復興號服役動車組弓網受流性能數據跟蹤采集方法研究*

孔龍飛，韓通新，李 卓，田 亮，劉忠彬，戴 晉

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094）

弓網受流性能參數用于評價受電弓和接觸網系統相互作用。弓網受流性能試驗是動車組整車型式試驗的重要組成部分，同時也是高速鐵路接觸網系統動態驗收試驗的重要測試項目。自我國發展高速鐵路和動車組以來，研究人員對高速動車組弓網受流性能開展了大量測試，為高速鐵路弓網耦合、高速受流的弓網系統改進做出了重要貢獻。

評價弓網相互作用的重要指標，主要是弓網動態接觸力。此外，接觸網動態抬升量和燃弧監測也被采納為評價弓網相互作用的重要指標［1］。

為確保受電弓連續取流時沒有電壓降或電流損失，必須使受電弓和接觸網保持良好的機械接觸，否則會產生燃弧。燃弧會對周圍環境產生電磁干擾、噪聲干擾并加劇弓網間的磨耗。如果空氣間隙持續增大，取流中斷，車輛就會因為電源切斷而失去牽引動力［2］。引起接觸不良的原因主要包括弓網的機械振動、接觸線損耗、接觸線覆冰、接觸力不足等［3］。弓網燃弧可通過測量弓網接觸電阻、紫外光學傳感器［1］和視頻圖像等方法進行測量［4］。

在運營速度遠低于接觸線橫波傳播速度時，利用受電弓通過接觸線時的抬升量可以得知受電弓運行狀況。支持結構上的最大抬升與受電弓的接觸壓力正相關，因此可以間接的反映出弓網動態接觸力情況。動態抬升量測試方法包括2 種，即在接觸網支持裝置處固定測量方法和在車輛上利用光學儀器移動測量方法［2］。

研究運營動車組弓網受流性能變化規律，需要長時間對服役動車組弓網受流性能數據進行跟蹤采集。普通服役動車組沒有車載弓網受流性能監測設備，也不便于長期加裝臨時設備。如果為每輛動車組配備設備，勢必是投資高、回報少的。一直以來，利用弓網監控視頻人工分析弓網燃弧都是一個重要手段，文中利用復興號動車組配備的弓網監控視頻，自主研發了一套“基于弓網監控視頻的弓網受流參數離線采集分析系統”，實現服役動車組弓網燃弧和受電弓動態包絡線的跟蹤檢測。

1 系統組成

系統主要包括2 部分，第1 部分是弓網視頻采集，第2 部分是弓網受流數據采集。弓網視頻采集包括采集車載弓網監控視頻和車輛傳感器數據、數據合并、視頻存儲等。弓網受流數據采集包括弓網監控視頻圖像壓縮合并處理、弓網燃弧識別和受電弓動態包絡線參數測量。因為車載的弓網監控視頻需要轉存到車下用于進一步的弓網受流參數采集，所以這種數據采集方式屬于離線采集。系統組成如圖1 所示。動車組每臺受電弓都配有受電弓監控系統，主要由高清監控攝像機、數據線、顯示器、車載數據接收計算機、視頻存儲等部分組成。弓網視頻都是以每10 min 為單位進行分段存儲，原始像素2 048×1 536，視頻幀率25 fps，視頻數據較大。為了提高圖像識別效率，首先對已存儲的每段視頻按需求進行壓縮合并處理，壓縮后視頻圖像像素為800×600，幀率25 fps，然后合并多段視頻為1 個視頻文件，最后經過受流數據采集分析系統完成弓網燃弧和受電弓動態包絡線參數檢測。

圖1 弓網監控視頻弓網受流參數離線采集系統組成示意圖

2 實現方法流程圖

算法流程如圖2 所示。在采集前，首先在動車所內利用標定靶對已知受電弓滑板運動區域平面進行標定，得到圖像坐標與世界坐標轉換矩陣H并儲存。然后再利用從動車組上轉存下來并且做了壓縮合并處理的視頻完成數據采集。取每一幀當前圖像，檢測跟蹤接觸線和受電弓的接觸點，從而確定燃弧可能發生的區域，利用燃弧前景輪廓特征來識別燃弧，并且保存發生燃弧的當前幀圖像。由于受電弓動態包絡線的測量重點部位往往位于若干個支柱處［5］，所以需要智能識別接觸點上方區域接觸網定位裝置，并且保存當前幀圖像。為了提高識別和測量的準確性，需要人工復核保存的圖像，在經過復核的圖像上，利用鼠標拾取受電弓抬升距離和擺動量距離，即受電弓動態抬升量及橫向擺動量參數。

