智能牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用

王雙雙

0 引言

牽引供電系統(tǒng)為電力機(jī)車提供動(dòng)力，接觸網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)中的重要一環(huán)，承擔(dān)著輸送電力的重要任務(wù)，發(fā)生嚴(yán)重缺陷時(shí)會導(dǎo)致接觸網(wǎng)斷線等重大事故，危及列車運(yùn)行安全[1]。張力補(bǔ)償裝置位于接觸網(wǎng)錨段兩端，用于補(bǔ)償接觸線和承力索的張力變化，使張力保持恒定[2]。受溫度影響，不同時(shí)刻不同溫度下接觸網(wǎng)線索會出現(xiàn)松弛和拉伸，引起補(bǔ)償裝置的位置變化，導(dǎo)致補(bǔ)償裝置位置超出安全工作范圍，影響接觸網(wǎng)正常工作。如何通過智能化技術(shù)對接觸網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，是當(dāng)前研究的重要課題。諸多研究者們對接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[3]研究通過安裝大量的傳感器實(shí)現(xiàn)對接觸網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測；文獻(xiàn)[4]從自然原因和人為原因分析了接觸網(wǎng)斷線的原因，提出了預(yù)防接觸網(wǎng)斷線的方法；文獻(xiàn)[5]提出一種防斷線預(yù)警指示器實(shí)現(xiàn)對接觸網(wǎng)斷線的監(jiān)測，但因接觸網(wǎng)線路較長，加裝硬件設(shè)備會大幅增加設(shè)備維護(hù)成本。

針對接觸網(wǎng)斷線監(jiān)測的現(xiàn)狀及面臨的問題，本文提出一種接觸網(wǎng)斷線監(jiān)測系統(tǒng)，采用安裝在車體上的線陣相機(jī)對不同錨段位置的補(bǔ)償裝置進(jìn)行監(jiān)測，基于目標(biāo)檢測算法[6]對補(bǔ)償裝置進(jìn)行定位，結(jié)合中值濾波[7]等圖像處理算法對區(qū)域進(jìn)行處理，并利用邊緣檢測[8]、連通域提取算法對補(bǔ)償裝置的輪廓進(jìn)行提取，確定補(bǔ)償裝置位置信息，使用閾值分割與形態(tài)學(xué)濾波對補(bǔ)償裝置底部關(guān)鍵信息進(jìn)行提取[9]，獲得像素對應(yīng)的實(shí)際位移信息；通過判斷補(bǔ)償裝置位置能夠快速確定接觸網(wǎng)是否異常，為接觸網(wǎng)線路的檢修提供可靠依據(jù)。

1 檢測設(shè)備及方法

為使接觸線具有必要的張力，接觸網(wǎng)每隔一定長度設(shè)置一個(gè)錨段，通過補(bǔ)償裝置對接觸網(wǎng)進(jìn)行張力補(bǔ)償，如圖1 所示。

圖1 接觸網(wǎng)張力補(bǔ)償裝置

線路上的補(bǔ)償裝置通常成對出現(xiàn)[10]，分別對接觸線、承力索進(jìn)行補(bǔ)償。通過接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)可知，靠近支柱一側(cè)的為承力索補(bǔ)償裝置，遠(yuǎn)離支柱的為接觸線補(bǔ)償裝置。

1.1 補(bǔ)償裝置檢測方法

補(bǔ)償裝置檢測主要包括兩部分，即數(shù)據(jù)處理和補(bǔ)償裝置定位。采用半監(jiān)督學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測算法[11]對補(bǔ)償裝置進(jìn)行定位，具體流程如圖2所示。

圖2 補(bǔ)償裝置檢測方法流程

如圖2 所示，補(bǔ)償裝置檢測的主要流程如下：

（1）通過線陣相機(jī)采集補(bǔ)償裝置圖像，補(bǔ)償裝置位于錨段兩側(cè)，接觸線和承力索的補(bǔ)償裝置出現(xiàn)在兩張圖像中；

（2）對補(bǔ)償裝置圖像進(jìn)行人工標(biāo)注，需要標(biāo)注補(bǔ)償裝置、支柱和抱箍；

（3）使用目標(biāo)檢測模型對補(bǔ)償裝置進(jìn)行定位，將標(biāo)注的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)模型收斂后，停止訓(xùn)練；

