基于3D相機的接觸網導線磨耗測量方法分析

吳旭東

（北京地鐵供電分公司，北京 100000）

0 引言

接觸網是電力機車不可缺少的重要組成部分，旨在為電力傳輸全程提供保障，減少質量問題，控制負面影響，長時間使用后會使得接觸線嚴重磨損。若不及時更換，不僅會影響供電質量，而且可能引發安全事故威脅人員生命安全。因此，對接觸網進行檢修時需做好損耗檢測工作，結合實際情況，采取科學有效的測量方式，打破傳統測量模式的限制，提升測量效率，保證測量質量，提高測量結果精準度，從而延長接觸網生命周期，優化應用效果。

1 接觸線概述

1.1 接觸線特性

接觸網是牽引供電裝置的重要部分，目的是滿足電力機車行進途中的用電需求，為避免電力傳輸過程中接觸網的搖晃，接觸網布置過程中需同步安裝支撐架、接觸懸掛等部件，利用承力索和吊弦提升接觸網穩定性，保證其平穩性。依據接觸線材質以及規格設計線路溝槽，使接觸線與線夾緊密貼合。接觸線是電力傳輸主要材料，其性能與特點具體如下：

第一，無論是銅線還是銅合金接觸線，都要保證其表面的平整清潔，不能存在任何質量問題，包括縫隙、斑點等。第二，材料需具備較強抗拉能力，實際拉斷力不得少于54kN，能承受頻繁振動產生的作用力。第三，導電能力較強，弓網受流特點突出，可減少傳輸階段能耗。第四，擁有良好耐熱能力，整體硬度較高，不因高溫環境而軟化。第五，擁有良好防腐蝕能力，而且材料膨脹系數不能過高，以保證穩定性。

但是，接觸線理化性能無法同步提升，純銅制成的接觸線雖然導電效率較高，可有效抵抗外部條件腐蝕，但耐磨能力不佳，高溫環境下易出現形變現象，且抗拉能力較低。一般情況下，這類接觸線主要用于低速鐵路中。接觸線制備過程中，廠家經常使用不同技術和材料，推出不同類型接觸線，通過這種方式優化接觸網性能，盡管當前的接觸線優勢顯著，但實際應用中依然存在問題，因此新型接觸線研發受到相關各界高度關注。

以形態作為依據，可將接觸線分為銅合金以及鋼鋁兩類，前者多為圓形，而后者大多設計為倒梯形，以減少空氣與材料之間接觸，強化接觸網耐腐蝕性，提高接觸線強度。

1.2 接觸線磨耗分析

供電類導線旨在為電能傳輸提供保障，接觸網運行過程中必然與空氣摩擦，頻繁振動，受自然條件干擾，工作張力持續擴張，如果受電弓與接觸線之間的接觸壓力超過安全范圍，會加劇弓網間機械損耗，接觸線與受電弓之間接觸出現異常后，有很大概率出現火花或電弧等情況，且電氣損耗持續加劇。電流不斷增大使溫度持續升高，而高溫會使接觸線軟化，進而繼續增加接觸線磨耗，接觸線橫截面積隨即減少，接觸線承載流量也會因此下降，接觸線抗拉強度隨之降低，難以保證電力傳輸安全，長期使用下會引發更為嚴重的問題。

在接觸網運行過程中可采取有效措施適當減少接觸線磨耗，一般情況下主要從以下2 個方面減少接觸線磨耗。其一，對受流加以調整。電力機車始終處于行駛狀態，因此會持續生成振動作用力，對弓網結構加以調整，不僅可提升穩定性、保證受流，同時可避免離線火花等情況，減少電氣傳輸過程中的損耗。其二，改進接觸網安裝方式，接觸網跨距較大情況下，可向線索和接觸線施加一定壓力，或者調低接觸網實際密度，兩者均可減少摩擦造成的損耗。此外，可在接觸網安裝過程中引入新型材料，與受電弓之間始終保持摩擦平衡，控制接觸網運行階段損耗。

為降低接觸網運行過程中安全事故發生概率，設計過程中應考慮材料耐磨能力。正常情況下，接觸線生命周期約為9 年。此外，定期對接觸線進行全面檢查，了解接觸網損耗情況，如果接觸線累積損耗面積超過額定標準，必須立即更換接觸線；反之，只需對磨損部分進行修復。

