CN107421669A - 一种接触网受电弓压力在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接触网受电弓压力在线检测方法，其基于接触网受电弓压力在线检测装置实施，该接触网受电弓压力在线检测装置设有定位标志和相机；通过将定位标志设置在位于受监测接触网的悬挂点所在的垂直于受监测接触网延伸方向的竖向平面之外的位置，并用相机采集基准照片和比对照片，基准照片示出了定位标志在受监测接触网未与列车的受电弓接触时的状态，比对照片示出了定位标志在列车运行至其受电弓与所述定位标志的中心点在水平方向上的距离在1m以内时的状态，利用比对中心像素点相对所述基准中心像素点的竖向位移量△H必然与接触网所受到的压力F存在一一对应的关系，计算出列车的受电弓在比对照片的拍摄时刻作用于受监测接触网上压力F。

Description

一种接触网受电弓压力在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种接触网受电弓压力在线检测方法，应用于铁路电力机车受电弓与接触网压力的在线检测。

背景技术

电力机车在线路上前行，要保证机车顺利受电，受电弓与接触网要以一定的压力接触，但压力过大或过小会影响到或受电效率低、或离线、或增加滑板磨耗、或拉弧损伤甚至造成恶性停车事故等危害。所以在线运行的机车此值必须要控制在一个合理的范围内，使安全、效率、维修成本达到最佳。接触网压力在线检测目前国内在铁路正线线路、车辆段、出入库等多处使用，目的是要在线测出弓网实际压力值，可实时发现故障即压力超限，评估使用效率，通过积累大数据可预知维修期与使用寿命，为维护和使用提出指导意见。目前新建地铁都采用刚性接触网，为适应目前纲性接触网越来越多的应用，开发正线钢性网压力在线监测装置已成为迫切需求。实际应用中，检测方法有车载测量、地面测量，比较成熟的地面测量是利用杠杆式结构，如图1所示，适用于柔性和刚性接触网，需要在网上方安装一杠杆机构，杠杆机构需要绝缘，顶挂，通过杠杆原理把弓对网压力F转换到另一边拉杆作用于压力传感器上的拉力F’，由压力传感器输出压力参数。本方法缺点：第一，属接触测量，第二，需要绝缘高压，第三，输出值受接触网驰度影响。

如图2所示，广州市奥特创通测控技术有限公司发明的专利号为ZL201620388881.3的基于光纤光栅的刚性接触网压力检测装置，即通过安装于钢性网汇流排上特殊夾具的专用光纤光栅1，利用光纤光栅对微变形的敏感度，测量运行列车过弓2时对钢性网3的作用力产生局部变形，其中，传感器长度约100mm，局部变形在um量级。实验室与模拟现场试验表明该方案是可行的。该方案的缺点是：第一，属于接触测量，第二，需要在汇流排安装特殊夾具4，给供电部门的运维带来困扰，第三，汇流排的局部微变量太小，现场的干扰如空挂带来了测不准问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种接触网受电弓压力在线检测方法。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种接触网受电弓压力在线检测方法，其特征在于：所述的接触网受电弓压力在线检测方法基于接触网受电弓压力在线检测装置实施，该接触网受电弓压力在线检测装置设有定位标志和相机；所述定位标志设置在受监测接触网的侧面，且所述定位标志位于所述受监测接触网的悬挂点所在的垂直于所述受监测接触网延伸方向的竖向平面之外；所述相机固定在位于所述受监测接触网侧方的固定建筑物上，并使得所述定位标志落在所述相机的拍摄范围之内；

所述的接触网受电弓压力在线检测方法包括：

步骤一、所述受监测接触网未与列车的受电弓接触时，用所述相机进行拍摄，并将所述相机拍摄到的照片记为基准照片，所述定位标志的中心点在该基准照片上的图像记为基准中心像素点；

步骤二、在列车的受电弓接触到所述受监测接触网且所述列车运行至其受电弓与所述定位标志的中心点在水平方向上的距离在1m以内时，用所述相机进行拍摄，并将所述相机拍摄到的照片记为比对照片，所述定位标志的中心点在该比对照片上的图像记为比对中心像素点；

步骤三、分别对所述基准照片和比对照片进行图像识别，获取所述基准中心像素点和比对中心像素点在相同的直角坐标系xoy中的坐标，依次记为(x0,y0)和(x1,y1)，其中，所述直角坐标系xoy的x轴沿水平方向延伸、y轴沿竖直方向延伸；

