鐵道衛(wèi)士，深度巡檢——北京航空航天大學(xué)“鐵道檢查”隊(duì)

參賽單位：北京航空航天大學(xué)

參賽隊(duì)伍：鐵道檢查隊(duì)

參賽作品：《基于深度學(xué)習(xí)的嵌入式鐵軌扣件缺陷識(shí)別》

作者姓名：陳超

獲獎(jiǎng)等級(jí)：第十五屆研電賽技術(shù)類(lèi)競(jìng)賽全國(guó)一等獎(jiǎng)、TOP10獲獎(jiǎng)隊(duì)、華為專(zhuān)項(xiàng)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

鐵道衛(wèi)士，深度巡檢
科研的道路不是一帆風(fēng)順的，在達(dá)到目標(biāo)之前，你永遠(yuǎn)不知道自己走的路是否正確。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。我們是來(lái)自北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院的鐵道巡檢隊(duì)。隊(duì)如其名，我們的參賽項(xiàng)目是基于鐵軌扣件缺陷識(shí)別的新算法研究及其嵌入式實(shí)現(xiàn)。

我們創(chuàng)新性的將近年來(lái)如火如荼的深度學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于鐵軌扣件的缺陷檢測(cè)，并更進(jìn)一步將算法以嵌入式的方式部署在Xilinx的ZCU104開(kāi)發(fā)板上，最終獲得了第十五屆研電賽的TOP10以及華為專(zhuān)項(xiàng)賽的前十名。

作品實(shí)現(xiàn)過(guò)程
從問(wèn)題分析、方案選取、算法軟件設(shè)計(jì)到硬件實(shí)現(xiàn)，一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)的分工合作和交流討論，也離不開(kāi)有效實(shí)際的領(lǐng)導(dǎo)。作為隊(duì)長(zhǎng)，需要承擔(dān)更多的責(zé)任，也能收獲更多的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)深入的了解是明確分工的基礎(chǔ)，明確的分工才能讓團(tuán)隊(duì)高效的運(yùn)作。

創(chuàng)意有你，未來(lái)可期。創(chuàng)新創(chuàng)意是研電賽的主題，也是科研中不可或缺的品質(zhì)。創(chuàng)新不是憑空創(chuàng)造，而是建立在無(wú)數(shù)積累之上的厚積薄發(fā)。我們的團(tuán)隊(duì)腳踏實(shí)地、不驕不躁，從最基礎(chǔ)的知識(shí)學(xué)起，一步一步完成最終的目標(biāo)。深度學(xué)習(xí)對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的領(lǐng)域，我們從最基礎(chǔ)的感知機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)起，逐漸擴(kuò)充自己的知識(shí)。學(xué)習(xí)率、損失函數(shù)、前向傳播、反向傳播、過(guò)擬合、層模型、計(jì)算圖……一個(gè)一個(gè)的新名詞被我們消化吸收。

理論是堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但是光有理論沒(méi)有實(shí)現(xiàn)就是科研上的半吊子。從理論到實(shí)現(xiàn)，從來(lái)不是一件簡(jiǎn)單的事。如何將算法以軟件的形式實(shí)現(xiàn)，需要考慮多方面的因素來(lái)確定高效可行的方案，也需要大量的閱讀技術(shù)文檔來(lái)將方案落到實(shí)處。同時(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、一絲不茍的態(tài)度才能使最終的工程經(jīng)得起檢驗(yàn)。

在算法上，我們經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研和算法復(fù)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)比分析選擇了最適合問(wèn)題的模型并針對(duì)性的進(jìn)行調(diào)優(yōu)；在軟件實(shí)現(xiàn)上，我們考慮了效率、后續(xù)工作可行性、擴(kuò)展性、可移植性等多種因素，決定了使用tensorflow+opencv的方案；在硬件選擇上，我們考慮了功耗、計(jì)算效率、實(shí)際工程需求，決定使用soc系統(tǒng)；在算法的硬件部署方案上，我們參閱了相關(guān)的技術(shù)文檔，決定使用嵌入式的方式實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)算法在FPGA上的部署。

實(shí)現(xiàn)作品的過(guò)程是困難的，在困難中磨練了我們的意志，提升了我們的工程和科研能力。最終能將作品完成并實(shí)現(xiàn)預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，可能就是科研的一大樂(lè)趣所在。

參賽經(jīng)歷
2020上半年對(duì)我們的隊(duì)員來(lái)說(shuō)是非常充實(shí)的半年，考研復(fù)試、畢業(yè)設(shè)計(jì)和研電賽三座大山橫在眼前等候我們?nèi)ヅ实?。?lián)系了同一個(gè)導(dǎo)師的我們?nèi)藦膶?dǎo)師那聽(tīng)說(shuō)了研電賽的事，于是一拍即合，決定在研究生入學(xué)前做點(diǎn)有意義的事。當(dāng)其他同學(xué)還在畢業(yè)旅行時(shí)，我們開(kāi)始著手研電賽的參賽準(zhǔn)備。

