基于高速圖像處理技術(shù)的定位器坡度檢測(cè)系統(tǒng)

■ 王燕國(guó) 孫忠國(guó) 顧世平 王衛(wèi)東

1 研發(fā)背景

定位器坡度是一項(xiàng)重要的接觸網(wǎng)安全性檢測(cè)項(xiàng)目。接觸網(wǎng)定位裝置中（見圖1），紅色部分為定位器，綠色部分為定位管。受電弓經(jīng)過定位裝置時(shí)，其對(duì)接觸網(wǎng)的接觸力導(dǎo)致接觸線及定位器有一定程度的抬升。因此，定位裝置（定位器、定位管等）的結(jié)構(gòu)和安裝狀態(tài)應(yīng)保證受電弓通過定位點(diǎn)時(shí)接觸線能在一定范圍內(nèi)自由抬升，且不產(chǎn)生明顯硬點(diǎn)。為避免受電弓通過時(shí)碰撞定位器而導(dǎo)致打弓，造成接觸網(wǎng)運(yùn)營(yíng)事故，對(duì)定位器坡度范圍應(yīng)有一定要求。

目前鐵路行業(yè)內(nèi)較多使用的接觸網(wǎng)靜態(tài)測(cè)量?jī)x器一般通過測(cè)量定位器兩點(diǎn)垂直投影高差的方法計(jì)算定位器坡度，測(cè)量精度和效率都較低。實(shí)際上，適用于160 km/h及以上運(yùn)營(yíng)速度的定位器坡度檢測(cè)手段在國(guó)內(nèi)外一直處于空白狀態(tài)。由于缺乏高效可靠的技術(shù)手段，無論是現(xiàn)場(chǎng)靜態(tài)測(cè)量還是動(dòng)態(tài)測(cè)量，對(duì)定位器坡度的檢測(cè)在接觸網(wǎng)施工驗(yàn)收和運(yùn)營(yíng)維護(hù)中一直是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，留下了一定的安全隱患。隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展和既有線提速，對(duì)定位器坡度的高速在線測(cè)量需求越來越迫切。在高速條件下對(duì)定位器坡度進(jìn)行在線實(shí)時(shí)測(cè)量，一方面有利于提高測(cè)量效率，另一方面對(duì)于高速鐵路的安全保障也有十分重要的意義。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所先后研發(fā)了可運(yùn)行于250 km/h和400 km/h速度下的定位器坡度檢測(cè)系統(tǒng)，成功解決了高速條件下對(duì)定位器坡度實(shí)時(shí)測(cè)量的技術(shù)難題。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

定位器坡度檢測(cè)系統(tǒng)采用視覺測(cè)量方法，并結(jié)合模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，對(duì)高性能攝像頭拍攝的接觸網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境視頻進(jìn)行分析和信息挖掘，以獲得高速接觸網(wǎng)的定位器坡度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要包括車頂?shù)臄z像裝置、用于測(cè)量的光源裝置、車內(nèi)的光源控制單元、用于圖像采集處理的工控機(jī)及車下的車體振動(dòng)位移補(bǔ)償裝置和車內(nèi)的信號(hào)處理單元（主要用于補(bǔ)償車體側(cè)滾對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響）。系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

3 軟件方案

3.1 開發(fā)工具

定位器坡度采集處理軟件采用Visual Studio開發(fā)，Microsoft Visual C++為開發(fā)Win32環(huán)境程序，是面向?qū)ο蟮目梢暬删幊滔到y(tǒng)，不但具有程序框架自動(dòng)生成、靈活方便的類管理、代碼編寫和界面設(shè)計(jì)集成交互操作、可開發(fā)多種程序等優(yōu)點(diǎn)，而且通過簡(jiǎn)單設(shè)置就可使其生成的程序框架支持?jǐn)?shù)據(jù)庫接口、OLE2、WinSock網(wǎng)絡(luò)和3D控制界面，還具有“語法高亮”、自動(dòng)編譯及高級(jí)除錯(cuò)功能等特點(diǎn)，可以明顯縮短程式編輯、編譯及鏈接時(shí)間，在大型軟件開發(fā)上優(yōu)勢(shì)顯著。

