相機(jī)設(shè)備在城市軌道交通弓網(wǎng)監(jiān)測中的應(yīng)用及分析

何東江

（蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 列車受電弓監(jiān)測概念

城市軌道建設(shè)在不斷發(fā)展當(dāng)中，許多城市的城市軌道交通漸漸形成網(wǎng)絡(luò)，為人們的出行提供便利。城市軌道交通車輛是城市軌道交通的載客主體，車輛的安全性、高效性、穩(wěn)定性則是車輛運行的基礎(chǔ)保障，作為從接觸網(wǎng)取流，為列車提供電能的高壓集電系統(tǒng)在車輛運行中尤為重要。

直流牽引供電方式是城市軌道交通運行車輛采用的主要供電方式，在這當(dāng)中車輛的受流設(shè)備分為受電弓和集電靴2種形式，即受流設(shè)備是車輛的正極，而回流設(shè)備便是車輛的負(fù)極。以地鐵列車常用的受流設(shè)備受電弓為例，地鐵列車?yán)冒惭b在車頂?shù)氖茈姽瓘募芸战佑|網(wǎng)系統(tǒng)[1]獲得電能，以牽引列車運行。它通過絕緣子安裝在地鐵列車的車頂上，是一種鉸接式的機(jī)械構(gòu)件。當(dāng)受電弓升起時，碳滑板與架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)直接接觸，從架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)上受取電流，并通過車頂母線傳送至地鐵列車的內(nèi)部，供列車使用。在列車運行時受電弓最重要的特性是設(shè)計的時候要滿足車輛在各種的軌道狀態(tài)下車輛受流設(shè)備要和架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)具有良好的接觸狀態(tài)和接觸穩(wěn)定性，保障軌道車輛在整個線路速度范圍內(nèi)車輛受流設(shè)備都必須具備良好的動力學(xué)性能，包括最大可運行速度和最大規(guī)定逆風(fēng)時具有良好的空氣動力學(xué)特性。

作為列車安全運行的重要設(shè)備，從故障預(yù)防、故障檢修、設(shè)備保養(yǎng)的角度出發(fā)，運用各種設(shè)備對受電弓及架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的記錄和分析，通過數(shù)據(jù)間的異常來判定故障的原因，為設(shè)備的檢修和維護(hù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 受電弓監(jiān)測設(shè)備

弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)測出受電弓與架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)之間的異常，弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)對弓網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息儲存，將實時數(shù)據(jù)接收并反饋給地面服務(wù)器，經(jīng)過特定的專業(yè)系統(tǒng)統(tǒng)計，分析采集到的數(shù)據(jù)，配合現(xiàn)場查看確定故障原因，為檢修提供數(shù)據(jù)資料。

接觸網(wǎng)系統(tǒng)分為架空供電軌和架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)，地鐵正線常用架空供電軌；架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)則分布于車輛段場及出入段場線路。因線路、環(huán)境條件的不同對受電弓及接觸網(wǎng)的監(jiān)測包含區(qū)域固定監(jiān)測和列車實時監(jiān)測，以此來對接觸狀態(tài)和接觸穩(wěn)定性監(jiān)測。

3 弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備分類

弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)[2]是安裝于列車上的由多個設(shè)備組成的集成設(shè)備，從結(jié)構(gòu)和安裝布局總體分為車頂監(jiān)測設(shè)備、車內(nèi)數(shù)據(jù)處理設(shè)備和地面服務(wù)器。

弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)通過攝像頭或相機(jī)對弓網(wǎng)成像、拍攝弓網(wǎng)紅外熱成像圖片、采集弓網(wǎng)燃弧紫外光子數(shù)量和密度、有效定位接觸網(wǎng)系統(tǒng)懸掛裝置的位置、拍攝接觸網(wǎng)系統(tǒng)懸掛圖像、多次測量懸掛幾何參數(shù)、對采集的數(shù)據(jù)缺陷進(jìn)行識別、對有效數(shù)據(jù)分析和存儲數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的匯總報告、形成有效的數(shù)據(jù)庫。

