接触网几何参数高速动态视觉测量方法研究

接触网几何参数高速动态视觉测量方法研究

耿建

中铁电气化局集团第一工程有限公司北京100070

摘要：随着当前社会经济水平及科技水平快速发展，铁路运输发展也开始逐渐实现电气化，在电气化铁路中接触网属于十分重要的一个部分，合理接触网几何参数对保证火车运行安全及提高运行效率有些十分重要的作用。

关键词：接触网；几何参数；测量；高速动态视觉技术

接触网是高速铁路牵引供电系统的薄弱环节，接触网发生事故，会造成铁路停运甚至重大安全事故。提高接触网在线检测技术水平，对保障高速铁路的安全运行具有重要意义。

一、慨况

接触网是与电气化铁路安全运营直接相关的架空设备，沿线架设且无备用，工作环境恶劣，接触网故障在电气化铁路设备故障中所占的比例很大。发现并解决接触网中存在的安全隐患，对于保障电力机车正常运行，避免重大事故发生具有重要意义。接触网检测包括接触网几何参数和动力学参数的检测。接触网几何参数主要有导高、拉出值、定位管坡度、线岔和接触线磨耗等，是评估受流性能优劣的重要指标。接触网几何参数检测对于指导现场维护，保障机车安全运营起到了不可替代的作用。德国接触网检测技术偏重于对接触压力与硬点检测，能够实现动力学参数准确测量，对弓网接触状况做出评判；但对拉出值检测结果误差较大、定位管坡度不能检测。国内对于接触网几何参数检测，先前主要采用人工巡视方法；目前大多采用车载在线测试等接触式检测方法实现接触网几何参数的巡查、检测，检测效率较低。基于多目立体视觉技术，研究建立了１种接触网几何参数测量方法，可全天实时、准确地测量接触网的拉出值和导高等几何参数。测量方法可用于新建接触网工程的低速静态检测以及运营线路接触网的周期性动态巡检，为接触网动静态几何参数测量评估提供１种可靠的技术手段，提升了供电设备检查和维护的工作效率。

二、基于多目立体视觉技术的测量方法

基于多目立体视觉的接触网几何参数测量原理如图１所示。图中：ＯＸＺ为轨道坐标系，原点Ｏ为两轨顶面中点；Ｏ′Ｘ′Ｚ′为车顶坐标系，原点Ｏ′为车顶光学梁中点；点Ｐ为接触线上的一点；Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３和Ｇ４为４个线阵相机，自左至右布置在车顶垂直于轨道延伸方向的同一断面内，通过调整各线阵相机相对车顶中心的横向位置和安装角度，确保各线阵相机的视场都可以覆盖接触线的空间范围；ｄｌ为车体左侧底部与相应轴端的垂直距离；ｄｒ为车体右侧底部与相应轴端的垂直距离。通过外触发方式同步采集４个线阵相机拍摄的点Ｐ平面图像，可获得不同角度的点Ｐ立体图像。通过实时图像处理和分析获得点Ｐ在各线阵相机图像中的位置，基于视差原理即可恢复点Ｐ在该断面内的平面位置信息，即其在车顶坐标系Ｏ′Ｘ′Ｚ′的垂向位移和横向位移。由于拉出值和导高等几何参数是基于轨道坐标系ＯＸＺ定义的，为获得接触线相对于轨顶平面的空间位置，须将点Ｐ在车顶坐标系Ｏ′Ｘ′Ｚ′下的测量坐标转换成轨道坐标系ＯＸＺ下的测量坐标。在实际测量中，主要考虑车体在ＯＸＺ平面内的转动以及沿ＯＸ轴和ＯＺ轴的平移。因此，在车底安装３个位移传感器测量车体相对钢轨平面的运动姿态，其中，左、右两侧各安装１个垂向位移计测量车体左右两端的垂直位移ｄｌ和ｄｒ，并计算车体在ＯＸＺ平面内的转动及沿ＯＺ轴的平移，安装１个水平位移计测量车体沿ＯＸ轴的平移。根据车体运动姿态测量结果对几何参数测量结果进行修正，从而保证几何参数测量的准确性。

