CN102706283A - 电气化铁路接触网动态位移在线实时检测方法 - Google Patents

Abstract

提供一种电气化铁路接触网动态位移在线实时检测方法，通过在接触网产生动态位移待测部位固定反光片，然后用探照灯投射，使反光片呈现出光斑效果，用CCD采集反光片产生光斑的成像，然后用计算机计算对应光斑在接收屏上的位置值，进而推算出接触网动态位移待测点的位置值，实现接触网等特殊结构的动态位移在线实时检测，反光片在夜晚或光线较暗时产生光斑效果较好，较适应高速铁路夜间开展检测工作的实际情况。

Description

电气化铁路接触网动态位移在线实时检测方法

技术领域

本发明涉及一种电气化铁路等轨道交通接触网的动态位移检测方法，特别适应于高速铁路接触网运行检修的动态检测，属于轨道交通及测试技术领域。

背景技术

针对电气化铁路等轨道交通，特别是快速发展的高速铁路，其接触网是重要行车设备，多年来我国已投入运营多条铁路客运专线和高速铁路，运营中的行车安全直接关系到人身和财产安全，铁路部门已发布《高速铁路接触网运行检修暂行规程》，对高速铁路接触网运行检修做出了具体规定。通常接触网是铁路电气化工程的主构架，是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路，为供受电弓取流的高压输电线，主要由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成，露天设置长期经受风吹、雨淋、日晒及大气中各种化学物质污染腐蚀，线路上高速运动着的电力机车，受电弓沿接触线高速滑行，它们之间既产生摩擦又产生撞击，容易引起整个接触网的晃动和不稳定，在长期疲劳受载下会产生结构的破坏和失效，引起供电系统的中断或结构部件脱落，导致重大甚至特大交通事故的发生，在已运营的高速铁路部分线段上已经出现了接触网异常晃动的情况；因此，接触网运行检修极为重要，然而，除了支撑接触网固定在基础上的立柱外，接触网其余部分检测难度非常大，主要表现在：1、接触网部件都较细，整个接触网也较柔，传感装置很难布置；2、即使传感装置能布置也极易脱落，一旦异常掉脱落至轨道上易产生极为严重的后果；3、传感装置的安装需要在铁道部门严格审批后，通常会获批夜间开展检测工作，安排特殊人员安装，拆除之前铁路沿线封锁，传感装置在检测期间外界不能接触到，所以传感装置的能量供应是个问题；4、在线检测时接触网是带有高压电流和100℃左右的温度，大部分传感装置易被直接击穿或烧坏。因此，现有技术中尚没有很好的检测方法和手段。

发明内容

本发明提供一种电气化铁路接触网动态位移在线实时检测方法，通过在接触网产生动态位移待测部位固定反光片，然后用探照灯投射，使反光片呈现出光斑效果，用CCD采集反光片产生光斑的成像，然后用计算机计算对应光斑在接收屏上的位置值，进而推算出接触网动态位移待测点的位置值，实现接触网等特殊结构的动态位移在线实时检测，反光片在夜晚或光线较暗时产生光斑效果较好，较适应高速铁路夜间开展检测工作的实际情况。

本发明的技术方案是这样实现的：

所述电气化铁路接触网动态位移在线实时检测方法，主要由图象采集设备A、信号发射设备B、计算机C组成的装置来实现，其特征是：

信号发射设备B主要由两个反光片5、探照灯4及支架3b构成，在接触网动态位移待测结构每一个测点处设置两个反光片5，用两个反光片5的实际中心距离来标定测试精度；反光片5经探照灯4照射后会形成非常明亮的光斑，支架3b用来支撑和固定探照灯4，探照灯4及支架3b与图象采集设备A一并设置在距接触网动态位移待测结构测点处一定距离的图像采集测试处；

在图象采集测试处设置的图象采集设备A主要由CCD1、镜头2及支架3a构成，镜头2固定在CCD1的固定接口处，用来对反光片5发出的光斑进行成像，结合待测结构现场情况，镜头2一般采用中长焦镜头；CCD1作为整个图象采集部分A的信号采集器件，将光信号转化为图像传输给计算机C；支架3a用来支撑和固定CCD1；

计算机C通过数据线与CCD1连接，给CCD1提供电源并对CCD1传输过来的图像数据进行处理；

所述电气化铁路接触网动态位移在线实时检测方法，其特征是：

在接触网动态位移待测结构每一个测点处固定反光片5，保证探照灯4正常投射使得反光片5反射出显著的光信号；在图象采集测试处将图象采集设备A通过支架3a固定在不动测试点，连接好CCD1和计算机C，开启计算机C中的控制软件，实时显示CCD1所采集的图像，调节支架3a把镜头2对准反光片5，对镜头2进行调焦使计算机C中能清晰显示反光片5，调节CCD1的曝光时间和镜头2的光圈使图像能清晰显示反光片5的光斑，图像中除反光片5光斑外的部分均较暗，使得CCD1能够精确采集图像中反光片5的光斑，由计算机C进行图像分析得到反光片5光斑在接收屏上的位置值加以存储，从而保证计算机C能够按照某个固定频率采集并存储反光片5形成的光斑数据进行接触网测点位移的计算处理；