3.1 車頂監(jiān)控設(shè)備

車頂監(jiān)控設(shè)備是通過加裝在車頂受電弓附近，監(jiān)測范圍內(nèi)可以通過受電弓狀態(tài)檢測、接觸懸掛檢測、接觸網(wǎng)檢測的模塊。將弓網(wǎng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過車頂?shù)脑O(shè)備將此項數(shù)據(jù)傳輸至列車相應(yīng)的模塊當(dāng)中。實現(xiàn)對受電弓實時圖像及熱紅外圖像實時采集分析功能；對接觸線圖像進(jìn)行采集分析，對接觸網(wǎng)系統(tǒng)懸掛圖像進(jìn)行采集分析；對受電弓紫外光子進(jìn)行統(tǒng)計；對受電弓滑板磨耗、中心線偏移、受電弓工作壓力等關(guān)鍵性參數(shù)的在線監(jiān)測和對車頂異物、車頂關(guān)鍵部件缺失、變形等異常檢測功能。

3.2 車內(nèi)數(shù)據(jù)處理設(shè)備

在每個受電弓所在車廂內(nèi)，安裝一個服務(wù)器，對車頂處理單元傳輸?shù)母黜棓?shù)據(jù)進(jìn)行接收匯總，通過車輛信號接口，將圖像壓縮、存儲、顯示、缺陷實時分析、報警等各類信息傳輸至車輛系統(tǒng)中，通過人機(jī)顯示界面顯示直觀數(shù)據(jù)，人員可以實時進(jìn)行觀測。

3.3 地面服務(wù)器

地面服務(wù)器通過安裝于線路上的定點設(shè)備將車輛上已采集、壓縮的圖像下載傳輸至相對應(yīng)的軟件系統(tǒng)當(dāng)中，軟件系統(tǒng)將信息傳輸?shù)娇刂浦行摹④囕v段場、車站控制室所在的接收服務(wù)器當(dāng)中，通過相應(yīng)的軟件進(jìn)行再次深度分析處理及歷史結(jié)果對比分析，得出輸出缺陷報表等數(shù)據(jù)。

4 主要設(shè)備介紹

4.1 攝像頭實時監(jiān)控

攝像頭實時監(jiān)控是在車頂受電弓平臺位置加裝一個獨立的攝像頭如圖1所示，列車帶電狀態(tài)時啟動，可以對受電弓的狀態(tài)及列車運行時受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)的接觸狀態(tài)進(jìn)行實時動態(tài)拍攝，通過客室媒體網(wǎng)關(guān)將模擬視頻圖像數(shù)字編碼，通過列車以太網(wǎng)絡(luò)傳輸至司機(jī)室媒體服務(wù)器存儲并在顯示器上顯示，實時監(jiān)視受電弓情況及數(shù)據(jù)備案查詢。

圖1 攝像頭安裝位置

4.2 遠(yuǎn)紅外相機(jī)

遠(yuǎn)紅外相機(jī)在列車運行當(dāng)中對受電弓、接觸網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行拍攝，形成熱成像，監(jiān)測受電弓碳滑板與接觸網(wǎng)接觸狀態(tài)的位置，在城市軌道車輛帶電后遠(yuǎn)紅外相機(jī)可以對受電弓實時拍攝，實時觀測弓網(wǎng)溫度的變化，檢測出弓網(wǎng)溫度的異常點。優(yōu)點在于其具備較高的分辨率和采樣頻率，能夠在溫度圖像上運用圖像處理方法分辨出線夾、定位器等接觸網(wǎng)設(shè)備的形狀，在列車允許最大速度范圍之內(nèi)可以清晰采集到所需要的設(shè)備動態(tài)紅外圖像。

以常見的紅外檢測設(shè)備在城市軌道車輛上的實驗為例：測試時閉合設(shè)備電源，啟動圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像軟件；通過操作軟件，判斷紅外熱像儀是否可以拍攝熱成像圖片；利用可檢測的物體為模擬物，模擬出一定的溫度值，取30 ℃和60 ℃，通過紅外測溫模塊檢測模擬物的溫度是否和檢測的溫度一致。結(jié)果判定：能正常拍攝熱成像圖片，并輸出溫度檢測值，誤差在2 ℃范圍內(nèi)。

4.3 線陣相機(jī)

線陣相機(jī)[3]是利用一臺或多臺相機(jī)對同一物體進(jìn)行連續(xù)掃描，有著檢測連續(xù)的特性，雖然成像為二維圖像，但二維圖像有極大的長度和寬度，被測視野為細(xì)長的帶狀檢測，有著極大的視野精度，可以通過激發(fā)裝置多次激發(fā)相機(jī)，進(jìn)行拍照，再將所拍下的多幅“條”形圖像，合并成一張巨大的圖。

