输系统中,钢轨起着支撑列车和引导车辆车轮前进的作用,如果出现轨面断裂、扣件丢失、轨枕裂纹等故障,将会造成列车出轨、倾覆等重大行车安全事故,直接造成难以估量的生命、财产损失。此外,随着我国高速铁路的快速发展和多次提速,导致钢轨受到挤压和冲击的程度越来越大,钢轨发生损伤的频率也不断增大。因此,为保证铁路列车的安全高效运营,必须进一步提升和优化铁路轨道检测的能力与性能,来紧跟我国铁路快速发展的步伐。
   目前,日本、德国、意大利、法国等国家针对轨道检测均已有先进、成熟的检测技术及产品,且比我国起步早,在轨检车和便携式检测仪方面均有较高的技术水平。我国各路局也相继在国外产品技术的基础上进行研发试用,生产出适应不同速度的轨检车。我国幅员辽阔,各路局所在偏远地区仍下设多个路段和班组,在环境、资源等条件影响下仍有很多工务段不具备轨检车使用条件,因此,一种便携式轨道结构件智能检测仪将满足在该条件下的应用需求。目前,我国各路局通过国外采购,相继从德国、瑞士等国引进该类检测仪器,其中德国的GEDO_CE轨道检测小车已在武广建总16局、温福18局、郑西客运专线等多个路局和线路实现应用。
   为实现技术革新和市场拓展,大连维德以多年在轨道交通领域项目的研发经验为基础,采用芯片级智能视觉识别技术和高速实时压缩算法,研发了一款可自动识别、检测轨道结构部件如断、裂、丢失等异常现象的智能化检测装置。该装置按双轨同步的思路进行模块化设计,对可能影响行车舒适性、危及行车安全的轨道结构件故障信息做到及时发现、精确定位、自动抓拍和记录,并实现智能化的定性/定量分析、实时显示/回放及自动报警,图像分辨率最高可达0.2mm,大大提高了现有检测精度,为提高铁路工务段的工作效率提供了可能。
车辆段:货车装载状态高清视频监控系统

   货运列车在社会物资生产运输过程中,因具有运送量大、速度快、成本较低的特点,已成为铁路交通运输的重要组成部分。但由于货物列车在运行过程中,货物装载状态会随列车速度、司机操纵状态、运行线路状态、天气状况等因素的变化而变化,导致货物装载状态不良和状态改变造成的行车事故时有发生。我国铁路货运部门对货车装载状态的检测手段相对落后,全路货检站、货运站等交接站由人工视觉、一些简单的尺具及依靠人工查看高清图像方式来观察货物的装载状态,这三种方式均会因视觉疲劳、人工经验误差等因素造成看不准、看不清的现象,直接影响作业质量。所以实现货物列车装载状态全智能化检测系统,对铁路货运列车的运输安全有着十分紧迫和重要的现实意义。
   维德货车装载状态高清视频监控系统采用自主研发的高清彩色线阵摄像机,通过实时采集运行中列车及货物的装载状态,生成高清晰彩色视频图像并按车厢进行准确分割,实现预检作业的快速发现、快速定位、快速标记、及时报警等功能,通过优化的压缩算法,使网络传输数据流量小、视频质量高,完全符合货检安全监控三级联网系统的应用要求,实现货车装载状态的全智能化检测技术。该系统已经过沈阳铁路局科技成果鉴定,在国内处于技术领先地位,代表着货检领域的发展方向。
地铁:弓网关系智能视觉检测系统
   目前世界上已有40多个国家和地区的127座城市都建造了地铁,截至2018年底,我国已有36座城市开通地铁,总里程接近6000公里,在建、新建城市40座,预计2020年,我国城市地铁总里程将接近7000公里。我国地铁建设事业虽起步较晚,但随着我国社会经济的快速发展以及城市化进程的加快,城市人口数量剧增,人口密度极大,日益严峻的交通状况已成为急需解决的城市问题,地铁以其运量大、速度快、准时、安全、环保等优势成为了缓解城市交通运输压力的最佳方案。地铁能够安全高效稳定的运行,对其中的受电弓、车顶高压设备、弓网动态具有极高的要求,原有依靠人工目视检测的方式效率低、精度差,无法满足城市地铁检测需求。而定点检测系统只能实现弓网一定范围内的设备监测,无法满足全路段的实时检测需求。大连维德专门研制了一款车载式系统架构,通过智能触发、自动抓拍、智能视觉识别技术,可实现地铁接触网导线高度、拉出值、受电弓燃弧、受电弓异物等典型弓网故障的实时在线检测,同传统技术相比,基于智能视觉检测技术的弓网检测系统具有动态采集、高速高清成像、故障自动报警、智能分析等突出优势,真正实现了设备故障判断的智能化,为地铁供电安全检测和安全运行提供了有力的技术保障。目前大连维德集成电路有限公司所研发的地铁弓网关系智能视觉检测系统是第一家在地铁正线上运行的视觉检测系统,其中的高速实时抓拍技术可实现时速在350km/h条件下的智能抓拍,检测精度可达毫米级,该项技术处于国内外领先水平。
   相对于我国轨道交通的快速发展,机器视觉技术在轨道交通行业的应用整体上还属于起步阶段,一款成熟的轨道交通智能视觉监测检测系统需要一个较长的研发周期和试验周期,由于项目研发资金投入大、专业技术人员匮乏,对研发企业在资金、人才、创新能力等方面都有极大的考验。为不断提升轨道交通在运维检修领域的技术水平和创新能力,相关研发企业需加大科研经费投入、提高人才引进待遇、加大人才培养力度、加强与高校科研院所的技术交流、促进科技成果转化,在国家利好政策的支持下,持续为轨道交通运维领域的智能化提供创新动力。
   现如今,机器视觉技术因其广泛的适用性在全球范围内的行业布局逐年增大,未来进入机器视觉的企业会越来越多,国内外的企业竞争将成白热化的发展趋势。世界各国已经认识到人工智能技术是未来国家之间竞争的关键赛场,纷纷开始部署人工智能发展战略,以期占领新一轮科技革命的制高点。对于中国而言,人工智能的发展是一个历史性的战略机遇,对提高科技创新能力,应对可持续发展挑战以及促进经济结构转型升级都具有重要意义。在国家多项政策的大力推进下,我国人工智能研发企业要牢牢抓住机遇,提高自身科技创新能力,实现技术攻关,强化自主知识产权建设,构筑民族自有品牌,共同为国家智能化建设添砖加瓦。