CN104848792A - 车载接触网测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载接触网测量方法及系统，其通过图像数据采集模块在列车运行过程中启动图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据；通过接触点数据获取模块从所述图像数据中获取接触网与受电弓接触点数据；及通过导高和拉出值获取模块利用获取的所述接触点数据计算所述图像数据对应的接触网导高和拉出值。本发明车载接触网测量方法及系统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

车载接触网测量方法及系统

技术领域

本发明涉及高速铁路检测技术领域，具体涉及一种车载接触网测量方法及系统。

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方法及系统，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方法，其包括以下步骤：

在列车运行过程中启动图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据；

从所述图像数据中获取接触网与受电弓接触点数据；及，

利用获取的所述接触点数据计算所述图像数据对应的接触网导高和拉出值。

进一步地，在列车运行过程中启动图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据的步骤包括：

根据列车的运行速度及预设采集距离启动图像采集装置的触发信号，触发所述图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据。

进一步地，在列车运行过程中启动图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据的步骤与从所述图像数据中获取接触网与受电弓接触点数据的步骤之间还包括：

从所述图像数据中截取出列车每行进设定距离时刻的图像数据。

进一步地，计算所述图像数据对应的接触网导高和拉出值包括如下过程：

标定确定图像坐标系及空间点所在的世界坐标系，获取图像采集装置矩阵M；

将图像采集装置矩阵M值和从各图像数据中提取的所述接触点数据代入图像坐标系与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，根据世界坐标值求出接触网导高和拉出值。

进一步地，采集到所述图像数据后启动图像预处理过程，所述图像预处理过程包括对采集的图像数据进行灰度化、二值化及去噪处理的步骤。

一种车载接触网测量系统，其中包括：

图像数据采集模块：包括图像采集装置，用于在列车运行过程中启动图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据；

接触点数据获取模块：用于从所述图像数据中获取接触网与受电弓接触点数据；

导高和拉出值获取模块：利用获取的所述接触点数据计算所述图像数据对应的接触网导高和拉出值。

进一步地，所述图像采集装置设置于列车车顶上，所述图像采集装置位于受电弓的一侧且其镜头朝向接触网与受电弓接触点的部位。

进一步地，所述图像数据采集模块还包括触发所述图像采集装置采集图像数据的触发控制器及控制触发控制器工作的控制设备，所述触发控制器与控制设备连接。

进一步地，所述图像采集装置与受电弓的滑板在列车车顶影射的图像之间的距离为1-3米。

进一步地，所述图像数据采集模块与接触点数据获取模块之间还包括：

图像数据截取模块：用于从所述图像数据中截取出列车每行进设定距离时刻的图像数据。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

通过在列车沿着轨道前行的过程中，用设置于列车顶部的受电弓捕捉接触线上的检测点，位于列车顶部的图像采集装置按设定的时间间隔对受电弓和接触线接触的部位进行图像采集，从采集的图像中找到二者的交点，随着接触线的高低左右空间位置的不同，图像中的接触点位置有着相应的呈现，通过对接触点位置的定位可以较好的反应该处接触线的导高和拉出值。此种方法可以解决列车在运行过程中测量接触线的导高和拉出值，实现了对接触网运行状态下的全线检测，其测量密度高。

附图说明

图1是现有接触网的结构示意图；

图2是本发明车载接触网测量方法实施例一流程图；

图3是本发明车载接触网测量方法实施例二流程图；

图4是本发明车载接触网测量方法实施例三流程图；

图5是本发明车载接触网测量方法实施例四流程图；

图5A是图5所述实施例中标定的三个坐标系示意图；

图6是本发明车载接触网测量方法实施例五流程图；

图7是本发明车载接触网测量系统实施例一结构框图；

图8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9是本发明车载接触网测量系统实施例二的右视结构示意图；

