基于視覺的鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方法

彭登全，劉小溪，張金紅，景江，聶晶鑫

[摘? ? 要]針對鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測的需要，提出了一種基于視覺的鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方法。該方法利用結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)獲取接觸網(wǎng)幾何特征圖像，通過模板匹配的方法獲取圖像中的檢測點(diǎn)，帶入成像公式求出接觸網(wǎng)導(dǎo)高與拉出值。應(yīng)用方面，在西安地鐵1號線、大西高鐵（西安北段）線路延長線上進(jìn)行了線路測試。結(jié)果表明，基于視覺的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方法精度高、穩(wěn)定性好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測;結(jié)構(gòu)光視覺測量;模板匹配

[中圖分類號]U225 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–0–02

Vision-Based Detection Method of Railway Catenary Geometric Parameters

Peng Deng-quan，Liu Xiao-xi，Zhang Jin-hong，Jing Jiang，Nie Jing-xin

[Abstract]Aiming at the need of detecting geometrical parameters of railway catenary， a vision-based method for detecting geometrical parameters of railway catenary is proposed. The method uses structured light vision measurement system Acquire the geometric feature image of the catenary， obtain the detection points in the image by the method of template matching， and bring in the imaging formula to calculate the catenary conduction height and pull-out value. In terms of application， in Xi’an Metro Line 1，A line test was carried out on the extension line of the Daxi high-speed railway （Xi'an north section）. The results show that the vision-based method for detecting geometric parameters of the catenary has high accuracy and good stability， and has broad application prospects.

[Keywords]detection of catenary geometric parameters; structured light vision measurement; template matching

接觸網(wǎng)導(dǎo)線通過與電力機(jī)車受電弓的直接接觸，將電能傳遞到車輛，保證連續(xù)可靠的的電流供應(yīng)。接觸線與受電弓之間接觸性能的好壞直接影響車輛取流質(zhì)量。導(dǎo)高和拉出值是兩個(gè)最為重要的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)[1]，需要控制在一定的范圍內(nèi)。導(dǎo)高過高，會導(dǎo)致受電弓離線產(chǎn)生電弧燒損接觸線和受電弓，導(dǎo)高過低則會危及人員的安全。導(dǎo)高變化率過大時(shí)，容易產(chǎn)生電弧影響受流質(zhì)量加大滑板磨損。拉出值過大會造成刮弓、斷線等事故，過小會造成滑板的局部磨損。在電氣化鐵路的日常運(yùn)營維護(hù)中，定期測量接觸網(wǎng)的導(dǎo)高和拉出值對保障線路的正常運(yùn)行十分必要[2-3]。

基于視覺的鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方法，利用激光器和面陣相機(jī)通過光學(xué)原理測量出接觸網(wǎng)的導(dǎo)高和拉出值，相較于傳統(tǒng)的人工定點(diǎn)檢測，具有自動(dòng)化程度高、動(dòng)態(tài)精度好、檢測速度快等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場價(jià)值[4-5]。

1 系統(tǒng)測量基本原理

文章介紹的接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)其測量原理基于結(jié)構(gòu)光測量法，使用單臺面陣相機(jī)和單臺線激光器，構(gòu)成接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)。面陣相機(jī)與線激光器的安裝位置關(guān)系如圖1所示。線激光器所在平面與參考平面垂直，并朝上方照射，形成結(jié)構(gòu)光特征。面陣相機(jī)光軸與參考平面成一定夾角，相機(jī)光心點(diǎn)位置參考平面上。通過相機(jī)采集接觸網(wǎng)表面特征圖像，通過圖像處理算法提取出待測特征點(diǎn)信息，帶入成像公式計(jì)算出所需的導(dǎo)高和拉出值[6-7]。測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如下：

（1）

式（1）中，Height為接觸網(wǎng)導(dǎo)高值（即接觸網(wǎng)線下切點(diǎn)距離軌頂面距離），Stagger為接觸網(wǎng)拉出值（接觸網(wǎng)線下切點(diǎn)距離軌道中線距離），（x，y）為接觸網(wǎng)線邊緣點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，pi，qi，ci，di為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用全站儀輔助二軸線性滑臺標(biāo)定得出。如圖2所示，表達(dá)了圖像坐標(biāo)點(diǎn)與拉出值、導(dǎo)高值之間的關(guān)系。

