基于圖像處理的弓網參數檢測方法

摘要：針對目前鐵路受電弓靜態拉出值與導高值檢測效率低、誤差較大等問題，提出一種基于實時圖像處理的動態拉出值、導高值的測量方法。首先對相機進行標定得到像素值和實際值的對應關系，通過固定的相機獲取受電弓位置，利用形狀匹配算法得到受電弓具體位置參數，然后利用Hough直線檢測算法得到受電弓上邊緣直線，其次通過線條寬度的判別和最小二乘法擬合得到接觸線，最后計算出接觸線和受電弓上邊緣直線的交點坐標，結合相機標定參數進而得到實際的拉出值和導高值。

關鍵詞：拉出值導高接觸點形狀匹配

中圖分類號：U225;TP391.41

PantographParameterDetectionMethodBasedonImageProcessing

CHENYueQIUQiyuanCAIZhengda

XihuaUniversity，ChengduCity，SichuanProvince，610039China

Abstract：Inrespondtotheproblemsofstaticpull-outvalue，lowheightdetectionefficiencyandlargeerrorofrailwaypantograph，adynamicpull-outvalueandheightconductionmeasurementmethodbasedonreal-timeimageprocessingwasproposed.Firstly，thecameraiscalibratedtoobtainthecorrespondencebetweenthepixelvalueandtheactualvalue，thepantographpositionisobtainedbythefixedcamera，thespecificpositionparametersofthepantograph areobtainedbyusingShapeMatchingalgorithm;Then，thestraightlineontheupperedgeofthepantographisobtainedbyusingHoughlinedetectionalgorithm;Next，thecontactlineisobtainedbydiscriminatingthelinewidthandfittingitwiththeleastsquaresmethod;Finally，theintersectionpointcoordinatesofthecontactlineandtheupperedgelineofthepantographarecalculated，andtheactualpull-outvalueandconductionheightvalueareobtainedbycombiningthecameracalibrationparameters.

KeyWords：Pull-outvalue;Hightconduction;Contactpoint;Shapematching

弓網系統是鐵路供電系統的重要組成部分。其中導高和拉出值是判斷列車是否正常運行的重要參數，列車運行過程中對其進行實時檢測極為重要。常用的測量方式包括接觸式和非接觸式。接觸式主要是通過在受電弓上安裝各種傳感器進行測量；非接觸式主要采用雙目視覺、結構光輔助的視覺測量、激光掃描[1]等方法計算接觸線的高度、拉出值。非接觸式檢測由于檢測速率更快、檢測效果較好而漸漸成為首選檢測方式。現有非接觸式檢測主要有可見光相機配合紅外相機檢測方式，例如：武雷等人[2]首先通過邊緣檢測算法得到受電弓中心坐標，再通過紅外相機采集溫度最高點得到弓網接觸點坐標進而得出動態拉出值，但該方法容易受到環境溫度的干擾。張曉會等人[3]采用雙目視覺相機測量，利用亞像素邊緣檢測和最小二乘法擬合出接觸線，該方法能有效提高測量精度，但對相機的安裝精度要求高，且檢測效率較低。

本文提出一種使用單目視覺相機進行實時測量拉出值和導高的方法，首先定位到相機中受電弓區域，在區域內檢測受電弓上邊緣直線和接觸線直線，得兩直線的交點，經過相機標定后得到實際拉出值和導高值。

1檢測原理

接觸網動態幾何參數，即接觸網的動態導高值和拉出值，接觸網的動態拉出值指的是弓網接觸點距離受電弓中心的偏移量；動態導高指的是弓網接觸點距離列車軌道平面的高度[4]。通過檢測拉出值和導高是否處于合理范圍內來判斷弓網接觸的安全狀態。

檢測原理包含三部分：首先是受電弓定位，該步驟利用模板匹配方法建立受電弓的準確位置和姿態，確保準確的位置信息用于后續數據處理；其次是弓網接觸點識別，這一步驟采用了Hough直線檢測技術來識別受電弓的上邊緣，并且利用最小二乘法對接觸線進行擬合，從而精確確定接觸線的位置和方向；再次通過計算受電弓與接觸線的交點，確定弓網接觸點的準確位置；最后經過相機標定后推算出弓網接觸點距離列車軌道平面的高度，即動態導高值，以及弓網接觸點距離受電弓中心的偏移量，即動態拉出值。

2檢測算法實現

2.1受電弓定位

在檢測受電弓與接觸線交點之前，需要準確定位出受電弓的位置以確保檢測的準確性。本文采用形狀匹配方法來定位出受電弓位置。在定位受電弓之前，先創建一個受電弓模板，模板創建后，應用模板在源圖中檢索匹配對象，基于形狀的模板匹配通過相似度來表征模板與待匹配區域的相似性[5]。假設模板在x，y方向的梯度為GiT（GxiT，GyiT），待識別區域在x，y方向的梯度為Gu，vS（Gxu，vS，Gyu，vS），其中u，v為圖片的行列數。模板和匹配圖片之間的相似程度如式。Su，v的范圍在0～1之間，得分數據越高表示匹配程度越高。

經過形狀匹配后得到的效果如圖1所示。

2.2受電弓的上邊緣檢測

Hough變換（HT）是一種應用非常廣泛的形狀分析技術，其原理是利用圖像空間和Hough參數空間的線-點對偶性，把圖像空間中的檢測問題轉換到參數空間中進行[6]。將圖像空間中的直線對應到參數空間中的點，在直角坐標系中引入極坐標系，直線的參數方程表示為

