東莞地鐵車輛智慧在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)踐

李建旭 張黎璋

摘 要：地鐵的大規(guī)模發(fā)展需要足量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備對(duì)車輛進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，東莞地鐵引入部分在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備，為車輛運(yùn)維大數(shù)據(jù)積累、在線監(jiān)測(cè)技術(shù)完善以及智慧運(yùn)維做技術(shù)儲(chǔ)備。文章介紹東莞地鐵車輛弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、輪對(duì)在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、車體 360°全車監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 3 個(gè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理、應(yīng)用情況和試用效果，對(duì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行必要的功能與效果驗(yàn)證，為智慧地鐵運(yùn)維提供技術(shù)儲(chǔ)備。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;在線監(jiān)測(cè);智慧運(yùn)維;應(yīng)用與實(shí)踐

中圖分類號(hào)：U231.94

1 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

弓網(wǎng)關(guān)系對(duì)于列車運(yùn)行安全有重大影響，其運(yùn)營(yíng)監(jiān)控的重點(diǎn)是日常弓網(wǎng)跟隨、接觸網(wǎng)硬點(diǎn)分布、接觸網(wǎng)拉出值、導(dǎo)高值、跨距內(nèi)接觸線高低差及導(dǎo)線坡度、弓頭姿態(tài)、碳滑板厚度。弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種對(duì)受電弓狀態(tài)、弓網(wǎng)配合、高溫異常點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動(dòng)化、動(dòng)態(tài)綜合監(jiān)測(cè)的車載系統(tǒng)，在業(yè)內(nèi)已有較為成熟廣泛的應(yīng)用。

東莞地鐵全線網(wǎng)均采用120 km/h運(yùn)營(yíng)速度的車輛，目前試用的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其硬件使用3組高清視頻工業(yè)攝像機(jī)，輔以紫外傳感器、熱紅外成像、高亮頻閃LED燈，通過(guò)數(shù)據(jù)采集層、分析層、呈現(xiàn)層3層軟件控制，以圖像視頻的視覺(jué)分析處理技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)以下4大弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)與維護(hù)功能。弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖 1所示。

（1）實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在隧道內(nèi)和隧道外各種光線條件下的單個(gè)受電弓運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、弓網(wǎng)配合位置與細(xì)節(jié)的捕捉和辨別。

（2）當(dāng)檢測(cè)到拉弧發(fā)生時(shí)，將拉弧時(shí)長(zhǎng)、發(fā)生位置、發(fā)生時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，并將燃弧前后共6s視頻自動(dòng)上傳服務(wù)器，為檢修人員定位、解決問(wèn)題提供有效資料。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受電弓與接觸網(wǎng)溫度，將溫度異常自動(dòng)上傳服務(wù)器以待處理。

（4）自動(dòng)故障統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，實(shí)時(shí)報(bào)警，有詳實(shí)的位置、時(shí)間、速度信息，便于后臺(tái)技術(shù)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控或階段性分析。

（5）系統(tǒng)配置了電流傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控受電弓電流曲線，在異常報(bào)警的同時(shí)輔以電流參數(shù)作為參考。

1.2 應(yīng)用情況

弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2018年底安裝在東莞地鐵2號(hào)線1臺(tái)受電弓處，開始科研試用，并選擇最核心大拉弧、溫度監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行試用。系統(tǒng)試用至今效果良好，可以替代接觸網(wǎng)專業(yè)季度常規(guī)熱滑作業(yè)，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)數(shù)據(jù)共享。

弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)燃弧時(shí)長(zhǎng)和溫度設(shè)定3個(gè)報(bào)警級(jí)別，其中一級(jí)報(bào)警級(jí)別設(shè)定燃弧時(shí)長(zhǎng)閾值為大于800ms，溫度閾值大于150 ℃。截至2020年5月6日，累計(jì)一級(jí)報(bào)警數(shù)量9 354條，月均623條，其中，超溫報(bào)警占一級(jí)報(bào)警總數(shù)97.5%，燃弧報(bào)警僅占2.5%，一級(jí)報(bào)警區(qū)間集中在下行的4個(gè)區(qū)間和上行的1個(gè)區(qū)間，如圖2、圖3所示。根據(jù)監(jiān)測(cè)分析的報(bào)警數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)，每季度實(shí)施正線復(fù)核巡查，拉弧報(bào)警基本覆蓋了正線多處膨脹元件、分段絕緣器位置，準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。