所述电气化铁路接触网动态位移在线实时检测方法，其特征是：

通过重心法计算图象光斑在接收屏上的位置值(X，Y)，对于一个像素为M×N的CCD，对应图象光斑在接收屏上的位置值(X，Y)，由下列公式确定：

$X=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)\×i}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)}$ $Y=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)\×j}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)}$

其中f(i，j)表示该像素点的灰度值，i表示横向坐标值，j表示纵向坐标值；

计算得到的图象光斑在接收屏上的位置值数据单位为像素，为了精确反映接触网测点处的实际位移需要提前标定好每个像素所代表的实际距离，即在测点处固定两个反光片5，用两个反光片5的实际中心距离h_标与形成两个光斑的中心像素位置值对应距离H_标之比作为标定参数k，即k＝h_标/H_标，其中，第一个光斑像素位置值为(X₀，Y₀)，第二个光斑像素位置值为(X₁，Y₁)，则

将标定中测点无位移时的第二个光斑像素位置值(X₁，Y₁)作为标定后实测的基准位置值，通过标定参数k换算出按照某个固定频率测得的测点处的实际位移值，即标定后实测中每次测量的第二个光斑像素位置值为(X₂，Y₂)，换算出对应测点处的实际位移值为其中x₂＝(X₂-X₁)×k，y₂＝(Y₂-Y₁)×k，实现电气化铁路接触网动态位移的测量。

本发明的优点：

1、相比自发光光源，反光片不需要提供电源，而且质量轻，粘贴在接触网上不会有安全隐患，即使脱落也对轨道线路运营不构成威胁；

2、反光片可以承受接触网上的高压电流和温度；

3、相比各类传感装置和自发光光源，反光片安装时间快，不存在拆除工作而导致铁路沿线封锁情况，安装完成后，可以在轨道线路以外一定距离内随时架设探照灯和图像采集设备进行测试。

附图说明

图1是本发明电气化铁路接触网动态位移在线实时检测装置连接示意图；

图2是本发明实施例试验列车200km/h通过时承力索跨中实测竖向动态位移；

图3是本发明实施例试验列车250km/h通过时承力索跨中实测竖向动态位移；

图4是本发明实施例试验列车300km/h通过时承力索跨中实测竖向动态位移。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。图1是本发明电气化铁路接触网动态位移在线实时检测装置连接示意图。主要由图象采集设备A、信号发射设备B、计算机C组成，图象采集设备A主要由CCD1、镜头2、支架3a构成，镜头2固定在CCD1的固定接口处，计算机C通过数据线与CCD1连接，给CCD1提供电源并对CCD1传输过来的图像数据进行处理；信号发射设备B主要由反光片5、探照灯4及支架3b构成，探照灯4投射在反光片5上使其产生光斑。

本实施例以某高速铁路某路段通车若干月后进行的接触网检测为例，图象采集设备A的CCD1的像素为1280×1024，镜头2为焦距为500mm定焦镜头，将信号发射设备B的反光片5固定在接触网的承力索跨中；图象采集设备A的CCD1和信号发射设备B的探照灯4布置在铁路线以外距离两个反光片5的120m处；开启探照灯4调节支架3b使探照灯4对准两个反光片5，使两个反光片5出现两个明亮的光斑；在试验列车还未到来的时候，即接触网承力索跨中移动距离0mm时，开启CCD1采集两个反光片5的图像中的两个对应光斑，已知两个反光片5的中心距离h_标是80mm，计算得到第一个反光片5和第二个反光片5的两个光斑的中心(X₀，Y₀)、(X₁，Y₁)分别是(543.1324，500.7532)、(488.8130，503.1834)，根据公式

可求得两个光斑的中心距离H_标是54.3737pixels，这样可以求得实际位移和像素的标定参数k＝h_标/H_标＝80mm/54.3737pixels＝1.4713mm/pixels；将没有列车经过时接触网承力索跨中第二个反光片中心位置，也就是标定中接触网承力索跨中移动距离0mm时的第二个光斑像素位置值(488.8130，503.1834)作为标定后实测的基准位置值(X₁，Y₁)，实测时仅计算第二个反光片5的位移，也就是试验列车每次快要临近测试地段时，按照实时测量采集频率20Hz，用图象采集设备A的CCD1实时测量初始光斑中心(X₁，Y₁)为(488.8130，503.1834)的第二个反光片5的实时光斑中心像素位置值(X₂，Y₂)，再按如下公式换算反光片5的实际位移值(x₂，y₂)：

x₂＝(X₂-X₁)×k，y₂＝(Y₂-Y₁)×k

图2是本发明实施例试验列车200km/h通过时承力索跨中实测竖向动态位移；图3是本发明实施例试验列车250km/h通过时承力索跨中实测竖向动态位移；图4是本发明实施例试验列车300km/h通过时承力索跨中实测竖向动态位移。本实施例实测中，针对试验列车的不同速度，以取接触网承力索跨中最大位移为例，采集被测反光片5对应光斑中心像素位置值和所表示的实际位移值如下表：