圖2 實現方法總體流程圖

3 接觸點連續定位

受電弓與接觸網的接觸點識別是非常重要的，大量弓網問題的發生是由于這個點的受電弓與接觸網的不可靠接觸造成的［2］。

因此通過圖像識別定位燃弧，首先要做到弓網接觸點準確連續的定位。

建立復興號動車組的單臂受電弓弓頭垂向運動和橫向運動平面坐標系，采用文獻［6］提出的基于二維圖像直線的受電弓滑板運動區域標定方法對車載的弓網監控視頻圖像進行標定，確定受電弓滑板圖像每個像素點圖像坐標與世界坐標的變換關系。

利用基于Sobel 算子的邊緣檢測算法，檢測受電弓滑板和接觸線邊緣，采用概率Hough 變換的直線檢測方法來識別受電弓滑板和接觸線［7］，通過滑板直線和接觸線數學公式可以準確計算并定位滑板與接觸線的接觸點坐標，再用Kalman 濾波跟蹤方法來識別滑板和工作支接觸線的接觸點。接觸點檢測過程如圖3 所示。

圖3 弓網接觸點連續定位過程

4 燃弧識別與圖像存儲

準確檢測和跟蹤弓網接觸點后，可以由接觸點來確定一個燃弧感興趣區域，如圖4（a）所示。檢測感興趣區域內的前景圖像，如圖4（b）所示。燃弧的識別判斷方法主要包括燃弧前景檢測，輪廓矩判斷識別，滑板區域燃弧判斷。

（1）前景檢測

對燃弧感興趣區域圖像二值化處理，可以獲得前景圖像。設farc（x，y）表示輸入燃弧感興趣區域視頻序列的原始圖像，Farc（x，y）表示前景二值化圖像，則二值化圖像可以表示為式（1）：

式中：255 為前景區 域；0 為背景區域；Th為二值化閾值。

燃弧區域圖像像素值大于Th的像素點認為是前景區域，反之為背景區域。獲得前景二值化圖像后，為了消除圖像噪聲、不連續區域和空洞，對其采用連續的標準開運算和閉運算。

（2）輪廓矩判斷識別

通過大量觀察燃弧前景圖像樣本，掌握燃弧形態特征，可以準確識別燃弧及排除夜間補光燈的干擾。

圖像矩可以用來計算輪廓形狀的重心、面積、主軸和其他特征表示為式（2）：

式中：I（x，y）表示像素點（x，y）的亮度值。

一階矩和零階矩可以計算輪廓的重心為式（3）：

二 階 矩M20、M11、M02可 以 計 算 輪 廓 的 方 向為式（4）：

觀察燃弧前景圖像輪廓，將重心十分接近接觸點、角度接近于0、輪廓最小外接矩形的長寬比例等作為先驗知識，可以有效地識別出燃弧并且避免各種環境干擾。

（3）滑板區域判斷

通過觀察燃弧前景會侵入滑板區域，因此判斷滑板區域是否有燃弧像素，也可以一定程度上排除干擾結果。如圖4（c）所示。

圖4 弓網燃弧識別

燃弧被識別后，系統會自動輸出并保存燃弧圖像，并以幀號命名，供試驗人員復核結果及做分析。部分燃弧識別結果如圖5 所示。

圖5 燃弧識別結果

5 受電弓動態包絡線測量

監控滑板上方區域的異常物，異常物輪廓連通面積大于一定閾值以區別接觸線的輪廓，從而識別出定位裝置，并保存當前圖像。拾取靜態下受電弓高度和拾取通過定位器時受電弓高度分別如圖6、圖7 所示。

圖6 拾取靜態下受電弓高度

圖7 拾取通過定位器時受電弓高度

受電弓動態包絡線參數測量是在受電弓滑過定位器時的圖片中進行的，具體方法如下：

（1）抬升量測量方法

為了測量結果準確，首先人工復核圖像中定位器是否接近受電弓滑板，然后利用鼠標手動拾取接觸點坐標，自動測量出接觸點高度值h1。鼠標手動拾取站臺靜止受電弓接觸點高度h0。

