接觸網(wǎng)成像檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用

■ 盧海燕 游誠(chéng)曦

接觸網(wǎng)沿鐵路露天架設(shè)，無(wú)備用，一旦發(fā)生設(shè)備故障將直接中斷行車。特別是在繁忙的線路，當(dāng)發(fā)生范圍較大的接觸網(wǎng)設(shè)備故障時(shí)，不僅造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重干擾鐵路的正常運(yùn)輸秩序。因此在電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，必須提前進(jìn)行一系列的接觸網(wǎng)檢測(cè)工作，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并處理問(wèn)題，確保接觸網(wǎng)運(yùn)行可靠。隨著我國(guó)高鐵線路不斷開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，對(duì)接觸網(wǎng)的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)方式也呈多樣化發(fā)展，如對(duì)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的弓網(wǎng)綜合檢測(cè)裝置及車載接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)裝置，也有主要對(duì)接觸網(wǎng)外部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的接觸網(wǎng)安全巡檢裝置。目前，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)，主要依靠接觸網(wǎng)成像檢測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）對(duì)接觸網(wǎng)支持定位裝置的零部件實(shí)施高精度成像檢測(cè)、分析，指導(dǎo)接觸網(wǎng)故障隱患的消缺。通過(guò)近幾年接觸網(wǎng)成像檢測(cè)系統(tǒng)在高鐵線路上的運(yùn)用，提前發(fā)現(xiàn)了大量接觸網(wǎng)缺陷隱患，并進(jìn)行了有效整治處理，充分體現(xiàn)了該系統(tǒng)在保障行車安全方面的重要作用。

1 接觸網(wǎng)成像檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

接觸網(wǎng)成像檢測(cè)系統(tǒng)目前重點(diǎn)運(yùn)用在高鐵線路上，主要安裝在接觸網(wǎng)作業(yè)車或接觸網(wǎng)檢測(cè)車車廂頂部，用于拍攝電氣化鐵路接觸網(wǎng)支持定位裝置的光學(xué)圖像系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在不打亂運(yùn)輸秩序的情況下，利用線路正常的檢修作業(yè)時(shí)間，在一定運(yùn)行速度下，對(duì)接觸網(wǎng)支持定位裝置的零部件進(jìn)行精確定位和高精度成像檢測(cè)，同時(shí)采用人機(jī)結(jié)合的方式對(duì)檢測(cè)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別，形成維修建議，指導(dǎo)接觸網(wǎng)故障隱患的消缺。

1.2 工作原理

主要采用高速運(yùn)動(dòng)的定位觸發(fā)及圖像抓拍技術(shù)，圖像采集及存儲(chǔ)技術(shù)。首先通過(guò)視頻流分析法找到接觸網(wǎng)支持定位裝置上空間位置相對(duì)恒定的特征物，以此作為觸發(fā)抓拍的標(biāo)志；通過(guò)特征物的靜態(tài)圖像標(biāo)定觸發(fā)距離，然后用動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)來(lái)修正補(bǔ)償誤差；同時(shí)在系統(tǒng)中配備一系列高分辨數(shù)字工業(yè)相機(jī)組合，產(chǎn)生海量圖像數(shù)據(jù)，應(yīng)用大容量磁盤(pán)陣列和千兆網(wǎng)靜態(tài)鏈路匯聚相結(jié)合的技術(shù)，保證及時(shí)無(wú)誤地存儲(chǔ)圖像。

1.3 系統(tǒng)功能

（1）在列車運(yùn)行時(shí)采用高幀率相機(jī)對(duì)沿線接觸網(wǎng)支持定位裝置進(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)支持定位裝置位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

（2）對(duì)隧道外接觸網(wǎng)支柱和隧道內(nèi)定位立柱桿號(hào)準(zhǔn)確抓拍，并自動(dòng)識(shí)別桿號(hào)（見(jiàn)圖1、圖2）。

（3）自動(dòng)抓拍接觸網(wǎng)支持定位裝置正反兩面全局圖像及局部關(guān)鍵圖像。根據(jù)研究，認(rèn)為對(duì)接觸網(wǎng)支持定位裝置進(jìn)行整體成像對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)零部件出現(xiàn)“松、缺、斷、脫、裂”、絕緣閃絡(luò)等缺陷極其重要。同時(shí)，為了確保人機(jī)檢查判別故障時(shí)能夠清晰準(zhǔn)確，還有必要對(duì)接觸網(wǎng)支持定位裝置關(guān)鍵部位進(jìn)行局部高清成像。經(jīng)過(guò)分析，對(duì)接觸網(wǎng)支持定位裝置局部關(guān)鍵部位進(jìn)行了劃分（見(jiàn)表1、圖3）。

