CN104848791A - 车载接触网测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载接触网测量系统及测量方法，其通过在接触线上形成接触点，之后启动三维信息采集模块的图像数据采集装置采集所述接触点的图像信息，获取接触线上接触点位置，最后，通过接触点位置信息计算出所述接触点对应所述接触线的导高和拉出值。本发明车载接触网测量系统及测量方法可以在列车运行时检测出接触网的实时工作状态，反映列车运行的实际情况，从而保证列车的正常运行。

Description

车载接触网测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及高速铁路检测技术领域，具体涉及一种对车载接触网的导高和拉出值的测量系统及测量方法。

背景技术

电气化铁路是以电能作为牵引力的一种现代化交通运输工具，专门给电力机车供给电能的装置叫牵引供电系统，牵引供电系统本身并不产生电能，而是将电力系统的电能传给电力机车。牵引供电系统主要包括牵引变电所和接触网。

接触网是一种特殊的供电设备，其不仅要保障质量良好地向电力机车提供电流，而且还要保证接触悬挂能牢固地处在规定的空间几何位置上，保证受电弓能质量良好地、平滑地从接触线上取流。而一旦接触网发生故障如用于固定接触线的定位装置的线夹脱落或支撑接触线的定位装置的定位器发生问题，都会使接触线的位置发生变化，又由于电力机车的受电弓宽度有限，一旦接触线位置发生变化，受电弓就不能向其取流。当电力机车高速运行时出现该种故障就要报警，严重时需要电力机车降弓(使受电弓下降)，电力机车靠自身储备电池供电运行，因此要保证电力机车在铁路上的正常运行，需要对接触网实时检测，而导高(即定位点处接触线距轨面的垂直高度)和拉出值(即定位点处接触线至受电弓中心轨迹的水平距离)是检测接触网状态的重要指标。

如图1所示接触网的结构示意图，包括支柱1′、支持装置2′、定位装置3′及接触悬挂4′，支柱1′设置于轨道5′外侧的地面，支柱1′用于承受接触网的全部重量，并将接触线固定在规定的位置和高度。一般要求支柱1′靠近轨道5′的一侧至线路中心线(即两根轨道的中心线)的距离不得小于2440毫米，支持装置2′包括腕臂6′、拉杆7′(或压管)和绝缘子8′，支持装置2′安装于支柱1′上部且靠近轨道5′的一侧，该支持装置2′用于悬吊和支持接触悬挂4′的全部设备并将负荷传给支柱1′。定位装置3′包括定位器9′和定位管10′，接触悬挂4′包括接触线11′、吊弦12′、承力索13′以及连接零件，定位装置3′的功用是将接触线11′固定在距线路中心的规定位置上，使接触线11′不超过受电弓14′允许的工作范围，受电弓14′上的滑板15′长度一般为1.2米，接触线11′要保证在滑板15′上，其接触点必须在滑板15′的长度范围内，且保证滑板15′的磨耗均匀。

但是现有接触网测量多是在静态条件下测得，即使用三维测距仪器对线路上的接触网导高和拉出值进行测量，这种方法只能静态的测量接触网的导高及拉出值，对列车运行状态下接触网的实际导高及拉出值无法测量，且此种方法测量速度慢，测量取样点少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车载接触网测量系统及测量方法，其可以在列车运行时检测出接触网的实时工作状态，反映列车运行的实际情况，从而保证列车的正常运行。

为了达到上述目的，本发明提供一种车载接触网测量系统，其中包括：

三维信息采集模块：包括从不同位置采集包含接触线上接触点的图像信息的至少两个图像数据采集装置，各所述图像数据采集装置在所述接触线上的成像区域重合，且各所述图像数据采集装置的成像区域重合后的区域覆盖所述接触点；

接触点位置信息获取模块：用于从所述的至少两个图像数据采集装置采集的图像信息中获取所述接触点位置信息；

导高和拉出值获取模块：利用所述接触点位置信息计算所述接触点对应所述接触线的导高和拉出值。

进一步地，所述三维信息采集模块设于列车车顶，至少两个所述图像数据采集装置朝向所述接触点的部位设置。

进一步地，所述三维信息采集模块还包括线光源，所述线光源垂直朝上设置。

进一步地，所述三维信息采集模块还包括触发所述至少两个图像数据采集装置同步采集包含所述接触点的图像信息的触发控制器，所述触发控制器与控制设备电性连接。

进一步地，还包括图像信息截取模块，用于从包含接触点的图像信息中截取列车每行进预设采集距离时刻的包含接触点的图像信息。

一种车载接触网测量方法，其包括以下步骤：

获取接触线上接触点；

启动三维信息采集模块采集所述接触点位置信息；及，

利用所述接触点位置信息计算所述接触点对应所述接触线的导高和拉出值。

进一步地，所述获取接触线上接触点的步骤中，所述接触点的形成方式为：

线光源与接触线接触形成所述接触点；和/或，

受电弓与接触线接触形成所述接触点。

进一步地，启动三维信息采集模块采集所述接触点位置信息的步骤包括：

根据列车的运行速度及预设采集距离启动三维信息采集模块的触发信号，触发所述三维信息采集模块采集所述接触点位置信息。

进一步地，启动三维信息采集模块采集所述接触点位置信息的步骤包括：在列车运行过程中启动三维信息采集模块采集含有接触点位置信息的图像信息；从所述图像信息中截取出列车每行进预设采集距离时刻的所述接触点位置信息。

