CN107560551A - 接触网几何参数检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接触网几何参数检测方法和系统，涉及轨道交通检测技术领域，所述方法基于铁轨上的手推式小车，包括如下步骤：基于设置于小车上的光源和分别位于光源两侧的相机一和相机二，使相机一和相机二的光轴与光源共面构成光幕靶，所述光幕靶覆盖接触线的极限位置区域；利用相机一和相机二随机拍摄光幕靶中接触线的图片；基于获取的接触线的图片获取接触线的位置，根据三角函数公式计算接触网的位置信息，所述位置信息包括接触线的高度和至相机一和相机二的水平距离；根据计算出的接触线的位置信息获取接触线的导高和拉出值；提高了对接触线几何参数检测的全面性和效率。

Description

接触网几何参数检测方法及系统

技术领域

本发明涉及轨道交通检测技术领域，更具体地说，它涉及一种接触网几何参数检测方法及系统。

背景技术

接触网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，接触网担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务，因此接触网的质量和工作状态将直接影响着电气化铁道的运输能力。随着列车速度的提高，对于接触悬挂的要求也越来越高。

目前，在对铁路接触网进行检测时，接触线导高、拉出值等常规几何参数的测量多采用人工手持检测设备进行定点方式测量。这种人工定点测量的方式，普遍存在测量点零散，检测不全面的问题，且检测效率低。

发明内容

本发明技术方案所解决的技术问题为，如何提高对接触线几何参数检测的全面性和效率。

为了解决上述技术问题，本发明技术方案提供了一种接触网几何参数检测方法，基于铁轨上的手推式小车，包括如下步骤：

基于设置于小车上的光源和分别位于光源两侧的相机一和相机二，使相机一和相机二的光轴与光源共面构成光幕靶，所述光幕靶覆盖接触线的极限位置区域；

利用相机一和相机二随机拍摄光幕靶中接触线的图片；

基于获取的接触线的图片获取接触线的位置，根据三角函数公式计算接触网的位置信息，所述位置信息包括接触线的高度和至相机一和相机二的水平距离；

根据计算出的接触线的位置信息获取接触线的导高和拉出值。

通过采用上述技术方案，接触线位于光幕靶中，使得需要检测的接触线能够与周围环境产生明显的区别，利用相机拍摄接触线时，能够较为快速的辨别出接触线的位置，并利用三角函数公式计算出接触线的高度和至相机的水平距离，从而获得接触线的导高和拉出值；并且，由于接触线的数据可随机采集，采集的接触线所对应的导高和拉出值可被较为全面的检测到，提高了接触线检测的准确性；同时，无需人工手持检测设备，只需推动小车即可完成检测，提高了检测效率。

进一步的，所述三角函数公式如下：

；

；

其中，z表示接触线的高度，y表示接触线至相机一的成像点的水平距离，d表示接触线至两台相机的成像点之间的距离，d₀表示基线长度，f表示相机的焦距；α表示接触线至相机一的成像点与水平方向的夹角，β表示接触线至相机二的成像点与水平方向的夹角，φ表示接触线至相机一的角坐标。

进一步的，所述d由以下公式得到：

;

其中，ψ表示接触线至相机二的角坐标。

进一步的，所述α、β、φ和ψ由以下公式得到：

；

;

;

;

其中，h₁表示接触线于相机一上形成的像高，h₂表示接触线于相机二上形成的像高，α₀表示相机一的光轴与基线的夹角，β₀表示相机二的光轴与基线的夹角。

通过采用上述技术方案，可利用以上公式计算出接触线的高度和至相机的水平距离，便于得到接触线的导高和拉出值。

进一步的，所述根据计算出的接触网的位置信息获取接触线的导高和拉出值包括：

设定拉出值的基准值y₀，并计算y与y₀之间的差值y₁，y₁表示接触网的拉出值；

获取基线至轨道底部的距离z₀，并计算z与z₀之间的和值z₁,z₁表示接触线的导高。

通过采用上述技术方案，利用接触线的高度和至相机的水平距离，再根据由系统可直接获得的拉出值的基准值y₀和基线至轨道底部的距离z₀，可较为方便的获得接触线的导高和拉出值。

