CN110418109A - 背负式智能单兵巡检系统、巡检方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种背负式智能单兵巡检系统、巡检方法，所述巡检系统包括图像采集系统、追随式镜头稳定系统、智能识别主机、供电系统、背负支撑系统、手持终端以及网络交换机。该单兵系统能很好的解决铁路隧道地形复杂、大型设备难以施展等客观因素的影响，不受隧道内工况、照明以及人自身因素的限制，易于携带、便于操作，能大大减少现场巡检作业人员的劳动强度和工作量，故障识别准确率高，能极大地提高巡检效率和巡视质量，避免发生由于巡检不到位而造成安全事故，可有效保障铁路运营安全。

Description

背负式智能单兵巡检系统、巡检方法

技术领域

本发明涉及隧道、城市管廊等内的设施及设备日常巡检领域，尤其是对轨道交通隧道内设施及设备进行日常检视的一种灵活、便捷、智能、高效的巡检作业工具，特别是一种背负式智能单兵巡检系统、巡检方法。

背景技术

目前铁路隧道内设备及设施的检查完全依赖检修天窗时间人工巡检，方式为人工步行巡视，但是人工巡检方式存在诸多问题：

①巡检需要投入大量的人力、设备和资金，如负责车站联络的、司机、多名作业人员等为基本配置，工作时间短，时间窗口内作业量有限，效率低下。

②人工巡检受作业人员业务熟练程度、责任心、注意力集中程度、作业工具的使用状态以及夜晚照明等自然因素的影响，巡检作业质量不高，很多安全隐患难以及时发现，且人工巡检过程也难以实现标准化。

③夜晚作业需携带照明、梯具等工具，劳动强度大、灵活度差，需仰视巡查的项目还会造成视觉疲劳，恶劣的作业环境下长期工作，既对作业人员的健康及安全产生威胁，又大大增加了患职业病的几率。

④由于天窗时间安排紧张，调度难度大，巡检作业难以得到时间保障，巡检时间长且作业时间不连续，完成巡检任务的压力大。

⑤相对于隧道占比多的作业工区，巡检作业任务更加繁重，作业量大、人力不足、效率不高成了隧道巡检亟须解决的一大难题。

随着铁路管理部门对运调安全作业要求的日益提高，巡检作业人员及铁路管理人员迫切希望有一种自动化、智能化的检査方式来弥补目前人工巡检方式的不足，以提高巡检效率和管理质量。

面对铁路系统的特殊性，当前专门针对铁路隧道内设备及设施的故障检测还没有便携且成熟的自动识别系统，而视觉检测技术具有非接触、速度快、在线检测等特点，目前已经被广泛应用到产品质量检测领域，因此有必要设计一种便携、易操作的智能巡检系统，以阶解决目前巡检方式所存在的问题。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，该概述并不是关于本发明的穷举性概述，它并非意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为后文的具体实施方式部分的铺垫。

基于以上所述具体问题，本发明提出一种用于铁路隧道内，对按铁路巡检规程所要求的基础设施、设备等检视内容进行拍摄、采集、智能分析处理并上报设备及设施故障的背负式智能单兵巡检系统，解决现有对铁路隧道内设备及设施进行人工巡检作业中，因视野、距离、光照、通信以及人自身生理因素所限，作业难度大、劳动强度大、巡检效率低下、工作质量不高的问题。具体的，该巡检系统包括：

图像采集系统、追随式镜头稳定系统、智能识别主机、供电系统、背负支撑系统、手持终端以及网络交换机，其中，所述网络交换机分别与图像采集系统、手持终端、智能识别主机连接，用于各设备之间的网络连接和数据交换，并且：

所述图像采集系统通过网络交换机与智能识别主机进行数据连接，用于实时采集需检测目标物的图像并传输到智能识别主机；

所述追随式镜头稳定系统安装于所述背负支撑系统，用于支撑所述图像采集系统；

所述智能识别主机接收图像采集系统所采集到的检视目标物的图像，并对图像采集系统所采集到的检视目标物的状态进行故障识别，分析，处理；

所述手持终端通过网络交换机与智能识别主机进行数据连接，用于对图像采集系统的采集参数进行初始化设置，并能够发出采集控制指令；

所述供电系统为图像采集系统、追随式镜头稳定系统、智能识别主机提供电力供应；

所述背负支撑系统支撑所述图像采集系统、追随式镜头稳定系统、智能识别主机、供电系统以及网络交换机。

该系统能很好的解决铁路隧道地形复杂、大型设备难以施展等客观因素的影响，不受隧道内工况、照明以及人自身因素的限制，易于携带、便于操作。系统独立供电，可全境视野和局部近景及细节特写，实时智能分析处理图像，处理结果4G回传并可与远程中心协同，能大大减少现场巡检作业人员的劳动强度和工作量，巡检效率及作业质量极高。

