城市轨道交通车辆智能巡检装备及调度系统研究

交通运输、仓储和邮政业

“城市轨道交通车辆智能巡检装备及调度系统研究”项目所包含的核心技术及关键部件主要包括：（1）适应于城轨车辆检修地沟环境的复合结构机器人；（2）基于深度学习的城轨车辆部件故障图像识别智能算法；（3）机器人末端相对位姿精度控制系统；（4）自动跨轨智能调度技术；（5）基于物联网的复杂系统协同调度系统。通过本项目的技术研究和将近两年的试用，项目团队已经对上述核心技术的原理、合理运用予以初步掌握。 本项目研发的复合结构机器人采用中部左右差速轮+四角万向支撑轮的复合底盘结构，实现了原地旋转、直线前后走行、原地360°回转的走行功能，已经满足了城轨车辆巡检作业的走行需求。项目团队正在进一步研究不同曲率曲线的差速走行功能和对应的控制技术，以进一步提高机器人对城轨车辆检修运用环境的适应性。 机器人的导航定位系统融合了多种导航系统和原理。通过采用RFID标签实现走行路径的站点式导航及±20mm精度等级的粗定位：通过原创性的侧面短磁条及跨磁条传感器系统，结合自主开发的控制算法实现了任意位置定位控制及±5mm精度等级的精定位；通过激光扫描一维码系统实现了任意位置定位控制及±2mm精度等级的精定位。机器人的最高定位精度已经远远超过目前行业中的±10mm的定位精度，处于行业先进水平。 本项目研发的车辆部件故障图像识别智能算法也融合了目前图像识别技术领域中的多种先进算法，并结合城轨车辆巡检目标的特点，对算法参数和评估方式进行优化，使故障识别效果进一步提高，其识别精度处于同行业的前列。 本项目开发的机器人末端相对位姿精度控制系统，通过实际试用证明，基本上满足城轨车辆巡检作业的需求，可以适应城轨车辆检修环境的特殊需求。 本项目开发的自动跨轨智能调度系统，通过实际试用证明，不仅仅满足城轨车辆检修环境的特殊需求，同时提高了整套系统的运用范围，实现了1台机器人对城轨车辆车底和车侧多部位的检测，大大降低了城轨用户的运用成本。 本项目开发的基于物联网的复杂系统协同调度系统，通过实际试用证明，具备了对全系统中机器人、升降机、充电机、机械臂、工业相机等多设备的协同作业调度功能。项目团队正在进一步对多机器人的协同作业功能和调度控制技术进行研究。预期对机器人协同作业调度功能实现后，可以进一步提高全套系统的运用效率，进一步降低城轨用户的运用成本。 本项目主要承担单位-北京新联铁集团股份有限公司目前已经具备了批量生产制造“城市轨道交通车辆智能巡检装备及调度系统”和供货的能力。新联铁公司下一阶段将进一步对产品组装调试的工艺管理、质量管理进行细化，以进一步提高产品质量，提高产品运用的稳定性。 在本项目的技术研发基础上，本项目的科技研发成果已经具备了转化条件。

本项目的主要承担单位-北京新联铁集团股份有限公司，是由国投集团投资控制的上市公司-神州高铁技术股份有限公司的全资子公司。 北京新联铁公司成立于1997年。公司致力于制造业领域自动化、信息化、集成化、智能化技术的创新、研究、开发和应用，为客户提供包括设计生产、集成实施、运维服务的智能化整体解决方案在25年的企业发展过程中，主要组建形成了一套完整的科研开发、产品制造、销售及售后服务团队，拥有400多项科研成果。 在国投集团和神州高铁的支持下，北京新联铁公司具备较为充足的研发资金，具备独立完成科研成果转化的能力。

仅限国内转让

本项目开发的适用于城市轨道交通车辆日常巡检的智能装备，以智能设备及智能管理系统替代传统的人工作业模式，完成车辆转向架底部和双侧的巡检作业与数据采集分析，满足城市轨道交通车辆日常检测的工艺需求，可以提高车辆运维效率及安全性。 根据对国内城轨市场和用户的调研，目前我国已经由50多个城市开通或计划开通城市轨道交通线路，已开通或计划开通线路280多条，总运营里程预计达到9000多公里。所有城轨用户中具备车辆检修能力的车辆段总数达到180个以上。 结合本项目所开发的“城市轨道交通车辆智能巡检装备及调度系统”巡检作业能力进行评估，预计每个车辆段需配置1套包含5-10台机器人的系统。按照平均每台机器人销售价格300万元测算，全国的城轨车辆智能巡检机器人系统的总市场容量预计可达到50多亿元。若本项目产品实现50%市场占有率，则可实现25亿元以上的销售额。按照毛利率40%估算，利润空间可达到10亿元左右。 本项目实施科研成果向市场商品化转化过程中，还能够进一步带动机器人、AGV、图像识别、深度学习、物联网等先进技术的推广运用，进一步创造巨大的社会效益。

