風(fēng)沙地區(qū)接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)巡檢系統(tǒng)研究

高俊秀

（呼和浩特鐵路局科研所， 內(nèi)蒙古呼和浩特　010030）

風(fēng)沙地區(qū)接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)巡檢系統(tǒng)研究

高俊秀

（呼和浩特鐵路局科研所， 內(nèi)蒙古呼和浩特010030）

隨著車流密度不斷加大，接觸網(wǎng)與受電弓頻繁接觸，磨耗比較快；如何方便獲得接觸網(wǎng)磨耗、導(dǎo)高、拉出值，成為供電部門急待解決的重要問題。本文詳細(xì)介紹了風(fēng)沙地區(qū)接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)巡檢系統(tǒng)的兩種方式及其構(gòu)成原理。巡檢系統(tǒng)采用視頻技術(shù)獲得接觸網(wǎng)關(guān)鍵部位的清晰圖像，結(jié)合智能分析計(jì)算出相關(guān)技術(shù)參數(shù)，指導(dǎo)接觸網(wǎng)檢修作業(yè)，可提高接觸網(wǎng)懸掛組件故障檢測效率、減輕勞動強(qiáng)度。

便攜式車載式接觸網(wǎng)檢測

1　研發(fā)背景

根據(jù)我局所管區(qū)域內(nèi)大部分線路北傍陰山山脈、南沿黃河，草原沙害造成的沙塵、沙塵暴經(jīng)常發(fā)生，接觸網(wǎng)及其懸掛部件是沿鐵路沿線露天架設(shè)，受大風(fēng)和沙塵等惡劣氣候影響，更易出現(xiàn)松動、損壞等故障，需要頻繁地進(jìn)行巡檢、維修。目前普遍采用的是人工肉眼觀察檢測方式，工作效率低、勞動強(qiáng)度大、安全保障系數(shù)低、容易誤判、檢測范圍受限。因此，急需一種檢測全面、具體的接觸網(wǎng)及其懸掛裝置狀態(tài)巡檢系統(tǒng)。

2　總體設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)思路

采用視頻技術(shù)獲得接觸網(wǎng)關(guān)鍵部位的清晰圖像，工作人員只需要對這些圖像進(jìn)行調(diào)閱即可，不受外界環(huán)境因素限制；同時結(jié)合智能分析計(jì)算出接觸網(wǎng)磨耗、導(dǎo)高、拉出值等，指導(dǎo)接觸網(wǎng)檢修作業(yè)，可以很好地完成接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)的巡檢任務(wù)。

2.2研究內(nèi)容

圖1　硬件組成示意圖

圖2　機(jī)車中應(yīng)用圖

圖3　圖像采集系統(tǒng)界面

風(fēng)沙地區(qū)接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)巡檢系統(tǒng)是以安全檢測為首要目標(biāo)，保證接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)運(yùn)行良好，為完成指定區(qū)段的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測，可以用兩種方式來實(shí)現(xiàn)。（1）采用便攜式視頻采集裝置，臨時安裝于運(yùn)行動車組或機(jī)車的司機(jī)臺上，對接觸網(wǎng)的安全狀態(tài)進(jìn)行視頻采集，事后統(tǒng)計(jì)分析接觸懸掛部件技術(shù)狀態(tài)。（2）采用車載式視頻采集裝置，對接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)進(jìn)行圖像整體和關(guān)鍵部位的精確定位、抓拍，通過完整的后臺數(shù)據(jù)挖掘功能實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的信息化管理及數(shù)據(jù)分析，得到相關(guān)技術(shù)參數(shù)，指導(dǎo)接觸網(wǎng)檢修，及時消除接觸網(wǎng)故障隱患。

2.3主要技術(shù)難點(diǎn)

（1）便攜式系統(tǒng)：設(shè)備外形設(shè)計(jì)，小巧穩(wěn)固，不影響正常行車；對問題圖像的標(biāo)記存儲。（2）車載式系統(tǒng)：車底和車頂設(shè)備抗風(fēng)沙性能研究；19個攝像機(jī)圖像的協(xié)調(diào)接收及處理；智能分析軟件設(shè)計(jì)，主要包括算法、圖像壓縮及提取；裝車方案設(shè)計(jì)，包括車型選擇、攝像機(jī)布置安裝和線纜鋪排及控制機(jī)柜安裝。