步骤四、计算所述比对中心像素点相对所述基准中心像素点的竖向位移量△H＝y1-y0的值，再根据所述竖向位移量△H与所述受监测接触网所受压力F的函数关系式，计算出所述列车的受电弓在所述比对照片的拍摄时刻作用于所述受监测接触网上压力F。

为了进一步提高压力F检测的精确性，作为本发明的优选实施方式：所述定位标志的中心点位于所述受监测接触网的相邻的两个悬挂点的中间位置上。

为了便于在相机所拍摄的照片中对定位标志进行图像分析定位，作为本发明的优选实施方式：所述定位标志为圆环形图案标志；所述步骤一中，所述定位标志的中心点为该圆形图案标志的圆心。

为了提高在相机所拍摄的照片中对定位标志进行图像分析定位的精确性，作为本发明的优选实施方式：所述定位标志包含两个以上图案标志。

为了提高对相机所拍摄照片进行图像识别的精确性，作为本发明的优选实施方式：所述相机的拍摄方向垂直于所述受监测接触网的侧面。

作为本发明的优选实施方式：所述相机的像素在300万像素至1000万像素之间、镜头在50mm至25mm之间，所述相机的镜头与所述受监测接触网的侧面之间的距离在500mm至3000mm之间。

为了便于将定位标志纳入相机的拍摄范围之内，作为本发明的优选实施方式：所述接触网受电弓压力在线检测装置还设有支架和角度调节机构；所述支架固定在所述固定建筑物上，所述相机通过所述角度调节机构安装在所述支架上，所述角度调节机构能够调节所述相机相对于所述支架的角度并锁定。

为了便于实时获取相机拍摄到的照片，作为本发明的优选实施方式：所述的接触网受电弓压力在线检测装置还设有数据采集设备；所述数据采集设备与所述相机的数据输出端电性连接，所述数据采集设备能够实时接收所述相机所拍摄到的照片。

为了更进一步提高压力F检测的精确性，作为本发明的优选实施方式：所述步骤二中，所述相机在所述列车运行至其受电弓位于所述定位标志的中心点的正下方时进行拍摄。

为了便于获取基准中心像素点和比对中心像素点的坐标，作为本发明的优选实施方式：所述步骤三中，所述直角坐标系xoy建立在所述相机所拍摄照片所在的平面上，且所述直角坐标系xoy以所述相机所拍摄照片的四个角部角点中的任意一个作为坐标原点o，所述直角坐标系xoy的x轴沿所述相机所拍摄照片中的水平方向延伸、y轴沿所述相机所拍摄照片中的竖直方向延伸。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明将定位标志设置在位于受监测接触网的悬挂点所在的垂直于受监测接触网延伸方向的竖向平面之外的位置，并通过相机采集基准照片和比对照片，其中，基准照片示出了定位标志在受监测接触网未与列车的受电弓接触时的状态，比对照片示出了定位标志在列车运行至其受电弓与所述定位标志的中心点在水平方向上的距离在1m以内时的状态，从而，利用比对中心像素点相对所述基准中心像素点的竖向位移量△H必然与接触网所受到的压力F存在一一对应的关系，计算出列车的受电弓在比对照片的拍摄时刻作用于受监测接触网上压力F。

基于上述构思，本发明具有以下优点：

第一，本发明仅需在受监测接触网上设置不影响列车运行的定位标志，属于非接触测量，因此，本发明避免了现有技术中所采用的接触式测量存在需增加电气绝缘措施的问题；

第二，本发明通过测量竖向位移量△H来计算压力F，是将接触网的固定支撑和汇流排看作具有弱弹性系数的系统，再通过测这个系统的弹性微变形即竖向位移量△H，用以计算压力F，由于这个系统的弹性微变形比局部微变形大1000倍，即可能达到mm量级，因此现有的相机能够清楚的获取到能够反映竖向位移量△H的照片，所以，本发明的检测精度能够保证工程需要；

第三，本发明的实施不受受监测接触网的驰度和空挂的影响；

第四，本发明的安装简单实用，运行维护安全可靠。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为现有的杠杆式结构接触网受电弓压力检测装置的结构示意图；

