铁路巡检机器人异物识别数字化建模与仿真

获奖团队介绍

学校：北京交通大学
指导老师：王英杰
团队成员：刘文博、陈恒、李泽坤

1. 案例背景

铁路轨道异物侵限（落石、遗落工具等）是行车安全的重要隐患。本作品基于MWORKS平台，构建了一套铁路巡检机器人异物识别数字化仿真系统。在Syslab（Julia）中实现SSIM+MAD双阈值图像检测算法，模拟摄像头逐帧采集轨道图像并识别异物；在Sysplorer（Modelica）中搭建机械多体、直线电机电气驱动、PID速度控制、传感器与报警通信三域耦合数字样机。双方通过CSV文件联动，当检测到异物时系统自动触发制动停车，并模拟声光报警。仿真验证了系统在正常、雨雾、强光等工况下的鲁棒性，为智能铁路巡检提供了数字化设计参考。

2. 文件结构说明

项目根目录/
├── 仿真分析报告.pdf          # 完整技术报告（含算法原理、多工况分析、组件测试）
├── 演示视频/                 # 系统运行演示（如有）
├── Syslab/                   # MWORKS.Syslab工程文件夹
│   ├── main_ssim.jl          # 主程序：图像生成、正常图库建立、逐帧检测、报警输出
│   ├── multi_condition.jl    # 多工况鲁棒性分析（尺寸/位置/强度/出现方式）
│   ├── component_test/       # 组件测试
│   │   ├── test_emf.jl       # EMF直线电机组件测试
│   │   ├── test_pid.jl       # PID控制器阶跃响应测试
│   │   └── test_ssim_mad.jl  # SSIM+MAD双阈值算法验证（43用例）
│   ├── pid_tuning.jl         # PID参数整定（参数扫描，输出pid_params.csv）
│   └── energy_analysis.jl    # 电气域能耗分析
├── Sysplorer/                # MWORKS.Sysplorer工程文件夹
│   ├── robot_model.mo        # 三域耦合数字样机主模型
│   ├── robot_signal.csv      # 联动信号文件（Syslab生成，Sysplorer读取）
│   └── pid_params.csv        # PID整定参考参数（可选）
└── readme.txt                # 本说明文件

3. 使用方法

3.1 环境要求

MWORKS.Syslab 2025b(x64) 及以上
MWORKS.Sysplorer 2025b(x64) 及以上

3.2 测试流程

步骤1：组件独立测试（验证核心模块正确性）

打开Syslab/component_test/test_emf.jl，运行以验证EMF电压‑速度关系。
打开Syslab/component_test/test_pid.jl，运行查看PID阶跃响应（上升时间、超调量）。
打开Syslab/component_test/test_ssim_mad.jl，运行43个测试用例，确认误报率0%、检出率100%。

步骤2：正常工况联合仿真

打开Syslab/main_ssim.jl，运行主程序：
- 自动生成正常图库（t=0~11s）和异物帧（t≥12s）
- 逐秒计算SSIM和MAD，满足双阈值（SSIM<0.97且MAD>0.015）时触发报警
- 输出robot_signal.csv（时间、stop_sig、alarm_sig）和报警日志alarm_log.txt
打开MWORKS.Sysplorer，加载Sysplorer/robot_model.mo。
确保robot_signal.csv位于模型相同目录（或更新CombiTimeTable路径）。
点击仿真运行（时长20s），观察三维动画中机器人沿轨道运动、遇障停车的完整过程。
查看仿真曲线：EMF电压、机器人位移、报警信号时序是否正确（预期t=12s报警，约2s制动停车）。

步骤3：多工况鲁棒性分析

打开Syslab/multi_condition.jl，依次运行四组分析：
- 障碍物尺寸变化（6工况）→ 确认最小可检测面积约16×26px
- 障碍物位置变化（7工况）→ 验证全空间覆盖能力
- 遮挡强度变化（6工况）→ 获取对比度下限≈0.25
- 异物出现方式变化（6工况）→ 观察检测延迟与显现速率的关系
每组运行后自动生成结果表格和SSIM曲线。

步骤4（可选）：PID参数整定与能源分析

运行Syslab/pid_tuning.jl，执行参数扫描，输出pid_params.csv，可在Sysplorer中参考设置PID（最终工程值Kp=150, Ti=0.1s）。
运行Syslab/energy_analysis.jl，查看20s仿真总耗电（约124.9J）和理论续航里程（约42.3km）。

4. 注意事项

首次运行前请确保Syslab工作目录包含写入权限，以便生成CSV文件。
图像模拟参数（尺寸60×80、异物叠加亮度降低0.45等）均可在main_ssim.jl头部修改。
多工况分析采用“单因素变量控制”，若需自定义工况，请直接修改对应工况数组。
本作品算法完全自研（SSIM公式从零实现），未调用第三方图像库，保证可复现性。

版本说明

V0.0.1，2026-06-11 15:10

初始版本