則受電弓動態抬升量表示為式（5）：

通過圖6 和圖7 的對比，可以看出受電弓在運行過程中有明顯的抬升，運行速度341 km/h，受電弓抬升量為61 mm。

（2）橫向擺動量測量方法

接觸線動態拉出值測量曲線可以清晰地展示出接觸線橫向運行軌跡［8］，而且也表明了受電弓滑過支柱的序號。對接觸網靜態數據表查表可以很快查找當前圖片支柱定位點的靜態拉出值S。因為接觸網定位點處靜態拉出值幾乎是一個定值，幾乎不隨環境變化或受電弓動態作用而改變，所以定位點是一個理想的參照物，定位點靜態拉出值是確定靜態下受電弓中心線的關鍵。通過鼠標拾取弓網接觸點，采用“橡皮筋技術”沿滑板中心方向繪制直線段，線段終點顯示世界坐標距離，當距離等于靜態拉出值|S|時，此終點被確定為靜態下受電弓中心線的一點。最后利用同樣的線段拾取方法，從靜態下受電弓中心線這一點為起點鼠標拾取到受電弓滑板中心點（動態下受電弓中心線上一點）的距離ΔS，ΔS可以看作受電弓橫向擺動量測量值。測量方法示意圖如圖8 所示，實測結果如圖9 所示。定位點處接觸線靜態拉出值為237 mm，從接觸點沿滑板中心繪制237 mm 直線，如黑色線段，然后拾取黑色線段終點到受電弓中心的距離，如紅色線段。圖中白線表示運動中受電弓的中心線。從圖9 中可以看出受電弓橫向擺動量為32 mm。

圖8 受電弓橫向擺動量測量方法示意圖

圖9 受電弓橫向擺動量圖像測量結果

如果車輛平穩放置時，考慮受電弓中心線與線路中心線有安裝公差ε，則受電弓橫向擺動量為ΔS+ε。

6 試驗數據分析

利用文中方法對復興號動車組弓網受流參數進行跟蹤采集，如圖10～圖13 所示。具體試驗過程如下：

圖1 3 CR400 動車組11 車受電弓2 次燃弧測量結果

圖1 2 CR400 動車組11 車受電弓2 次燃弧測量結果

圖1 1 CR400 動車組3 車受電弓2 次燃弧測量結果

圖1 0 CR400 動車組3 車受電弓2 次燃弧測量結果

試驗要求：對運營里程在80 萬km 以上的動車組弓網受流性能進行追蹤測試

試驗對象：17 輛編組CR400 動車組的2 臺工作受電弓

試驗地點：某高速鐵路線路A 站～B 站區段上下行線

接觸網高度：5 300 mm

其他要求：追蹤測試數據期間，受電弓靜態工作壓力均在規定范圍內。動車組2 次往返運行交路相同，通過弓網監測視頻采集受流數據。

一列CR400 動車組2 臺工作受電弓2 次跟蹤測量的數據結果見表1。表中還給出了當天的受電弓靜態壓力和滑板最小剩余厚度數據用于數據對比分析。

表1 CR400 服役動車組的受流數據跟蹤測試結果

從表1 中燃弧數據對比可以得到以下幾個特點：

（1）通過觀察對比表中數據，檢測到的受電弓動態參數均屬于正常值，靜態數據如受電弓靜態壓力、滑板最小剩余厚度均在規定值范圍內，而且差距極小。

（2）對比弓網燃弧數據

被跟蹤的動車組每臺受電弓不同運行方式比較表明，3 車受電弓后弓開口運行優于前弓閉口運行，11 車受電弓前弓開口運行優于后弓閉口運行。

2 臺同時工作受電弓比較表明，前弓優于后弓。

2 臺受電弓不同運行方式下測量結果表明，11車受電弓作為后弓時的燃弧次數明顯較多。

（3）圖10～圖13 給出了相同受電弓2 次跟蹤測試結果的燃弧分布對比圖。從圖中可以看出：

3 車受電弓5 月份測量結果優于1 月份。

11 車受電弓作為前弓時，5 月份測量結果優于1 月份。作為后弓時，5 月份的測量結果不如1 月份。而且1 月份11 車受電弓滑板厚度已超過最小24 mm 的限值，因此滑板磨耗不是影響弓網燃弧變化的主因。

從目前跟蹤測試結果和測試數據來看，造成被跟蹤動車組的11 車受電弓后弓閉口運行時受流性能較差，這值得更深入研究。

7 結 論

為了填補國內對服役動車組弓網受流性能變化規律研究的空白，解答車輛部門關心的動車組受電弓服役性能變化情況，開發了一套實用的服役動車組弓網受流性能跟蹤測試系統，通過車載弓網監控視頻離線實測弓網燃弧、受電弓橫向擺動和動態抬升量參數。為服役動車組弓網受流性能跟蹤測試提供了技術支持。該方法具備以下優勢：

（1）利用圖像測量參數，數據準確，信息豐富，輸出結果直觀。

（2）通過先驗知識和計算機視覺算法，可以準確地采集燃弧圖像和受電弓動態包絡線參數。

（3）充分利用了車載的弓網監控視頻，測量手段安全、經濟、實用，大大降低長期跟蹤試驗成本。