进一步的，所述检测方法还包括：

基于随机获取的接触线的导高和拉出值，绘制导高变化图和拉出值变化图；

且所述导高变化图和所述拉出值变化图中均包括临界值线，当接触线的导高和拉出值均处于正常范围时，绘制的导高变化图和拉出值变化图均位于相应的临界值之间。

通过采用上述技术方案，检测人员能较为直观的从图中看到哪个位置上的接触线的参数不符合相关规定，以及沿路检测下来的数据变化。

进一步的，利用相机随机获取光幕靶中接触线的位置，同时获取接触线的图像，根据图像识别技术获取接触线的底面宽度；

根据接触线的底面宽度计算接触线的磨耗。

通过采用上述技术方案，利用图像识别技术分析出接触线的底面宽度，便于计算接触线的磨耗。

进一步的，基于获得的接触线的磨耗，绘制接触线磨耗变化图；

且所述磨耗变化图中包括临界值线，当接触线的磨耗处于正常范围时，绘制的磨耗变化图位于相应的临界值内。

通过采用上述技术方案，检测人员能较为直观的从图中看到哪个位置上的接触线的参数不符合相关规定，以及沿路检测下来的数据变化。

为了解决上述技术问题，本发明技术方案还提供了一种接触网几何参数检测系统，其特征在于，基于铁轨上的手推式小车，包括：

光源，设置于所述小车，用于照射接触线；

相机，包括设置于光源两侧的相机一和相机二，分别设置于所述小车的两端，用于拍摄位于其上方的接触线；

处理单元，与所述相机通信连接，用于接收所述相机拍摄的接触线的图片信息，并分析计算图片中接触线的导高、拉出值和磨耗；

显示屏，与所述处理单元信号连接，用于显示处理单元输出的参数。

通过采用上述技术方案，接触线位于光源的光幕靶中，使得需要检测的接触线能够与周围环境产生明显的区别，然后利用相机拍摄接触线，相机将拍摄的图片传输至处理单元中进行处理，利用三角函数公式计算出接触线的高度和至相机的水平距离，从而获得接触线的导高和拉出值，并能够将获取的数值在显示屏中显示，供检测人员实时知晓检测的数据；并且，由于接触线的数据可随机采集，采集的接触线所对应的导高和拉出值可被较为全面的检测到，提高了接触线检测的准确性。

进一步的，所述检测系统还包括图像绘制单元，所述图像绘制单元与所述处理单元信号连接以采集处理单元输出的参数，用于绘制接触线的参数变化图，并将该绘制接触线的参数变化图信号输出至显示屏显示。

通过采用上述技术方案，将处理单元输出的接触线的几何参数直接绘图，检测人员可较为直观的观察到检测数据和检测数据的变化趋势。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、检测人员利用手推式小车能较为轻松的检测接触线的几何参数，提供了检测效率；

2、利用设置在小车上的相机和光源，可用非接触式的检测方式随机检测接触线的几何参数，检测较为全面；

3、根据简单的三角函数公式边能够计算接触线的导高和拉出值，计算方式简单，系统运行速率快；

4、根据输出的导高和拉出值绘制相应的图，供检测人员直观的观察接触线的导高和拉出值以及导高和拉出值的变化趋势，同时，可直接与对应的临界值对比，能够快速的知道导高和拉出值是否超出临界值，便于后期的维修。

附图说明

图1为本发明检测系统的简单结构示意图；

图2为本发明获得接触线几何参数的原理框图；

图3为本发明检测方法的流程图；

图4为计算接触线几何参数的原理图；

图5为拉出值、导高和磨耗的变化图。

附图标记：1、检测梁；2、滚轮；3、安装平台；4、光源；5、支撑架；6、处理单元；7、图像处理器；8、程序存储器；9、图像绘制单元；10、数据存储器；11、笔记本电脑；12、相机一；13、相机二。

具体实施方式

为了更好的使本发明的技术方案清洗的表示出来，下面结合附图对本发明作进一步说明。

为了保证铁路交通的安全性，铁路接触网的多个参数需要时常进行检测，比如接触线的拉出值和导高，拉出值太小，达不到滑板磨耗均匀和延长受电弓寿命的目的；拉出值太大，易造成刮弓或者钻弓事故；导高可为研究接触悬挂的质量和受电弓的性能以及受流状态提供分析资料。现有的对铁路接触网的导高、拉出值和磨耗等参数进行的检测方式，一般采用人工手持检测设备进行定点检测，这种方式存在的问题是检测点较为离散，检测不全面，同时检测效率低。

基于上述现有技术的缺陷，本发明技术方案提供了解决思路。结合图1，为接触网几何参数检测系统的简单结构示意图，包括手推式小车，该手推式小车包括横跨在铁轨上的检测梁1，检测梁1两端下表面位置均设置有滚轮2，可带动检测梁1在铁轨上移动。检测梁1两端上表面位置均设置有安装平台3，并在安装平台3上设置了相机，本实施例采用CCD相机，且CCD相机的镜头均朝着相对的CCD相机斜向上设置。检测梁1上位于两台CCD相机之间位置设置有光源4，光源4向上照射，本实施例中，光源4可采用线型激光发生装置。该线型激光发生装置垂直于铁轨方向向上发射一条激光光束，形成一个激光断面，由此可知，无论接触线导高、拉出值如何变化，激光光束总是能扫描到接触线。CCD相机斜向上拍摄，可将接触线较为清晰的拍摄下来。

