網定位管斜拉線受力狀態檢測研究

蔡博宇（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

網定位管斜拉線受力狀態檢測研究

蔡博宇
（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

摘 要：針對接觸網懸掛裝置定位管斜拉線的分布特點，本文提出了一種基于輪廓曲率的接觸網定位管斜拉線不受力的檢測方法：首先對采集到的原圖像二值化；其次由于背景中存在一些小物體的干擾，需對二值化圖像進行數字形態學運算，消除過小的連通域；隨后分別提取圖像內外輪廓曲線；最后通過對輪廓曲線曲率的分析，實現定位管斜拉線的不受力的檢測，為接觸網實現智能化檢測提供新思路。

關鍵詞：定位管斜拉線；數字形態學運算；輪廓曲線曲率

定位管斜拉線是電氣化鐵路鐵路接觸網懸掛裝置中的小部件：機械支撐下方定位器與定位管，使接觸線導高、拉出值保持在規定范圍內，從而保證鐵路運行安全，斜拉線在接觸網懸掛裝置中的位置如圖1所示。接觸網定位管斜拉線脫落將直接中斷行車，影響正常的行車秩序，因而有必要對定位管斜拉線的狀態進行檢測。通過對定位管斜拉線不受力的檢測，能夠及時監測斜拉線存在的安全隱患。

目前，接觸網非接觸式檢測設備在鐵路上的應用日趨廣泛，應用方向主要為接觸網幾何參數的檢測、接觸線磨耗的研究。隨著鐵道部提出的6C系統發展戰略，接觸網零部件的非接觸式檢測也開始發展，但是目前這方面的研究還不充分。本文針對接觸網懸掛裝置定位管斜拉線的分布特點，提出了一種基于輪廓曲率的接觸網定位管斜拉線不受力的檢測方法，實現了針對拉線的非接觸式狀態監測：首先對采集到的原圖像二值化；其次由于背景中存在一些小物體的干擾，需對二值化圖像進行數字形態學運算，消除過小的連通域；隨后分別提取圖像內外輪廓曲線；最后通過對輪廓曲線曲率的分析，實現定位管斜拉線的不受力的檢測。

1 接觸網懸掛裝置圖像的采集

目前主要是利用鐵路綜合檢測車采集接觸網支撐和懸掛裝置圖像。即通過在檢測車頂部設置高清攝像機，遇到接觸網支柱時，攝像機自動拍攝。圖2為車頂攝像頭和射燈示意圖。

為了獲得足夠清晰的圖像，滿足后期分析的要求，采用夜間加射燈的拍攝方式，黑色背景可以保證圖像凈空狀態良好。

圖1 定位管斜拉線圖

圖2 車頂攝像與燈光圖

圖3 二值化圖像

圖4消除過小的連通域

圖5 內外輪廓示意圖

2 數字形態學運算

為了消除二值圖像中過小的連通域，對其進行數字形態學運算，考慮兩幅圖像A，B。可以定義其腐蝕運算為：

Erosion（A，B）={a｜（a+b）∈A，a∈A，b∈B} （1）

由于圖像拍攝質量、預處理質量等因素影響，很多情況下二值化圖像會存在一些小的連通域，會影響后面內外輪廓提取的精度。因此，采用形態學腐蝕操作，有效解決該問題。圖3為二值化圖像，顯然圖中存在小的連通域；圖4消除過小的連通域后二值圖。

3 輪廓提取及曲率計算

3.1 內外輪廓

對于一幅二值化的圖像，可以提取出兩種類型的輪廓曲線。圖5中的白色區域構成4個連通域，分別為A、B、C、D，輪廓①④⑤⑥為A、B、C、D的外輪廓（輪廓的內鄰域分別位于上述連通域中），②③分別為A內輪廓（輪廓的內鄰域位于連通域A內部的“孔洞”中）。

對于圖4所示二值化的圖像，進行內外輪廓提取，如圖6所示，（a）圖為外輪廓曲線，（b）、（c）、（d）圖為內輪廓曲線，對內外輪廓進行綜合分析，可以看出（a）圖和（c）圖中的輪廓曲線存在類似于圓弧形的彎曲，顯然表征了斜拉線的不受力。為了給出智能判斷，需客觀評價該現象。

3.2 輪廓曲率分析

將輪廓曲線上第k個點的曲率定義為：第k個點與第k+100個點之間的連線傾角，如圖7所示。

圖6 內外輪廓曲線

圖7 曲率定義示意圖

圖8 曲率曲線

圖9 掩膜信號

圖10 檢測結果

基于此定義，可得到上述四條輪廓曲線的曲率曲線。如圖8所示為圖6（a）外輪廓曲線曲率曲線圖。圖中橫坐標為輪廓點在輪廓曲線上的索引，縱坐標為其對應的曲率值。為方便觀察，只繪出了外輪廓曲線上的前5000個點。由圖8可以總結以下規律：

（1）圖中腕臂、定位器等桿狀物以及受力良好的拉線邊界點，輪廓曲線在其鄰域內取值較為穩定。這是由于上述物體的邊界呈現出明顯的直線特征，邊界點的曲率沒有明顯的變化；

（2）由于輪廓曲線的方向在桿狀物的連接處發生轉折，曲率曲線在該處會呈現出明顯的跳變；

（3）當圖像中出現不受力的拉線時，其輪廓曲線近似于一段平滑的圓弧，因此曲率曲線中會出現一個連續緩慢變化的區段，具有這種特點的區段只有在圖中含有不受力的拉線時才會存在。

為進一步提取出曲率曲線中連續緩慢變化的區段，可采用加窗的思想，窗口沿曲率曲線連續滑動。如果窗兩端曲率的差值在一個特定的范圍內，（經驗值為[3，10]）則認為窗兩端的點疑似位于不受力的防風拉線的邊界上。構建一個與曲率曲線長度相同的二值掩膜信號，將上述疑似點位置上的點置為1，如圖10所示。如果掩膜信號上連續為1的點達到一定的寬度，則認為該區域為不受力的拉線所對應的區域。

結語

對于檢測車車拍攝的海量圖片，傳統的人工檢測方法很難適應接觸網檢測的要求，且其效率和精度都無法得到保證。本文利用圖像處理技術，經過對圖像二值化處理，再使用數字形態學運算，消除過小的連通域；最后分別對提取的圖像內外輪廓曲線曲率分析，實現定位管斜拉線的不受力的檢測，取得了較好的效果。該方法能夠快速提取輪廓并計算曲率，經進一步優化有望取代傳統的人工檢測，提高檢測效率實現接觸網智能化巡檢的需求。

參考文獻

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中圖分類號U22

文獻標識碼：A