圖4　數(shù)據(jù)播放分析系統(tǒng)

圖5　設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖

表1　

圖6　幾何參數(shù)檢測原理圖

3　便攜式視頻采集裝置設(shè)計(jì)

3.1硬件組成及原理

本裝置由一臺高性能便攜式工業(yè)計(jì)算機(jī)、高速移動存儲介質(zhì)、兩個500萬像素工業(yè)相機(jī)（可根據(jù)需求增加至800萬像素）、鋰電池、云臺和補(bǔ)光組件組成。其中兩個500萬像素工業(yè)相機(jī)及鋰電池、云臺、云臺固定裝置、補(bǔ)光組件等組成圖像采集部分，拍攝圖像清晰可靠，能清晰識別接觸網(wǎng)螺絲的松動、脫落等細(xì)節(jié)問題。高速相機(jī)在能保證大范圍視角拍攝的同時還可清晰辨認(rèn)支柱號，為事后查看故障位置提供依據(jù)；鋰電池保證了在過分相斷電時系統(tǒng)仍能正常工作至少五分鐘；補(bǔ)光組件能夠滿足隧道和低光狀態(tài)下的圖像采集。由高性能便攜式工業(yè)計(jì)算機(jī)控制圖像采集，并將采集圖像保存到高速移動存儲介質(zhì)，能保證在高溫、高濕、強(qiáng)烈振動等惡劣工作環(huán)境下的圖像采集和播放分析工作。其整體示意圖如圖1所示，實(shí)際應(yīng)用在機(jī)車上如圖2所示。

3.2軟件組成及原理

本裝置采用極具人性化的軟件界面，后期播放視頻畫面主次搭配，可單獨(dú)或同時播放全局和關(guān)鍵部位兩個視頻，圖像可主次切換、窗口隱藏，方便用戶對全局部位概覽或關(guān)鍵部位進(jìn)行仔細(xì)觀察。

（1）圖像采集系統(tǒng)軟件：安裝在高性能便攜式計(jì)算機(jī)上，主要進(jìn)行采集、保存原始圖像數(shù)據(jù)，如圖3所示。

（2）數(shù)據(jù)播放分析系統(tǒng)軟件：可安裝在多個客戶端，用戶可以通過該系統(tǒng)軟件進(jìn)行圖像檢查、分析接觸網(wǎng)及懸掛部分的缺陷和問題，如圖4所示。

4　車載式視頻采集裝置設(shè)計(jì)

4.1硬件組成

風(fēng)沙地區(qū)接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)巡檢系統(tǒng)中車載式視頻采集裝置硬件部分主要由車頂裝置、車內(nèi)裝置、車底裝置三大部份組成，其中車頂設(shè)備包括：全景高清攝像機(jī)、關(guān)鍵部位高清攝像機(jī)、高速定位觸發(fā)攝像機(jī)、線陣相機(jī)、云臺、非接觸式幾何參數(shù)檢測、光源補(bǔ)償裝置，溫度補(bǔ)償?shù)妊b置組成；車內(nèi)設(shè)備包括：控制機(jī)柜、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、陣列式采集裝置、設(shè)備功能箱、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換裝置、輸出打印裝置、斷電保護(hù)裝置、低壓隔離等裝置組成；車底設(shè)備由車輛動態(tài)補(bǔ)償裝置等組成，并通過密封、加固防護(hù)罩做好防風(fēng)沙處理。如圖5所示：

室外設(shè)備要做好防風(fēng)沙保護(hù)，攝像機(jī)、光源補(bǔ)償裝置、幾何檢測組件做好密閉護(hù)罩，安裝穩(wěn)固，并保證圖像拍攝清晰；綜合控制箱安裝完成后，將蓋板等縫隙密封嚴(yán)實(shí)。