图2为现有的基于光纤光栅的刚性接触网压力检测装置的结构示意图；

图3为本发明的接触网受电弓压力在线检测装置的结构示意图；

图4为图3的A向示意图；

图5为本发明中基准中心像素点和比对中心像素点在直角坐标系xoy中的示意图；

图6为本发明的一个实例得到的定位标志1的中心点在20秒内的y轴坐标变化示意图。

具体实施方式

如图3和图4所示，本发明公开的是一种接触网受电弓压力在线检测方法，其发明构思为：接触网受电弓压力在线检测方法基于接触网受电弓压力在线检测装置实施。

上述接触网受电弓压力在线检测装置设有定位标志1和相机2；定位标志1设置在受监测接触网3的侧面3a，且定位标志1位于受监测接触网3的悬挂点31所在的垂直于受监测接触网3延伸方向的竖向平面31a之外；相机2固定在位于受监测接触网3侧方的固定建筑物4上，并使得定位标志1落在相机2的拍摄范围之内。

本发明的接触网受电弓压力在线检测方法包括：

步骤一、受监测接触网3未与列车的受电弓接触时，用相机2进行拍摄，并将相机2拍摄到的照片记为基准照片，定位标志1的中心点在该基准照片上的图像记为基准中心像素点C0；

步骤二、在列车的受电弓接触到受监测接触网3且列车运行至其受电弓与定位标志1的中心点在水平方向上的距离在1m以内时，用相机2进行拍摄，并将相机2拍摄到的照片记为比对照片，定位标志1的中心点在该比对照片上的图像记为比对中心像素点C1；

步骤三、参见图5，分别对基准照片和比对照片进行图像识别，获取基准中心像素点C0和比对中心像素点C1在相同的直角坐标系xoy中的坐标，依次记为(x0,y0)和(x1,y1)，其中，直角坐标系xoy的x轴沿水平方向延伸、y轴沿竖直方向延伸；

步骤四、计算比对中心像素点C1相对基准中心像素点C0的竖向位移量△H＝y1-y0的值，再根据竖向位移量△H与受监测接触网3所受压力F的函数关系式，计算出列车的受电弓在比对照片的拍摄时刻作用于受监测接触网3上压力F。

其中，由于接触网的结构，接触网3在定位标志1所在部位的竖向形变量与接触网3所受到的压力F必然存在一一对应的关系，且压力F仅与竖向形变量相关，而接触网3在定位标志1所在部位的竖向形变量又与竖向位移量△H存在线性对应关系，因此，竖向位移量△H也必然与接触网3所受到的压力F存在一一对应的关系，在上述接触网受电弓压力在线检测装置安装完成后，用现有可靠的检测设备测量多组列车的受电弓作用于受监测接触网3上压力F以及对应的竖向位移量△H，然后，对测量到的多组数据进行回归分析，即可得到上述竖向位移量△H与受监测接触网3所受压力F的函数关系式。

在上述发明构思的基础上，本发明采用以下优选的结构：

为了进一步提高压力F检测的精确性，作为本发明的优选实施方式：定位标志1的中心点位于受监测接触网3的相邻的两个悬挂点31的中间位置上。

为了便于在相机2所拍摄的照片中对定位标志1进行图像分析定位，作为本发明的优选实施方式：定位标志1为圆环形图案标志；步骤一中，定位标志1的中心点为该圆形图案标志的圆心。

为了提高在相机2所拍摄的照片中对定位标志1进行图像分析定位的精确性，作为本发明的优选实施方式：定位标志1包含两个以上图案标志。

为了提高对相机2所拍摄照片进行图像识别的精确性，作为本发明的优选实施方式：相机2的拍摄方向垂直于受监测接触网3的侧面3a。

作为本发明的优选实施方式：相机2的像素在300万像素至1000万像素之间、镜头在50mm至25mm之间，相机2的镜头与受监测接触网3的侧面3a之间的距离在500mm至3000mm之间。

为了便于将定位标志1纳入相机2的拍摄范围之内，作为本发明的优选实施方式：接触网受电弓压力在线检测装置还设有支架5和角度调节机构6；支架5固定在固定建筑物4上，相机2通过角度调节机构6安装在支架5上，角度调节机构6能够调节相机2相对于支架5的角度并锁定。