接触网承力索跨中最大位移(mm)

由表中看出，通过对某高速铁路某路段试验列车经过时承力索跨中的动态位移进行实测，经对固定在承力索跨中的反光片的光斑中心位置像素(X₂，Y₂)的换算，换算出承力索接触网跨中的实际位移值(x₂，y₂)，其中x₂表示承力索跨中测点横向动态位移(沿轨道方向)，y₂表示承力索跨中测点竖向动态位移(沿重力方向)，表中所列数据是每个工况下对应承力索跨中点动态位移的最大值。

Claims (3)

1.电气化铁路接触网动态位移在线实时检测方法，主要由图象采集设备(A)、信号发射设备(B)、计算机(C)组成的装置来实现，其特征是：

信号发射设备(B)主要由两个反光片(5)、探照灯(4)及支架(3b)构成，在接触网动态位移待测结构每一个测点处设置两个反光片(5)，用两个反光片(5)的实际中心距离来标定测试精度；反光片(5)经探照灯(4)照射后会形成非常明亮的光斑，支架(3b)用来支撑和固定探照灯(4)，探照灯(4)及支架(3b)与图象采集设备(A)一并设置在距接触网动态位移待测结构测点处一定距离的图像采集测试处；

在图象采集测试处设置的图象采集设备(A)主要由(CCD1)、镜头(2)及支架(3a)构成，镜头(2)固定在(CCD1)的固定接口处，用来对反光片(5)发出的光斑进行成像，结合待测结构现场情况，镜头(2)一般采用中长焦镜头；(CCD1)作为整个图象采集部分(A)的信号采集器件，将光信号转化为图像传输给计算机(C)；支架(3a)用来支撑和固定(CCD1)；

计算机(C)通过数据线与(CCD1)连接，给(CCD1)提供电源并对(CCD1)传输过来的图像数据进行处理。

2.根据权利要求1所述电气化铁路接触网动态位移在线实时检测方法，其特征是：

在接触网动态位移待测结构每一个测点处固定反光片(5)，保证探照灯(4)正常投射使得反光片(5)反射出显著的光信号；在图象采集测试处将图象采集设备(A)通过支架(3a)固定在不动测试点，连接好(CCD1)和计算机(C)，开启计算机(C)中的控制软件，实时显示(CCD1)所采集的图像，调节支架(3a)把镜头(2)对准反光片(5)，对镜头(2)进行调焦使计算机(C)中能清晰显示反光片(5)，调节(CCD1)的曝光时间和镜头(2)的光圈使图像能清晰显示反光片(5)的光斑，图像中除反光片(5)光斑外的部分均较暗，使得(CCD1)能够精确采集图像中反光片(5)的光斑，由计算机(C)进行图像分析得到反光片(5)光斑在接收屏上的位置值加以存储，从而保证计算机(C)能够按照某个固定频率采集并存储反光片(5)形成的光斑数据进行接触网测点位移的计算处理。

3.根据权利要求1所述电气化铁路接触网动态位移在线实时检测方法，其特征是：

通过重心法计算图象光斑在接收屏上的位置值(X，Y)，对于一个像素为M×N的CCD，对应图象光斑在接收屏上的位置值(X，Y)，由下列公式确定：

$X=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)\×i}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)}$ $Y=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)\×j}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)}$

其中f(i，j)表示该像素点的灰度值，i表示横向坐标值，j表示纵向坐标值；计算得到的图象光斑在接收屏上的位置值数据单位为像素，为了精确反映接触网测点处的实际位移需要提前标定好每个像素所代表的实际距离，即在测点处固定两个反光片(5)，用两个反光片(5)的实际中心距离h_标与形成两个光斑的中心像素位置值对应距离H_标之比作为标定参数k，即k＝h_标/H_标，其中，第一个光斑像素位置值为(X₀，Y₀)，第二个光斑像素位置值为(X₁，Y₁)，则

将标定中测点无位移时的第二个光斑像素位置值(X₁，Y₁)作为标定后实测的基准位置值，通过标定参数k换算出按照某个固定频率测得的测点处的实际位移值，即标定后实测中每次测量的第二个光斑像素位置值为(X₂，Y₂)，换算出对应测点处的实际位移值为

其中x₂＝(X₂-X₁)×k，y₂＝(Y₂-Y₁)×k，实现电气化铁路接触网动态位移的测量。

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