2 3D 相機測量技術

基于視覺衍生的結構光三維測量技術是測量技術不斷發展出現的新型技術手段，測量精準度較高，因此得到廣泛應用。

2.1 系統相機標定技術

相機采集的數據是以二維方式處理三維物體之后得到的產物，而計算機視覺則是基于二維產物獲取目標三維信息。系統相機標定旨在將圖像各像素點坐標與實際空間坐標相聯系，創建虛擬模型，根據坐標進行計算，這一過程即相機標定。一般情況下，這一技術應用過程中需采集目標規模、尺寸等條件，由此確定具體模板，通過模板進行參數計算。另外，此標定方法可實現計算目的，這種方式靈敏性較為突出，無須創建特殊標定模板，只要收集環境信息即可實現標定目標。

2.2 圖像預處理技術

數字圖像處理是基于需求對采集的數字圖像要素進行計算，由此獲得滿足需求的圖像。這一技術應用范圍廣泛，也是圖像處理流程中的重要環節。圖像收集過程中，受相機內部部件、外部環境條件以及采集目標等方面因素影響，存在成像清晰度不足或者成像不夠完整的問題，如果利用這些圖像資料進行后續作業，會降低操作精準度，使測量結果缺乏真實性與可靠性。另外，利用圖像預處理技術可將采集圖像劃分多個區域，剔除需求之外的圖像區域，保留所需區域，提高作業效率的同時減少工作量。

2.3 結構光圖像解相位技術

解相位技術是通過大量結構光圖像組合形成的產物獲取目標三維信息，進而開展一系列測量，這是采集測量目標三維數據信息的核心環節。除了點、線兩類光源之外，任何光線投射到物體表面之后都會依據某種規律形成圖像，即光柵場，從空間角度來看，這一現象又被稱作相位。解相位技術收集已經形變的光柵場，基于形變創建關系，由此采集目標三維數據信息。通過點光源開展測量工作時，需對圖像進行深入分析，確定解出點具體位置；利用線光源進行測量時，需通過計算確定圖像內部中心線所在位置；通過光柵進行測量時，相位雖然分布在物體表面但具有連續特點，因此每次投影后都可以得到某一平面基本信息，測量效率得到大幅度提升。經過長期發展，條紋圖像解相呈現多樣化特點，包括傅里葉輪廓變換技術、莫爾條紋技術等。

2.4 三維數據生成與輸出

對結構光線圖進行解相位處理所得到的結果是平面內大量離散點組合之后形成的點云。依據結構光類型差異以及掃描方式，點云可細分為無序排列、非幾何點云、線點云、規律點云、三角點云等。為降低數據測量難度，提高數據測量效率，一般需要對收集的電源進行專項處理，如簡化、分割等。若采集數據精準度較高且更為真實，可基于三維技術設計模型，依據模型開展相應設計工作。

3 接觸網導線磨耗測量

接觸網導線損耗測量過程可細分如下步驟：第一，利用3D 相機采集反射光形成的磨損接觸圖像，這一環節效果主要取決于相機硬件性能以及基于數據創建的模型。第二，利用相機對收集的圖像數據進行預處理，剔除冗余信息，保證圖像質量，進而提高辨識率。第三，依據邊緣部分進行提取，強化測量系統穩定性，提高測量結果精準度，不僅操作難度較低且較為靈活[1]。

3.1 圖像濾波方法

3.1.1 遞歸逼近高斯濾波

相機在收集圖像時會受到不同程度的干擾，導致采集的圖像包含多種噪聲，如環境振動、自然光線等，影響測量結果準確性，增加測量數據誤差范圍，面對這種情況需確定噪聲類型以及來源，比較后采取針對性方式控制圖像噪聲。常規情況下，影響圖像質量的噪聲源多樣，詳情如下：第一，暗電流噪聲。在電信號和光信號缺少的情況下，相機內MOS 電容器處于深度消耗狀態，生成的熱生載流子均集中于勢阱，以致測量全暗階段相機依然存在電流，這類電流被稱作暗電流，由此生成的異響包括熱噪和亂真電荷，前者隨工作環境溫度變化而改變，后者與驅動時鐘有密切的聯系。第二，散粒噪聲。散粒噪聲是光線匯入光敏感區域后形成的產物，3D 相機光敏傳感器運行過程中會產生一定信號電荷，兩者之間的差距可以視作散粒噪聲源頭，與電頻并無直接關系，源自零件運行過程，無法借助電路降低噪聲。并且，噪聲大小和電流強度與光線強度之間保持正比例關系，信噪比例會隨信號質量提高而上升，屬于高斯分布范疇。第三，輸出噪聲。其包含復位噪聲和1/f 噪聲，源自測量電路，信號傳輸速度增加之后噪聲呈上升趨勢。因此，在零件工作頻率較高情況下，噪聲尤為突出，干擾圖像采集并降低圖像質量。