圖1 接觸網(wǎng)定位裝置

圖2 定位器坡度檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

系統(tǒng)采用高性能圖像處理服務(wù)器，對(duì)前端攝像裝置采集的高清視頻信號(hào)和車體振動(dòng)位移測(cè)量信號(hào)進(jìn)行高速同步采集。視頻數(shù)據(jù)的采集處理采用多線程處理框架，用多個(gè)線程分別進(jìn)行圖像采集、分析、顯示和結(jié)果保存。線程之間通過管道進(jìn)行通信，利用臨界區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)管道資源的共享。在多線程處理框架中，一個(gè)獨(dú)立的采集線程專門對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行高速連續(xù)采集，并將其存于緩沖區(qū)中，以隊(duì)列形式等待其他線程的后續(xù)處理；一個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)線程專門對(duì)待處理的圖像隊(duì)列進(jìn)行逐個(gè)分析、檢測(cè)，并將結(jié)果存于另一緩沖區(qū)；一個(gè)獨(dú)立的結(jié)果保存線程專門進(jìn)行緩沖區(qū)中檢測(cè)結(jié)果的逐個(gè)保存。在以上數(shù)據(jù)采集處理框架中，只要圖像的檢測(cè)算法運(yùn)算速度足夠快，不致使不斷采集到的待處理數(shù)據(jù)溢出緩沖區(qū)，則整個(gè)系統(tǒng)在檢測(cè)列車高速運(yùn)行過程中，可以保證對(duì)每幀圖像進(jìn)行及時(shí)處理，避免丟幀現(xiàn)象的發(fā)生。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理框架見圖3。

4 應(yīng)用實(shí)例

目前，自主研制的基于高速圖像處理技術(shù)的定位器坡度檢測(cè)系統(tǒng)已成功安裝在CRH380A-001、CRH380B-002 2輛高速綜合檢測(cè)列車。在2011年3—5月京滬高速鐵路先導(dǎo)段綜合試驗(yàn)中，對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、重復(fù)性和可靠性等進(jìn)行了全面驗(yàn)證，其功能達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，最高檢測(cè)速度達(dá)到400 km/h。系統(tǒng)軟件處理界面見圖4。

5 結(jié)束語

定位器坡度檢測(cè)系統(tǒng)不僅在國(guó)內(nèi)外首次實(shí)現(xiàn)了160 km/h及以上運(yùn)行速度下對(duì)接觸網(wǎng)定位器坡度的在線測(cè)量，并可在最高400 km/h運(yùn)行速度下實(shí)時(shí)測(cè)量定位器坡度的定量數(shù)值，填補(bǔ)了重要的技術(shù)空白。系統(tǒng)的成功研制為接觸網(wǎng)施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位掌握定位器坡度數(shù)據(jù)提供了高效可靠的測(cè)量手段。同時(shí)，在周期性等速檢測(cè)、新建鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試等工作中豐富了一項(xiàng)重要的接觸網(wǎng)安全性檢測(cè)項(xiàng)目，為新建高速鐵路及提速線路的行車安全提供保障，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和前景。

圖3 數(shù)據(jù)采集處理框架

圖4 定位器坡度檢測(cè)系統(tǒng)軟件處理界面

[1] 鐵道部．接觸網(wǎng)運(yùn)行檢修規(guī)程[S]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2007

[2] 鐵道部．高速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行檢修暫行規(guī)程[S]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2011

[3] 于萬聚．高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M]．成都：西南交通大學(xué)出版社，2003

[4] 中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司．電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2003

[5] David A Forsyth，Jean Ponce. Computer Vision：A Modern Approach[M]. New Jersey：Prentice Hall，2003

[6] E R Davies. Machine Vision：Theory，Algorithms，Practicalities[M]. Third Edition. Singapore：Elsevier，2005