图10是本发明车载接触网测量系统实施例三结构框图。

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方法实施例一流程图，包括以下步骤：

S10、在列车运行过程中启动图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据；图像采集装置可以设于沿列车运行方向的中心线位置，亦可以位于中心线位置的一侧，只要满足图像采集装置的镜头朝向接触网与受电弓接触点的部位均在本发明保护的范围内，本实施例图像采集装置安装于列车顶面的横梁上且沿列车运行方向的中心线位置，图像采集装置安装于受电弓的一侧，图像采集装置与受电弓之间成一定夹角。图像采集装置与受电弓的滑板在列车车顶影射的图像之间的距离为1-3米，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，且其对检测设备与受电弓之间的位置关系精度要求较低本实施例的图像采集装置优选可见光相机；

S11、从所述图像数据中获取接触网与受电弓接触点数据；获取接触网与受电弓接触点的数据方式为分别提取受电弓的上边缘和接触网的下边缘，在图像中计算两条边缘线的交点，即为所述的接触点数据信息；

S12、利用获取的所述接触点数据计算所述图像数据对应的接触网导高和拉出值。

如图3所示本发明车载接触网测量方法实施例二流程图，其步骤S21、S22与图2所述实施例的步骤S11、S12相同，不同之处在于：在列车运行过程中启动图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据的步骤S20包括：

S201、根据列车的运行速度及预设采集距离启动图像采集装置的触发信号，触发所述图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据；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，图像采集装置每间隔5厘米采集一次包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据，根据V＝S/T，该触发信号每0.05米/30(米/秒)＝1/600秒触发一次信号。

如图4所示本发明车载接触网测量方法实施例三流程图，其步骤S30、S31、S32与图2所述实施例的步骤S10、S11、S12相同，不同之处在于：在步骤S30与步骤S31之间还包括：

S33、从所述图像数据中截取出列车每行进设定距离时刻的图像数据。此实施例是当图像采集装置进行连续图像数据采集时，在列车向前每行进设定距离时，截取该时刻的图像数据，例如：列车行进速度为30米/秒，设定距离为5厘米，根据T＝S/V，每0.05米/30(米/秒)＝1/600秒时从图像采集装置上截取一次该时刻包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据。

如图5所示本发明车载接触网测量方法实施例四流程图，其大部分步骤与图2-图4任一所述实施例步骤相同，其不同之处在于：利用获取的所述接触点数据计算所述图像数据对应的接触网导高和拉出值的步骤S42包括如下过程：

S421、结合图5A所示，标定确定图像坐标系及空间点所在的世界坐标系，获取图像采集装置矩阵M；

图像坐标系(其坐标为(u、v)，表示以像素为单位的图像坐标系的坐标，空间点所在的世界坐标系O_W-X_WY_WZ_W也称真实或现实世界坐标系，由用户任意定义的三维空间坐标系，本实施例世界坐标系为以火车车顶平面为O_WX_WZ_W的右手坐标系(即右手拇指和食指分别指向X_W轴和Y_W轴，中指指向Z_W轴)，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、将图像采集装置矩阵M值和从各图像数据中提取的所述接触点数据代入图像坐标系与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，根据世界坐标值求出接触网导高和拉出值。

如图6所示本发明车载接触网测量方法实施例五流程图，其大部分步骤与图2-图5任一所述实施例的步骤相同，本实施例采用步骤S50、S51与图2所述实施例中的步骤S10、S11相同，其不同之处在于：在步骤S50与S51之间还包括：

