基于一種濾波跟蹤算法的剛性接觸網(wǎng)磨耗測量研究

于秋波，韓朝建，陸 軍，倪國政

（天津津鐵供電有限公司，天津 300171）

1 研究背景

城市軌道交通目前多采用剛性架空接觸網(wǎng)供電方式為地鐵列車提供電能動力[1]。架空剛性懸掛接觸網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、可靠性高、工程實施簡便、費用低等突出優(yōu)勢。但是剛性接觸網(wǎng)磨損比較快，弓網(wǎng)磨耗嚴重將會大大減損接觸網(wǎng)及受電弓滑板的使用壽命，增加運營成本[2-4]，因此及時監(jiān)測接觸網(wǎng)磨耗數(shù)值及其增長趨勢十分關(guān)鍵。

剛性接觸網(wǎng)磨耗到限后如不及時更換，會導(dǎo)致弓網(wǎng)取流不穩(wěn)定，刮磨匯流排，甚至可能導(dǎo)致匯流排燒傷、接觸網(wǎng)放炮、短路等故障，從而影響地鐵運營[5]。因此對于剛性接觸網(wǎng)磨耗檢測十分有必要。目前，行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的接觸網(wǎng)導(dǎo)線磨耗測量的工具有游標(biāo)卡尺和磨耗測量儀，兩種方法都需要人工組裝梯車，作業(yè)人員登車頂后進行數(shù)據(jù)的定點測量，測量數(shù)據(jù)離散，工作效率低，無法達到接觸網(wǎng)磨耗數(shù)據(jù)的連續(xù)性全面檢測[6-8]。

本文以天津地鐵6 號線為例進行剛性接觸網(wǎng)磨耗測量研究，6 號線全線剛性接觸網(wǎng)采用150 mm2的銅銀合金接觸線，全長98.58 km，正線接觸網(wǎng)磨耗數(shù)值需要每3 年測量1 輪，且針對磨耗數(shù)值即將到限的點位需要增加測量頻率，為接觸網(wǎng)更換作業(yè)預(yù)留充足的施工協(xié)調(diào)、準(zhǔn)備時間。例如，當(dāng)接觸網(wǎng)磨耗面寬度大于13 mm 時，考慮到季節(jié)、溫濕度等環(huán)境因素會導(dǎo)致接觸網(wǎng)磨耗的突增，為保證弓網(wǎng)的正常匹配，要求受電弓碳滑板磨耗接觸線時不超過接觸線直徑，防止碳滑板刮磨匯流排，因此增加測量頻率至每2 周一次，及時關(guān)注磨耗數(shù)值。

原有測量方式每3 年需要約150 項作業(yè)，每次作業(yè)約10 人次，時間2 h，共計需要1 500 余人次，3 000 工時，傳統(tǒng)的人工測量方法效率低，準(zhǔn)確性差，耗時耗力[9]。

因此，亟需研究一種能夠?qū)崿F(xiàn)接觸網(wǎng)磨耗狀態(tài)全面連續(xù)檢測的方法，用智能化的手段代替人工測量，提高測量效率，短時間內(nèi)掌握接觸網(wǎng)磨耗數(shù)據(jù)，全面監(jiān)控接觸網(wǎng)磨耗狀態(tài)。

相關(guān)學(xué)者對接觸網(wǎng)連續(xù)磨耗測量的方法進行了研究，文獻[10]將光設(shè)備采集的接觸線輪廓數(shù)據(jù)利用霍夫變換擬合接觸線圓心，根據(jù)接觸線集合特點進行接觸線磨耗檢測。該方法采集數(shù)據(jù)時，容易受到匯流排、焊接點、雜物、噪聲的干擾。文獻[11]根據(jù)光切法的原理，采集捕捉接觸線的輪廓圖像，通過計算接觸線輪廓空間坐標(biāo)，運用最小二乘法計算圓心位置，通過接觸線的輪廓坐標(biāo)以及接觸線的幾何尺寸確定磨損數(shù)值。數(shù)據(jù)受噪聲影響較大，精確度不夠。文獻[12]基于雙目視覺原理通過高斯濾波算法提取接觸線邊界點，計算接觸線磨耗寬度，但光源和測量系統(tǒng)安裝精度對檢測的精度影響較大。

本文基于通道可靠性的多尺度背景感知相關(guān)濾波跟蹤算法，去除噪聲、振動等影響，以接觸網(wǎng)動態(tài)磨耗測量的技術(shù)方案代替人工測量，實現(xiàn)連續(xù)、全面、高效檢測接觸網(wǎng)磨耗的功能，能夠大幅提高接觸網(wǎng)磨耗測量的效率與全面管控，實現(xiàn)連續(xù)測量，測量效率顯著提高，精確度高，可為接觸網(wǎng)的預(yù)防性維護提供指導(dǎo)。