本发明进一步提供一种智能单兵巡检方法，包括：

准备所述的巡检系统；

现场作业人员背负所述巡检系统按巡检路线行进；

所述巡检系统实时采集需检视目标物的图像，并对检视目标状态进行故障识别，分析，处理。

有益效果：采用上述的技术方案后，本发明实现以机检代替人检的传统铁路隧道内设备及设施故障巡检操作模式，能很好的解决铁路隧道地形复杂、大型设备难以施展等客观因素的影响，不受隧道内工况、照明以及人自身因素的限制，易于携带、便于操作。系统独立供电，可全境视野和局部近景及细节特写，实时智能分析处理图像，处理结果4G回传并可与远程中心协同，现场作业人员只需背负设备按巡检路线行进即可，不再需对巡视目标进行目检，能大大减少现场巡检作业人员的劳动强度和工作量，该单兵系统故障识别准确率高，能极大地提高巡检效率和巡视质量，避免发生由于巡检不到位而造成安全事故，可有效保障铁路运营安全。

附图说明

在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，而不应将其视为是对本发明范围的限制。

图1为本发明实施例单兵巡检系统的一种结构示意图；

图2为本发明实施例单兵巡检系统结构框图；

图3为本发明实施例单兵巡检系统背负式示意图；

图4为本发明实施例单兵巡检系统背负支撑系统的一种结构示意图；

图5为本发明实施例单兵巡检方法的一种示意图。

具体实施方式

现参照附图对本发明的实施方式进行详细描述。应注意，以下描述仅仅是示例性的，而并不旨在限制本发明。在以下描述的不同实施方式中的不同特征，可彼此结合，以形成本发明范围内的其他实施方式。

需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

还需要理解的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

视觉检测技术具有非接触、速度快、在线检测等特点，目前已经被广泛应用到产品质量检测领域，基于机器视觉的铁路隧道智能单兵巡检系统除便携、易操作的特殊硬件结构设计外，还能够在不打乱铁路运输秩序的条件下对铁路隧道内的设备及设施进行图像采集、压缩与存储，并利用图像识别检测技术，通过人工智能识别算法检测故障，该系统的智能识别主机主要涉及以下两种技术：

1、机器视觉技术

在实际生产应用中，由于某些工作环境比较危险、不适合运用人力执行，或者在某些场合单靠人的视觉系统不能达到工程要求时，采用机器代替人眼进行判断、执行相关的生产或操作成为了最优选择。机器视觉技术的应用能够使生产的柔性以及自动化的程度实现提高，它有如下特性：

①重复、一致性

相对于人工检测时每次所巡视的目标物状态即便完全相同也会有细微的不同，且人工也不能长时间的按同等工作质量连续工作，采用机器视觉技术能够实现同一标准、同一质量、连续多次地检测，且能保证检测质量的一致性。

②精确性

人工巡检操作时，受作业人员自身的经验、身体条件以及工况所限，很难实现比较高的精确性，采用机器视觉是最为有效的手段。

③客观性

主观性是人工巡检方式中主要不足的地方之一，对故障的检测结果会随作业人员的心情好坏及个人责任心等产生变化，而视觉检测的结果是客观的、可靠的。

④效率与成本

基于机器视觉的检测设备可单人操作进行作业，能完成旧有需要几个人才能进行和完成的工作内容，并且检测设备能够不停地工作，在实际应用中可以实现提高作业效率的同时降低人力成本。

2、模式识别技术

对隧道内的设备及设施进行检测识别的目的是发现故障和隐患，进而进行必要的检修作业。因此，视觉采集系统在采集图像之后，计算机识别主机通过对图像的特征进行提取、分析，可识别出有故障的设备及设施，为检修人员提供便利。

模式识别技术的运用，使巡检作业人员不必再依靠手工记录故障信息，如：故障发生的位置、故障类型、需要的零部件等。后台人员通过计算机系统得出的识别结果，即可针对问题安排检修作业，从而提高检修效率和管理效率。

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

如图1、图2所示，一种背负式智能单兵巡检系统，包括：图像采集系统、追随式镜头稳定系统、智能识别主机、供电系统、背负支撑系统、手持终端以及网络交换机，其中，所述网络交换机分别与图像采集系统、手持终端、智能识别主机连接，用于各设备之间的网络连接和数据交换，并且：

