風沙地區接觸網懸掛狀態巡檢系統研究

高俊秀

【摘 要】隨著車流密度不斷加大，接觸網與受電弓頻繁接觸，磨耗比較快；如何方便獲得接觸網磨耗、導高、拉出值，成為供電部門急待解決的重要問題。本文詳細介紹了風沙地區接觸網懸掛狀態巡檢系統的兩種方式及其構成原理。巡檢系統采用視頻技術獲得接觸網關鍵部位的清晰圖像，結合智能分析計算出相關技術參數，指導接觸網檢修作業，可提高接觸網懸掛組件故障檢測效率、減輕勞動強度。

【關鍵詞】便攜式 車載式 接觸網 檢測

1 研發背景

根據我局所管區域內大部分線路北傍陰山山脈、南沿黃河，草原沙害造成的沙塵、沙塵暴經常發生，接觸網及其懸掛部件是沿鐵路沿線露天架設，受大風和沙塵等惡劣氣候影響，更易出現松動、損壞等故障，需要頻繁地進行巡檢、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、勞動強度大、安全保障系數低、容易誤判、檢測范圍受限。因此，急需一種檢測全面、具體的接觸網及其懸掛裝置狀態巡檢系統。

2 總體設計

2.1設計思路

采用視頻技術獲得接觸網關鍵部位的清晰圖像，工作人員只需要對這些圖像進行調閱即可，不受外界環境因素限制；同時結合智能分析計算出接觸網磨耗、導高、拉出值等，指導接觸網檢修作業，可以很好地完成接觸網懸掛狀態的巡檢任務。

2.2研究內容

風沙地區接觸網懸掛狀態巡檢系統是以安全檢測為首要目標，保證接觸網供電系統運行良好，為完成指定區段的接觸網狀態檢測，可以用兩種方式來實現。（1）采用便攜式視頻采集裝置，臨時安裝于運行動車組或機車的司機臺上，對接觸網的安全狀態進行視頻采集，事后統計分析接觸懸掛部件技術狀態。（2）采用車載式視頻采集裝置，對接觸網懸掛系統進行圖像整體和關鍵部位的精確定位、抓拍，通過完整的后臺數據挖掘功能實現接觸網結構狀態的信息化管理及數據分析，得到相關技術參數，指導接觸網檢修，及時消除接觸網故障隱患。

2.3主要技術難點

（1）便攜式系統：設備外形設計，小巧穩固，不影響正常行車；對問題圖像的標記存儲。（2）車載式系統：車底和車頂設備抗風沙性能研究；19個攝像機圖像的協調接收及處理；智能分析軟件設計，主要包括算法、圖像壓縮及提取；裝車方案設計，包括車型選擇、攝像機布置安裝和線纜鋪排及控制機柜安裝。

3 便攜式視頻采集裝置設計

3.1硬件組成及原理

本裝置由一臺高性能便攜式工業計算機、高速移動存儲介質、兩個500萬像素工業相機（可根據需求增加至800萬像素）、鋰電池、云臺和補光組件組成。其中兩個500萬像素工業相機及鋰電池、云臺、云臺固定裝置、補光組件等組成圖像采集部分，拍攝圖像清晰可靠，能清晰識別接觸網螺絲的松動、脫落等細節問題。高速相機在能保證大范圍視角拍攝的同時還可清晰辨認支柱號，為事后查看故障位置提供依據；鋰電池保證了在過分相斷電時系統仍能正常工作至少五分鐘；補光組件能夠滿足隧道和低光狀態下的圖像采集。由高性能便攜式工業計算機控制圖像采集，并將采集圖像保存到高速移動存儲介質，能保證在高溫、高濕、強烈振動等惡劣工作環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，實際應用在機車上如圖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，可單獨或同時播放全局和關鍵部位兩個視頻，圖像可主次切換、窗口隱藏，方便用戶對全局部位概覽或關鍵部位進行仔細觀察。

（1）圖像采集系統軟件：安裝在高性能便攜式計算機上，主要進行采集、保存原始圖像數據，如圖3所示。

（2）數據播放分析系統軟件：可安裝在多個客戶端，用戶可以通過該系統軟件進行圖像檢查、分析接觸網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計

