基于一種濾波跟蹤算法的剛性接觸網(wǎng)磨耗測(cè)量研究

于秋波，韓朝建，陸 軍，倪國(guó)政

（天津津鐵供電有限公司，天津 300171）

1 研究背景

城市軌道交通目前多采用剛性架空接觸網(wǎng)供電方式為地鐵列車提供電能動(dòng)力[1]。架空剛性懸掛接觸網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、可靠性高、工程實(shí)施簡(jiǎn)便、費(fèi)用低等突出優(yōu)勢(shì)。但是剛性接觸網(wǎng)磨損比較快，弓網(wǎng)磨耗嚴(yán)重將會(huì)大大減損接觸網(wǎng)及受電弓滑板的使用壽命，增加運(yùn)營(yíng)成本[2-4]，因此及時(shí)監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)磨耗數(shù)值及其增長(zhǎng)趨勢(shì)十分關(guān)鍵。

剛性接觸網(wǎng)磨耗到限后如不及時(shí)更換，會(huì)導(dǎo)致弓網(wǎng)取流不穩(wěn)定，刮磨匯流排，甚至可能導(dǎo)致匯流排燒傷、接觸網(wǎng)放炮、短路等故障，從而影響地鐵運(yùn)營(yíng)[5]。因此對(duì)于剛性接觸網(wǎng)磨耗檢測(cè)十分有必要。目前，行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的接觸網(wǎng)導(dǎo)線磨耗測(cè)量的工具有游標(biāo)卡尺和磨耗測(cè)量?jī)x，兩種方法都需要人工組裝梯車，作業(yè)人員登車頂后進(jìn)行數(shù)據(jù)的定點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)離散，工作效率低，無(wú)法達(dá)到接觸網(wǎng)磨耗數(shù)據(jù)的連續(xù)性全面檢測(cè)[6-8]。

本文以天津地鐵6 號(hào)線為例進(jìn)行剛性接觸網(wǎng)磨耗測(cè)量研究，6 號(hào)線全線剛性接觸網(wǎng)采用150 mm2的銅銀合金接觸線，全長(zhǎng)98.58 km，正線接觸網(wǎng)磨耗數(shù)值需要每3 年測(cè)量1 輪，且針對(duì)磨耗數(shù)值即將到限的點(diǎn)位需要增加測(cè)量頻率，為接觸網(wǎng)更換作業(yè)預(yù)留充足的施工協(xié)調(diào)、準(zhǔn)備時(shí)間。例如，當(dāng)接觸網(wǎng)磨耗面寬度大于13 mm 時(shí)，考慮到季節(jié)、溫濕度等環(huán)境因素會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)磨耗的突增，為保證弓網(wǎng)的正常匹配，要求受電弓碳滑板磨耗接觸線時(shí)不超過(guò)接觸線直徑，防止碳滑板刮磨匯流排，因此增加測(cè)量頻率至每2 周一次，及時(shí)關(guān)注磨耗數(shù)值。

原有測(cè)量方式每3 年需要約150 項(xiàng)作業(yè)，每次作業(yè)約10 人次，時(shí)間2 h，共計(jì)需要1 500 余人次，3 000 工時(shí)，傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法效率低，準(zhǔn)確性差，耗時(shí)耗力[9]。

因此，亟需研究一種能夠?qū)崿F(xiàn)接觸網(wǎng)磨耗狀態(tài)全面連續(xù)檢測(cè)的方法，用智能化的手段代替人工測(cè)量，提高測(cè)量效率，短時(shí)間內(nèi)掌握接觸網(wǎng)磨耗數(shù)據(jù)，全面監(jiān)控接觸網(wǎng)磨耗狀態(tài)。

