CN108681733A - 一种基于图像处理的受电弓状态异常检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于图像处理的受电弓状态异常检测系统及检测方法，包括电源单元，还包括采集触发单元、视频图像采集单元、视频信息合成单元、受电弓检测单元、故障故障报警单元、无线通讯单元、视频图像存储单元和信息显示单元，其中采集触发单元与机车系统单元、视频图像采集单元连接，视频图像采集单元与视频信息合成单元以及受电弓检测单元连接，视频信息合成单元还与机车系统单元的信号输出端连接，视频信息合成单元与视频图像存储单元连接，受电弓检测单元与视频图像存储单元和故障故障报警单元连接，视频图像存储单元经无线通讯单元与信息显示单元连接。本发明可以实现对受电弓状态的实时在线检测，实现对故障的有效准确监测，提高故障判断的准确率。
Description
技术领域
本发明涉及轨道列车技术领域，尤其涉及一种基于图像处理的受电弓状态异常检测系统及检测方法。
背景技术
受电弓是一种安装在电力牵引机车顶部，并且通常在受电弓顶部设置有可与接触网滑动接触的碳滑板，用以从接触网取得电能，为牵引机车提供动力。为了保证受电弓可以提供稳定的牵引电流，一方面，要求碳滑板的长度可以保证在机车摆动时，仍能够与接触线相接触，另一方面，还需要将受电弓顶部的碳滑板与接触网的接触线紧密接触，通常在受电弓底部设置有弹簧等弹性装置，将碳滑板顶部顶在接触线上，并且二者之间具有一定的接触压力。
然而，在实际应用中，受电弓是随机车高速行进的，机车行进过程中若接触网供电线上的硬点以及其他缺陷导致受电弓高速经过时产生撞击效果，轻则使受电弓剧烈晃动，重则使受电弓变形，甚至脱落。受电弓发生此类碰撞会带来严重的后果，因此当受电弓出现碰撞缺陷时，需要系统尽快检测出该事件。
目前最常用的检测手段是人工检测，即待机车进站停车，降弓断电后，工作人员登上车顶，对受电弓进行检测，这种方法不仅效率低、工作量大，而且不能够检测在运行中受电弓的真实工作状态。
目前，车载式的受电弓监测装置都是安装在所在机车上，远程无线的定点监测系统通过把受电弓的情况进行拍照和录像，然后把数据远程传输回来，相关技术人员通过观测图片和录像对受电弓的情况进行判断，为人员经验判断，容易出现误判。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于图像处理的受电弓状态异常检测系统及检测方法，该基于图像处理的受电弓状态异常检测系统及检测方法可以实现对受电弓状态的实时在线检测，实现对故障的有效准确监测，提高故障判断的准确率。
本发明的一种基于图像处理的受电弓状态异常检测系统，包括电源单元，其特点在于：还包括采集触发单元、视频图像采集单元、视频信息合成单元、受电弓检测单元、故障故障报警单元、无线通讯单元、视频图像存储单元和信息显示单元，其中所述的采集触发单元的信号输入端与触发控制端连接，所述的采集触发单元的信号输出端与所述的视频图像采集单元的信号输入端连接，所述的视频图像采集单元的信号输出端与所述的视频信息合成单元的信号输入端以及所述的受电弓检测单元的信号输入端连接，所述的视频信息合成单元的信号输入端还与所述的机车系统单元的信号输出端连接，所述的视频信息合成单元的信号输出端与所述的视频图像存储单元的信号输入端连接，所述的受电弓检测单元的信号输出端与所述的视频图像存储单元的信号输入端和故障故障报警单元的信号输入端连接，所述的视频图像存储单元的信号输出端经所述的无线通讯单元与所述的信息显示单元的信号输入端连接，其中
所述的采集触发单元用于向所述的视频图像采集单元发送信号采集的命令；
所述的视频图像采集单元，用于拍摄机车顶部运行状况的监控视频以及受电弓的图像；
所述的视频信息合成单元，用于接收视频图像采集单元发送的监控视频和机车系统单元发送的机车运行位置和速度信息，并将机车运行位置、速度信息和本地时间叠加到视频图像上，发送到视频图像存储单元；
所述的受电弓检测单元，用于接收视频图像采集单元发送的受电弓图像并对受电弓图像进行故障分析判断；
所述的故障故障报警单元用于接收所述的受电弓检测单元对受电弓的故障判断信息并发出故障报警信号；
所述的视频图像存储单元，用于存储视频信息合成单元发送的监控视频以及受电弓检测单元发送的受电弓图像；
所述的信息显示单元，用于向图像存储单元发送查看命令，并接收视频图像存储单元通过无线通讯单元发送的监控视频和受电弓图像。
进一步的，还包括补光单元，所述的补光单元的信号输入端与所述的采集触发单元的信号输出端连接，所述的补光单元用于接收采集触发单元发送的触发命令并为所述的视频图像采集单元提供光照补偿。
进一步的，所述的视频图像采集单元包括机车视频采集模块和受电弓拍摄模块，所述的机车视频采集模块用于拍摄机车顶部运行状况的监控视频并将监控视频发送给视频信息合成单元，所述的受电弓拍摄模块用于拍摄受电弓图像并将受电弓图像发送给受电弓检测单元。
本发明还公开了一种基于图像处理的受电弓状态异常检测系统的检测方法，包括如下的步骤：