所述图像采集系统通过网络交换机与智能识别主机进行数据连接，用于实时采集需检测目标物的图像并传输到智能识别主机；

所述追随式镜头稳定系统安装于所述背负支撑系统，用于支撑所述图像采集系统；

所述智能识别主机接收图像采集系统所采集到的检视目标物的图像，并对图像采集系统所采集到的检视目标物的状态进行识别，分析，处理；

所述手持终端通过网络交换机与智能识别主机进行数据连接，用于对图像采集系统的采集参数进行初始化设置，并能够发出采集控制指令；

所述供电系统为图像采集系统、追随式镜头稳定系统、智能识别主机提供电力供应；

所述背负支撑系统支撑所述图像采集系统、追随式镜头稳定系统、智能识别主机、供电系统以及网络交换机。

作为一种具体实施例，图像采集系统采用4K星光级高清摄像机，以应对铁路隧道内无照明或照明不足的工况条件，高清摄像机自动对焦、电动变焦，具有快门优先曝光功能；摄像机内置LED补光灯，常亮，亮度即可满足无照明条件下的补光，又可对隧道内已有灯光进行强光抑制，以免造成逆光场景，影响拍摄质量；灯柱采用透镜整理到30度角范围内，以利于控制拍摄边界。

进一步地，摄像机可通过网络交换机，将采集的图像传输到智能识别主机。

作为一种具体实施例，参见图2、图3，追随式镜头稳定系统是电子稳定器，采用五轴陀螺仪弹簧臂，电机扭矩大，能有效解决单兵背负行走时上下振幅对拍摄画面的影响。同时，配置3*32位独立编码器，运算速度快，控制精准、反应敏捷，能实时、稳定的锁定目标拍摄物。

作为一种具体实施例，智能识别主机可以是支持GPU运算的主控设备，采用高性能GPU处理器，接入图像采集系统采集的4K视频后，利用目标检测模型，通过深度识别算法，实时对隧道内设备及设施故障状态进行识别，0.5秒内即可识别出结果。

目标检测模型可以是前期利用背负式智能单兵巡检系统采集含有待检测目标的图像，把所采集的图像作为图像样本集，在图像中标注待识别目标，通过训练此图像样本集得出模型。

深度识别算法可以是线性回归、KNN等多种深度学习算法，通过线性回归、KNN等深度学习算法，实时对所采集到的待检测目标物的状态进行故障识别。

进一步地，智能识别主机还能够对隧道内设备及设施的疑似故障状态图像，自动存储，并可通过外接4G模块回传给远程平台进行复核、确认。

作为一种具体实施例，参见图3、图4，背负支撑系统由高强度管架构成，设计上采用包括符合人体工程学的人体结合部与设备挂载部，以利于通风、散热。

人体结合部按照人体脊椎的自然形状和运动特征设计，在不妨碍头部及躯干活动的同时，将重量合理分部在背部、腰部及臀部，减轻负重为人体带来的不舒适感，且能有效缓解肌肉疲劳并增加背负的稳定性。

进一步地，人体结合部包括符合人体工程学的定制注模可脱卸腰带和可调节胸带，用带有透气网眼的厚泡棉包覆，保证了舒适度和透气性，腰部区域采用速干材料，可确保该区域透气快干，腰带与人体腰部曲线相吻合，将重力分散于整个腰围，肩部的受力从背负托底部开始，将背负的重量合理地分配到身体的各个部位，避免只集中在肩部，从而达到“背着舒服”的效果。

设备挂载部主要挂载图像采集系统、追随式镜头稳定系统、智能识别主机、网络交换机及供电系统。

设备挂载部的挂载架配有线槽，在相应部位设有相关接口孔位。

作为一种具体实施例，供电系统为不间断电源，可以采用低压在线式UPS电源系统，采用高精度稳压模块，为图像采集系统、追随式镜头稳定系统、智能识别主机提供电力供应，确保各系统单元长时间安全稳定工作。

作为一种具体实施例，手持终端和图像采集系统都连接到网络交换机上，在作业人员进入现场后，手持终端对图像采集系统的采集参数进行初始化设置，包括：调试全境视野、局部近景以及细节特写，并发出拍摄等控制指令。

