CN102879679A - 一种电气化铁路接触网电弧捕捉及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气化铁路监测及安全领域，特别是一种基于高精度全球定位系统GPS/惯性测量装置IMU定位定向技术和高速数码成像技术的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位方法。高速数码成像设备1的高速摄像机或高速数码相机进行拍摄或曝光的同时，返回一个脉冲事件信号到工控计算机5，将当前的GPS时间记录下来，形成一个曝光时间文件，由于高速数码成像设备1、GPS接收器2、IMU惯性测量装置3都使用了同一GPS时间，通过数据处理生成电力机车的运动轨迹后，在影像序列中自动提取出现电弧的数帧影像，将这些电弧影像的曝光时间与电力机车的运动轨迹进行匹配，准确确定出电弧发生的起止位置、延续时间、延续距离和温度分布状况。

Description

一种电气化铁路接触网电弧捕捉及定位方法

本申请为分案申请

原申请号：201010263424.9

原申请日：2010年8月26日

原发明名称：一种电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统和方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路监测及安全领域，特别是一种基于高精度全球定位系统GPS/惯性测量装置IMU定位定向技术和高速数码成像技术的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统和方法。

背景技术

在电气化铁路中，接触网是电气化铁路的主要供电设备，电力机车是通过接触网获取电能的。受流指高速列车的受电弓的弓头与接触线的接触，相对滑动获得电能，输送给电力机车的动态过程，它是高速运动的受电弓与接触线之间的祸合振动问题，包括了多种机械运动型式和电气状态变化，受电弓相对于接触导线的滑动摩擦；受电弓上下振动；受电弓由于机车横向摆动而形成的横向振动；接触网上下振动，并形成行波沿导线向前传播；受电弓和接触导线之间发生的水平和垂直方向撞击；弓网离线发生电弧，受流中电流发生剧烈变化等。随着列车速度的提高，上述各种运动加剧，维持弓网之间的良好接触性能愈加困难，受流质量也随之下降，严重时受电弓脱离接触线的瞬间(即所谓的“离线”)时产生拉弧现象。(魏亚娟，弓网受流中出现拉弧原因及其措施的探析)

所谓拉弧，是气体放电的一种形式。在正常状态下，气体具有良好的电气绝缘性能，但当在气体间隙的两端加上足够大的电场时，就可以引起电流通过气体，产生电弧。电场是电弧放电的电能基本来源，在电场作用下，电子和离子得到加速和能量，因而温度上升，得到加速的电子与中性分子撞击，困此使分子的振荡运动加强，互撞频繁而使气体的温度增高；加速的电子也与原子撞击而使原子激发，由于受激发原子撞击次数的增加，它们的温度也上升。这个过程是在高强度、瞬间完成的，因此致使电弧具有极高的温度，其表现形式为弧光。拉弧的产生是基于很多随机因素，而且通常是瞬间即逝，捕捉其产生位置十分困难，但拉弧现象又是接触网安全隐患的重要表现形式。

现有的铁路接触网检测主要是采用人工巡检的方式，在接触网沿线布设红外测温仪，由工作人员定时检测接触网的温度，取得了一定的效果，但是这种方法即费事又费力，且属于单点式检测，存在很多盲点，无法有效及时的排除铁路运行中的隐患。

2009年6月10日公开的公开号为CN101452628A的发明专利“电气化铁路接触网温度在线监测系统”，包括监控中心、传输网络和现场设备，监控中心通过传输网络联接现场设备，其特征在于：现场设备包括数据集中器和监测装置，数据集中器的第一无线通信模块与监测装置的第二无线通信模块无线互连，传输网络电联接数据集中器的网络通信模块，信号调理电路连接传感器。通过在接触网上安装连续测量温度的传感器，对连接器的运行状态实时进行检测。这种方式的缺陷在于它仍是一种单点式的检测方式，只能对设有传感器的位置进行温度监测，无法完成接触网全线的连续检测。

发明内容

为了准确捕捉并测定在电力机车在运行中接触网出现电弧的位置，本发明采用了一种全新的基于高精度全球定位系统GPS/惯性测量装置IMU定位定向技术和高速数码成像技术的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统，安装在电力机车的顶部，在电力机车运行时，使用高速数码成像设备1(至少一台高速数码摄像机、高速数码相机或高速数码热红外相机)连续拍摄运动中电力机车的受电弓与接触网接触位置的影像，同时使用GPS和IMU联合记录电力机车运行的轨迹信息，通过数据后处理，从数码影像系列中自动提取含电弧的连续数帧影像，并基于GPS时间参数将之与电力机车运行轨迹进行匹配，准确计算出接触网上出现电弧的起止位置、延续时间、延续距离以及温度分布状况。此外，基于高分辨率的数码影像数据，可对受电弓磨损状态与轮廓进行相应的检测，为受电弓滑板的更换提供依据。