进一步地，利用所述接触点位置信息计算所述接触点对应接触线的导高和拉出值的步骤包括：

标定确定所述三维信息采集模块的至少两个图像坐标系及一个世界坐标系，获取至少两个图像数据采集装置矩阵；

将所述至少两个图像数据采集装置矩阵和两个所述接触点位置信息分别代入所述图像坐标系及世界坐标系转换公式： $Z_c\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right],$ 得到接触点的世界坐标值，根据世界坐标值求出所述接触网导高和拉出值。

采用上述方案后，本发明车载接触网测量系统及测量方法在列车沿着轨道前行的过程中，用设置于列车顶部的线光源垂直向上发射光线打在接触线上，形成较亮的光斑，位于列车顶部的三维信息采集模块的至少两个图像数据采集装置对线光源光斑和接触线接触的部位进行图像采集，从采集的图像中找到接触点位置信息，随着接触线的高低左右空间位置的不同，图像中线光源光斑的位置有着相应的呈现，通过对接触点位置信息的定位可以较好的反应该处接触线的导高和拉出值，由于其采用至少两个图像数据采集装置和线光源结合的测量方法，可以测量在三维坐标下的接触网的导高和拉出值，其较在二维坐标下测量的结果更加精确，且其运行处理速度快，测量密度高，能够适应列车的高速运行，实现了对接触网高速运行下的全线检测。

附图说明

图1是接触网的结构示意图；

图2是本发明车载接触网测量系统实施例一结构框图；

图3是本发明车载接触网测量系统实施例二的主视结构示意图；

图4是本发明车载接触网测量系统实施例三结构框图；

图5是本发明车载接触网测量方法实施例一流程图；

图6是本发明车载接触网测量方法实施例二流程图；

图7是本发明车载接触网测量方法实施例三流程图；

图8是本发明车载接触网测量方法实施例四流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

如图2所示本发明车载接触网测量系统实施例一结构框图，其包括：

三维信息采集模块M10：包括从不同位置采集包含接触线上接触点的图像信息的至少两个图像数据采集装置，各图像数据采集装置在所述接触线上的成像区域重合，且各所述图像数据采集装置的成像区域重合后的区域覆盖所述接触点；图像采集装置包括可见光相机和非可见光相机，其中非可见光相机包括红外相机、紫外相机等本领域技术人员熟知的用于图像采集的装置，由于可见光相机具有成像分辨率高于非可见光相机，采集速度快，成本低等优势，因此本实施例的图像采集装置优选可见光相机；

接触点位置信息获取模块M11：用于从所述的至少两个图像数据采集装置采集的图像信息中获取所述接触点位置信息；

导高和拉出值获取模块M12：利用所述接触点位置信息计算所述接触点对应所述接触线的导高和拉出值。

如图3所示本发明车载接触网测量系统实施例二的主视结构示意图，其大部分结构与图2所述实施例的结构相同，不同之处在于：该三维信息采集模块设于列车1车顶上，该三维信息采集模块包括两个图像数据采集装置2、一个线光源3、触发两个图像数据采集装置2每间隔预设采集距离同步采集包含接触线4上的所述接触点5的图像信息的触发控制器及控制触发控制器工作的控制设备，触发控制器与控制设备电性连接，两个图像数据采集装置2具体设置位置没有要求，只要两个图像数据采集装置2的镜头朝向所述接触点5的部位设置均在本发明保护的范围内，本实施例两个图像数据采集装置2通过云台固定于横梁6上，横梁6沿列车1宽度方向设置。两个图像数据采集装置2沿垂直于列车1运行速度的方向排列，优选实施例中，两个图像数据采集装置2沿垂直于列车1宽度方向的中心线对称设置。本实施例中线光源3可以为穿透力较强的光源，线光源3垂直朝上设置，控制设备在本实施例中优选为可操控终端设备，如智能计算机(电脑)，移动终端设备(如手机)等本领域技术人员所熟知的基本终端设备。