式（2）中：ρ表示直線距離原點的垂直距離；θ表示垂線與x軸的角度。圖像空間中每一條直線都對應了一個點（ρ，θ），而圖像空間中的點在參數空間中則對應一條曲線。圖像空間中共線的點在參數空間中則表示成曲線相交的點，曲線相交點次數越多，（ρ0，θ0）越確定。在ρ-θ參數空間坐標系下得到（ρ0，θ0）后即可得到所有檢測出的直線方程，直線的斜率m，截距n用式子表示為：

經過受電弓定位后得到匹配的中心坐標（Coloumn，Row），此時在受電弓上邊緣區域劃取用于檢測受電弓上邊緣直線的ROI區域，并將該區域做二值化處理以便于提高Hough直線檢測的準確性（如圖2所示）。

在受電弓上邊緣區域，觀察發現受電弓的角度范圍沒有太大的變化，通過篩選θ角度，使θ的取值范圍在85°～90°之間得到有效受電弓上邊緣直線（如圖3所示）。

經過θ角度篩選后直線的方程表示如下：

2.3接觸線檢測

為減少其他雜線的干擾，劃定矩形框上面部位的ROI區域來檢測接觸線。在此區域內分別有接觸線和吊弦兩根直線，要正確區分出接觸線才能得到正確的拉出值。經過對比可以發現，在同一視角下，接觸線的線寬比吊弦的線寬大，這一特性可以通過掃描算法來區分出接觸線[7]。掃描算法可以利用線寬的差異來區分并識別出接觸線，從而準確地定位和提取所需的幾何參數。這種精細的區分方法有助于在復雜背景或多線條情況下，有效地提取出接觸線，進而實現接觸網動態幾何參數的精確測量和分析。具體步驟如下。

首先將矩形框上部的ROI區域做二值化處理，通過劃定閾值使得畫面中有線段的部分像素值變為0其余背景等像素值變為255，這樣就初步區分出接觸線和背景；接著逐行掃描二值化后的ROI區域，將每一行中連續的像素值為0的序列索引抽出，比較這些連續的序列，篩選出最長連續的序列，將此最大序列的中間索引值xi取出。掃描完成后得到一系列的（xi，yi）坐標數據，其中最大序列中間索引值xi即為x坐標，y坐標為行數yi。將坐標數據集做篩選，將坐標xi變化較大的坐標過濾掉用于減小擬合直線時的誤差，剩下的坐標數據做最小二乘法擬合得到接觸線的斜率k、截距b，如式（6）（7）所示。

圖4為矩形框上部接觸線檢測ROI區域二值化后的效果，圖5為最小二乘法擬合出接觸線的效果。擬合出的接觸線方程用公式表示為：

結合接觸線方程（8）和受電弓上邊緣方程（5）計算出兩直線的交點即可得到接觸點的位置坐標（xp，yp），公式為：

3相機標定

當相機安裝位置固定好之后，采用12×2的棋盤格，棋盤格中每個格子的實際大小是80×80mm，相機采集的棋盤格如圖6所示。

將棋盤格區域裁剪，經過亞像素角點檢測[8]后棋盤格角點顯示如圖7所示。

選擇棋盤格中第1個點P1（x1，y1）與第12個點P2（x2，y2）的像素坐標，此時計算出這兩點的歐幾里得距離Ldisp：

而P1與P2對應的實際距離為Ldist=80×11，由此得到像素值與實際值的映射關系R=Ldist/Ldisp。

3.1拉出值，導高計算

得到比例關系R后，結合上面式子得出的接觸點坐標（xp，yp）和受電弓的中心坐標（Coloumn，Row）即可算出實際的拉出值LH和導高值LV：

其中H表示車頂距離地面的高度。

4結論

本文提出的動態檢測拉出值，導高值測量方法，基于圖像的受電弓定位，利用線條寬度的差別來識別出接觸線，有效排除了吊弦對接觸線的干擾。通過計算出的接觸線與受電弓上邊緣直線的交點并結合相機預先標定的參數得出實際的動態拉出值。該方法能有效的在列車高速運行中檢測受電弓與接觸線的運行狀態，極大的提高安全監測效率。

參考文獻

[1]盧建軍，黃小斌，吳勇，等.基于移動三維激光掃描技術的地鐵隧1d3224d8fa2b7de87c8234a635a53250道接觸網導高檢測新方法[J].城市軌道交通研究，2024，27（1）：200-205，209.

[2]武雷，薛曉利.一種非接觸式接觸網動態拉出值實時測量方法_武雷[J].電氣化鐵道，2020，31（1）：5-9.

[3]張曉會，張鳳生，王立偉.雙目視覺法測量接觸線幾何參數的圖像處理方法研究_張曉會[J].青島大學學報（自然科學版），2016，29（2）：80-85.

[4]呂白，王麗娟.基于視頻相機的接觸網動態幾何參數檢測技術研究_呂白[J].中國設備工程，2023（10）：183-185.

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[7]孔龍飛，韓通新，劉寅秋.基于二維圖像直線標定的接觸網幾何參數測量方法[J].電氣化鐵道，2019，30（S1）：42-46，54.

[8]尚碩，曹建榮，汪明，等.機器視覺中角點檢測算法研究[J].計算機測量與控制，2024，32（1）：217-225.