電氣化鐵路接觸網(wǎng)成像檢測(cè)系統(tǒng)在高鐵上的運(yùn)用

趙俊彥，任崇巍

（哈爾濱鐵路局 科學(xué)技術(shù)研究所，黑龍江哈爾濱150006）

接觸網(wǎng)檢測(cè)有接觸式和非接觸式兩種檢測(cè)方式，主要是對(duì)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。而針對(duì)接觸網(wǎng)零部件“松、脫、斷”和絕緣部件閃絡(luò)等缺陷的檢測(cè)，主要依靠人工上道巡視來(lái)進(jìn)行。國(guó)內(nèi)也有學(xué)者提出過(guò)應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)原理的檢測(cè)方法，主要是用攝像機(jī)對(duì)鐵路沿線進(jìn)行連續(xù)攝像［1］。國(guó)外也有部分設(shè)備使用了線陣相機(jī)采集接觸網(wǎng)部分圖像進(jìn)行輔助判斷尺寸偏差，但均未進(jìn)行整體高清晰成像［2］。為此，研制一套針對(duì)接觸網(wǎng)零部件“松、脫、斷”的高速檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備的高速、高清晰度的圖像檢查。

1 系統(tǒng)原理分析

1.1 系統(tǒng)介紹

電氣化鐵路接觸網(wǎng)成像檢測(cè)系統(tǒng)能夠在不打亂運(yùn)輸秩序的情況下，對(duì)接觸網(wǎng)整體（包括支柱、吊柱以及接觸線）和局部關(guān)鍵部位進(jìn)行精確定位和圖像抓拍，能夠連續(xù)檢測(cè)接觸網(wǎng)安裝情況，接觸線、電分相絕緣器等磨損狀況，以及接觸線架設(shè)的幾何位置等參數(shù)，精確定位接觸線檢測(cè)參數(shù)超標(biāo)的位置，同時(shí)采用人機(jī)結(jié)合的方式對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別。

1.2 工作原理

（1）支柱位置判斷及桿號(hào)采集

通過(guò)圖像識(shí)別算法獲得接觸網(wǎng)支柱與成像檢測(cè)裝置的距離，在最佳成像位置向IO控制板發(fā)出拍攝指令，同時(shí)將抓拍的桿號(hào)圖像保存。

（2）圖像采集

計(jì)算機(jī)發(fā)出的IO指令轉(zhuǎn)換成工作觸發(fā)電信號(hào)，經(jīng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)放大后，觸發(fā)相機(jī)和頻閃光源同步工作，抓拍接觸網(wǎng)圖像。同時(shí)，根據(jù)當(dāng)時(shí)車(chē)速對(duì)接觸線進(jìn)行連續(xù)圖像采集。

（3）圖像保存

存儲(chǔ)服務(wù)器通過(guò)安裝在上面的多陣列千兆網(wǎng)口接收攝像機(jī)傳回的實(shí)時(shí)采集圖像，對(duì)采集的接觸網(wǎng)正反面圖像分時(shí)并行存儲(chǔ)。

1.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要功能如下：

（1）在列車(chē)運(yùn)行時(shí)采用高幀率攝像機(jī)對(duì)沿線立柱和吊柱進(jìn)行連續(xù)圖像采集，用智能圖像識(shí)別方法對(duì)接觸網(wǎng)安裝立柱和吊柱位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，適應(yīng)列車(chē)運(yùn)行速度為0～160km／h。

（2）對(duì)接觸網(wǎng)立柱和吊柱的桿號(hào)準(zhǔn)確抓拍，并自動(dòng)識(shí)別桿號(hào)。

（3）自動(dòng)抓拍接觸網(wǎng)立柱和吊柱正反兩面全局圖像。

（4）為了確保人機(jī)檢查判別故障時(shí)能夠清晰準(zhǔn)確，對(duì)接觸網(wǎng)關(guān)鍵部位做了劃分，進(jìn)行局部高清成像（參見(jiàn)圖1）。

圖1 接觸網(wǎng)關(guān)鍵區(qū)域

（5）根據(jù)車(chē)速連續(xù)采集沿線接觸線圖像。

（6）自動(dòng)檢測(cè)列車(chē)車(chē)身傾角，在高速鐵路軌道超高區(qū)段也能完整抓拍接觸網(wǎng)圖像。

系統(tǒng)采用了二維電子水平儀，可以同時(shí)測(cè)量平面的兩個(gè)正交方向的水平度，可同時(shí)測(cè)量并顯示XY兩軸的水平度，還可單軸測(cè)量水平方向的水平度或豎直方向的垂直度，測(cè)量最高分辨率可達(dá)0.003°或0.05mm／m。在高速鐵路軌道超高區(qū)段，系統(tǒng)通過(guò)水平儀獲取車(chē)身傾角，自動(dòng)調(diào)整接觸網(wǎng)抓拍定位，確保圖像完整覆蓋拍攝目標(biāo)。

1.4 關(guān)鍵技術(shù)