2 接觸網(wǎng)磨耗檢測系統(tǒng)構(gòu)成

接觸網(wǎng)磨耗檢測系統(tǒng)在既有接觸網(wǎng)檢測車上實施功能擴展改造，實現(xiàn)基于接觸網(wǎng)檢測車為主體的接觸網(wǎng)磨耗檢測功能。

2.1 設(shè)備構(gòu)成

接觸網(wǎng)磨耗檢測系統(tǒng)由高精度線激光器、高速面陣相機，以及配套的機械、電氣裝置構(gòu)成。在接觸網(wǎng)檢測車車頂安裝高精度線激光器及高速面陣相機的組合檢測裝置；設(shè)備安裝確保不侵入設(shè)備限界。

2.2 檢測方法

檢測磨損方法示意如圖1 所示。

圖1 接觸網(wǎng)磨損檢測示意Figure 1 Rigid catenary system wear measurement

1) 檢測車運行時，通過線激光器照射接觸網(wǎng)形成光帶，高速面陣相機實時拍攝光帶輪廓。

2) 高速面陣相機拍攝視角包括拉出值在-280～280 mm 范圍內(nèi)的接觸網(wǎng)導(dǎo)線，并準(zhǔn)確測量磨耗數(shù)值。

3) 數(shù)據(jù)分析軟件能夠讀取高速面陣相機所拍攝的圖像，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后輸出接觸網(wǎng)磨耗數(shù)值。

4) 磨損量計算結(jié)果實時顯示至人機界面，并且在超過設(shè)定的磨損閾值時報警，同時在人機界面上顯示接觸網(wǎng)磨耗數(shù)值、里程位置及實時圖像等信息。

5) 系統(tǒng)能夠?qū)崟r存儲檢測的各項數(shù)據(jù)，便于查詢分析時使用。

該設(shè)備視野如圖2所示。視野范圍約為700 mm(寬)×540 mm(高)；工作距離為550 mm；視覺系統(tǒng)精度為0.1 mm；檢測車目標(biāo)運行速度為60 km/h，連續(xù)兩張圖之間不能有目標(biāo)遺漏。

圖2 檢測方式示意Figure 2 Test method

3 接觸網(wǎng)磨耗檢測算法

本文使用一種基于通道可靠性的多尺度背景感知相關(guān)濾波跟蹤算法，實現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)磨耗的連續(xù)測量。

此算法是為了有效應(yīng)對相關(guān)濾波器的邊界效應(yīng)和場景的復(fù)雜變化，在背景感知相關(guān)濾波框架的基礎(chǔ)上提出了該算法，該算法主要包含以下4 個方面的功能。

1) 針對單一特征分辨率不足的問題，同時提取HOG 特征、灰度特征和CN 特征描述目標(biāo)外觀模型，增強目標(biāo)外觀模型的抗干擾能力。

2) 針對多通道相關(guān)濾波器通道之間相互影響的問題，提出每個通道單獨訓(xùn)練的機制。

3) 采用通道可靠性系數(shù)衡量相關(guān)濾波器響應(yīng)圖的置信度并將其應(yīng)用于多通道響應(yīng)圖的融合，實現(xiàn)目標(biāo)的精確定位。

4) 采用尺度池方法進行目標(biāo)尺度估計，增強算法對尺度變化的穩(wěn)健性。同時，選用目標(biāo)跟蹤精準(zhǔn)度(OTB)[13]數(shù)據(jù)庫中的視頻序列對所提算法進行驗證，并將其與近年來具有代表性的相關(guān)濾波算法進行對比。結(jié)果表明所提算法的性能優(yōu)于其他算法的性能。

多通道相關(guān)濾波器表達形式為

第d通道的濾波器系數(shù)h(d)是由對應(yīng)通道的響應(yīng)值除以所有通道特征響應(yīng)和得到的，并不能真實反映出每個通道特征的分辨能力。為避免上述問題對多通道濾波器分辨能力的影響，將濾波器表達式改為

圖3 是使用普通濾波和基于通道可靠性的多尺度背景感知相關(guān)濾波跟蹤算法的區(qū)別，其中左側(cè)圖像為普通濾波算法，右側(cè)圖像為基于通道可靠性的多尺度背景感知相關(guān)濾波跟蹤算法處理的圖像。

由對比效果可以觀察出，經(jīng)過算法處理后圖像噪聲明顯降低，減小了噪聲對后續(xù)算法處理帶來的影響。經(jīng)過實際測試后的數(shù)據(jù)顯示：背景過濾的成功率提升了46%，顯著降低了在惡劣環(huán)境下的干擾情況，提高了最終磨耗檢測的準(zhǔn)確性。