將2個線陣相機(jī)放置于車頂受電弓兩側(cè)，分別在左右兩側(cè)對接觸懸掛進(jìn)行拍攝，條形光源安置在相機(jī)中間，通過分析接觸網(wǎng)在兩個線陣相機(jī)的位置，利用雙目視覺原理，計算接觸網(wǎng)幾何參數(shù)。采用線陣相機(jī)對運行線路的剛性懸掛沿線裝置成像。再配合智能識別算法，可以自動查找出懸掛裝置存在的安全隱患。

4.4 離線燃弧檢測

根據(jù)弓網(wǎng)關(guān)系調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，弓網(wǎng)設(shè)備的主要故障存在于弓網(wǎng)燃弧[4]，弓網(wǎng)燃弧后的結(jié)果主要體現(xiàn)在2個方面：

（1）在弓網(wǎng)燃弧發(fā)生時，會影響弓網(wǎng)的受流質(zhì)量。

（2）在弓網(wǎng)燃弧發(fā)生時，會磨損接觸網(wǎng)線和增加碳滑板磨耗，影響弓網(wǎng)運行關(guān)系。

通過對太陽光和燃弧弧光光譜的采集數(shù)據(jù)分析，通過日盲紫外檢測手段，既能完成對線路運行時的燃弧檢測，又不受外界運行環(huán)境的干擾。通過采集日盲紫外鏡頭匯聚燃弧日盲紫外光子，將日盲紫外光子引導(dǎo)到日盲紫外傳感器上，經(jīng)過日盲紫外光子撞擊探測儀產(chǎn)生電信號，采取電信號的比對，實驗顯示每一次出現(xiàn)光子強(qiáng)度尖峰就意味著會發(fā)生一次燃弧。而且產(chǎn)生的尖峰越高，則相對應(yīng)燃弧的強(qiáng)度就會越大，同一時間產(chǎn)生的尖峰越寬，則表明燃弧時間越長。

4.5 圖像線掃技術(shù)

在車輛行駛的開闊區(qū)域，架設(shè)一座動態(tài)監(jiān)測裝置，在動態(tài)條件下對車輛進(jìn)行圖像線掃。圖像線掃技術(shù)是對車型和關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，使用計算機(jī)形成各種車輛車頂結(jié)構(gòu)的概念信息、數(shù)據(jù)模塊，來自動獲取車頂和車側(cè)、車頂走行部的高品質(zhì)圖片，使計算機(jī)形成各種車輛車頂結(jié)構(gòu)的概念信息、數(shù)據(jù)模板。在實際檢測過程中，通過對目標(biāo)物體的結(jié)構(gòu)分析，判斷目標(biāo)物是否存在異常，從而來判斷分析的設(shè)備是否存在異常。

5 基礎(chǔ)設(shè)備研究分析

5.1 線路條件和環(huán)境因素對相機(jī)的設(shè)備運行影響

以常用的相機(jī)為例，相機(jī)在城市軌道車輛弓網(wǎng)監(jiān)測當(dāng)中使用的范圍相當(dāng)廣泛，相機(jī)拍攝的高清圖像質(zhì)量在數(shù)據(jù)采集分析環(huán)節(jié)中起著很大的作用。因線路條件的不同，大部分的城市軌道設(shè)計為地下軌道，但因地域條件限制或城市設(shè)計也存在地上軌道，這種不確定的條件會對相機(jī)拍攝圖片的明暗存在著一定的影響。

相機(jī)所拍圖片明暗因素有多種，一部分是環(huán)境導(dǎo)致的，一部分是相機(jī)本身導(dǎo)致的。

環(huán)境因素方面主要取決于光照情況以及物體對光照的反射情況，為不太依賴于自然光，一般拍照設(shè)備都附有專用光源對其所拍物體進(jìn)行補光，不同的物體其表面的吸光性能也有所不同，但在實際應(yīng)用中不能對所拍物體進(jìn)行干預(yù)，所以不對其進(jìn)行討論。為避免自然光影響過大，給設(shè)備增加補光光源以達(dá)到在黑暗的環(huán)境中能清晰拍攝到所拍物體，但在環(huán)境光照強(qiáng)烈的場景，物體的反射光會連同補光光源的光照一起反射給相機(jī)，不同的環(huán)境光照物體的反射光也不盡相同。但物體本身的反光性能不能左右，能控制所拍圖片的明暗程度就只能由相機(jī)本身因素確定。