相關(guān)學(xué)者對(duì)接觸網(wǎng)連續(xù)磨耗測(cè)量的方法進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[10]將光設(shè)備采集的接觸線輪廓數(shù)據(jù)利用霍夫變換擬合接觸線圓心，根據(jù)接觸線集合特點(diǎn)進(jìn)行接觸線磨耗檢測(cè)。該方法采集數(shù)據(jù)時(shí)，容易受到匯流排、焊接點(diǎn)、雜物、噪聲的干擾。文獻(xiàn)[11]根據(jù)光切法的原理，采集捕捉接觸線的輪廓圖像，通過(guò)計(jì)算接觸線輪廓空間坐標(biāo)，運(yùn)用最小二乘法計(jì)算圓心位置，通過(guò)接觸線的輪廓坐標(biāo)以及接觸線的幾何尺寸確定磨損數(shù)值。數(shù)據(jù)受噪聲影響較大，精確度不夠。文獻(xiàn)[12]基于雙目視覺(jué)原理通過(guò)高斯濾波算法提取接觸線邊界點(diǎn)，計(jì)算接觸線磨耗寬度，但光源和測(cè)量系統(tǒng)安裝精度對(duì)檢測(cè)的精度影響較大。

本文基于通道可靠性的多尺度背景感知相關(guān)濾波跟蹤算法，去除噪聲、振動(dòng)等影響，以接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)磨耗測(cè)量的技術(shù)方案代替人工測(cè)量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、全面、高效檢測(cè)接觸網(wǎng)磨耗的功能，能夠大幅提高接觸網(wǎng)磨耗測(cè)量的效率與全面管控，實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，測(cè)量效率顯著提高，精確度高，可為接觸網(wǎng)的預(yù)防性維護(hù)提供指導(dǎo)。

2 接觸網(wǎng)磨耗檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

接觸網(wǎng)磨耗檢測(cè)系統(tǒng)在既有接觸網(wǎng)檢測(cè)車上實(shí)施功能擴(kuò)展改造，實(shí)現(xiàn)基于接觸網(wǎng)檢測(cè)車為主體的接觸網(wǎng)磨耗檢測(cè)功能。

2.1 設(shè)備構(gòu)成

接觸網(wǎng)磨耗檢測(cè)系統(tǒng)由高精度線激光器、高速面陣相機(jī)，以及配套的機(jī)械、電氣裝置構(gòu)成。在接觸網(wǎng)檢測(cè)車車頂安裝高精度線激光器及高速面陣相機(jī)的組合檢測(cè)裝置；設(shè)備安裝確保不侵入設(shè)備限界。

2.2 檢測(cè)方法

檢測(cè)磨損方法示意如圖1 所示。

圖1 接觸網(wǎng)磨損檢測(cè)示意Figure 1 Rigid catenary system wear measurement

1) 檢測(cè)車運(yùn)行時(shí)，通過(guò)線激光器照射接觸網(wǎng)形成光帶，高速面陣相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝光帶輪廓。

2) 高速面陣相機(jī)拍攝視角包括拉出值在-280～280 mm 范圍內(nèi)的接觸網(wǎng)導(dǎo)線，并準(zhǔn)確測(cè)量磨耗數(shù)值。

3) 數(shù)據(jù)分析軟件能夠讀取高速面陣相機(jī)所拍攝的圖像，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后輸出接觸網(wǎng)磨耗數(shù)值。

4) 磨損量計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)顯示至人機(jī)界面，并且在超過(guò)設(shè)定的磨損閾值時(shí)報(bào)警，同時(shí)在人機(jī)界面上顯示接觸網(wǎng)磨耗數(shù)值、里程位置及實(shí)時(shí)圖像等信息。

5) 系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)存儲(chǔ)檢測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，便于查詢分析時(shí)使用。

該設(shè)備視野如圖2所示。視野范圍約為700 mm(寬)×540 mm(高)；工作距離為550 mm；視覺(jué)系統(tǒng)精度為0.1 mm；檢測(cè)車目標(biāo)運(yùn)行速度為60 km/h，連續(xù)兩張圖之間不能有目標(biāo)遺漏。