三、接触线识别测量算法

通过４个线阵相机获得不同角度的接触网立体图像后，为计算接触线的空间位置，需获取接触线在各线阵相机图像中的位置，即接触线在图像像素坐标系中的坐标，故设计了图像预处理→目标探测→特征描述→目标定位４个环节的接触线识别测量算法。线阵相机拍摄的接触网图像随环境光照的变化呈现较大差异。在晴朗的白天，由于天空背景较亮，而使图像的整体灰度值较高，接触线相对背景而言较暗；在阴天、夜晚或隧道里，由于天空背景较暗或周围环境黑暗，而使得图像的整体灰度值很低，接触线相对背景或周围环境而言较亮；天气为多云时，图像的灰度值分布较不规律，部分区域的灰度值较高。对于这种接触网图像随环境光照变化呈现较大差异的情况，可先对拍摄的接触网原始灰度图进行差分预处理，用所得到图像的灰度梯度描述。如阴天和多云天气条件下的１组典型的接触网原始灰度图，对该灰度图像进行差分预处理。采用差分预处理后的图像灰度梯度可有效区分接触线及其背景。接触网图像中可能包括承力索、中心锚结绳等干扰物体，在锚段关节等转换结构处还存在２根接触线和２根承力索，因此，在进行目标探测时设计最多可探测８个候选目标，根据接触网图像的特征和结构状态的不同，设计固定阈值、自适应阈值和目标数量相结合的约束条件，以减少干扰并确定探测目标，再根据灰度梯度的形状和尺寸等特征进行边缘精确定位，以确定探测目标在图像中的位置。根据灰度梯度、空间位置、物象关系等特征建立探测目标与各线阵相机成像位置的对应关系。建立接触线的成像位置特征后，采用目标运动跟踪策略对后续接触线的位置进行快速判断和定位，从而提高定位效率并减少干扰。根据接触线的成像坐标和立体视觉模型即可获得接触线的横向和纵向位移，即其拉出值和导高。相比双目视觉测量方式，采用４个线阵相机的多目立体视觉测量方式提供了更为丰富的图像信息和更为灵活的控制运用方式。将每个线阵相机视为１个节点可建立１个小型视觉网络，采用二进制编码方式可为该视觉网络建立多种工作模式，根据对各线阵相机图像的初步分析和判断，可自动选择最优工作模式，从而减少和消除阳光干扰对测量的影响。这种具有冗余的视觉传感器配置方式和智能调度方式，使多目立体视觉测量方式具备了很高的可靠性，满足了白天、夜晚和隧道内等不同环境下的测量要求。

四、试验验证

根据上述测量方法设计的接触网几何参数检测装置由车顶视觉测量模块、车底运动补偿模块和车内系统控制模块３个部分组成。车顶视觉测量模块包括光学检测梁、线阵相机组和光源组。将２组共４个线阵相机对称悬挂于光学检测梁上以保证共面测量。配置４个大功率聚光灯作为主动照明光源以保证在不良环境光照下（如夜晚和隧道）图像中接触线和背景的区分度。车底运动补偿模块采用３个拉弦式位移计，测量车体的运动姿态，其中，２个垂向位移计测量车体的侧滚和跳动，１个水平位移计测量车体的水平移动。此外，在轮轴上安装光电编码器以输出距离脉冲信号；通过控制计数器卡处理距离脉冲，实现车辆运动中的等距离采样和实时车速监测。车内系统控制模块由光源控制单元、系统控制单元和检测工控机组成，完成检测装置的硬件控制、数据采集和分析处理等功能。为修正根据编码器的距离脉冲计算里程时产生的累积误差，配置里程校准服务器，向检测工控机发布里程校准信息，从而有效提高了测量数据的定位精度。检测工控机通过网络将测量数据发送至后台服务器进行波形显示、超限判断以及报表打印输出。在动车组上安装接触网几何参数检测装置后，例如在沪昆客运专线进行了逐级提速试验，检测装置在１６０～３８５ｋｍ•ｈ－１速度下的连续多次往返试验中工作稳定，测量数据重复性满足测量要求。检测装置已先后安装在时速１６０ｋｍ•ｈ－１的网检车和最高时速４００ｋｍ•ｈ－１的动检车上，开始用于运营线路接触网的周期性动态巡检。

随着我国电气化铁路的不断发展，以及铁路运输的不断提速，对接触网受流质量的要求也将越来越高，从而对接触网动态几何参数的检测要求也越来越高。

参考文献：

［１］巩俐．论接触网的安全运行.2016

［２］吴田雨．高速电气化铁路接触网.2016

［３］秦华．铁路、公路两用车高架接触线检测系统的开发.2016