原算法使用跟蹤過程中，濾波器的訓(xùn)練會受到目標(biāo)形變、尺度變化、遮擋等因素的影響，同時出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，因此本文中的算法對跟蹤模型進行更新，所提算法可以有效地處理光照變化、尺度變化、遮擋等復(fù)雜因素的干擾，取得較高的跟蹤精度和成功率，其整體性能優(yōu)于其他算法。

本方案將該設(shè)備安裝于工程車上，方案實施后，選取現(xiàn)場50 個點位進行接觸網(wǎng)磨耗數(shù)據(jù)的連續(xù)測量，其中47 個點位與磨耗測量儀數(shù)值誤差在±0.5 mm以內(nèi)，精確度高達94%。

4 接觸網(wǎng)磨耗離線處理系統(tǒng)

4.1 設(shè)備構(gòu)成

接觸網(wǎng)磨耗離線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由離線管理服務(wù)器、HMI、A4 彩色打印機及鍵盤鼠標(biāo)構(gòu)成。

4.2 系統(tǒng)功能

1) 接觸網(wǎng)磨耗離線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能自動導(dǎo)入車載系統(tǒng)檢測并記錄到的全部異常信息。

2) 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可按接觸網(wǎng)磨耗檢測的時間、區(qū)間、里程、磨耗數(shù)值等不同分類查詢報警信息，并可依據(jù)篩選條件自動形成報警信息統(tǒng)計報表。

3) 對于每條報警信息，系統(tǒng)可顯示該報警對應(yīng)的檢測異常圖像。

4) 針對磨耗檢測歷史情況，可形成磨耗數(shù)值變化趨勢圖，用以估算接觸網(wǎng)更換時間。

5) 系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)置磨耗數(shù)值的預(yù)警值，在達到或超過該值時發(fā)出預(yù)警。

5 應(yīng)用效果及經(jīng)濟效益

5.1 應(yīng)用效果

該研究實施后能夠更深層次地關(guān)注接觸網(wǎng)磨耗變化情況，深度了解接觸網(wǎng)磨耗變化情況，精確度高達94%。由于該研究可實現(xiàn)接觸網(wǎng)磨耗數(shù)據(jù)的連續(xù)測量，增加測量頻次，因此還可通過多次檢測數(shù)據(jù)之間的接觸網(wǎng)磨耗變化趨勢監(jiān)測接觸網(wǎng)狀態(tài)，當(dāng)接觸網(wǎng)磨耗增長速度過快，磨耗增長率超過0.5%后，記錄觀測接觸網(wǎng)磨耗檔案，及時安排人員檢查磨耗點位狀態(tài)，調(diào)整接觸網(wǎng)參數(shù)，可降低磨耗增長率，保證接觸網(wǎng)設(shè)備運營安全。

5.2 經(jīng)濟效益

原有測量方式測量接觸網(wǎng)導(dǎo)線效率低，全線路每輪每3 年約需要150 項作業(yè)，每次施工約10 人次，每次施工時間2 h，共計需要1 500 余人次，3 000 工時；應(yīng)用該研究后接觸網(wǎng)導(dǎo)線測量效率得到顯著提升，全線每輪只需要1 項施工，共計需要4 人次，4 工時，大幅度降低了人工成本，增加了測量效率。由于施工人次及工時大幅度減少，所以可增加測量頻次深度監(jiān)測接觸網(wǎng)磨耗狀態(tài)。

6 結(jié)論

本文以天津地鐵6 號線為例，在接觸網(wǎng)檢測車上實現(xiàn)車輛的改造，基于通道可靠性的多尺度背景感知相關(guān)濾波跟蹤算法，增加了剛性接觸網(wǎng)磨耗測量系統(tǒng)。

1) 能夠?qū)崿F(xiàn)剛性接觸網(wǎng)的全面連續(xù)測量，通過各月度的對比，以及接觸網(wǎng)的趨勢圖能及時發(fā)現(xiàn)磨耗率增長的點位，采取針對性處理措施，實現(xiàn)接觸網(wǎng)的預(yù)防性維修。

2) 連續(xù)測量較人工測量效率顯著提高，針對即將到限的點位能夠及時組織接觸網(wǎng)更換作業(yè)，避免弓網(wǎng)故障，降低成本。

3) 實現(xiàn)了智能監(jiān)控區(qū)間設(shè)備狀態(tài)的功能，提升了設(shè)備檢測效率及準(zhǔn)確度，可提高地鐵區(qū)間設(shè)備安全性。