上述实施例中线光源作为补光源使用。所述接触点5是由线光源3与接触线接触形成；所述接触点也可以由受电弓与接触线接触形成，受电弓与图像数据采集装置之间可成一定夹角。

本实施例中，在列车运行过程中通过电脑控制触发控制器，由触发控制器同步启动两个图像数据采集装置每间隔5厘米的预设采集距离采集包含所述接触点的图像信息，此实施例中列车行进速度为30米/秒，预设采集距离为5厘米，根据V＝S/T，该触发信号每0.05米/30(米/秒)＝1/600秒触发一次。

如图4所示本发明车载接触网测量系统实施例三结构框图，其大部分结构即M30、M31及M32与图2所述实施例的M10、M11、M12结构相同，不同之处在于：还包括图像信息截取模块M33，用于从包含接触点的图像信息中截取列车每行进预设采集距离时刻的包含接触点的图像信息。例如：列车行进速度为30米/秒，预设采集距离为5厘米，根据T＝S/V，每0.05米/30(米/秒)＝1/600秒时从图像数据采集装置上截取一次该时刻包含接触点的图像信息。

如图5所示本发明车载接触网测量方法的实施例一流程图，其包括以下步骤：

S10、获取接触线上接触点，所述接触点的形成方式为线光源与接触线接触形成所述接触点；和/或受电弓与接触线接触形成所述接触点。此实施例选用由线光源的光斑与接触线接触形成的所述接触点，本实施方式中,线光源优选为激光光源，线光源垂直向上发射光线打在接触线上，形成较亮的光斑，该光斑与接触线接触的部位为所述接触点；

S11、启动三维信息采集模块采集所述接触点位置信息，通过三维信息采集模块的至少两个图像数据采集装置采集接触点位置信息，此实施例中图像数据采集装置设置为两个，两个图像数据采集装置的具体设置位置没有要求，只要两个图像数据采集装置的成像范围均能够覆盖所述接触点的部位均在本发明保护的范围内，本实施例两个图像数据采集装置通过云台固定于横梁上；

S12、利用所述接触点位置信息计算所述接触点对应所述接触线的导高和拉出值。

如图6所示本发明车载接触网测量方法的实施例二流程图，其大部分步骤即S20、S22与图5所述实施例的步骤S10、S12相同，不同之处在于：

S21、启动三维信息采集模块采集所述接触点位置信息，该步骤包括：

S211、根据列车的运行速度及预设采集距离启动三维信息采集模块的触发信号，触发所述三维信息采集模块采集所述接触点位置信息，此实施例中列车行进速度为30米/秒，预设采集距离为5厘米，根据T＝S/V，该触发信号每0.05米/30(米/秒)＝1/600秒触发一次信号。

如图7所示本发明车载接触网测量方法的实施例三流程图，其大部分步骤与图5所述实施例的步骤相同，不同之处在于：

S31、启动三维信息采集模块采集所述接触点位置信息，该步骤包括：

S311、在列车运行过程中启动三维信息采集模块采集含有接触点位置信息的图像信息；

S312、从所述图像信息中截取出列车每行进预设采集距离时刻的所述接触点位置信息，此实施例是当图像数据采集装置进行连续图像信息采集时，在列车每向前行进5厘米，根据T＝S/V，每0.05米/30(米/秒)＝1/600秒时从图像数据采集装置上截取一次该时刻包含所述接触点的图像信息，并从该截取的图像信息中获取所述接触点的位置信息。

如图8所示本发明车载接触网测量方法的实施例四流程图，其大部分步骤与图5所述实施例的步骤相同，不同之处在于：

S42、利用所述接触点位置信息计算所述接触点对应接触线的导高和拉出值，该步骤包括：

S421、标定确定所述三维信息采集模块的至少两个图像坐标系及一个世界坐标系，获取至少两个图像数据采集装置矩阵，此实施例选图像坐标系为两个，获取到的图像数据采集装置矩阵也为两个；

图像坐标系的坐标为(u、v)，表示以像素为单位的图像坐标系的坐标，世界坐标系O_W-X_WY_WZ_W也称真实或现实世界坐标系，该实施例中世界坐标系为以火车车顶平面为O_WX_WZ_W的右手坐标系，每个图像坐标系与世界坐标系组成一个系统，可以计算得到一个图像数据采集装置矩阵，以下就其中一个图像坐标系与世界坐标系计算其中一个图像数据采集装置矩阵，另一个图像数据采集装置矩阵计算方式与其相同，不再赘述，根据图像坐标系坐标对应到世界坐标系公式可知：