圖中，圖像的（x，y）坐標(biāo)利用圖像提取算法得出。圖1（a）表明，檢測設(shè)備的導(dǎo)高基本只與圖像的y軸坐標(biāo)值有關(guān)，但是考慮到相機(jī)系統(tǒng)的安裝不對稱性（相機(jī)相對于理想安裝平面發(fā)生橫滾、橫擺運(yùn)動(dòng)）。

圖1（b）表明，檢測設(shè)備的拉出值與圖像的（x，y）坐標(biāo)同時(shí)相關(guān)，其映射關(guān)系可用扭轉(zhuǎn)曲面表示。值得注意的是，該扭轉(zhuǎn)面表明了相機(jī)系統(tǒng)的安裝不對稱性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)采用二軸線性滑臺進(jìn)行標(biāo)定。在設(shè)備測量范圍內(nèi)，標(biāo)志件在滑臺上以等間距沿拉出值、導(dǎo)高方向移動(dòng)，然后利用全站儀測算出滑臺的設(shè)備坐標(biāo)系和接觸網(wǎng)設(shè)備坐標(biāo)系兩者的轉(zhuǎn)換關(guān)系，用該關(guān)系批量計(jì)算標(biāo)志件的導(dǎo)高與拉出值，實(shí)現(xiàn)快速標(biāo)定。滑臺與接觸網(wǎng)檢測設(shè)備的空間位置關(guān)系見圖3。

3 接觸網(wǎng)特征圖像提取方法

由于接觸網(wǎng)圖像特征區(qū)域位于相機(jī)圖像的最下方，因此需要設(shè)計(jì)以下算法用于尋找接觸網(wǎng)線的下邊緣位置，采用模板匹配法提取接觸網(wǎng)特征。

3.1 連通域匹配

通過模板匹配篩選出接觸網(wǎng)線與接觸網(wǎng)線安裝座所在圖片區(qū)域ROIa。模板匹配中，由1 000張接觸網(wǎng)邊緣點(diǎn)所在圖像平均而成。

3.2 接觸網(wǎng)線區(qū)分割

通過對該圖像區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步處理，所示的接觸網(wǎng)線區(qū)域ROIb。通過分解計(jì)算找到接觸網(wǎng)最佳邊緣點(diǎn)，帶入系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型求解出接觸網(wǎng)幾何參數(shù)。

4 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證基于視覺的鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方法，系統(tǒng)在西安地鐵1號線延長線和大西高鐵（西安北段）線路延長線進(jìn)行了線路測試，測量距離1KM，采用人力推動(dòng)檢測系統(tǒng)采集地鐵接觸網(wǎng)圖像，采用自由觸發(fā)捕獲圖像。圖像處理結(jié)果與傳統(tǒng)的灰度重心法做比較。

對測試現(xiàn)場采集模式下獲取得到得圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到接觸網(wǎng)空間位置特征點(diǎn)坐標(biāo)。其中，x，y基于模板匹配法求出的下邊緣坐標(biāo)，xc，yc分別重心法求出的下邊緣橫向、縱向坐標(biāo)，圖中橫坐標(biāo)為測試點(diǎn)號。

用模板匹配法與灰度重心法結(jié)果做差，則得到相對變化曲線。為了分析基于模板匹配法計(jì)算得到的坐標(biāo)穩(wěn)定性，取該段數(shù)前5 000個(gè)數(shù)進(jìn)行分析。曲線的前半段較為緩和，而后半段波動(dòng)較大，而該波動(dòng)是由檢測設(shè)備的加速運(yùn)動(dòng)造成，從統(tǒng)計(jì)值看，xdiff的標(biāo)準(zhǔn)差為2.39，ydiff標(biāo)準(zhǔn)差為1.39，滿足精度要求，而且高于標(biāo)準(zhǔn)值，因此，基于模板匹配的方法可以獲得穩(wěn)定的導(dǎo)高值。

5 結(jié)論

本文針對電氣化鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測問題，提出了一種基于視覺的鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方法，設(shè)計(jì)了一套測量系統(tǒng)并進(jìn)行了線路試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于視覺測量的地鐵接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方法能夠準(zhǔn)確提取地鐵接觸網(wǎng)幾何特征，且圖像提取精度及穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)的灰度重心法，且精度優(yōu)于3 mm（標(biāo)準(zhǔn)為5 mm及以上）。

另外相對于傳統(tǒng)的定點(diǎn)人工測量方式，本文檢測方法具有非接觸、實(shí)時(shí)檢測、動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)，大幅度地提高了測試精度和工作效率，檢測設(shè)備集中化程度高，安裝方便，適用范圍廣，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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