高速鐵路接觸網安全巡檢系統

張 平，張建輝，李平芳

（1.裝備學院 裝備處，北京 101416；2.北京匯眾思壯圖像技術有限公司，北京 100102）

高速鐵路接觸網安全巡檢系統

張 平1，張建輝1，李平芳2

（1.裝備學院 裝備處，北京 101416；2.北京匯眾思壯圖像技術有限公司，北京 100102）

基于機器視覺技術設計了高速鐵路接觸網巡檢系統，可安裝在時速350 km/h高速列車的機車前部，直接對接觸網線路進行實時視頻巡視，還可實現高速數據的實時顯示、高速存儲、管理和回放等功能，具有一定的推廣價值。

接觸網巡檢；機器視覺； 高速鐵路

高速鐵路接觸網是鐵路線上空架設的為電力機車供電的輸電線路，作為電力機車高速運行過程中唯一供電設備的重要組成部分，接觸網發生故障將直接影響甚至中斷電力機車的正常運行。為確保高速鐵路接觸網處于良好的運行狀態，目前國內主要采用傳統的人工步行巡道、軌道車等方式進行巡檢。由于高速鐵路行車速度高達300 km/h甚至更高速度，處于全封閉狀態，特別是增開夕發朝至高鐵動臥列車后，傳統的人工步行巡道工作天窗點越來越短，檢測人員的人身安全不僅無法有效保障，夜間巡檢也極其容易發生漏檢現象。軌道車的優勢是可在行駛過程中實現接觸網狀態巡檢，效率高，但缺點是只有開出之后才能實現巡檢。這兩種方式都具有明顯的局限性。

本文基于機器視覺技術和海量高速數據實時存儲技術，設計了高速鐵路接觸網安全巡檢系統，該系統架設在高鐵機車前面，即可實現對高速鐵路接觸網的自動巡檢，有效替代人工巡檢作業，提升巡檢作業質量和效益，能夠完全滿足高速鐵路日常接觸網巡檢需求。

1 系統組成

高速鐵路接觸網安全巡檢系統采用分辨率高、拍攝速度快的高速工業相機，連續長時間采集高速鐵路接觸網接觸線、吊弦、承力索以及連接部件等關鍵部位的圖像，通過實時存儲、顯示完整的接觸網圖像數據記錄，監測員可及時發現存在和可能出現故障的接觸網圖片來判斷是否存在安全隱患，以實現自動巡檢功能。該系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成

2 系統設計

系統硬件部分主要由高速相機、鏡頭、同步控制器、工控機組成，高速圖像數據的存儲、顯示、回放均在工控機上運行，如圖2所示。

2.1 高速圖像數據采集子系統

圖2 系統硬件結構

圖3 相機成像原理示意圖

高速圖像數據采集子系統負責獲取接觸網關鍵部件細節和線路狀態的高清晰度圖像數據，主要由高速工業相機及鏡頭組成。因目前k兆網接口相機難以滿足夜晚等低照度條件下拍攝需求，為了確保實現不間斷對高鐵沿線全景和接觸網關鍵部位的巡視，系統擬使用兩臺CameraLink接口高速工業相機進行拍攝。其中，一臺負責對接觸網關鍵部位進行詳拍的相機稱為局部相機，分辨率為：2448×2050，滿幅幀頻為15幀/s；另一臺負責對對鐵路線路狀態進行普拍的相機稱為全局相機，分辨率為：1392×1040，滿幅幀頻為20幀/s。為了保持兩個相機的同步，系統采用了同步控制器控制兩個相機的幀頻（15幀/s）。

按照當前國內高速鐵路運行時速300 km（即83.33 m/s）計算，按照15幀/s計算，兩臺相機拍攝照片與鐵路線長度之比約為5.56 m/幀（83.33 m/15幀）,該值遠小于高鐵線路跨距和吊弦之間的距離，完全滿足接觸網安全巡檢要求。為了判斷局部相機能夠滿足要求，需對局部相機的每一個像素所代表的實際尺寸進行確認。在鐵路接觸網巡視過程中，最小物距約為5 m，鐵路柱距約為50 m，局部相機拍攝的視場約為：3 m×3 m，其分辨率為：2 448×2050，相面尺寸為：8.45 mm×7.07 mm，假定鏡頭焦距為50 mm，根據圖3所示的相機的成像原理可知，局部相機拍攝的實際視場在相機的橫向感光視野＝實際橫向視場×相面尺寸/焦距，即橫向視野為：8.45×3000/50=507 （mm），那么每一像素所代表的實際長度為：507/2448=0.2071（mm）。同理，豎向視野為：7.07×3000/50=424.2（mm），那么每一像素所代表的實際長度為：424.2/2050=0.2069（mm）。

鐵路接觸網關鍵部件，以尺寸較小的螺母為例，其厚度約2 cm，則有約100個有效像素用于成像，完全可以辨別螺母是否脫落。因此，無論是橫向還是豎向，均完全能夠滿足接觸網關鍵部位識別要求，如圖4所示。

圖4 部分關鍵部件成像效果圖

2.2 高速圖像數據存儲子系統

高速圖像數據存儲子系統主要負責通過圖像采集卡或者相關的壓縮算法，實時不丟幀存儲高速相機獲取的高清圖像，以用于實時快視和后續回放大容量高清晰圖片數據。因此，子系統需要實現2臺高速相機的高清晰照片同步采集，并將相機采集到的高速照片數據實時存儲到工控機的存儲設備上面。巡檢員可以對記錄下的視頻數據進行編輯，回放，導入導出，并轉換成AVI，MPEG等格式的視頻文件或JPEG，TIFF，BMP等格式的序列圖像文件。

