1 引言
随着高铁的迅猛发展，中国铁路将建成“八纵八横”高速铁路网，多条高铁线路逐步开通，开行的列车数量逐年增加。截至2016年底，列车标准组已达到2856组，运营里程2.4万千米，相应的动车所承担的检修作业任务越来越重，作业压力也越来越大。
目前，我国列车实行的是计划性预防修的定期维修方式，共分为五级修程，维修间隔期采用以走行公里周期为主、时间周期为辅的模式。列车一、二级检修为运用检修，在动车运用所内进行，一级修为例行检查，通常在夜间实施，对于列车可用率的影响较小；二级修为定期维护保养，一般需要1～3天的维修时间。列车三、四、五级检修为高级检修，在具备资质的主机厂和动车段内实施，实际停时还需在此基础上增加3～6天列车组成部件结构复杂度高，检修范围大、细小部件数量多，仅螺栓一项就有10000多个，易造成漏检。作业强度大，标准8编组的检查，检修的零部件超过1万个，一次一级修需要弯腰300多次，敲击5000多次。检修作业时间多在凌晨，长期大负荷工作对责任心、精神及身体状态影响大，作业质量无法保障，因此提高作业效率，提高作业质量，改善检修工具，加快以“人检”向“机检”改变是迫在眉睫的事情。智能检测机器人的使用即可解决以上问题。
2 智能检测机器人组成
（1）6关节机械臂替代人的手臂。系统采用6轴机械臂，完全模拟人手臂操作将关键部件检测模块伸入到转向架内部，甚至可伸入到人工检测无法到达的位置。并对关键部位进行多角度抓拍扫描，行程完整的三维图像信息，通过特定识别算法实现关键部位故障识别。
（2）智能行走小车替代人的双脚。能实现对动车的位置自动跟踪定位。
（3）智能视觉替代人的眼睛。采用图像对比的方式检测动车故障，即将同一辆的当前车三维图和最近历史车三维进行对比分析，从而获取当前车与历史车同一部位的图像变化信息，
（4）工业计算软件替代人的大脑。对图像信息的变化进行判断分析，从而达到检测动车故障的目的。为了进一步提高准确性，系统将会同时使用标准模型进行二次比对，比对完成后也将会参考TEDS或其他系统的数据记录，进一步提高故障判断的准确率。
3 智能检测机器人检测方式及检测内容
（1）通过无线网络发送的指令使智能检测机器人自动完成库内的检测作业，基本覆盖列车日常一级检修作业的内容。检修方式包括重点检测和快速检测两种：
①重点检查采用6轴度机器人结合三维图像测量模组对转向架内部结构进行检测（包括轮对、制动系统、减震系统等关键部件。
②快速检测采用平面视觉模组扫描列车的底板等无遮挡区域，对关键螺栓、螺母、减速机外壳的状态进行采集检测。
（2）重点检测对象为转向架以及车底板。车底板主要检查内容如下：
①车底板螺栓安装牢固，防松标记无错位。无裂纹、变形。
②车底各管线无破损，固定良好。无裂纹，丢失。
③车底风扇外罩螺栓安装牢固，防松标记无错位。
④检查底板无裂纹、变形，板材内部铝蜂窝结构不外露，密封胶条无损坏。
⑤检查底板锁无松动或打开，开口销无裂纹。
转向架主要检查内容如下：
①轮轴各部不得有裂纹、轮毂无松动现象。
②轮对轴箱装置外观状态良好，无损伤，零部件齐全、无松动、无漏油。
③轮盘裂纹不过限。轮盘螺栓安装牢固，防松标记无错位。
④各减振器配件齐全、螺栓紧固，无漏油；安装座无裂纹。
⑤轴身防腐涂层表面无损伤、起皮、剥落。
⑥空气弹簧有无破损、鼓包。
⑦齿轮箱各螺栓紧固，油位正常，无漏油。
⑧制动盘紧固螺栓紧固无松动，制动盘裂纹、热裂纹不过限。
⑨各连接安装座、止动销防松标记无错位，无裂纹。
⑩牵引杆安装牢固，拉杆支座安装牢固，各部无裂纹。
4 智能检测机器人检测流程