（4）自動(dòng)檢測(cè)列車車身傾角，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X、Y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0.05 mm/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)

1.4.1 高速圖像采集精確定位技術(shù)

圖1 隧道外采集桿號(hào)

圖2 隧道內(nèi)采集桿號(hào)

系統(tǒng)選用的定位信息采集相機(jī)幀頻高達(dá)120 f/s，定位相機(jī)的幀率越高每?jī)蓭瑘D像之間的空間距離就越小，圖像算法處理后的距離精度就越高，當(dāng)檢測(cè)車在以20 m/s的速度運(yùn)行時(shí)，如果采用120 f/s的高速相機(jī)進(jìn)行圖像采集則每一幀圖像的距離為17 cm。而定位信息采集相機(jī)采集接觸網(wǎng)位置信息最大的誤差只有一幀，進(jìn)行定位觸發(fā)拍攝的誤差則為17 cm，這個(gè)長(zhǎng)度對(duì)于抓拍相機(jī)的曝光影響很小，實(shí)際運(yùn)用中，系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)抓拍到的圖像都比較清晰。系統(tǒng)在列車運(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 f/s，能夠適應(yīng)的列車運(yùn)行速度為0～160 km/h。桿號(hào)定位原理見(jiàn)圖4。

表1 全局相機(jī)及各局部相機(jī)拍攝圖像覆蓋區(qū)域

圖3 接觸網(wǎng)支持定位裝置全局圖像

圖4 桿號(hào)定位原理

1.4.2 LED頻閃光源技術(shù)

LED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，只在相機(jī)抓拍時(shí)進(jìn)行光源補(bǔ)償。這種工作方式使補(bǔ)償光源具有功率小、發(fā)熱量小、瞬間亮度更高的優(yōu)點(diǎn)，可以在列車高速運(yùn)行時(shí)使相機(jī)工作在小快門(mén)、小光圈的情況下，確保抓拍圖像無(wú)拖影。

1.4.3 高速高清圖像采集技術(shù)

系統(tǒng)采用高分辨率網(wǎng)絡(luò)接口的CCD相機(jī)作為相機(jī)陣列，單個(gè)相機(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。系統(tǒng)采用高性能多擴(kuò)展服務(wù)器技術(shù)，每臺(tái)最多可負(fù)載24臺(tái)高清分辨率相機(jī)，完全滿足多陣列相機(jī)圖像采集需求，系統(tǒng)只用2臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器就完成了過(guò)去需要16臺(tái)計(jì)算機(jī)完成的任務(wù)量。

2 系統(tǒng)運(yùn)用

2.1 運(yùn)用情況

系統(tǒng)研制成功后進(jìn)行了大范圍的測(cè)試和運(yùn)用，2010年8月—2013年12月，先后對(duì)武廣高鐵、海南東環(huán)鐵路、廣珠城際鐵路、廣深港高鐵進(jìn)行了9次的成像檢測(cè)，共獲取接觸網(wǎng)圖片4 264 695張，發(fā)現(xiàn)各類缺陷8 008處，充分體現(xiàn)了科技保安全的強(qiáng)大作用。發(fā)現(xiàn)的主要缺陷類型有：定位器等電位線螺栓缺失、松動(dòng)、本線斷股，絕緣子有閃絡(luò)燒傷，開(kāi)口銷缺失，接觸網(wǎng)零部件安裝未處于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，承力索支座平衡線缺失，承力索支撐線夾裝反，旋轉(zhuǎn)雙耳斷裂，防風(fēng)拉線不受力等。檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)的接觸網(wǎng)設(shè)備缺陷案例見(jiàn)圖5。

2.2 系統(tǒng)檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)的缺陷問(wèn)題匯總分析

系統(tǒng)采用可見(jiàn)光成像為核心的檢測(cè)技術(shù)對(duì)接觸網(wǎng)支持定位裝置狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)清晰準(zhǔn)確抓拍到的圖像，配合獲取的圖像位置信息分析，可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地的掌握某時(shí)某地某個(gè)接觸網(wǎng)支持定位裝置的動(dòng)態(tài)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，可以及時(shí)檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)支持定位裝置的“松、脫、缺、裂、閃絡(luò)”等不良狀態(tài)，并及時(shí)指導(dǎo)作業(yè)人員對(duì)缺陷設(shè)備進(jìn)行處理，消除接觸網(wǎng)故障的發(fā)生。對(duì)2010—2013年武廣高鐵前后7次成像檢測(cè)分析結(jié)果進(jìn)行匯總，從表2可以看出，經(jīng)過(guò)多輪的檢測(cè)分析和設(shè)備整治，缺陷問(wèn)題從當(dāng)初的近2 000個(gè)減少至40個(gè)左右，缺陷問(wèn)題在每一次檢測(cè)、整治后都呈大幅度減少，且近3次檢測(cè)未再發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的A類及B類問(wèn)題，均以安裝工藝不標(biāo)準(zhǔn)、不影響設(shè)備運(yùn)行的C類問(wèn)題為主。