2 輪對(duì)在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

輪對(duì)在線安全監(jiān)測(cè)主要滿足2方面需求：輪對(duì)幾何尺寸測(cè)量（輪緣厚度、輪緣高度、輪徑、Qr值、內(nèi)側(cè)距、不圓度）和輪對(duì)踏面監(jiān)測(cè)報(bào)警（踏面擦傷、剝離）。技術(shù)上有接觸式、非接觸式，非接觸式由于其天然的安全性而成為首選，其又可細(xì)分為超聲波、光截圖、激光等各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。激光位移傳感器使用三角測(cè)量法對(duì)檢測(cè)物位移、平整度、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等幾何量進(jìn)行高精度測(cè)量。

為適應(yīng)中高速監(jiān)測(cè)需求，輪對(duì)在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在圖像激光捕捉和算法上進(jìn)行全面改進(jìn)（稱為多線激光技術(shù)），在原激光位移傳感器配合高速相機(jī)只進(jìn)行1次輪對(duì)踏面3D形狀捕捉的基礎(chǔ)上，對(duì)全車輪踏面進(jìn)行連續(xù)的3D形狀提取，產(chǎn)生25組可供分析對(duì)比的數(shù)據(jù)并進(jìn)行算法整合與數(shù)據(jù)修正，從而實(shí)現(xiàn)中高速工況下對(duì)于輪對(duì)尺寸的較精確測(cè)量。此高速相機(jī)還配合光源，對(duì)輪對(duì)踏面進(jìn)行高清攝影，通過(guò)辨別踏面圖像上強(qiáng)光照射下的異常光影，自動(dòng)識(shí)別出踏面是否存在擦傷、剝離，實(shí)現(xiàn)輪對(duì)踏面監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。所測(cè)得的25組輪對(duì)踏面3D形狀圖像如圖4所示。

在滿足上述2方面需求的同時(shí)，系統(tǒng)還增加了軸溫監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能。

2.2 應(yīng)用情況

傳統(tǒng)輪對(duì)在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為提高測(cè)量精度，要求列車通過(guò)速度不得高于20 km/h，且系統(tǒng)通常安裝于出入段線或者折返線處。東莞地鐵2號(hào)線為提高監(jiān)測(cè)的列車覆蓋率、也為提前驗(yàn)證1號(hào)線120 km/h無(wú)人駕駛的高速監(jiān)測(cè)功能需求，將系統(tǒng)安裝于區(qū)間內(nèi)（車站進(jìn)站前 50m處布置），以驗(yàn)證40～50 km/h中高速監(jiān)測(cè)工況下的監(jiān)測(cè)效果。輪對(duì)在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2019年5月初投入使用至今，一直在不間斷進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化與算法升級(jí)，以獲得更穩(wěn)定更精確的輸出數(shù)據(jù)。安裝于正線的輪對(duì)在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖5所示。

為驗(yàn)證數(shù)據(jù)的精確度，將輪對(duì)尺寸的系統(tǒng)測(cè)量值與不落輪鏇床實(shí)測(cè)值進(jìn)行一一比對(duì)，如圖6所示，由圖6可見，輪徑數(shù)據(jù)相關(guān)性良好，雖然不可避免有±0.6 mm以內(nèi)的誤差，不能直接作為鏇輪基準(zhǔn)和依據(jù)，但對(duì)于統(tǒng)計(jì)輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)及研判磨耗趨勢(shì)具有高效、快捷的優(yōu)勢(shì)，有利于專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做出技術(shù)決策，對(duì)全自動(dòng)駕駛列車維護(hù)具有很強(qiáng)實(shí)用價(jià)值。