本发明的内容包括：一种集成高精度GPS/IMU定位定向装置和高速数码成像设备的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统。方法包括：基于高精度GPS/IMU定位定向技术和高速数码成像技术的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位的方法。

本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统由高速数码成像设备1、GPS接收器2、IMU惯性测量装置3、固定支架及适配装置4、工控计算机5、显示及控制装置6和供电装置7七个部分组成。系统高度集成，高速数码成像设备1、GPS接收器2、IMU惯性测量装置3通过固定支架及适配装置4安装在电力机车的顶部，在电力机车运行时，高速数码成像设备1聚焦于电力机车的受电弓与接触网接触点位置，连续拍摄运动中的影像，GPS接收器2记录GPS数据，IMU惯性测量装置3记录运动中每个时刻的位置、姿态角和加速度数据，工控计算机5一方面通过程序控制高速数码成像设备1、GPS接收器2、IMU惯性测量装置3的工作，另一方面也将采集数码影像、GPS数据、IMU数据存储起来。操作人员通过显示及控制装置6进行系统的开启、关闭和设备参数设置等，同时还能监控系统的运行情况和实时预览采集的数据。供电装置7为高速数码成像设备1、GPS接收器2、IMU惯性测量装置3、工控计算机5和显示及控制装置6提供电力保障。

高速数码成像设备1由至少一台高速数码摄像机、高速数码相机或高速数码热红外相机组成，拍摄速度取决于电力机车运动速度和精度要求，一般应高于每秒100帧。高速数码摄像机和高速数码相机可有效地捕捉电弧，而高速数码热红外相机能连续获取电力机车的受电弓与接触网接触点位置的温度信息，为电力机车受流状态分析、接触网质量评价提供更为丰富的数据。可使用多台高速数码摄像机、高速数码相机或高速数码热红外相机从不同角度进行拍摄，如果同时使用高速数码摄像机/高速数码相机和高速数码热红外相机，则可同时获取电弧影像和温度数据。

本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统和方法，能在不影响铁路正常运营的情况下，有效地对铁路接触网全线进行检测，及时发现安全隐患，同时还为电力机车受流状态分析、接触网质量评价提供可靠数据支持。此外，基于高分辨率的数码影像数据，可对受电弓磨损状态与轮廓进行相应的检测，为受电弓滑板的更换提供依据。

附图说明

图1是本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统的系统结构图。

图2是本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统的安装示意图。

图3是本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统的车顶部分正视图。

图4是本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位方法的流程图。

图5是本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统的数据采集流程图。

图6是本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统的数据处理流程图。

具体实施方式

图1是本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统的系统结构图。本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统由高速数码成像设备1、GPS接收器2、IMU惯性测量装置3、固定支架及适配装置4、工控计算机5、显示及控制装置6和供电装置7七个部分组成。高速数码成像设备1、GPS接收器2、IMU惯性测量装置3通过固定支架及适配装置4安装在电力机车的顶部，工控计算机5、显示及控制装置6和供电装置7安装在电力机车内部，通过电缆与顶部的高速数码成像设备1、GPS接收器2、IMU惯性测量装置3连接。

图2和图3是本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统的安装示意图和车顶部分正视图。为保证高速数码成像设备1能拍摄电力机车11的受电弓8和铁路接触网9的接触点10，以受电弓为目标，固定支架及适配装置4可安装在电力机车顶部的任何适当的无遮挡的位置，高速数码成像设备1、GPS接收器2、IMU惯性测量装置3严格固定在固定支架及适配装置4上，以保证高速数码成像设备1、GPS接收器2、IMU惯性测量装置3之间的相对位置不变。高速数码成像设备1的俯角a应小于45度，视场角不必太大，只需要覆盖电力机车受电弓横向所涉及的范围即可。

图4是本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位方法的流程图。电气化铁路接触网电弧捕捉及定位的方法关键在于在高速数码成像设备1的高速数码摄像机、高速数码相机或高速数码热红外相机进行拍摄或曝光的同时，返回一个脉冲事件信号到工控计算机5，将当前的GPS时间记录下来，形成一个曝光时间文件。由于高速数码成像设备1、GPS接收器2、IMU惯性测量装置3都使用了同一GPS时间，通过数据处理生成电力机车的运动轨迹后，在影像序列中自动提取出现电弧的数帧影像，将这些电弧影像的曝光时间与电力机车的运动轨迹进行匹配，准确确定出电弧发生的起止位置、延续时间、延续距离乃至温度分布状况。定位精度取决于电力机车运动速度和高速数码成像设备1的拍摄速度。

图5是本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统的数据采集流程图，步骤如下：

步骤S1：在铁路沿线如每隔60公里均匀布设GPS基站或使用铁路控制网已有的GPS基站，在电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统启动前5-10分钟，开启GPS基站；

步骤S2：电力机车运行前，启动系统；

步骤S3：在电力机车运行中，高速数码成像设备1连续拍摄电力机车的受电弓和铁路接触网的接触点的影像，GPS接收器2接收GPS信号，IMU惯性测量装置3同时记录位置、姿态和加速度数据；