圖5 接觸網(wǎng)設(shè)備缺陷案例

表2 武廣高鐵長(zhǎng)沙供電段管內(nèi)成像檢測(cè)分析缺陷問(wèn)題匯總

2.3 系統(tǒng)運(yùn)用效率與人工檢測(cè)對(duì)比分析

系統(tǒng)基于接觸網(wǎng)的高清可見(jiàn)光圖像進(jìn)行檢測(cè)分析，具有速度快、效率高的優(yōu)勢(shì)，與人工登桿檢測(cè)作業(yè)相比有明顯的優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)表3）。

表3 人工登桿檢測(cè)與成像檢測(cè)對(duì)比

2.4 運(yùn)用效果

目前電氣化鐵路接觸網(wǎng)檢測(cè)的自動(dòng)化程度仍然較低，日常對(duì)接觸網(wǎng)的檢測(cè)與維護(hù)大多是采用人工登桿檢測(cè)方式，維護(hù)效率比較低，系統(tǒng)基于接觸網(wǎng)的高清可見(jiàn)光圖像進(jìn)行檢測(cè)，以檢測(cè)車的模式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了快速對(duì)接觸網(wǎng)支持定位裝置進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，大大降低了人工檢測(cè)的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地提高了對(duì)接觸網(wǎng)支撐定位裝置的檢測(cè)效率和頻度，具有速度快、效率高的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)將成像檢測(cè)分析技術(shù)運(yùn)用到接觸網(wǎng)的日常巡檢和維保工作中，可以進(jìn)一步改善鐵路職工的工作條件，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率；此外，基于接觸網(wǎng)高清數(shù)字圖像的成像檢測(cè)可以建立接觸網(wǎng)支柱檔案，有利于接觸網(wǎng)管理的信息化水平，對(duì)于提高電氣化鐵路供電系統(tǒng)的安全保障水平，具有重要意義。

3 總結(jié)與展望

采用圖像檢測(cè)手段對(duì)接觸網(wǎng)支持定位裝置進(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)人員的工作勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率，對(duì)于確保鐵路供電安全起到了重要作用。同時(shí)積累的大量圖像及信息數(shù)據(jù)為故障分析、設(shè)備管理及數(shù)據(jù)挖掘分析提供了強(qiáng)有力的依據(jù)，為高鐵接觸網(wǎng)信息化管理提供了新手段。

系統(tǒng)對(duì)接觸網(wǎng)的缺陷排查起到了極大的促進(jìn)作用，但系統(tǒng)一次生成的圖像數(shù)據(jù)量大，圖像查看人員難以在短時(shí)間內(nèi)查看完所有的圖像，從而影響缺陷確定的周期。而且受個(gè)人情緒、視覺(jué)疲勞等人為因素影響，容易造成缺陷漏檢。針對(duì)我國(guó)近幾年電氣化運(yùn)營(yíng)里程迅速增長(zhǎng)，接觸網(wǎng)維護(hù)維修保障安全的壓力日益增長(zhǎng)的迫切需求，極有必要研究接觸網(wǎng)成像檢測(cè)圖像的實(shí)時(shí)智能分析。由于接觸網(wǎng)的支持定位裝置都有標(biāo)準(zhǔn)圖像及標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，展望今后能通過(guò)應(yīng)用算法提取接觸網(wǎng)的支持定位裝置圖像相關(guān)特征參數(shù)，并與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)或歷史圖像特征參數(shù)實(shí)施比對(duì)，從而通過(guò)計(jì)算機(jī)給出接觸網(wǎng)的支持定位裝置狀態(tài)是否正常的判斷結(jié)果，并給出非正常狀態(tài)特征及可能的缺陷形式，實(shí)時(shí)生成報(bào)表，指導(dǎo)接觸網(wǎng)維護(hù)維修工作。

[1] 于萬(wàn)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.

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部運(yùn)輸局供電部，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，西南交通大學(xué). 高速鐵路供電安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（6C）總體技術(shù)規(guī)范[S]. 北京，2012.

[3] 趙俊彥，任崇巍. 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[J]. 鐵道機(jī)車車輛，2012，32(3)：136-137.