上海地铁装上高科技“仿生眼”，实时监测预警防止运营故障

就是这儿

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人眼是大自然进化的杰作，机器人眼睛可否仿造人眼获得优越的性能？解放日报 · 上观新闻记者近日从上海市科委获悉，承担市级科技重大专项 " 脑与类脑智能基础转化应用研究 " 重要任务之一的中国科学院上海微系统与信息技术研究所研发的弓网实时在线监测系统，在上海申通地铁集团的支持下，已安装在上海地铁 18 号线列车上。
这套系统采用 " 仿生眼 " 原创技术，许多性能优于传统技术方案。上海申通地铁集团技术中心负责人表示，它的最大优点是体积小、安装灵活，成本也低，测试结果达到了使用需求。
让机器人眼睛拥有人眼功能
" 我已研究‘仿生眼’ 20 多年，目前处在产业化阶段，全球市场上还没有同类设备。" 中科院上海微系统所仿生视觉系统实验室主任张晓林研究员说。拥有工学、医学专业背景的他，长期研究学科交叉领域，利用电子信息技术将人眼、鹰眼等生物视觉系统的神经网络工程化，带领团队研制出多款 " 仿生眼 " 产品。
在仿生视觉系统实验室，记者看到了一个 " 萌态可掬 " 的机器人，圆圆的脸上装有两只 " 仿生眼 "。与传统的固定双目相机不同，这对机器人眼睛会跟随目标物体转动，就像人眼一样。" 他在看你了。" 张晓林对记者说。此时记者发现，机器人在几个人中锁定了自己，记者走到哪儿，它的眼珠就转到哪个方向。与机器人眼睛连接的计算机软件显示出它看到的所有人，软件能识别出人和多种物体，并选定一个机器人眼睛的重点关注对象。软件界面上还有深度图，用各种颜色显示机器人看到的东西与它的距离。" 这是实时三维空间测距，人眼有这个功能，‘仿生眼’也有这个功能。" 张晓林解释。


据介绍，人眼有很多我们日用而不知的本领，如获取三维空间信息的双眼协调运动、追踪移动物体的平滑运动、能在晃头和颠簸环境中看清物体的前庭动眼反射、能将 " 周边视 " 中感兴趣或危险物体迅速切入 " 中心视 " 的视机性跳跃运动。这些本领都来自眼球与小脑、中脑、脑干的协同工作，而辨识物体、看懂文字等本领，还需要大脑的参与。
张晓林团队研发的 " 仿生眼 "，是具有脑干、小脑、中脑、大脑整体功能的智能仿生系统。由于功能接近人眼，它们的应用前景十分广阔。在很多场景中，其性能优于目前主流的激光雷达和固定双目相机。


张晓林（左）在指导科研人员测试 " 仿生眼 "。
车顶 " 双眼 " 为地铁保驾护航
" 仿生眼 " 进入轨道交通应用场景，始于深圳地铁 11 号线运营单位的求助。这条线 2016 年 6 月开通运营后，遇到了弓网关系不佳的问题。张晓林团队轨交弓网监测项目负责人吴丽介绍，无论是地铁还是高铁，通过架空接触网供电的列车上都装有受电弓，它升起后与高压接触网相连，为列车输入电能。弓网关系对轨道交通运营非常重要，弓网关系异常是地铁运营故障的主因之一。因此，实时监测弓网关系并及时预警，是确保轨交线路长期正常运营的重要手段。
深圳地铁 11 号线运营方想在列车顶上安装高度不超过 90 毫米的实时在线监测设备，而市场上这种监测设备都比较大，达不到要求，于是找到了张晓林团队。从此，他们开始研制基于仿生视觉的弓网实时在线监测系统，迄今已参与复兴号动车组以及上海地铁 1 号线、上海地铁 13 号线、北京地铁 6 号线等轨交线路弓网检测的研发项目。作为产品，这套系统已安装在上海地铁 18 号线和西安地铁 5 号线的列车上。


安装在列车顶部的双眼模块（资料照片）
在这一应用场景中，" 仿生眼 " 核心技术显示出类脑智能的优势。安装在列车顶部的双眼模块能实时监测接触网动态几何参数，测定受电弓和接触网的三维坐标、姿态、结构完整性和可见光燃弧。" 视觉传感器都需要标定，列车顶部的多变环境给标定工作带来了挑战。" 吴丽指出了 " 仿生眼 " 的另一个优势——技术人员可通过软件操作对其进行动态标定，不必到车顶调整硬件模块。
与市场上主流的激光雷达监测系统相比，拥有 " 仿生眼 " 核心技术的双眼系统还有体积小、重量轻、耗电量低、无光污染、扩展性强、安装速度快等优势。在类脑处理器的协调下，双眼系统的紫外传感器、红外相机等部件共同监测受电弓和接触网的各项数据，一旦出现异常情况，就会发出预警。


弓网实时在线监测系统示意图
"5 亿多年前，生物眼睛的诞生引发了寒武纪生命大爆发。" 张晓林感慨地说，" 希望仿生视觉系统的诞生，能迎来机器人发展史上的‘寒武纪’。" 如今，" 仿生眼 " 核心技术已应用于双臂协作机器人、3D 影像拍摄等领域。在市级科技重大专项的支持下，张晓林团队还在研发自主移动机器人（AMR）。中科院上海微系统所研究员王磊说，这种工业机器人能抓取物件并在移动中自主避障，与采用激光雷达技术的 AMR 相比，安装 " 仿生眼 " 的机器人操作精度更高、移动速度更快。目前，张晓林团队正面向上海半导体产业重大需求，开发一款晶圆搬运 AMR 机器人，以提升晶圆厂的自动化程度和作业效率。
栏目主编：黄海华 本文作者：俞陶然 文字编辑：俞陶然
图片摄影：赖鑫琳视频采制：赖鑫琳 沈阳