3 車體 360°全車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

車體360°全車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是業(yè)內(nèi)新一代在線檢測(cè)設(shè)備，該系統(tǒng)在檢修庫(kù)軌道垂直面4個(gè)方向上安裝基于機(jī)器視覺(jué)、紅外線、激光等傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)裝置，利用模式識(shí)別、特征匹配等數(shù)字圖像處理技術(shù)，在車輛通過(guò)時(shí)高速拍下列車車頂、車側(cè)、車底的全部照片并進(jìn)行照片拼接，自動(dòng)監(jiān)測(cè)車輛的外表故障，識(shí)別車底車頂異物及緊固件狀態(tài)情況，實(shí)現(xiàn)不停車列檢。車體360°全車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖7所示

車體360°全車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用高清高速相機(jī)配合紅外、激光傳感器瞬間捕捉過(guò)往列車的360°全車身高清圖片后，與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的全車圖像進(jìn)行比對(duì)，分析判別列車外部異物、部件缺失、變形、位移、松動(dòng)等情況，并將監(jiān)測(cè)異常圖像與結(jié)論實(shí)時(shí)上傳與預(yù)警。車輪側(cè)面全景監(jiān)測(cè)示意圖如圖8所示。

為克服激光補(bǔ)光攝像帶來(lái)的圖像陰影，反射光以及雨天設(shè)備表面水漬對(duì)圖像辨別帶來(lái)的誤判影響，系統(tǒng)開發(fā)了3D圖像和2D圖像同步匹配采集的功能，3D圖像經(jīng)過(guò)3D視覺(jué)軟件進(jìn)行三維輪廓計(jì)算，對(duì)傳統(tǒng)2D圖像無(wú)法辨別的水漬、光照進(jìn)行復(fù)核，提高辨別準(zhǔn)確度。同時(shí)，2D和3D傳感器集成于同一模組，同步攝取圖像并匹配，避免因位置、時(shí)間差異導(dǎo)致視點(diǎn)、視場(chǎng)角差異和圖像畸變而使3D圖像和2D圖像橫向匹配失敗的情況發(fā)生。3D圖像與2D圖像對(duì)比如圖9所示。

3.2 應(yīng)用情況

車體360°全車檢測(cè)系統(tǒng)于2019年底在東莞地鐵2 號(hào)線車輛段帶地溝的檢修股道安裝，2019年4月開始試用及持續(xù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器深度學(xué)習(xí)。每天安排至少1列列車通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行全車外形圖像采集，并且在車輛段配置本地服務(wù)器用于存儲(chǔ)及調(diào)取每日拍攝的圖像，圖像的所有深度學(xué)習(xí)與異常判定工作均在本地服務(wù)器完成。

該系統(tǒng)正式投入使用后解決了運(yùn)營(yíng)中的3方面問(wèn)題：①簡(jiǎn)化車頂部件外觀狀態(tài)檢查的流程并降低時(shí)間人力成本;②降低夜間日檢由于光線、人員精神狀態(tài)等原因?qū)τ谥貜?fù)性目視檢查效果的影響;③減少自動(dòng)駕駛列車回庫(kù)后人員進(jìn)入無(wú)人區(qū)的次數(shù)和時(shí)間，提升庫(kù)區(qū)運(yùn)作效率，降低檢修人員安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

地鐵智能運(yùn)維是大數(shù)據(jù)、信息化、智能終端有機(jī)結(jié)合的綜合概念，車輛智慧在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等智能終端是所有維?；A(chǔ)數(shù)據(jù)信息的來(lái)源，其準(zhǔn)確性直接影響智能運(yùn)維的實(shí)現(xiàn)效果，也是所有地鐵運(yùn)營(yíng)單位衡量其監(jiān)測(cè)效果的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以在系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化的過(guò)程中，不應(yīng)只追求系統(tǒng)的功能擴(kuò)展，而應(yīng)關(guān)注其中幾個(gè)必要功能的輸出效果，比如輪徑測(cè)量的精確度和跟隨性、弓網(wǎng)燃弧位置的精確性和報(bào)警的準(zhǔn)確性、車頂異常狀態(tài)判定的準(zhǔn)確性。

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收稿日期 2020-05-18

責(zé)任編輯 朱開明