4.1硬件組成

風沙地區接觸網懸掛狀態巡檢系統中車載式視頻采集裝置硬件部分主要由車頂裝置、車內裝置、車底裝置三大部份組成，其中車頂設備包括：全景高清攝像機、關鍵部位高清攝像機、高速定位觸發攝像機、線陣相機、云臺、非接觸式幾何參數檢測、光源補償裝置，溫度補償等裝置組成；車內設備包括：控制機柜、數據處理服務器、陣列式采集裝置、設備功能箱、網絡數據交換裝置、輸出打印裝置、斷電保護裝置、低壓隔離等裝置組成；車底設備由車輛動態補償裝置等組成，并通過密封、加固防護罩做好防風沙處理。如圖5所示：

室外設備要做好防風沙保護，攝像機、光源補償裝置、幾何檢測組件做好密閉護罩，安裝穩固，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實。

4.2主要檢測參數及原理

（1）幾何參數檢測項目。

（2）幾何參數檢測原理。對兩個相機進行控制并同步采集圖像數據后，通過三角原理，對圖像數據進行處理后并將背景剔除，根據接觸網特征進行目標識別，獲取接觸網二值數據，通過計算分析后獲得高精度接觸網幾何參數，其原理如圖6所示。根據接觸導線的最大可能高度和設計的兩CCD交匯視角輻射寬度來確定安裝距離d_0和初始傾角（設相機光軸和車頂的夾角為α_0和β_0），相機光軸所在的平面和車頂平面成60度夾角，CCD的中心點位于點A，CCD2的中心點位于點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_1、h_2，就可得出接觸線上的坐標。再根據2個CCD在車頂的具體位置，就可以算出接觸線的拉出值和高度。

4.3軟件設計

本裝置檢測軟件系統是由“接觸網懸掛狀態實時在線采集系統”、“接觸網懸掛狀態數據管理系統”、“接觸網懸掛狀態數據分析處理系統”三大系統組成的接觸網懸掛狀態檢測設備專用配套軟件，提供良好的人機交互接口。

（1）軟件設計環境。操作系統為WinXP/Win2003/Win7/Win8，編程語言為C/VC++，開發環境為Visual Studio 2010，數據傳輸方式為RJ45/RS232，數據庫為Oracle。

（2）全景圖像數據采集模塊（FVGM）設計。該模塊（Full View Gather Model）對應全景圖像采集攝像頭，負責初始化全景圖像采集攝像頭，采集圖像數據、停止采集圖像數據和攝像頭參數控制。與其交互的模塊有數據存儲模塊（DSM）、日志模塊（LM）、系統控制模塊（SCM）。主要功能是初始化全景攝像頭，采集數據傳出數據指針，攝像頭參數控制。

（3）關鍵部位圖像數據采集模塊（KPGM）設計。該模塊對應關鍵部位圖像采集攝像頭，負責初始化關鍵部位圖像采集攝像頭，采集圖像數據、停止采集圖像數據和攝像頭參數控制。與其交互的模塊有數據存儲模塊（DSM）、日志模塊（LM）、系統控制模塊（SCM），主要功能是初始化關鍵部位攝像頭，采集數據傳出數據指針，攝像頭參數控制。

5 結語

本系統的應用能夠確保電氣化鐵路運營秩序和提高車輛的供電安全性、可靠性。配置在運營線上，固定周期擔當一次巡檢任務，可以根據實際需要便攜式裝置還是車載式裝置，減輕了勞動作業強度，改善了工人工作環境，提高了勞動生產效率。通過檢測數據統計分析，接觸幾何參數及懸掛部件技術狀態，指導接觸網檢修，保證行車安全；同時它的防風沙設計，填補了全路對風沙地區接觸網懸掛狀態智能巡檢的空白，因此具有廣闊的研究和應用前景。

參考文獻：

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

[2] 趙玉玲.接觸網移動巡檢子系統的設計[J].工業控制計算機，2010，11：44-45.