（1）检修人员持手持机，核准待检测列车的车型、车组号、端位等信息后，启动智能检测机器人，智能检测机器人自动调用此车型的作业方案，以及该车的历史车信息后，开始对列车进行检测作业。
（2）智能检测机器人将均速的速度快速扫描车体底部，形成车体底部的二维和三维图像，并且通过图像分析出转向架等关键部位的位置信息，并实时地将关键部位的位置信息传输给到智能检测机器人行走驱动系统。
（3）智能检测机器人根据快速扫描过程中定位到的转向架等关键信息，并迅速对转向架底部进行关键部位扫描。
（4）将关键部位扫描结果通过无线方式传输到智能检测机器人服务器，服务器根据此次扫描结果与历史记录进行比对分析，寻找图像异常部位，并生成检测报告。
（5）检修人员根据检测故障报告进行针对性分析维修，用以提高检修效率。
5 智能检测机器人控制原理
（1）系统启动，检测电池电量是否充足，当电量充足，发出的启动信号视为有效，检测机器人通过对上位机发出启动请求。
（2）上位机准备就绪，向系统提出准备完成信号。
（3）机器人开始以速度模式向前行走。途中上位机开始获取整车信息，并且读取行走位移数据，且将行走位移数据和车体信号编组建表。
（4）待上位机扫描完整车体的完整信息，向系统发出扫描完成信息，检测机器人停止前进。
（5）上位机进行内部运算，将检测机器人现停位置距离最近一个停止位置的位移数据和需要检测的车型数据发送给运动控制平台。
（6）系统控制检测机器人用位置控制的模式定位到指定的位置。此时，检测机器人继续扫描车体，定位完成后，系统向上位机发出定位完成信号。
（7）上位机查表，对比小车位置停止是否正确，且将XYZ偏差值发送给运动控制平台。
（8）运动控制平台收到偏差值后，控制机器人进入补偿控制模式，从而消除偏差。
（9）运动控制平台根据上位机提供的检测类别，相应的控制机器人去执行检测动作，每到一个检测位置，向上位机发出检测开始的信号，待上位机检测完毕，发出检测完成信号，且同时发出下一个停止位置的脉冲数和需要检测车型数据给运动控制平台。
（10）循环6～9步骤，知道全部检测完毕，上位机发出所有检测均完毕信号。
（11）检测机器人开始执行回充电桩动作，且自动进行充电。直到充电完成且收到下一次启动信号的发出。
6 智能检测机器人与人工对比的优势
（1）检修时间。人工：检测一列8编制列车标准时间为150分钟;智能检测系统：检测一列8编制列车标准时间为50分钟。
（2）检修人员。人工：检测一列8编制列车标准配备8名专业技能人员;智能检测系统：检测一列8编制列车标准配备4人。
（3）检修质量。人工：漏检率不确定;智能检测漏检率：检测一列8编制列车漏检率为0，误报率小于5处。
（4）检修范围。人工：转向架下部、轮对、水电气管路、车底封板、空调风扇等;智能检测系统：除人工检修项外，转向架上部侧面等人眼无法直接观察位置可覆盖。
（5）环境安全。人工：凌晨地沟作业，检修防护工具负载重，安全隐患大，环境差;智能检测系统：已通过CNAS等检测报告；不受现场环境影响，且可带电作业。
（6）数据管理。人工：无检修数据保存;智能检测系统：视觉检测数据与车号相匹配保存，为后期的高铁信息化、列车健康评估等大数据系统，提供了基础数据支撑。
7 智能检测机器人的主要功能与实际应用
（1）自动检测功能。系统采用全自动操作，可实现轨道检测车自动行走到检测位置，自动检测，检测完毕后自动归位，并自动充电，无需人工干预，减小人员工作负担。
（2）安全防护功能。车底检修机器人系统前、后方各安装一个区域障碍扫描装置，同时在机械臂中安装有机器人防碰撞器。区域障碍扫描装置，可扫描前后方角度270°距离20m的障碍物，当障碍物在范围内将会报警，距离3米时会紧急制动检测车，保证人员安全。