检测梁1的中间位置竖直向上设置了支撑架5，支撑架5上放置带有显示屏的笔记本电脑11，支撑架5的下端位置安装有信号连接于CCD相机和笔记本电脑11的处理单元6，CCD相机拍摄的接触线的图片传送至处理单元6中，经处理单元6分析图片中的接触线的位置后，再通过分析变换处理，得出接触线的导高、拉出值等几何参数值。得出的接触线的几何参数值通过线缆输入笔记本电脑11中，可由显示屏直接显示得出的数值。

参照图2，处理单元6包括图像处理器7和程序存储器8，图像处理器7接收CCD相机拍摄的接触线的图片，由于激光光束与接触线产生的轮廓有别于图像其它灰度值，经图像处理器7处理后，能够较为方便快捷的提取出接触线在整幅图像中的位置，并能够较为准确的确定接触线的底面宽度。程序存储器8中存储有用于分析变换接触线位置信息的算法，当程序存储器8接收图像处理器7提取的接触线的位置后，可计算出接触线的导高和拉出值。

另外，程序存储器8的输出端还连接有图像绘制单元9，可接收处理单元6输出的接触线的导高和拉出值，绘制出连续检测的导高变化图和拉出值变化图。另外，图像绘制单元9还与笔记本电脑11双向连接，检测人员可通过笔记本电脑11输入导高的临界值和拉出值的临界值，并与导高变化图和拉出值变化图同时显示在显示屏上，检测人员较为直观的看到检测出的数值是否超过临界值。

另外，由图像处理器7获得的接触线的底面宽度也作为输入数据输入程序存储器8中，经分析变换后输出接触线的磨耗，同样的，图像绘制单元9接收处理单元6磨耗，并将其绘制成磨耗变化图，磨耗一般以百分比的形式展现，检测人员从笔记本电脑11上输入磨耗允许的最大值，并将其与磨耗变化图同时显示在显示屏上。

需要说明的是，接触线的导高、拉出值和磨耗均输入数据存储器10中进行存储，便于对采集的数据进行回放分析。

需要说明的是，支撑架5上的安装的包括但不限于笔记本电脑11，可以为其他带有显示屏的电子产品。

基于上述的系统，本发明提出了一种接触网几何参数检测方法，参照图3，包括如下步骤：

步骤S100：基于设置于小车上的光源4和位于光源4两侧的相机，使相机光轴与光源4共面构成光幕靶，所述光幕靶覆盖接触线的极限位置区域；

步骤S101：利用相机随机拍摄光幕靶中接触线的图片；

步骤S102：基于获取的接触线的图片获取接触线的位置；

步骤S103：根据三角函数公式计算接触网的位置信息，所述位置信息包括接触线的高度和至相机的水平距离；

步骤S104：根据计算出的接触线的位置信息获取接触线的导高和拉出值。

根据步骤S103，参照图4，建立三维坐标系图，Z轴表示高度，Y轴表示小车检测梁1的方向，X轴表示小车行进方向。两台CCD线阵列相机的光轴在与线型激光光源4共面构成光幕靶，且Z轴经过两台CCD线阵列相机光轴的交叉点。其中，接触线的极限位置区域是指，该区域包含了所有不同等高、拉出值等数值的接触线位置的集合。

设位于图1中左边的CCD相机为相机一12，另一侧的CCD相机为相机二13，则相机一12光轴和小车检测梁1的夹角为α₀，相机二13光轴和小车检测梁1的夹角为β₀，基线长度为d₀，两台CCD相机的视场角均为ω，焦距为f，CCD线性阵列的长度为l，则场角为。

设接触线出现在光幕靶上随机位置P点，基线两端分别为A点和B点，P点经相机镜头后，与基线的延长线的交点分别为C点和D点，相机一12上形成的像高为h₁，相机二13上形成的像高为h₂，由图中的几何关系可得：

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；

；

；

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，

其中，φ表示接触线至相机一12的角坐标，ψ表示接触线至相机二13的角坐标，α表示∠PCB的角度，β表示∠PDA角度。

由上可得到：

；

；

由上可知，则P点的Z坐标为：

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Y坐标为：

；

综上，根据CCD相机的特性参数和接触线至两台相机的成像高度，可计算出接触线的坐标位置。

根据步骤S104，基于上述的接触线的坐标位置，计算出接触线的导高和拉出值。若设定拉出值的基准值y₀，则检测的接触线的拉出值为：

y₁=y-y₀，其中，y₁表示接触网的拉出值；接触线的导高为：

z₁=z+z₀，其中，z₁表示接触线的导高，z₀表示基线至铁轨底部的距离。

图像绘制单元9接收y₁和z₁后，与之前接收的数据进行连线，使得拉出值变化图和导高变化图能够在显示屏上连续显示，如图5所示，拉出值变化图的上下方的粗线表示拉出值的临界值，当拉出值变化图超过临界值时，表示该处需要维修；同样的，导高变化图的上下方的粗线表示导高的临界值，当导高变化图超过临界值时，表示该处需要维修。