（4）確定模型是否滿足定位精度要求，劃分部分未參與訓(xùn)練的數(shù)據(jù)集進(jìn)行測試，驗(yàn)證模型是否滿足使用精度要求；

（5）當(dāng)模型滿足使用精度要求時(shí)，使用定位模型完成對補(bǔ)償裝置的定位。

1.2 接觸網(wǎng)異常監(jiān)測判斷方法

接觸網(wǎng)異常監(jiān)測判斷主要通過判斷補(bǔ)償裝置是否超過安全距離范圍；補(bǔ)償裝置超出安全距離范圍表明接觸網(wǎng)存在危險(xiǎn)或已經(jīng)出現(xiàn)斷線情況。

根據(jù)支柱位置信息，確定接觸線和承力索對應(yīng)的補(bǔ)償裝置位置信息，輸出對應(yīng)的補(bǔ)償值。主要步驟包括：

（1）提取支柱，目的是確認(rèn)是接觸線補(bǔ)償裝置還是承力索補(bǔ)償裝置。根據(jù)模型識別結(jié)果，以支柱位置獲得補(bǔ)償裝置位置信息，通過提取支柱的最大連通區(qū)域[12]，使用形態(tài)學(xué)濾波[13]完成對支柱的提取。

（2）確定補(bǔ)償裝置對應(yīng)關(guān)系。在圖3 中，根據(jù)接觸網(wǎng)的安裝結(jié)構(gòu)，靠近支柱一側(cè)為承力索補(bǔ)償裝置，遠(yuǎn)離支柱一側(cè)為接觸線補(bǔ)償裝置。

圖3 關(guān)鍵部件定位

（3）提取補(bǔ)償裝置最低點(diǎn)。補(bǔ)償裝置最低點(diǎn)位置可用于計(jì)算地面到最低點(diǎn)的距離，通過該距離值可以判斷出補(bǔ)償裝置是否正常工作。提取最低點(diǎn)主要通過定位模型定位得到的補(bǔ)償裝置區(qū)域，提取補(bǔ)償裝置底部關(guān)鍵信息，計(jì)算兩個(gè)補(bǔ)償裝置的最低點(diǎn)，如圖4 所示。

圖4 補(bǔ)償裝置最低點(diǎn)提取

通過定位模型定位補(bǔ)償裝置后，其最底部區(qū)域由于相機(jī)畸變和拍攝角度等問題，導(dǎo)致拍攝得到的補(bǔ)償裝置底部最低點(diǎn)提取不準(zhǔn)確。本文采用閾值分割和形態(tài)學(xué)濾波算法，完成對補(bǔ)償裝置底部信息的提取，獲取底部區(qū)域最低點(diǎn)的坐標(biāo)信息p(x,y)。

（4）抱箍定位與物理距離計(jì)算。在提取到補(bǔ)償裝置的底部最低點(diǎn)后，需要將圖像坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系下，獲取實(shí)際補(bǔ)償裝置最低點(diǎn)到地面的實(shí)際距離，主要步驟：

a.抱箍定位和寬度提取。通過定位模型定位抱箍，從而可測得抱箍的實(shí)際寬度（圖5）。

圖5 形態(tài)學(xué)操作提取抱箍

b.坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。通過提取抱箍的寬度，完成圖像坐標(biāo)與世界坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；采用閾值分割[14]、形態(tài)學(xué)操作提取抱箍區(qū)域，并提取抱箍的最小外接矩形[15]，獲得抱箍的像素寬度，通過像素寬度和抱箍實(shí)際寬度，獲得世界坐標(biāo)系下的距離轉(zhuǎn)換關(guān)系s：

式中：wn為抱箍實(shí)際寬度；wp為抱箍的像素寬度。

（5）補(bǔ)償值計(jì)算。通常情況下，支柱底部存在大量的雜草等干擾，影響最終的計(jì)算結(jié)果。因此通過在支柱底部添加標(biāo)志或?qū)ふ覅⒄瘴?，將該?biāo)志記作底部關(guān)鍵特征點(diǎn)，該關(guān)鍵特征點(diǎn)到地面為一個(gè)定值，再通過計(jì)算補(bǔ)償裝置底部到該標(biāo)志的距離，可以提高計(jì)算精度。

