鐵道衛(wèi)士，深度巡檢——北京航空航天大學(xué)“鐵道檢查”隊

參賽單位：北京航空航天大學(xué)

參賽隊伍：鐵道檢查隊

參賽作品：《基于深度學(xué)習(xí)的嵌入式鐵軌扣件缺陷識別》

作者姓名：陳超

獲獎等級：第十五屆研電賽技術(shù)類競賽全國一等獎、TOP10獲獎隊、華為專項獎一等獎

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。隊如其名，我們的參賽項目是基于鐵軌扣件缺陷識別的新算法研究及其嵌入式實現(xiàn)。

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

作品實現(xiàn)過程
從問題分析、方案選取、算法軟件設(shè)計到硬件實現(xiàn)，一個復(fù)雜的系統(tǒng)離不開團(tuán)隊的分工合作和交流討論，也離不開有效實際的領(lǐng)導(dǎo)。作為隊長，需要承擔(dān)更多的責(zé)任，也能收獲更多的經(jīng)驗。對整個系統(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)隊高效的運作。

創(chuàng)意有你，未來可期。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，而是建立在無數(shù)積累之上的厚積薄發(fā)。我們的團(tuán)隊腳踏實地、不驕不躁，從最基礎(chǔ)的知識學(xué)起，一步一步完成最終的目標(biāo)。深度學(xué)習(xí)對我們來說是一個全新的領(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。學(xué)習(xí)率、損失函數(shù)、前向傳播、反向傳播、過擬合、層模型、計算圖……一個一個的新名詞被我們消化吸收。

理論是堅實的基礎(chǔ)，但是光有理論沒有實現(xiàn)就是科研上的半吊子。從理論到實現(xiàn)，從來不是一件簡單的事。如何將算法以軟件的形式實現(xiàn)，需要考慮多方面的因素來確定高效可行的方案，也需要大量的閱讀技術(shù)文檔來將方案落到實處。同時，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。

在算法上，我們經(jīng)過大量的調(diào)研和算法復(fù)現(xiàn)，通過對比分析選擇了最適合問題的模型并針對性的進(jìn)行調(diào)優(yōu)；在軟件實現(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、計算效率、實際工程需求，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現(xiàn)深度學(xué)習(xí)算法在FPGA上的部署。

實現(xiàn)作品的過程是困難的，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現(xiàn)預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，可能就是科研的一大樂趣所在。

參賽經(jīng)歷
2020上半年對我們的隊員來說是非常充實的半年，考研復(fù)試、畢業(yè)設(shè)計和研電賽三座大山橫在眼前等候我們?nèi)ヅ实恰Ｂ?lián)系了同一個導(dǎo)師的我們?nèi)藦膶?dǎo)師那聽說了研電賽的事，于是一拍即合，決定在研究生入學(xué)前做點有意義的事。當(dāng)其他同學(xué)還在畢業(yè)旅行時，我們開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，只能通過電話、視頻聯(lián)系，但這絲毫沒有澆滅我們的熱情。經(jīng)過簡單的討論，我們對彼此擅長的領(lǐng)域有了初步的了解，便著手查閱資料補充知識。經(jīng)過一段時間的知識積累和方案討論，我們首先確定了研究的目的和技術(shù)路線。

此時距離比賽開始只有一個月的時間了，我們加班加點，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有調(diào)試成功。我們一邊忙著初賽，一遍抓緊時間調(diào)試，終于在決賽前調(diào)試成功。

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

決賽的日程安排緊張卻也充實，有時候一天就要進(jìn)行兩次答辯，中間還有專家進(jìn)行實物檢查和現(xiàn)場點評。在比賽過程中我們認(rèn)識到自己的不足，鍛煉了展示的能力，最終收獲了滿意的結(jié)果。在和其他優(yōu)秀隊伍的比拼中，我們見識了來自各個大學(xué)各個專業(yè)各個領(lǐng)域各種各樣的參賽作品和科研成果，開拓了眼界，也對創(chuàng)新有了更深的理解。

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

1.選題：要選取有實際應(yīng)用價值，對國家和社會有重大意義的題目，并且能體現(xiàn)創(chuàng)新性。研究生的競賽與本科生不同，老師更傾向于科研性強(qiáng)、社會意義重大的作品。

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

3.結(jié)果：一定要有精確、量化的實驗結(jié)果，不能僅僅對作品做定性的介紹。對實驗結(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。

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

參賽感想
距離研電賽已經(jīng)過去半年了，在過去的一個學(xué)期，我們隊伍的三名成員已經(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，給我們的研究生生活開了一個好頭，也讓我們對研究領(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平臺讓我們能和其他隊伍交流經(jīng)驗、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，在我們遭遇挫折的時候鼓勵我們，給我們信心。