进一步地，手持终端自带显示器，支持4K画面显示，供作业人员随时监视拍摄内容。

通过以上描述可知，本发明将图像识别技术与铁路隧道巡检作业相结合，改变了传统依靠人检的作业模式和方法。图像采集系统代替了人眼；单兵背负式结构节省了人力，实现了作业的灵活与便利性；智能识别主机在不影响现场作业的情况下能让后台人员迅速确定故障位置并调配维护，本发明让巡检效率提高、劳动强度降低，使隧道巡检作业质量得到质的飞跃。

受铁路隧道内现场作业工况条件、铁路运输安全管理规程、运力繁忙以及全面、精细化巡检要求所限，铁路智能单兵巡检系统是符合铁路隧道巡检实际的最高效、最智能、劳动强度最低、无可替代的最优解决方案。

本发明的另一个实施例公开了一种智能单兵巡检方法，包括如下步骤：

准备如任一前述的背负式智能单兵巡检系统；

现场作业人员进场后，背负所述巡检系统按巡检路线行进；

所述巡检系统实时采集需检视目标物的图像，并对检视目标状态进行故障识别，分析，处理。

作为一种具体实施例，还包括步骤：所述巡检系统将疑似故障目标回传给后台人员确认。

作为一种具体实施例，还包括步骤：作业人员进入现场后，通过手持终端调试图像采集系统的采集参数，并发出拍摄控制指令。

通过以上描述可知，本发明的智能单兵巡检方法能够解决现有对铁路隧道内设备及设施进行人工巡检作业中，因视野、距离、光照、通信以及人自身生理因素所限，作业难度大、劳动强度大、巡检效率低下、工作质量不高的问题。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种背负式智能单兵巡检系统，其特征在于，包括：图像采集系统、追随式镜头稳定系统、智能识别主机、供电系统、背负支撑系统、手持终端以及网络交换机，其中，所述网络交换机分别与图像采集系统、手持终端、智能识别主机连接，用于各设备之间的网络连接和数据交换，并且：

所述图像采集系统通过网络交换机与智能识别主机进行数据连接，用于实时采集需检测目标物的图像并传输到智能识别主机；

所述追随式镜头稳定系统安装于所述背负支撑系统，用于支撑所述图像采集系统；

所述智能识别主机接收图像采集系统所采集到的检视目标物的图像，并对图像采集系统所采集到的检视目标物的状态进行故障识别，分析，处理；

所述手持终端通过网络交换机与智能识别主机进行数据连接，用于对图像采集系统的采集参数进行初始化设置，并能够发出采集控制指令；

所述供电系统为图像采集系统、追随式镜头稳定系统、智能识别主机提供电力供应；

所述背负支撑系统支撑所述图像采集系统、追随式镜头稳定系统、智能识别主机、供电系统以及网络交换机。

2.如权利要求1所述的巡检系统，其特征在于，所述图像采集系统采用4K星光级高清摄像机，内置常亮LED补光灯，灯柱采用透镜整理到30度角范围内，以控制拍摄边界。

3.如权利要求1所述的巡检系统，其特征在于，所述追随式镜头稳定系统为五轴陀螺仪弹簧臂，采用大扭矩电机，3*32位独立编码器。

4.如权利要求1所述的巡检系统，其特征在于，所述智能识别主机采用高性能处理器，利用目标检测模型，通过深度识别算法，实时对所采集到的待检测目标物的状态进行故障识别。

5.如权利要求1所述的巡检系统，其特征在于，所述智能识别主机还能够对识别出的疑似故障状态图像进行自动存储，并回传给远程平台进行复核、确认。

6.如权利要求1所述的巡检系统，其特征在于，所述背负支撑系统由符合人体工程学的高强度管架构成，包括人体结合部与设备挂载部，人体结合部按照人体脊椎的自然形状和运动特征设计，设备挂载部挂载图像采集系统、追随式镜头稳定系统、智能识别主机、供电系统及网络交换机。

7.如权利要求1所述的巡检系统，其特征在于，所述供电系统为低压在线式UPS电源系统，采用高精度稳压模块，确保各系统单元长时间安全稳定工作。

8.如权利要求1所述的巡检系统，其特征在于，所述手持终端对图像采集系统的采集参数进行初始化设置包括：调试全境视野、局部近景以及细节特写。

9.如权利要求1所述的巡检系统，其特征在于，所述手持终端自带显示器，支持4K画面显示，供作业人员随时监视拍摄内容。

10.一种智能单兵巡检方法，其特征在于，包括如下步骤：

准备如权利要求1-9任一项所述的巡检系统；

现场作业人员背负所述巡检系统按巡检路线行进；

所述巡检系统实时采集需检视目标物的图像，并对检视目标状态进行故障识别，分析，处理。