步骤S4：电力机车到达终点，停止系统；

步骤S5：停止电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统后5-10分钟，再关闭GPS基站；

图6是本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统的数据处理流程图，步骤如下：

步骤S1：将原始数据下载到数据处理计算机，包括GPS原始数据、GPS基站数据、IMU原始数据、数码影像原始数据、曝光时间数据；

步骤S2：对GPS原始数据、GPS基站数据进行处理，得到精度更高的差分GPS数据；

步骤S3：将步骤S2得到的差分GPS数据与IMU原始数据结合，计算出电力机车的运动轨迹；

步骤S4：对数码影像原始数据进行数据处理，自动提取影像序列中出现电弧的数帧影像；

步骤S5：通过曝光时间将步骤S4中得到的电弧影像与步骤S3中获取的电力机车运动轨迹进行匹配，准确计算出电弧发生的起止位置；

步骤S6：由步骤S5中得到的电弧出现的起止大地坐标，推算出电弧的延续时间、延续距离；

步骤S7(可选)：在加入高速数码热红外相机的情况下，还可获得电弧发生期间的温度分布状况；

步骤S8(可选)：通过对影像序列中无电弧情况的任意影像子序列进行分析，探测出受电弓滑板的磨损状况；

数据处理的结果是铁路接触网出现电弧的起止位置、延续时间、延续距离、温度分布状况和受电弓滑板的磨损状况。

以下是本发明的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位系统的两种优选实施方式。

实施例1：假设电力机车的运行速度为350公里/小时，即97.2米/秒，GPS接收机的频率为2Hz，IMU的频率为256Hz，差分GPS/IMU定位精度为厘米级，本实施例中高速数码成像设备1选用高速数码相机，拍摄速度为每秒2000帧，则电弧的定位精度约为5厘米。如果需要提高定位精度，可选用更高的拍摄速度。电弧的捕捉和定位对影像分辨率的要求不高，这里需综合考虑存储和电弧可识别性的优化。高速数码成像设备1的镜头应为定焦镜头，聚焦点为受电弓和铁路接触网的接触点处。

实施例2：本实施例中高速数码成像设备1选用高速数码热红外相机，拍摄速度为160帧/秒，假设电力机车的运行速度为每小时300公里，即83.3米/秒，GPS接收机的频率为2Hz，IMU的频率为256Hz，差分GPS/IMU定位精度为厘米级，获取的数据将是连续的每隔0.5米的温度数据，在进行数据处理时，可设置温度范围，对数据进行分类，这种方式不仅能定位电弧出现的起止位置，还能对接触网全线的温度异常进行监测。同样，提高定位精度的方式也是选用拍摄速度更快的热红外相机。

Claims (3)

1.一种电气化铁路接触网电弧捕捉及定位方法，其特征在于：高速数码成像设备(1)的高速摄像机或高速数码相机进行拍摄或曝光的同时，返回一个脉冲事件信号到工控计算机(5)，将当前的GPS时间记录下来，形成一个曝光时间文件，由于高速数码成像设备(1)、GPS接收器(2)、IMU惯性测量装置(3)都使用了同一GPS时间，通过数据处理生成电力机车的运动轨迹后，在影像序列中自动提取出现电弧的数帧影像，将这些电弧影像的曝光时间与电力机车的运动轨迹进行匹配，准确确定出电弧发生的起止位置、延续时间、延续距离和温度分布状况。

2.一种基于权利要求1所述的电气化铁路接触网电弧捕捉及定位方法，步骤如下：

步骤S1：将原始数据下载到数据处理计算机，包括GPS原始数据、GPS基站数据、IMU原始数据、数码影像原始数据、曝光时间数据；

步骤S2：对GPS原始数据、GPS基站数据进行处理，得到精度更高的差分GPS数据；

步骤S3：将步骤S2得到的差分GPS数据与IMU原始数据结合，计算出电力机车的运动轨迹；

步骤S4：对数码影像原始数据进行数据处理，自动提取影像序列中出现电弧的数帧影像；

步骤S5：通过曝光时间将步骤S4中得到的电弧影像与步骤S3中获取的电力机车运动轨迹进行匹配，准确计算出电弧发生的起止位置；

步骤S6：由步骤S5中得到的电弧出现的起止大地坐标，推算出电弧的延续时间、延续距离。

3.根据权利要求2所述的一种电气化铁路接触网电弧捕捉及定位方法，包括以下步骤：

步骤S7：当高速数码成像设备(1)为高速数码热红外相机时，可获得电弧发生期间的温度分布状况；

步骤S8：当用户需要分析受电弓滑板的磨损状况时，通过对影像序列中无电弧情况的任意影像子序列进行分析，探测出受电弓滑板的磨损状况；

数据处理的结果是铁路接触网出现电弧的起止位置、延续时间、延续距离、温度分布状况和受电弓滑板的磨损状况。

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