为了便于实时获取相机2拍摄到的照片，作为本发明的优选实施方式：接触网受电弓压力在线检测装置还设有数据采集设备；数据采集设备与相机2的数据输出端电性连接，数据采集设备能够实时接收相机2所拍摄到的照片。

为了更进一步提高压力F检测的精确性，作为本发明的优选实施方式：步骤二中，相机2在列车运行至其受电弓位于定位标志1的中心点的正下方时进行拍摄。

为了便于获取基准中心像素点C0和比对中心像素点C1的坐标，作为本发明的优选实施方式：步骤三中，直角坐标系xoy建立在相机2所拍摄照片所在的平面上，且直角坐标系xoy以相机2所拍摄照片的四个角部角点中的任意一个作为坐标原点o，直角坐标系xoy的x轴沿相机2所拍摄照片中的水平方向延伸、y轴沿相机2所拍摄照片中的竖直方向延伸。

另外，通过计算比对中心像素点C1相对基准中心像素点C0的水平位移量△L＝x1-x0的值，可以反映出因某种原因(如碳滑板挂线)产生的列车运行方向冲击力。

本发明的接触网受电弓压力在线检测方法的设计依据与理论计算如下：

一、设计依据

将钢性网固定支撑和汇流排看作具有弱弹性系数的系统，测这个大系统的弹性微变形，该变形估计比局部微变形大1000倍，即可能达到mm量级：

a)柔性接触网--现杠杆式测量1:1设计，是解决绝缘，即测量弓网相对位移。假定位移总量20mm，标准压力100N，5N每mm。刚性网--若刚性网的弹性系数比柔性网小20倍，1mm100N，用合适的方法如小圆定圆心、多小圆等提高分辨力后就可满足。若刚性网弹性系数比预想小太多，则会给测量到来困难甚至方案不成立。

b)本方法特点是25m汇流排及悬挂弹性夾的微位移，而非光栅方案的100mm微变型，加上是非接触方式可能更实用。

二、理论计算

选用合适的照相机和选取提升测量微位移分辨力的工程实用方法：

a)传感器选型：

MV-CA060-10GC像素3072*2048，像元2.4um*2.4um镜头焦距50mm

b)压力检测要求：设定物距1.9m设定分辨力0.1mm

c)计算分辨力相机--设定物距/焦距＝设定分辦力/像元算得分辨为91.2um

提升分辨力--小圆外径1mm，圆周总像素＝3.14*1/0.0912＝34.5，其理论统计的最优不确定度为计算分辨力91.2um的约为0.02um，实际工程分析从小圆边界取16条直径的统计圆心坐标，也将使分辨力性能提升至4倍。多圆(如随机分布于刚性网截面的10个小圆)方法也是用了测量光线投射、相机像元非线性与刚性网表面等多要素造成的测量误差分布服从正态分布的工程实用方法，该方法圆心分辨力计算为单个小圆定位的以上两种提升分辨力方法的结合使用预期会保证在工程应用范围的0.02mm的测量要求。压力与位移的线性换算，例如平均压力整定80N，测得平均位移0.5mm,则弹性系数＝80/0.5＝160N/每mm，压力分辨力＝0.02*弹性系数＝3.2N。

下面通过一个实例说明本发明的接触网受电弓压力在线检测方法：

试验方法：

a)将若干小圆标记置于刚性网汇流排，小圆外径1mm，内径0.5mm。

b)用录像方法记录过车若20秒。

c)用图像分析软件将获取图像小圆放大10倍(相当于灰度插值分析)，人工标定约200帧图像的小圆中心位置，得到定位标志1的中心点在上述20秒内的y轴坐标如图6所示。

试验结论

创新方法进行的初步试验得到了有用的结论：

a)平均最大微变形约0.5mm。

b)最大形变区约2m，是压力正弦变化的顶点，不会因为相机与被测对象的小错位导致抓不到。

c)通过灰度插值与数据统计分析，可以满足5N的工程精度要求。

d)观察到了过弓时的列车运动方向冲击力,这是压力测量带来的另一安全预警指标。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。例如：定位标志1也可以采用其它便于图像分析定位的图案标志。

Claims (10)