對于長時間大容量高速數據的存儲，目前主要有直接利用磁盤陣列存儲、壓縮數據存儲、海量高速數據存儲等幾種方式。磁盤陣列成本較低，存儲時間較長，但主要缺陷是不便于攜帶。壓縮數據存儲的方式容易導致數據失真。系統使用的兩臺相機每秒數據量為全局相機產生的數據（全局相機圖像寬度×全局相機圖像高度×全局相機圖像位深度/8×幀頻）與局部相機產生的數據（局部相機圖像寬度×局部相機圖像高度×局部相機圖像位深度/8×幀頻）之和，即：2448×2050×8/8×15+1392× 1040×8/8×15,約92.50 MB。由于每次需要拍照的時間均長達數小時數據量將達到TB級數據（如8 h將達到2.54 TB）?？紤]到系統成本因素，采用大容量磁盤陣列存儲有明顯的價格缺陷，特別是系統需要部署在高速機車駕駛室，考慮到穩定長時間存儲，且占地小，易于便攜等因素，本系統采用高性能閃存控制芯片，并基于RAID和PCIe等技術研發了一套長時間高速圖像數據存儲系統，實測讀入速度高達1 700 MB/s，寫入速度高達800 MB/s，并在存儲前同步使用JPEG硬件壓縮技術，當壓縮比為20:1時，壓縮后8 h的數據（實測數據完全滿足識別需求）約為130 GB，可大幅降低存儲器成本，且在將來鐵路提速、系統升級相應提高相機幀頻和分辨率的情況下，仍然能夠完全滿足數據存儲需求。

2.3 高速圖像數據實時顯示與回放子系統

高速圖像數據實時顯示與回放子系統主要負責顯示相機實時拍到的高清圖像數據供巡檢員人工判別，當發現疑似接觸網故障照片后，能夠及時定位、回放以供巡檢員詳查判斷接觸網是否出現故障。子系統支持多個存儲的圖像流文件的同步或異步播放，支持流文件的圖像可放大、縮小，可查看每個像素點的實際像素值，并能對流文件進行管理；能以圖像、表格、曲線（單行或單列）3種顯示方式進行圖像文件顯示；可顯示任意位置任意區域圖像的源碼以及直方圖、方差、統計圖；支持任意選定區域內的亮度、對比度調整以及自動對比度、自動色階等處理；可實現圖像的漫游和任意局部顯示，以及圖像顯示位置標定和跳轉定位功能；能夠將存儲的圖像文件中的任意起始位置轉存為BMP、TIFF、JPG、AVI、RAW等格式文件。

2.4 系統軟件

系統基于VC開發，主要實現了采用Camera-Link接口高速工業相機的長時間高速海量數據的實時采集、存儲、顯示、回放等功能，支持不同圖像數據類型的轉換和視頻流數據的存儲。（1）控制高速相機輸出信號的采集開始和停止、存儲的開始和停止；（2）配置相機圖像高度、寬度以及相機曝光模式、曝光值以及增益；（3）配置可采集卡圖像高度、寬度、曝光模式、幀頻、緩存、偏移量；（4）配置存儲路徑等參數。高速相機獲取的圖像文件，可按照一幀一幀的方式，保存成指定的流文件格式。系統運行與快視效果如圖5所示。

圖5 系統運行與快視效果示意圖

3 結束語

高速鐵路接觸網安全巡檢系統采用了非接觸的圖像采集方式，在不影響高速鐵路運輸秩序的情況下，通過高分辨率工業相機，長時間實時獲取高鐵線路接觸網關鍵部位和全景圖像，對接觸網進行巡檢，巡檢員通過實時快視功能能夠直接發現接觸網關鍵部位的安全隱患。測試結果表明，該系統運行穩定、獲取圖像清晰、巡檢效率高、操作簡便、易于便攜、準確率高，使用時間長，滿足運行時速120～350 km/h列車在線檢測要求。系統可降低巡檢人員的作業強度，提高接觸網巡檢效率和巡視質量，有利于管理調度人員及時判斷并響應接觸網出現的問題，是未來接觸網常態化巡檢的重要發展方向。下一步，我們將加大對采集圖像的自動化識別力度，在發現故障后能夠及時報警，并迅速通過判讀公里標、缺陷圖片等快速識別故障位置、故障類型，能夠同步將相關信息和診斷建議等實時車地傳輸給臨近的車輛段，切實為有效保障高速鐵路安全運營作出更大的貢獻。

[1]余 淼.鐵路線路智能巡檢系統的設計[J].鐵路計算機應用，2013，22（6）：31-34.

[2]于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].成都： 西南交通大學出版社，2003： 90-92.

[3]王 凌，張 冰，陳錫愛.基于計算機視覺的鋼軌扣件螺母損失檢測系統[J].計算機工程與設計，2011（12）：4147-4150.

責任編輯 徐侃春

Catenary Safety Inspection System for high-speed railway

ZHANG Ping1, ZHANG Jianhui1, LI Pingfang2
( 1.Department of Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China; 2.Beijing Estrong Image Technology Co.Ltd., Beijing 100102, China )

Based on computer vision, this article designed a Catenary Safety Inspection System for high-speed railway.The System could be installed in the front of the locomotive running at a speed of 350 km/h, inspect the catenary with video in real time, implement the function of real time display, high speed storage, management and playback.

catenary inspection; computer vision; high-speed railway

U225∶U238∶TP39

A

2015-07-04

張 平，工程師；張建輝，工程師。

1005-8451（2016）03-0034-03