5.2 不同線路條件下的相機(jī)調(diào)試與分析研究

對相機(jī)調(diào)試的研究分析主要體現(xiàn)在進(jìn)光量（鏡頭光圈的調(diào)節(jié)）、曝光時間（成像靶面對光照的積分時間）以及模數(shù)轉(zhuǎn)換時的物理增益（相對于轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后的數(shù)字增益）。數(shù)字增益可在圖像處理上實現(xiàn)。若采用固定的曝光量，固定的曝光時間，則無法滿足環(huán)境光變化過大的光照環(huán)境（隧道口，站區(qū)），且增加增益會導(dǎo)致圖片的噪點（一些信號中不帶有信息的干擾）增加，為保障圖片的質(zhì)量就只能是調(diào)節(jié)相機(jī)的曝光時間（鏡頭一般使用工業(yè)級鏡頭采用固定光圈）。

為適應(yīng)不同的環(huán)境光照情況，相機(jī)需使用動態(tài)的曝光時間設(shè)置。動態(tài)曝光時間可以通過前一張或是前幾張圖片的明暗信息計算出當(dāng)前照片需曝光的時間。但在環(huán)境光突變（隧道口，站區(qū)）時前后圖片的明暗程度會出現(xiàn)較大的落差，此時再通過前幾張圖片的信息判斷當(dāng)前張圖片的曝光時間不再適用，且可能會出現(xiàn)因曝光時間不合適導(dǎo)致的圖片全白（過爆）或圖片全暗情況。為避免出現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的曝光時間過長或過短情況，在自動調(diào)節(jié)曝光時間上需增加一個范圍，自動曝光時間只能在區(qū)間內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得圖片不會太暗或是太亮。為規(guī)定自動曝光時間的區(qū)間，需計算出相機(jī)所設(shè)置的最大曝光時間和最小曝光時間。

（1）最大曝光時間和最小曝光時間計算在調(diào)試前給相機(jī)默認(rèn)最大曝光時間和最小曝光時間，并統(tǒng)計設(shè)備運行之后一段時間（爭取覆蓋全線路各種情況）的自動曝光時間值和所拍圖片的明暗程度。通過對最亮的照片和最暗的照片所對應(yīng)的曝光值進(jìn)行對比分析后，調(diào)節(jié)最大曝光時間和最小曝光時間，調(diào)節(jié)時不能幅度太大，可遵循PID調(diào)節(jié)（經(jīng)典控制理論中控制系統(tǒng)的一種基本調(diào)節(jié)方式，是具有比例、積分和微分作用的一種線性調(diào)節(jié)規(guī)律），最終全線路能達(dá)到最好的拍照效果。

（2）實現(xiàn)軟件鏈接到相機(jī)，按相機(jī)觸發(fā)頻率采集圖像。軟件每間隔0.5～1 s抽取一張圖像交由算法處理，算法將返回當(dāng)前圖像需要調(diào)整的絕對曝光值。軟件得到絕對曝光值后，將該值與相機(jī)當(dāng)前的曝光值傳給算法，算法將返回曝光需要調(diào)整到的目標(biāo)值；軟件設(shè)置相機(jī)的曝光為算法返回的值。相機(jī)是一種高頻采樣設(shè)備，頻繁設(shè)置曝光，會使拍攝圖像的噪聲非常大，拍攝效果較差。因此不能把圖像都交給算法處理，并設(shè)置曝光。根據(jù)大量的實踐經(jīng)驗抽取最后一張圖像，調(diào)用算法處理，并設(shè)置曝光，這樣動態(tài)調(diào)整曝光，達(dá)到的拍攝效果最好。

6 結(jié)論

車載弓網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備是弓網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)，文章對車載弓網(wǎng)監(jiān)測中的相機(jī)運用進(jìn)行簡述，并進(jìn)行實驗分析，相機(jī)在城市軌道車輛弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中有著重要的位置，其以最直觀的圖像方式體現(xiàn)弓網(wǎng)關(guān)系，在列車上的調(diào)試可以看出，線路條件不同、環(huán)境因素的不同，采取相對應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)備來監(jiān)測，可以使采集的數(shù)據(jù)更加貼合線路需求，從而更好地為弓網(wǎng)檢測提供參考。