（1）LED頻閃光源

LED（發(fā)光二極管）光源發(fā)出的光波長(zhǎng)，可以根據(jù)相機(jī)的光響應(yīng)曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保同樣功率下能夠獲得更高的亮度。同時(shí)，LED光源采用頻閃工作方式，只在攝像機(jī)抓拍時(shí)進(jìn)行光源補(bǔ)償。

（2）高速高清圖像采集

系統(tǒng)采用高分辨率網(wǎng)絡(luò)接口的CCD攝像機(jī)作為攝像機(jī)陣列，單個(gè)攝像機(jī)分辨率達(dá)到2 448×2 048，具有傳輸距離遠(yuǎn)，工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)，配合使用千萬(wàn)像素級(jí)成像的高分辨率鏡頭，能很好地控制廣角端和長(zhǎng)焦端的畸變值。高性能多擴(kuò)展服務(wù)器技術(shù)最多可負(fù)載24臺(tái)高清分辨率攝像機(jī)，滿足多陣列攝像機(jī)圖像采集需求，系統(tǒng)用兩臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器完成存儲(chǔ)任務(wù)。

（3）高速圖像采集定位

系統(tǒng)在列車(chē)運(yùn)行時(shí)連續(xù)采集接觸網(wǎng)支柱圖像，最高幀率達(dá)到120幀／s，能夠適應(yīng)的列車(chē)運(yùn)行速度為0～160 km／h，見(jiàn)圖2。

圖2 桿號(hào)定位原理圖

系統(tǒng)對(duì)采集的支柱圖像進(jìn)行灰度值橫向投影，首先計(jì)算一張圖中連續(xù)的超過(guò)橫向投影均值2倍的曲線部分，再計(jì)算特征曲線（2倍以上的）連續(xù)點(diǎn)數(shù)的最大值，結(jié)合設(shè)備安裝設(shè)定參數(shù)，當(dāng)投影最大值的中心位置達(dá)到設(shè)定的閾值就表示到了需要拍攝的位置，進(jìn)行控制拍攝，見(jiàn)圖3。

圖3 隧道外立柱投影圖

2 系統(tǒng)運(yùn)用

系統(tǒng)研制成功后進(jìn)行了大范圍的測(cè)試和試運(yùn)用。2010年8月至12月間，在廣鐵集團(tuán)管內(nèi)武廣高鐵、海南東環(huán)鐵路和廣珠城際鐵路進(jìn)行了接觸網(wǎng)設(shè)備平推檢查。

圖4 接觸網(wǎng)設(shè)備缺陷案例圖

以廣州供電段運(yùn)用情況為例，成像檢測(cè)列車(chē)對(duì)該段管內(nèi)武廣高鐵接觸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行了兩次全面的平推檢查，共檢查接觸網(wǎng)設(shè)備1 163.646條km。其中隧道外定位13 126處，隧道內(nèi)定位5 628處，8月份檢測(cè)共產(chǎn)生設(shè)備圖片133 602張，其中隧道內(nèi)44 554張，隧道外89 048張，清晰有效圖片129 594張，占97%；11月份檢測(cè)共產(chǎn)生設(shè)備圖片97 087張，其中隧道內(nèi)28 616張，隧道外68 471張，清晰有效圖片88 349張，占91%。

在兩次檢測(cè)完成后，廣州供電段按廣鐵集團(tuán)要求組織技術(shù)人員對(duì)設(shè)備圖片進(jìn)行了認(rèn)真分析，共發(fā)現(xiàn)各類設(shè)備缺陷1 391處，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，實(shí)際缺陷1 252處，準(zhǔn)確率達(dá)90%。發(fā)現(xiàn)的主要缺陷有等電位線螺栓缺失、松動(dòng)、本線斷股等206處，絕緣子有閃絡(luò)燒傷痕跡24處，β銷安裝不標(biāo)準(zhǔn)112處，接觸網(wǎng)零部件安裝未處于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)489處，承力索支座缺平衡線8處，承力索支撐線夾裝反106處。部分檢查發(fā)現(xiàn)的接觸網(wǎng)設(shè)備缺陷如圖4所示。

3 總結(jié)與展望

采用圖像檢測(cè)手段對(duì)接觸網(wǎng)緊固位置進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)人機(jī)結(jié)合的方式對(duì)故障進(jìn)行判別，這種新型的接觸網(wǎng)檢測(cè)模式可以大大減輕檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率。同時(shí)積累的大量圖像及信息數(shù)據(jù)為故障分析、設(shè)備管理以及數(shù)據(jù)挖掘分析提供了依據(jù)，為高鐵接觸網(wǎng)信息化管理提供了新的手段。

［1］ 白 明，于 濂.電氣化鐵路接觸網(wǎng)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)及其方法：中國(guó)，CN03121826.1［P］.2004－08－11.

［2］ 陳唐龍.發(fā)展新的接觸網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)，保障行車(chē)安全［OL］.（2011－9－29）http：∥www.railsources.com／contents／1138／169356.html.