（3）三维信息采集功能。三维图像采集模块通过激光照射到被测物体时的3D成像规律，计算出被测物体的三维信息。用于扫描列车底部可视部件，包含车体底部及中间连接部。
（4）关键部位多角度检测功能。关键部位多角度检测功能中，系统采用六轴机械臂，完全模拟人手臂操作将关键部件检测模块伸入到转向架内部，甚至可伸入到人工检测无法到达的位置。并对关键部位进行多角度抓拍扫描，行程完整的三维图像信息，通过特定识别算法实现关键部位故障识别。
（5）标准模型生成功能。系统根据高精度定位模块定位关键部位范围，在通过向量机技术，自动识别各种状态下的关键部件，并生成标准模型。
（6）针对性分类检测功能。系统拍摄范围是依据《CRH380B一级检修作业指导书》内容进行规划，因此作业指导书中的指定的部件，均能在图片中找到相应的位置。同时根据作业指导书中的检修规程，制定了每张图像的不同检测方法及检测内容。
（7）数据交互及综合评级功能。系统可自动接收、推送TEDS、列车信息化系统等其他系统数据，根据其他系统的数据用于辅助判断故障类型及等级。同时系统识别出的每一个部件都会根据图像变化量生成一个可信度权数，当可信度权数达到一定阈值后将会自动报警。并且系统会主动分析TEDS数据、检修历史记录数据以及同车型的横向数据记录，结合各系统的数据记录进行综合计算，形成最终可信度权数。通过此方式可提高报警的准确性，提高列车故障的预防功能。
（8）图像故障自动识别功能。系统主要采用图像对比的方式检测动车故障，即将同一辆的当前车三维图和最近历史车三维模型进行对比分析，从而获取当前车与历史车同一部位的图像变化信息，通过分析图像信息的变化进行判断，从而达到检测动车故障的目的。为了进一步提高准确性，系统将会同时使用标准模型进行二次比对，比对完成后也将会参考TEDS或其他系统的数据记录，进一步提高故障判断的准确率。
8 结语
智能检测机器人会为传统作业方式带来一系列连锁反应的变革：
（1）使用快速拍照技术将列车底部螺栓拍摄一遍。
（2）使用图像识别中的模板定位技术，一次性快速定位到螺栓。
（3）使用多线程技术实现多个螺栓同时分析。这种“先拍照，后分析”的工作模式，与人工的“边拍照，边分析”的工作模式相比，实现时间的大幅度有效利用，直接避免了有限时间的浪费的情况。
（4）使用多轴机器人，完全可以模拟人工作业方式，同时机械臂可伸入人手臂无法到达的地方，并且机械臂前段含有高精端双相机，模拟人眼，即实现了“人眼”在关键部位，进行多角度20cm的近距离观察能力，因此机器人的检测效果要远高于人工检测。
（5）可以严格按照标准作业，不会出现漏检或重复检状况，保证检修质量。同时智能检测机器人支持复查功能，可复查人工维修质量，同时也可弥补人工检修时的遗漏，无需担心复查不到位、检修不到位问题。
智能检测机器人已通过多项发明专利，且拥有自主知识产权；该项目的研发符合我国电气化铁路信息化发展的思路，实现由“人检人修”方式向“机检人修”方式过度的关键一步，对于确保运输安全将起到重要作用，且在铁路安检行业系统中，具有标志性意义。此设备的投入使用将大大缩短列车检修时间，这种既减轻了作业人员劳动强度，又提高了检测作业的质量和效率，具有广阔的应用前景和良好的社会效益。
收稿日期：2018-07-15
作者简介：朱方勇（1988-），男，广州松兴电气股份有限公司总经办，副总经理兼轨道交通事业部部长，中级工程师，研究方向：机器人技术、视觉技术。