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

1、科技成果来源： 本项目“城市轨道交通车辆智能巡检装备及调度系统研究”来源为本企业自有技术开发。 2、技术原理： （1）AGV+机械臂复合型设备结构 本项目采用AGV+六轴关节型机械臂的复合机器人形式，以AGV代替人的“脚”，六轴机械臂代替人的“手”，以机器视觉代替人的“眼”，巡检过程与人工目检过程相同，具有很好的人机交叉作业性能，通过地铁智能巡检实现替代人工作业。满足在城市轨道交通车辆列检场景下，机器人定位精度、整体结构稳定性和效率的要求。 （2）基于图像识别与深度学习的城市轨道交通车辆故障智能识别算法 在城市轨道交通车辆检修领域，由于行业的特殊性、巡检作业内容的复杂性，很难利用深度学习算法对大量数据进行训练优化，基于深度学习的图像识别技术还未得到成熟应用。本项目开发城市轨道交通车辆车底车侧故障智能识别算法，并利用新联铁在轨道交通行业的优势，在实际应用场景中进行装备试用与算法调试，逐步建立车辆车底车侧异常状态数据库，不断优化算法的准确性。 利用图像识别技术，通过3D/2D视觉传感器，对螺钉紧固、部件表面外观、结构断裂、零件丢失、开关状态、易耗件尺寸等项目进行自动检测智能评价。对拍摄的车底、车侧不同类型的图像，根据不同的适用部位，使用整体比对、定位部件局部比对、精扫部件局部比对，利用部件相互位置关系进行推理定位及匹配映射定位技术，将标准图像中关键区域映射至待检测图像中，达到目标定位的技术。 （3）无轨移动机器人末端相对位姿精度控制方法 现有大多数运用库的地沟及侧面土建条件，基本按照人工巡检需求设计，根据实际调研测量情况，地面平整度情况较差。在各种不同的土建地面平整度情况下，难以保证机器人的走行精度。而被检车辆位于轨道之上，高低偏差范围能控制在±5mm。因为地面不平问题导致设备的末端精度降低，会直接影响图像识别的准确率。对此，如何实现末端精确定位，是本项目技术难题。针对该问题本项目专门设计一套工作位姿参考系统，该系统通过对车辆、轨道、地面综合数据的检测，将设备末端检测部相对被检测零件的综合位置偏差测量出来，将偏差数据传送至设备控制器，通过机械臂的六轴控制功能实现偏差的补偿，最终实现拍摄与被检测点之间的位置偏差控制，从而保证了最终的检测准确率。 （4）车底及车侧巡检自动跨轨的智能调度技术 城市轨道交通车辆检修库内一般由多个股道组成，待检列车可能位于库内的不同股道上。为了减少投入和提高设备的利用率，项目开发能够自动跨轨作业的智能调度技术，需要使装备能实现在单个股道车底和两个车侧之间或多个股道之间的任意转移，因此，研究跨轨方式是解决问题的关键。本项目结合现场地形条件限制、改造可行性和设备通过效率和可靠性等问题，综合提出适应性的解决方案，通过实际测试，实现相关可靠性和效率的要求。 （5）基于物联网的多系统网络协同及调度平台 通过自主开发的穿越式跨轨技术，使得巡检机器人可以在运用库内，全场实现无死角走行及工艺任务覆盖，因此产生了升降机协同、场地环境检测、交通管制等综合的问题，本项目采用基于物联网的综合管理系统解决设备智能调度问题。 3、关键性技术指标： （1）定位精度： 机器人停车定位精度：±10mm； 机器人行走导航精度：±10mm； 机械臂末端重复定位精度：±0.5mm； （2）图像识别准确性： 漏报率（FNR）≤10%，误报率（FPR）≤10%； （2）检测效率： 单次图像采集周期<10s。 4、应用前景： 项目研制的系统陆续在合肥地铁、北京新机场线试用，结合城轨车辆实际巡检场景进行系统调试与数据训练，系统参数已达到研发指标要求。下一步将积极进行行业市场推广，将与上海、广州、苏州及香港等城市地铁公司进行沟通洽谈，预计未来可形成订单及小批量生产。