4.2主要檢測參數(shù)及原理

（1）幾何參數(shù)檢測項(xiàng)目。

幾何參數(shù)檢測項(xiàng)目如表1所示：

（2）幾何參數(shù)檢測原理。對兩個相機(jī)進(jìn)行控制并同步采集圖像數(shù)據(jù)后，通過三角原理，對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后并將背景剔除，根據(jù)接觸網(wǎng)特征進(jìn)行目標(biāo)識別，獲取接觸網(wǎng)二值數(shù)據(jù)，通過計(jì)算分析后獲得高精度接觸網(wǎng)幾何參數(shù)，其原理如圖6所示。根據(jù)接觸導(dǎo)線的最大可能高度和設(shè)計(jì)的兩CCD交匯視角輻射寬度來確定安裝距離d_0和初始傾角（設(shè)相機(jī)光軸和車頂?shù)膴A角為α_0和β_0），相機(jī)光軸所在的平面和車頂平面成60度夾角，CCD的中心點(diǎn)位于點(diǎn)A，CCD2的中心點(diǎn)位于點(diǎn)B，d_0=|AB|，d_0為基線長度，即兩個CCD中心的安裝距離，PA與X軸的夾角為α_0，PB與X軸的夾角為β_0，PC與0A的夾角為Φ，PD與0B的夾角為φ，2個CCD鏡頭焦距均為f。只要確定焦距f，并根據(jù)基線長度d_0，交匯角α_0、β_0。并由2個CCD輸出的視頻信號確定像高h(yuǎn)_1、h_2，就可得出接觸線上的坐標(biāo)。再根據(jù)2個CCD在車頂?shù)木唧w位置，就可以算出接觸線的拉出值和高度。

4.3軟件設(shè)計(jì)

本裝置檢測軟件系統(tǒng)是由“接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)實(shí)時在線采集系統(tǒng)”、“接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”、“接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)”三大系統(tǒng)組成的接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測設(shè)備專用配套軟件，提供良好的人機(jī)交互接口。

（1）軟件設(shè)計(jì)環(huán)境。操作系統(tǒng)為WinXP/Win2003/Win7/ Win8，編程語言為C/VC++，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010，數(shù)據(jù)傳輸方式為RJ45/RS232，數(shù)據(jù)庫為Oracle。

（2）全景圖像數(shù)據(jù)采集模塊（FVGM）設(shè)計(jì)。該模塊（Full View Gather Model）對應(yīng)全景圖像采集攝像頭，負(fù)責(zé)初始化全景圖像采集攝像頭，采集圖像數(shù)據(jù)、停止采集圖像數(shù)據(jù)和攝像頭參數(shù)控制。與其交互的模塊有數(shù)據(jù)存儲模塊（DSM）、日志模塊（LM）、系統(tǒng)控制模塊（SCM）。主要功能是初始化全景攝像頭，采集數(shù)據(jù)傳出數(shù)據(jù)指針，攝像頭參數(shù)控制。

（3）關(guān)鍵部位圖像數(shù)據(jù)采集模塊（KPGM）設(shè)計(jì)。該模塊對應(yīng)關(guān)鍵部位圖像采集攝像頭，負(fù)責(zé)初始化關(guān)鍵部位圖像采集攝像頭，采集圖像數(shù)據(jù)、停止采集圖像數(shù)據(jù)和攝像頭參數(shù)控制。與其交互的模塊有數(shù)據(jù)存儲模塊（DSM）、日志模塊（LM）、系統(tǒng)控制模塊（SCM），主要功能是初始化關(guān)鍵部位攝像頭，采集數(shù)據(jù)傳出數(shù)據(jù)指針，攝像頭參數(shù)控制。

5　結(jié)語

本系統(tǒng)的應(yīng)用能夠確保電氣化鐵路運(yùn)營秩序和提高車輛的供電安全性、可靠性。配置在運(yùn)營線上，固定周期擔(dān)當(dāng)一次巡檢任務(wù)，可以根據(jù)實(shí)際需要便攜式裝置還是車載式裝置，減輕了勞動作業(yè)強(qiáng)度，改善了工人工作環(huán)境，提高了勞動生產(chǎn)效率。通過檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，接觸幾何參數(shù)及懸掛部件技術(shù)狀態(tài)，指導(dǎo)接觸網(wǎng)檢修，保證行車安全；同時它的防風(fēng)沙設(shè)計(jì)，填補(bǔ)了全路對風(fēng)沙地區(qū)接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)智能巡檢的空白，因此具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。

［1］劉國慶，李文貴.高速視頻檢測在京秦線接觸網(wǎng)動態(tài)巡檢車上的應(yīng)用［J］.太原鐵道科技，2005，04：31-32.

［2］趙玉玲.接觸網(wǎng)移動巡檢子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010，11：44-45.