一曲肝腸斷，天涯何處覓知音。由于疫情的原因，大家都在自己家中隔離，只能通過(guò)電話(huà)、視頻聯(lián)系，但這絲毫沒(méi)有澆滅我們的熱情。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的討論，我們對(duì)彼此擅長(zhǎng)的領(lǐng)域有了初步的了解，便著手查閱資料補(bǔ)充知識(shí)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的知識(shí)積累和方案討論，我們首先確定了研究的目的和技術(shù)路線(xiàn)。

此時(shí)距離比賽開(kāi)始只有一個(gè)月的時(shí)間了，我們加班加點(diǎn)，克服了重重的困難，但截至初賽提交作品前，我們最后的硬件部署還沒(méi)有調(diào)試成功。我們一邊忙著初賽，一遍抓緊時(shí)間調(diào)試，終于在決賽前調(diào)試成功。

決賽地點(diǎn)在南京信息工程大學(xué)，由于疫情，每隊(duì)只能有最多兩名學(xué)生到現(xiàn)場(chǎng)參加決賽，考慮到地理位置，由離南京近的我和另一位隊(duì)員趕赴現(xiàn)場(chǎng)，雖然不能全員到場(chǎng)有些遺憾，但比賽還是給我們帶來(lái)了很多的收獲。

決賽的日程安排緊張卻也充實(shí)，有時(shí)候一天就要進(jìn)行兩次答辯，中間還有專(zhuān)家進(jìn)行實(shí)物檢查和現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)評(píng)。在比賽過(guò)程中我們認(rèn)識(shí)到自己的不足，鍛煉了展示的能力，最終收獲了滿(mǎn)意的結(jié)果。在和其他優(yōu)秀隊(duì)伍的比拼中，我們見(jiàn)識(shí)了來(lái)自各個(gè)大學(xué)各個(gè)專(zhuān)業(yè)各個(gè)領(lǐng)域各種各樣的參賽作品和科研成果，開(kāi)拓了眼界，也對(duì)創(chuàng)新有了更深的理解。

參賽經(jīng)驗(yàn)分享
在本次研電賽中，我們的隊(duì)伍有幸獲得了技術(shù)賽top10，比賽后我們總結(jié)了一些比賽的經(jīng)驗(yàn)，希望能對(duì)之后參賽的同學(xué)們有一些啟發(fā)：

1.選題：要選取有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對(duì)國(guó)家和社會(huì)有重大意義的題目，并且能體現(xiàn)創(chuàng)新性。研究生的競(jìng)賽與本科生不同，老師更傾向于科研性強(qiáng)、社會(huì)意義重大的作品。

2.方法：選用新的技術(shù)和理論，避免千篇一律的方法，同時(shí)對(duì)多種可行的方案進(jìn)行對(duì)比分析，保證技術(shù)路線(xiàn)的可行性、優(yōu)越性和創(chuàng)新性。

3.結(jié)果：一定要有精確、量化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不能僅僅對(duì)作品做定性的介紹。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果要使用適當(dāng)?shù)睦碚撨M(jìn)行分析，最終要能顯示出技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

4.展示：對(duì)于作品的講解要有嚴(yán)密的邏輯，多用示意圖、表格、統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)的方式，避免大段的文字說(shuō)明。這樣才能保證答辯老師快速的了解作品，同時(shí)對(duì)于老師的提問(wèn)能做到有理有據(jù)、邏輯嚴(yán)密的回答。

參賽感想
距離研電賽已經(jīng)過(guò)去半年了，在過(guò)去的一個(gè)學(xué)期，我們隊(duì)伍的三名成員已經(jīng)逐漸步入了研究生的科研和學(xué)習(xí)生活中。研電賽的寶貴經(jīng)驗(yàn)，給我們的研究生生活開(kāi)了一個(gè)好頭，也讓我們對(duì)研究領(lǐng)域有更加具體的了解。在我們今后的科研生涯中，對(duì)自己的研究方向有更明確的目標(biāo)。

在此，我們要感謝研電賽的主辦方和南京信息工程大學(xué)，提供了研電賽這樣一個(gè)平臺(tái)讓我們能和其他隊(duì)伍交流經(jīng)驗(yàn)、互相學(xué)習(xí)、互相促進(jìn)。比賽中的文藝表演也讓人印象深刻。要感謝我們的指導(dǎo)老師，給我們的作品提了很多建議，在我們?cè)庥龃煺鄣臅r(shí)候鼓勵(lì)我們，給我們信心。