上述均是3D 相機采集圖像資料過程中經常出現的噪聲，另外，還存在環境噪聲，這類噪聲是太陽、空氣等因素導致的[2]。當前，噪聲處理方式繁多，處理方法多樣，有效的圖像預處理可提取磨損邊緣部分包含的數據信息，常規噪聲處理方法包括中值濾波、高斯濾波，各種方法優勢顯著，效果不同。以中值濾波為例，這種方式較為簡單，使用前需確定相應模板，模板由鄰近像素構成。

3.1.2 小波變換去噪法

這一方法對采集圖像進行轉換處理，改變圖像對應空間域，對變換后的域系數進行處理，直至反饋至空間域，以此清除圖像包含的噪聲。嚴格來說，小波變換、傅里葉變換等都可視作適用于空間域變換的濾波方式。傅里葉變換應用廣泛，可通過深入分析確定信號頻域，掌握信號特點，但這種方式無法廣泛應用，難以動態呈現信號頻域分布情況[3]。與傅里葉變換相比，小波變換效率更高，而這種方式依舊無法廣泛應用，但能依據需求調整參數，可獲取多個分辨率，在突變信號以及特殊信號分析方面效果突出，因此該方法常用于剔除采集圖像包含的噪聲。常規情況下，測量過程中主要使用低通濾波進行去噪，但在實際測量中發現，該方法不僅會將噪聲剔除，也會清除可用信息，影響圖像質量。小波變換可以清除圖像噪聲，保障圖像資料質量，因此受到高度重視。

鑒于小波變換去噪法針對不同小波系數具有不同規則，其可細分為以下幾類：一是模極大值去噪法，基于不同尺度的小波系數設計信號。經這種方式形成的信號與噪聲奇異性之間存在明顯差異，模極大值較為特殊，處理后可對信號加以調整，或起到抑制大值點的作用。如果圖像受白噪聲干擾且奇異點數量較多時，可借助模極大值剔除其中噪聲，其對噪聲的依賴性較小，對低信噪比的信號也能實現很好的濾波效果。二是基于各尺度間小波系數相關性去噪，小波變換后的信號在各尺度間具有較強的相關性，噪聲卻無明顯相關性，并且噪聲主要集中在小尺度層次中。這一方法的去噪效果較穩定，適用于高信噪比信號，缺點是計算量大，并且需要事先估計噪聲方差[4]。三是小波閾值去噪法，信號產生的小波系數包含信號重要信息，并且幅值較大，噪聲的小波系數幅值小，通過在不同尺度上選取合適閾值，采取相應的保留抑制措施，以小波逆變換實現濾波目的。閾值濾波方法簡單、計算量小，應用廣泛，但是閾值的選取相對困難，并且去噪效果與信號的信噪比關聯較大。根據閾值函數的不同，又有硬閾值函數和軟閾值函數之分。相機接收到一維接觸線圖像后，為方便查看，截取像素點，大部分像素區間為灰度最小值，并存在波動，只有在磨耗處聚光反射，證明該區間像素灰度值較大，且在該區間內部光強分布不均。

3.2 邊緣點檢測識別

為收集接觸網邊緣點要素，需分析受損分布情況及其特點，具體操作過程中需基于機器視覺的方式加以處理。正常情況下，邊緣檢測算子可細分為一階段和二階段兩類，前者的邊緣算子各有優缺點，例如，Roberts 邊緣算子的優點在于能提升定位精準度，但易受到噪聲干擾；Canny 邊緣算子能將圖像內噪聲完全清除，保證檢測結果質量[5]。后者的邊緣算子大多基于灰度變化均勻進行定位，以Laplacian 算子為例，其向同性較為特殊，但易受到噪聲影響，因此實際應用過程中主要借助該算子改進形式，即基于高斯型平滑函數進行計算，弱化二階導數造成的負面影響。

對3D 相機接觸線磨耗測量系統來說，邊緣點檢測具有十分重要的作用。目前，閾值比較法應用較為廣泛，其通過灰度最大值和最小值確定測定閾值，基于信號交接部分設計閾值范圍。劣勢是噪聲會影響測量精準度，為規避這一情況，可調用擬合窗口與最小二乘法擬合直線，隨后利用截交擬合直線收集交集部分數據。因該方式對檢測精度具有較高要求，故此必須對比，深入分析。

4 結語

隨著科學技術水平不斷提升，計算機、機器視覺技術等應用廣泛，基于成像設備衍生的非接觸測量模式得到廣泛應用，尤其是鐵路檢測方面。基于3D 相機選用適當技術手段對接觸網導線磨耗進行測量，可以提高損耗測量效率，保證測量結果精準度，規避常規測量方式帶來的問題，確保牽引供電安全，延長接觸網生命周期。