$Z_c\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right],$ 其中 $\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]$ 为世界坐标系中对应的空间P点， $\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]$ 为采集的空间P点对应在图像坐标系中的点，上式中M为图像采集装置矩阵。其中图像采集装置矩阵M为一个3x4的矩阵：其中m^jT为图像采集装置矩阵M的第j行向量。令 $M=\left[\begin{array}{cccc}{m}^{11}& m^{12}& m^{13}& m^{14}\\ m^{21}& m^{22}& m^{23}& m^{24}\\ m^{31}& m^{32}& m^{33}& m^{34}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{m}^{1T}\\ m^{2T}\\ m^{3T}\end{array}\right],$ X_j＝(x_j,y_j,z_j,1)^T是特征点在世界坐标系下的坐标，对应的图像点坐标为p_j＝(u_j,v_j,1)^T，根据图像采集装置坐标系坐标对应到世界坐标系的公式，得到：

$Z_C{p}_j={\mathrm{MX}}_j=\left[\begin{array}{c}{m}^{1T}{X}_j\\ m^{2T}{X}_j\\ m^{3T}{X}_j\end{array}\right],$ 消去该式中的常数因子Z_CZC之后，得到方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{m}^{2T}{X}_j-v_j{m}^{3T}{X}_j=0\\ m^{1T}{X}_j-u_j{m}^{3T}{X}_j=0\\ v_j{m}^{1T}{X}_j-u_j{m}^{2T}{X}_j=0\end{array}\right.,$ 由于该式中含有m¹¹、m¹²、m¹³、m¹⁴、m²¹、m²²、m²³、m²⁴、m³¹、m³²、m³³、m³⁴一共12个未知数，因此通过给定N≥6组对应点代入上述三个式子中就可以线性求解出图像采集装置矩阵M；

S422、将所述至少两个图像数据采集装置矩阵和两个所述接触点位置信息分别代入所述图像坐标系及世界坐标系转换公式： $Z_c\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right],$ 得到接触点的世界坐标值，根据世界坐标值求出所述接触网导高和拉出值。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种车载接触网测量系统，其特征在于，包括：

三维信息采集模块：包括从不同位置采集包含接触线上接触点的图像信息的至少两个图像数据采集装置，各所述图像数据采集装置在所述接触线上的成像区域重合，且各所述图像数据采集装置的成像区域重合后的区域覆盖所述接触点；

接触点位置信息获取模块：用于从所述的至少两个图像数据采集装置采集的图像信息中获取所述接触点位置信息；

导高和拉出值获取模块：利用所述接触点位置信息计算所述接触点对应所述接触线的导高和拉出值。

2.如权利要求1所述的车载接触网测量系统，其特征在于，所述三维信息采集模块设于列车车顶，至少两个所述图像数据采集装置朝向所述接触点的部位设置。

3.如权利要求2所述的车载接触网测量系统，其特征在于，所述三维信息采集模块还包括线光源，所述线光源垂直朝上设置。

4.如权利要求1所述的车载接触网测量系统，其特征在于，所述三维信息采集模块还包括触发所述至少两个图像数据采集装置同步采集包含所述接触点的图像信息的触发控制器，所述触发控制器与控制设备电性连接。

5.如权利要求1所述的车载接触网测量系统，其特征在于，还包括图像信息截取模块，用于从包含接触点的图像信息中截取出列车每行进预设采集距离时刻的包含接触点的图像信息。

6.一种车载接触网测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取接触线上接触点；

启动三维信息采集模块采集所述接触点位置信息；及，

利用所述接触点位置信息计算所述接触点对应所述接触线的导高和拉出值。

7.如权利要求6所述的车载接触网测量方法，其特征在于，所述获取接触线上接触点的步骤中，所述接触点的形成方式为：

线光源与接触线接触形成所述接触点；和/或，

受电弓与接触线接触形成所述接触点。

8.如权利要求6所述的车载接触网测量方法，其特征在于，启动三维信息采集模块采集所述接触点位置信息的步骤包括：

根据列车的运行速度及预设采集距离启动三维信息采集模块的触发信号，触发所述三维信息采集模块采集所述接触点位置信息。

9.如权利要求6所述的车载接触网测量方法，其特征在于，启动三维信息采集模块采集所述接触点位置信息的步骤包括：

在列车运行过程中启动三维信息采集模块采集含有接触点位置信息的图像信息；

从所述图像信息中截取出列车每行进预设采集距离时刻的所述接触点位置信息。

10.如权利要求6-9之一所述的车载接触网测量方法，其特征在于，利用所述接触点位置信息计算所述接触点对应接触线的导高和拉出值的步骤包括：

标定确定所述三维信息采集模块的至少两个图像坐标系及一个世界坐标系，获取至少两个图像数据采集装置矩阵；

将所述至少两个图像数据采集装置矩阵和两个所述接触点位置信息分别代入所述图像坐标系及世界坐标系转换公式： $Z_c=\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right],$ 得到接触点的世界坐标值，根据世界坐标值求出所述接触网导高和拉出值。