圖2 檢測(cè)方式示意Figure 2 Test method

3 接觸網(wǎng)磨耗檢測(cè)算法

本文使用一種基于通道可靠性的多尺度背景感知相關(guān)濾波跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)磨耗的連續(xù)測(cè)量。

此算法是為了有效應(yīng)對(duì)相關(guān)濾波器的邊界效應(yīng)和場(chǎng)景的復(fù)雜變化，在背景感知相關(guān)濾波框架的基礎(chǔ)上提出了該算法，該算法主要包含以下4 個(gè)方面的功能。

1) 針對(duì)單一特征分辨率不足的問(wèn)題，同時(shí)提取HOG 特征、灰度特征和CN 特征描述目標(biāo)外觀模型，增強(qiáng)目標(biāo)外觀模型的抗干擾能力。

2) 針對(duì)多通道相關(guān)濾波器通道之間相互影響的問(wèn)題，提出每個(gè)通道單獨(dú)訓(xùn)練的機(jī)制。

3) 采用通道可靠性系數(shù)衡量相關(guān)濾波器響應(yīng)圖的置信度并將其應(yīng)用于多通道響應(yīng)圖的融合，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確定位。

4) 采用尺度池方法進(jìn)行目標(biāo)尺度估計(jì)，增強(qiáng)算法對(duì)尺度變化的穩(wěn)健性。同時(shí)，選用目標(biāo)跟蹤精準(zhǔn)度(OTB)[13]數(shù)據(jù)庫(kù)中的視頻序列對(duì)所提算法進(jìn)行驗(yàn)證，并將其與近年來(lái)具有代表性的相關(guān)濾波算法進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明所提算法的性能優(yōu)于其他算法的性能。

多通道相關(guān)濾波器表達(dá)形式為

第d通道的濾波器系數(shù)h(d)是由對(duì)應(yīng)通道的響應(yīng)值除以所有通道特征響應(yīng)和得到的，并不能真實(shí)反映出每個(gè)通道特征的分辨能力。為避免上述問(wèn)題對(duì)多通道濾波器分辨能力的影響，將濾波器表達(dá)式改為

圖3 是使用普通濾波和基于通道可靠性的多尺度背景感知相關(guān)濾波跟蹤算法的區(qū)別，其中左側(cè)圖像為普通濾波算法，右側(cè)圖像為基于通道可靠性的多尺度背景感知相關(guān)濾波跟蹤算法處理的圖像。

由對(duì)比效果可以觀察出，經(jīng)過(guò)算法處理后圖像噪聲明顯降低，減小了噪聲對(duì)后續(xù)算法處理帶來(lái)的影響。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試后的數(shù)據(jù)顯示：背景過(guò)濾的成功率提升了46%，顯著降低了在惡劣環(huán)境下的干擾情況，提高了最終磨耗檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

原算法使用跟蹤過(guò)程中，濾波器的訓(xùn)練會(huì)受到目標(biāo)形變、尺度變化、遮擋等因素的影響，同時(shí)出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，因此本文中的算法對(duì)跟蹤模型進(jìn)行更新，所提算法可以有效地處理光照變化、尺度變化、遮擋等復(fù)雜因素的干擾，取得較高的跟蹤精度和成功率，其整體性能優(yōu)于其他算法。

本方案將該設(shè)備安裝于工程車上，方案實(shí)施后，選取現(xiàn)場(chǎng)50 個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行接觸網(wǎng)磨耗數(shù)據(jù)的連續(xù)測(cè)量，其中47 個(gè)點(diǎn)位與磨耗測(cè)量?jī)x數(shù)值誤差在±0.5 mm以內(nèi)，精確度高達(dá)94%。

4 接觸網(wǎng)磨耗離線處理系統(tǒng)

4.1 設(shè)備構(gòu)成

接觸網(wǎng)磨耗離線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由離線管理服務(wù)器、HMI、A4 彩色打印機(jī)及鍵盤鼠標(biāo)構(gòu)成。