另外，步骤S101中获取的照片，经过图像处理器7处理后，获得接触线的底面宽度，则根据该接触线的底面宽度可计算出接触线的磨耗，公式如下：

η=(1-)，其中，η表示磨耗，w₀表示获得的接触线的底面宽度，w表示接触线底面宽度的初始值；

同样的，磨耗变化图的上方的粗线表示磨耗的临界值，当磨耗变化图超过临界值时，表示该处需要维修。

本发明通过简单的结构和简单的分析算法，可对接触网的几何参数进行非接触式、连续动态检测，提高了检测效率和检测的全面性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种接触网几何参数检测方法，其特征在于，基于铁轨上的手推式小车，包括如下步骤：

基于设置于小车上的光源(4)和分别位于光源(4)两侧的相机一(12)和相机二(13)，使相机一(12)和相机二(13)的光轴与光源(4)共面构成光幕靶，所述光幕靶覆盖接触线的极限位置区域；

利用相机一(12)和相机二(13)随机拍摄光幕靶中接触线的图片；

基于获取的接触线的图片获取接触线的位置，根据三角函数公式计算接触网的位置信息，所述位置信息包括接触线的高度和至相机一(12)和相机二(13)的水平距离；

根据计算出的接触线的位置信息获取接触线的导高和拉出值。

2.根据权利要求1所述的接触网几何参数检测方法，其特征在于，所述三角函数公式如下：

；

；

其中，z表示接触线的高度，y表示接触线至相机一(12)的成像点的水平距离，d表示接触线至两台相机的成像点之间的距离，d₀表示基线长度，f表示相机的焦距；α表示接触线至相机一(12)的成像点与水平方向的夹角，β表示接触线至相机二(13)的成像点与水平方向的夹角，φ表示接触线至相机一(12)的角坐标。

3.根据权利要求2所述的接触网几何参数检测方法，其特征在于，d由以下公式得到：

其中，ψ表示接触线至相机二(13)的角坐标。

4.根据权利要求3所述的接触网几何参数检测方法，其特征在于，α、β、φ和ψ由以下公式得到：

；

；

；

；

其中，h₁表示接触线于相机一(12)上形成的像高，h₂表示接触线于相机二(13)上形成的像高，α₀表示相机一(12)的光轴与基线的夹角，β₀表示相机二(13)的光轴与基线的夹角。

5.根据权利要求4所述的接触网几何参数检测方法，其特征在于，所述根据计算出的接触网的位置信息获取接触线的导高和拉出值包括：

设定拉出值的基准值y₀，并计算y与y₀之间的差值y₁，y₁表示接触网的拉出值；

获取基线至轨道底部的距离z₀，并计算z与z₀之间的和值z₁,z₁表示接触线的导高。

6.根据权利要求5所述的接触网几何参数检测方法，其特征在于，所述检测方法还包括：

基于随机获取的接触线的导高和拉出值，绘制导高变化图和拉出值变化图；

且所述导高变化图和所述拉出值变化图中均包括临界值线，当接触线的导高和拉出值均处于正常范围时，绘制的导高变化图和拉出值变化图均位于相应的临界值之间。

7.根据权利要求1所述的接触网几何参数检测方法，其特征在于，

利用相机随机获取光幕靶中接触线的位置，同时获取接触线的图像，根据图像识别技术获取接触线的底面宽度；

根据接触线的底面宽度计算接触线的磨耗。

8.根据权利要求7所述的接触网几何参数检测方法，其特征在于，基于获得的接触线的磨耗，绘制接触线磨耗变化图；

且所述磨耗变化图中包括临界值线，当接触线的磨耗处于正常范围时，绘制的磨耗变化图位于相应的临界值内。

9.一种接触网几何参数检测系统，其特征在于，基于铁轨上的手推式小车，包括：

光源(4)，设置于所述小车，用于照射接触线；

相机，包括设置于光源(4)两侧的相机一(12)和相机二(13)，分别设置于所述小车的两端，用于拍摄位于其上方的接触线；

处理单元(6)，与所述相机通信连接，用于接收所述相机拍摄的接触线的图片信息，并分析计算图片中接触线的导高、拉出值和磨耗；

显示屏，与所述处理单元(6)信号连接，用于显示处理单元(6)输出的参数。

10.根据权利要求9所述的接触网几何参数检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括图像绘制单元(9)，所述图像绘制单元(9)与所述处理单元(6)信号连接以采集处理单元(6)输出的参数，用于绘制接触线的参数变化图，并将该绘制接触线的参数变化图信号输出至显示屏显示。