如圖6 所示，圖像中存在欄桿，該欄桿到地面高度固定，可將該欄桿的高度值作為地面距離關(guān)鍵特征點(diǎn)的距離，在其他情況下，可以選擇在支柱底部張貼反光條，在保證相機(jī)能夠正常成像該反光條的情況下，可以將該反光條作為底部關(guān)鍵特征點(diǎn)。反光條的寬度可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，該寬度值用于矯正抱箍在相機(jī)成像時(shí)的畸變情況。

圖6 補(bǔ)償裝置最低點(diǎn)到底部區(qū)域范圍

通過提取補(bǔ)償裝置最低點(diǎn)到標(biāo)志參考點(diǎn)的距離位置信息，提高了補(bǔ)償值的計(jì)算精度。考慮到在線陣相機(jī)在拍攝過程中由于安裝角度和觸發(fā)問題導(dǎo)致拍攝的補(bǔ)償裝置區(qū)域不完整，因此，底部實(shí)際距離無法直接獲得。通過測量補(bǔ)償裝置底部到相機(jī)拍攝底部關(guān)鍵特征點(diǎn)的距離mi，再加上關(guān)鍵區(qū)域到地面的距離（為一個(gè)定值d），即可求得補(bǔ)償裝置到地面的距離。

通過輸出的補(bǔ)償值，設(shè)置安全閾值范圍，判斷補(bǔ)償值b是否在安全范圍內(nèi)，如式（2）、式（3）所示。

式中：i∈{1, 2}為承力索或接觸線；bi為對應(yīng)的補(bǔ)償值；pi為最低點(diǎn)縱坐標(biāo)；mi為底部區(qū)域參考點(diǎn)；s為像素與實(shí)際物理距離的對應(yīng)關(guān)系，可由式（1）求得；d為參考點(diǎn)到地面的距離；t為安全閾值。

2 接觸網(wǎng)斷線智能監(jiān)測系統(tǒng)

基于上述接觸網(wǎng)異常監(jiān)測方法，研發(fā)了接觸網(wǎng)斷線智能檢測系統(tǒng)，通過對異常狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示，以圖形化、表格化生成報(bào)表。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 接觸網(wǎng)斷線智能監(jiān)測系統(tǒng)

接觸網(wǎng)斷線智能監(jiān)測系統(tǒng)主要功能包括相機(jī)采集的補(bǔ)償裝置圖像界面展示、智能硬件、監(jiān)控預(yù)警、斷線預(yù)警和實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊。

（1）界面展示：記錄不同時(shí)刻的補(bǔ)償值，并通過曲線進(jìn)行展示。

（2）智能硬件：連接溫濕度傳感器，根據(jù)接觸線、承力索的熱脹冷縮特性，傳感器的值應(yīng)與計(jì)算的補(bǔ)償值具有變化趨勢的一致性。

（3）監(jiān)控預(yù)警：對線路上的缺陷進(jìn)行預(yù)警，并給出預(yù)警的實(shí)時(shí)畫面。

（4）斷線預(yù)警：接觸網(wǎng)斷線是嚴(yán)重的事故，系統(tǒng)中對接觸網(wǎng)斷線進(jìn)行了單獨(dú)顯示并給出預(yù)警信息。

（5）實(shí)時(shí)監(jiān)測：連接相機(jī)實(shí)時(shí)畫面，對每一幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，判斷接觸網(wǎng)是否斷線。

接觸網(wǎng)斷線智能監(jiān)測系統(tǒng)主界面如圖8 所示，可通過該系統(tǒng)完成對補(bǔ)償裝置補(bǔ)償值的記錄，并將不同時(shí)刻的補(bǔ)償值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，形成報(bào)表和曲線，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)的斷線預(yù)警。

圖8 接觸網(wǎng)斷線智能監(jiān)測系統(tǒng)主界面

3 結(jié)語

通過對智能牽引供電系統(tǒng)中的接觸網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，特別是對接觸網(wǎng)斷線問題進(jìn)行研究和探討，結(jié)合深度學(xué)習(xí)理論和圖像處理算法設(shè)計(jì)了接觸網(wǎng)斷線智能監(jiān)測系統(tǒng)。該方法快速準(zhǔn)確，后期設(shè)備維護(hù)成本小，可將該方案進(jìn)一步拓展接觸網(wǎng)張力補(bǔ)償裝置異常監(jiān)測，對補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償繩進(jìn)行斷散股的缺陷判斷，為智能化牽引供電系統(tǒng)提供更全面、準(zhǔn)確的技術(shù)支持。