4.2 系統(tǒng)功能

1) 接觸網(wǎng)磨耗離線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能自動(dòng)導(dǎo)入車載系統(tǒng)檢測(cè)并記錄到的全部異常信息。

2) 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可按接觸網(wǎng)磨耗檢測(cè)的時(shí)間、區(qū)間、里程、磨耗數(shù)值等不同分類查詢報(bào)警信息，并可依據(jù)篩選條件自動(dòng)形成報(bào)警信息統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

3) 對(duì)于每條報(bào)警信息，系統(tǒng)可顯示該報(bào)警對(duì)應(yīng)的檢測(cè)異常圖像。

4) 針對(duì)磨耗檢測(cè)歷史情況，可形成磨耗數(shù)值變化趨勢(shì)圖，用以估算接觸網(wǎng)更換時(shí)間。

5) 系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)置磨耗數(shù)值的預(yù)警值，在達(dá)到或超過(guò)該值時(shí)發(fā)出預(yù)警。

5 應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)效益

5.1 應(yīng)用效果

該研究實(shí)施后能夠更深層次地關(guān)注接觸網(wǎng)磨耗變化情況，深度了解接觸網(wǎng)磨耗變化情況，精確度高達(dá)94%。由于該研究可實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)磨耗數(shù)據(jù)的連續(xù)測(cè)量，增加測(cè)量頻次，因此還可通過(guò)多次檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的接觸網(wǎng)磨耗變化趨勢(shì)監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)狀態(tài)，當(dāng)接觸網(wǎng)磨耗增長(zhǎng)速度過(guò)快，磨耗增長(zhǎng)率超過(guò)0.5%后，記錄觀測(cè)接觸網(wǎng)磨耗檔案，及時(shí)安排人員檢查磨耗點(diǎn)位狀態(tài)，調(diào)整接觸網(wǎng)參數(shù)，可降低磨耗增長(zhǎng)率，保證接觸網(wǎng)設(shè)備運(yùn)營(yíng)安全。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

原有測(cè)量方式測(cè)量接觸網(wǎng)導(dǎo)線效率低，全線路每輪每3 年約需要150 項(xiàng)作業(yè)，每次施工約10 人次，每次施工時(shí)間2 h，共計(jì)需要1 500 余人次，3 000 工時(shí)；應(yīng)用該研究后接觸網(wǎng)導(dǎo)線測(cè)量效率得到顯著提升，全線每輪只需要1 項(xiàng)施工，共計(jì)需要4 人次，4 工時(shí)，大幅度降低了人工成本，增加了測(cè)量效率。由于施工人次及工時(shí)大幅度減少，所以可增加測(cè)量頻次深度監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)磨耗狀態(tài)。

6 結(jié)論

本文以天津地鐵6 號(hào)線為例，在接觸網(wǎng)檢測(cè)車上實(shí)現(xiàn)車輛的改造，基于通道可靠性的多尺度背景感知相關(guān)濾波跟蹤算法，增加了剛性接觸網(wǎng)磨耗測(cè)量系統(tǒng)。

1) 能夠?qū)崿F(xiàn)剛性接觸網(wǎng)的全面連續(xù)測(cè)量，通過(guò)各月度的對(duì)比，以及接觸網(wǎng)的趨勢(shì)圖能及時(shí)發(fā)現(xiàn)磨耗率增長(zhǎng)的點(diǎn)位，采取針對(duì)性處理措施，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)的預(yù)防性維修。

2) 連續(xù)測(cè)量較人工測(cè)量效率顯著提高，針對(duì)即將到限的點(diǎn)位能夠及時(shí)組織接觸網(wǎng)更換作業(yè)，避免弓網(wǎng)故障，降低成本。

3) 實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)控區(qū)間設(shè)備狀態(tài)的功能，提升了設(shè)備檢測(cè)效率及準(zhǔn)確度，可提高地鐵區(qū)間設(shè)備安全性。