地鐵接觸網(wǎng)電弧閃光的視頻檢測(cè)方法

宋大治 陸思文

1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000；

2.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210000

地鐵作為現(xiàn)代的一種重要出行方式，具有行駛速度快、不堵車、運(yùn)量大等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著無法避免的隱患，電弧閃光就是其中極為重要的一種。

軌道交通地鐵接觸網(wǎng)網(wǎng)上的電壓波動(dòng)范圍大約為1000～1800V，最大持續(xù)電流有效值大約為3000A，供給電客車的電流經(jīng)過走行軌返回牽引變電所，接觸網(wǎng)階牽引變電所正極，走行軌接牽引變電所負(fù)極。接觸網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)向電客車提供電能的最直接環(huán)節(jié)，其狀態(tài)直接影響著地鐵的運(yùn)營(yíng)安全[1,2]。電客車電弓與接觸網(wǎng)線接觸會(huì)對(duì)接觸網(wǎng)線產(chǎn)生機(jī)械磨損和電氣磨損，并導(dǎo)致電接觸不良等現(xiàn)象，使得接觸網(wǎng)線會(huì)產(chǎn)生電火花或電弧。同時(shí)，隨著地鐵運(yùn)行速度的不斷提高，車體的振動(dòng)加劇，受電弓和接觸線的良好接觸遭到破壞，容易造成弓網(wǎng)脫離，從未引起電弧閃光[3,4]。為了避免由此引起的重大損失，電弧閃光的檢測(cè)具有重要意義。

本文提出一種通過視頻圖像對(duì)電弧閃光現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)的方法，主要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)及其中的關(guān)鍵性算法進(jìn)行介紹。

1 電弧閃光檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

圖1為地鐵接觸網(wǎng)電弧閃光檢測(cè)系統(tǒng)的主要組成框圖。首先，利用架設(shè)在地鐵軌道附近的視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)實(shí)時(shí)采集接觸網(wǎng)的視頻畫面，將視頻傳入視頻解碼器進(jìn)行解碼，并將解碼后的視頻信號(hào)傳輸至核心處理模塊進(jìn)行處理。核心處理模塊主要完成對(duì)電弧閃光的檢測(cè)（具體檢測(cè)方法見后續(xù)），檢測(cè)中涉及的一些參數(shù)及相應(yīng)配置存放在存儲(chǔ)模塊，以便系統(tǒng)斷電重啟后可以恢復(fù)關(guān)閉前的狀態(tài)。若核心處理模塊檢測(cè)到電弧閃光發(fā)生，則報(bào)警器給出安全警示。同時(shí)，將閃光發(fā)生的相應(yīng)信息，包括發(fā)生電弧閃光的時(shí)間、路段名稱通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給后方控制臺(tái)。同時(shí)，對(duì)捕捉到的電弧閃光的圖像和視頻進(jìn)行保存?？刂婆_(tái)主要完成接收、查看、處理、刪除報(bào)警信號(hào)等功能。

圖1 地鐵電弧閃光檢測(cè)系統(tǒng)主要組成框圖

2 電弧閃光檢測(cè)算法

在上述的系統(tǒng)構(gòu)架中，核心處理模塊主要完成對(duì)地鐵接觸網(wǎng)電弧閃光現(xiàn)象的檢測(cè)，其中的電弧閃光檢測(cè)算法是整套系統(tǒng)的核心。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，電弧閃光出現(xiàn)的時(shí)間極為短暫。出現(xiàn)前和出現(xiàn)后的畫面圖像基本一致，只有在電弧閃光發(fā)生的瞬間圖像亮度才會(huì)出現(xiàn)集體上升，電弧閃光的檢測(cè)算法主要基于這一特性完成。

圖2是電弧閃光檢測(cè)算法的主要流程圖，主要包括以下幾個(gè)步驟。

圖2 電弧閃光檢測(cè)算法流程圖

（1）系統(tǒng)初始化。完成設(shè)備以及一些主要參數(shù)的初始化，使系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。

（2）配置或讀取相關(guān)參數(shù)。如果是第一次對(duì)當(dāng)前區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要設(shè)定一些基本參數(shù)，如感興趣區(qū)域的左右邊界等。如果已經(jīng)對(duì)該監(jiān)控區(qū)域設(shè)定過相關(guān)參數(shù)，則可直接進(jìn)行讀取。

（3）針對(duì)每幀圖像計(jì)算單幀狀態(tài)圖。提取每幀圖像的灰度信息，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算得到單幀狀態(tài)圖，反映的是每幀圖像各點(diǎn)的灰度信息。

（4）針對(duì)每幀圖像計(jì)算四幀狀態(tài)圖。四幀狀態(tài)圖由當(dāng)前幀圖像以及前三幀圖像的單幀狀態(tài)圖計(jì)算得到，反映的是每幀圖像中各點(diǎn)的變化情況。

（5）根據(jù)四幀狀態(tài)圖判斷閃光是否發(fā)生。若發(fā)生，則發(fā)送警報(bào)信號(hào)，并將發(fā)生電弧閃光的時(shí)間、地點(diǎn)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給后方控制臺(tái)。同時(shí)，將捕捉到的電弧閃光的圖像以及視頻證據(jù)進(jìn)行保存，以供后續(xù)查看。

在測(cè)試時(shí)，使用閃光燈模擬真正的電弧閃光。圖3為抓拍到的模擬閃光抓拍實(shí)例。由圖3可見，每次抓拍均由4幅圖像構(gòu)成。其中，第一、第二幅圖像為閃光發(fā)生前的圖像，第三幅圖像為閃光發(fā)生時(shí)的圖像，第四幅圖像為閃光發(fā)生后的圖像。通過這四幅圖像，可清晰地看出模擬閃光發(fā)生的全過程。

圖3 模擬閃光抓拍實(shí)例

3 結(jié)語

地鐵接觸網(wǎng)的電弧閃光檢測(cè)是一項(xiàng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義的研究?jī)?nèi)容。本文主要通過架設(shè)在地鐵附近的攝像機(jī)對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控，將采集到的視頻信號(hào)進(jìn)行解碼得到每幀圖片的灰度信息。通過每幀圖片的灰度信息以及前后幀圖片對(duì)應(yīng)位置間的灰度關(guān)系，判斷電弧閃光是否發(fā)生。若判斷電弧閃光發(fā)生，則發(fā)出報(bào)警信息并將相應(yīng)報(bào)警信息傳回控制臺(tái)，同時(shí)，將圖片及視頻證據(jù)進(jìn)行保存以供工作人員后續(xù)處理。