S53、图像预处理过程，该图像预处理过程包括对采集的图像数据进行灰度化、二值化及去噪处理的步骤。此图像预处理过程为现有技术，此处不再赘述。

如图7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：

图像数据采集模块M10：用于在列车运行过程中启动图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据；

接触点数据获取模块M11：用于从所述图像数据中获取接触网与受电弓接触点数据；

导高和拉出值获取模块M12：利用获取的所述接触点数据计算所述图像数据对应的接触网导高和拉出值。

如图8和图9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和右视结构示意图，其大部分结构与图7所述实施例的结构相同，不同之处在于：图像数据采集模块包括图像采集装置1、控制图像采集装置1采集图像数据的触发控制器及控制触发控制器工作的控制设备，其中控制设备在该实施例中选用电脑，图像采集装置1可以设于沿列车运行方向的中心线位置，亦可以位于中心线位置的一侧，只要满足图像采集装置1的镜头朝向接触网与受电弓接触点的部位均在本发明保护的范围内，本实施例图像采集装置1设置于列车车顶的横梁2上且沿列车运行方向的中心线位置，图像采集装置1位于受电弓的前侧且其镜头朝向接触网3与受电弓的滑板4接触点的部位，图像采集装置1与受电弓的滑板4在列车车顶影射的图像之间的距离d为1-3米(参见图9所示)，图像采集装置1与受电弓之间成一定夹角。在列车运行过程中通过电脑控制触发控制器，由触发控制器启动图像采集装置1每间隔5厘米的设定距离采集包含接触网3与受电弓的滑板4接触点部位的图像数据，此实施例中列车行进速度为30米/秒，设定距离为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10所示本发明车载接触网测量系统实施例三结构框图，其大部分结构与图7所述实施例的结构相同，不同之处在于：在图像数据采集模块M30与接触点数据获取模块M31之间还包括：图像数据截取模块M33：用于从所述图像数据中截取出列车每行进设定距离时刻的图像数据，例如：列车行进速度为30米/秒，设定距离为5厘米，根据T＝S/V，每0.05米/30(米/秒)＝1/600秒时从图像采集装置上截取一次包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据。

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方法，其特征在于，包括以下步骤：

在列车运行过程中启动图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据；

从所述图像数据中获取接触网与受电弓接触点数据；及，

利用获取的所述接触点数据计算所述图像数据对应的接触网导高和拉出值。

2.如权利要求1所述的车载接触网测量方法，其特征在于，在列车运行过程中启动图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据的步骤包括：

根据列车的运行速度及预设采集距离启动图像采集装置的触发信号，触发所述图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据。

3.如权利要求1所述的车载接触网测量方法，其特征在于，在列车运行过程中启动图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据的步骤与从所述图像数据中获取接触网与受电弓接触点数据的步骤之间还包括：

从所述图像数据中截取出列车每行进设定距离时刻的图像数据。

4.如权利要求1-3之一所述的车载接触网测量方法，其特征在于，计算所述图像数据对应的接触网导高和拉出值包括如下过程：

标定确定图像坐标系及空间点所在的世界坐标系，获取图像采集装置矩阵M；

将图像采集装置矩阵M值和从各图像数据中提取的所述接触点数据代入图像坐标系与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，根据世界坐标值求出接触网导高和拉出值。

5.如权利要求4所述的车载接触网测量方法，其特征在于，采集到所述图像数据后启动图像预处理过程，所述图像预处理过程包括对采集的图像数据进行灰度化、二值化及去噪处理的步骤。

6.一种车载接触网测量系统，其特征在于，包括：

图像数据采集模块：包括图像采集装置，用于在列车运行过程中启动图像采集装置采集包含接触网与受电弓接触点部位的图像数据；

接触点数据获取模块：用于从所述图像数据中获取接触网与受电弓接触点数据；

导高和拉出值获取模块：利用获取的所述接触点数据计算所述图像数据对应的接触网导高和拉出值。

7.如权利要求6所述的车载接触网测量系统，其特征在于，所述图像采集装置设置于列车车顶上，所述图像采集装置位于受电弓的一侧且其镜头朝向接触网与受电弓接触点的部位。

8.如权利要求7所述的车载接触网测量系统，其特征在于，所述图像数据采集模块还包括触发所述图像采集装置采集图像数据的触发控制器及控制触发控制器工作的控制设备，所述触发控制器与控制设备连接。

9.如权利要求7所述的车载接触网测量系统，其特征在于，所述图像采集装置与受电弓的滑板在列车车顶影射的图像之间的距离为1-3米。

10.如权利要求6-9之一所述的车载接触网测量系统，其特征在于，所述图像数据采集模块与接触点数据获取模块之间还包括：

图像数据截取模块：用于从所述图像数据中截取出列车每行进设定距离时刻的图像数据。