1.一种接触网受电弓压力在线检测方法，其特征在于：所述的接触网受电弓压力在线检测方法基于接触网受电弓压力在线检测装置实施，该接触网受电弓压力在线检测装置设有定位标志(1)和相机(2)；所述定位标志(1)设置在受监测接触网(3)的侧面(3a)，且所述定位标志(1)位于所述受监测接触网(3)的悬挂点(31)所在的垂直于所述受监测接触网(3)延伸方向的竖向平面(31a)之外；所述相机(2)固定在位于所述受监测接触网(3)侧方的固定建筑物(4)上，并使得所述定位标志(1)落在所述相机(2)的拍摄范围之内；

所述的接触网受电弓压力在线检测方法包括：

步骤一、所述受监测接触网(3)未与列车的受电弓接触时，用所述相机(2)进行拍摄，并将所述相机(2)拍摄到的照片记为基准照片，所述定位标志(1)的中心点在该基准照片上的图像记为基准中心像素点(C0)；

步骤二、在列车的受电弓接触到所述受监测接触网(3)且所述列车运行至其受电弓与所述定位标志(1)的中心点在水平方向上的距离在1m以内时，用所述相机(2)进行拍摄，并将所述相机(2)拍摄到的照片记为比对照片，所述定位标志(1)的中心点在该比对照片上的图像记为比对中心像素点(C1)；

步骤三、分别对所述基准照片和比对照片进行图像识别，获取所述基准中心像素点(C0)和比对中心像素点(C1)在相同的直角坐标系xoy中的坐标，依次记为(x0,y0)和(x1,y1)，其中，所述直角坐标系xoy的x轴沿水平方向延伸、y轴沿竖直方向延伸；

步骤四、计算所述比对中心像素点(C1)相对所述基准中心像素点(C0)的竖向位移量△H＝y1-y0的值，再根据所述竖向位移量△H与所述受监测接触网(3)所受压力F的函数关系式，计算出所述列车的受电弓在所述比对照片的拍摄时刻作用于所述受监测接触网(3)上压力F。

2.根据权利要求1所述的接触网受电弓压力在线检测方法，其特征在于：所述定位标志(1)的中心点位于所述受监测接触网(3)的相邻的两个悬挂点(31)的中间位置上。

3.根据权利要求1所述的接触网受电弓压力在线检测方法，其特征在于：所述定位标志(1)为圆环形图案标志；所述步骤一中，所述定位标志(1)的中心点为该圆形图案标志的圆心。

4.根据权利要求1所述的接触网受电弓压力在线检测方法，其特征在于：所述定位标志(1)包含两个以上图案标志。

5.根据权利要求1所述的接触网受电弓压力在线检测方法，其特征在于：所述相机(2)的拍摄方向垂直于所述受监测接触网(3)的侧面(3a)。

6.根据权利要求1所述的接触网受电弓压力在线检测方法，其特征在于：所述相机(2)的像素在300万像素至1000万像素之间、镜头在50mm至25mm之间，所述相机(2)的镜头与所述受监测接触网(3)的侧面(3a)之间的距离在500mm至3000mm之间。

7.根据权利要求1所述的接触网受电弓压力在线检测方法，其特征在于：所述接触网受电弓压力在线检测装置还设有支架(5)和角度调节机构(6)；所述支架(5)固定在所述固定建筑物(4)上，所述相机(2)通过所述角度调节机构(6)安装在所述支架(5)上，所述角度调节机构(6)能够调节所述相机(2)相对于所述支架(5)的角度并锁定。

8.根据权利要求1所述的接触网受电弓压力在线检测方法，其特征在于：所述的接触网受电弓压力在线检测装置还设有数据采集设备；所述数据采集设备与所述相机(2)的数据输出端电性连接，所述数据采集设备能够实时接收所述相机(2)所拍摄到的照片。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的接触网受电弓压力在线检测方法，其特征在于：所述步骤二中，所述相机(2)在所述列车运行至其受电弓位于所述定位标志(1)的中心点的正下方时进行拍摄。

10.根据权利要求1至8任意一项所述的接触网受电弓压力在线检测方法，其特征在于：所述步骤三中，所述直角坐标系xoy建立在所述相机(2)所拍摄照片所在的平面上，且所述直角坐标系xoy以所述相机(2)所拍摄照片的四个角部角点中的任意一个作为坐标原点o，所述直角坐标系xoy的x轴沿所述相机(2)所拍摄照片中的水平方向延伸、y轴沿所述相机(2)所拍摄照片中的竖直方向延伸。