步骤(1)，在所述的机车系统单元的机车运行开始时，所述的采集触发单元向所述的视频图像采集单元发送触发命令使所述的视频图像采集单元开始工作；
步骤(2)，所述的视频图像采集单元中对待检测的受电弓进行图像拍摄、对待监控的机车顶部运行情况进行视频采集，并将拍摄的待检测受电弓的图像发送给受电弓检测单元，同时将采集的待监控机车顶部运行情况的视频流发送给视频信息合成单元；
步骤(3)，所述的受电弓检测单元接收视频图像采集单元中受电弓拍摄模块发送的受电弓图像，通过受电弓状态异常检测算法对受电弓图像进行处理，然后根据处理结果判断分析受电弓是否缺失变形以及是否向故障故障报警单元发送报警信息；
步骤(4)，所述的视频信息合成单元接收视频图像采集单元中机车视频采集模块发送的监控视频，并对监控视频进行信息叠加；
步骤(5)，所述的受电弓检测单元和视频信息合成单元分别将处理的受电弓图像和监控视频发送给视频图像处理单元进行本地存储；
步骤(6)，所述的信息显示单元向所述的图像存储单元发送查看命令，并接收视频图像存储单元通过无线通讯单元发送的监控视频和受电弓图像。
进一步的，在所述步骤(3)受电弓状态异常检测算法步骤如下：
步骤(3-1)：载入受电弓模板图像和受电弓拍摄图像；
步骤(3-2)：对受电弓拍摄图像进行ROI(Region of Interest，感兴趣区域)选取，即选取受电弓区域图片；
步骤(3-3)：对所选取的受电弓图片和模板图像进行预处理；
步骤(3-4)：对预处理后的受电弓图片和模板图像进行轮廓提取；
步骤(3-5)：将所取的模板轮廓与受电弓图片轮廓进行欧式距离计算，计算出模板轮廓与受电弓图片轮廓的重叠率，若重叠率的计算结果大于预设的阈值，则判断受电弓状态正常；若重叠率的计算结果小于预设的阈值，则判断受电弓状态有可能异常，并记录受电弓状态可能异常的帧数，如果受电弓状态可能异常连续帧数大于预设阈值，则判断受电弓状态异常；否则，则判断受电弓状态正常。
作为优选，所述的步骤(3-3)中，所述的预处理包括高斯滤波去噪和图像增强处理。
进一步的，所述的步骤(3-4)中，根据受电弓图片的旋转角度和缩放度对应地对模板轮廓进行旋转和缩放。
进一步的，在所述的步骤(1)中，所述的采集触发单元同时向所述的补光单元发送触发命令使补光单元为所述的视频图像采集单元提供光照补偿。
作为优选，在所述的步骤(4)中，所述的叠加信息主要包括机车运行位置、车速信息，和本地时间信息。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1.本发明通过采用无线通讯单元实现对受电弓的实时监控；
2.通过受电弓检测单元实现对机车受电弓图像的实时处理，识别受电弓状态是否异常，可以及时、准确的发出报警，有利于受电弓的及时抢修；
3.通过4G/WiFi无线网络将故障图像和监控视频传回监控中心，用于故障处理的决策和受电弓故障的历史记录。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明受电弓状态异常检测算法的流程示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1，实施例，本发明提供的一种基于图像处理的受电弓状态异常检测系统，包括电源单元1、补光单元11、采集触发单元2、视频图像采集单元3、视频信息合成单元4、受电弓检测单元5、故障故障报警单元6、无线通讯单元8、图像存储单元7和信息显示单元9，其中，视频图像采集单元3包括受电弓拍摄模块32和机车视频采集模块31；电源单元1、补光单元11、采集触发单元2、视频图像采集单元3、视频信息合成单元4、受电弓检测单元5、故障故障报警单元6、无线通讯单元8和图像存储单元7都属于前端设备，均安装在受电弓设定的检测点上，信息显示单元9属于监控中心设备。上述的电源单元1可以为蓄电池，图像存储单元7为硬盘、信息显示单元9为显示器、故障故障报警单元为蜂鸣器，补光单元11为红光发射器。
所述的电源单元1，分别与补光单元11、采集触发单元2和视频图像采集单元3连接，并为补光单元11、采集触发单元2和视频图像采集单元3供电；
所述的采集触发单元2，分别与补光单元11和视频图像采集单元3连接，并为补光单元11和视频图像采集单元3发送触发命令，采集触发单元包括stm32单片机；
所述的视频图像采集单元3，分别与电源单元1、采集触发单元2、补光单元11、视频信息合成单元4和受电弓检测单元5连接，包括机车视频采集模块31和受电弓拍摄模块32。当接收到采集触发单元2发送的触发命令，机车视频采集模块31开始拍摄机车顶部运行状况的监控视频，受电弓拍摄模块32拍摄受电弓图像，并将监控视频发送给视频信息合成单元4，受电弓图像发送给受电弓检测单元5；
所述的补光单元11，分别与电源单元1、采集触发单元2和视频图像采集单元3连接，接收采集触发单元2发送的触发命令，为视频图像采集单元3提供光照补偿；
所述的视频信息合成单元4，分别与视频图像采集单元3、机车系统单元和视频图像存储单元7连接，接收视频图像采集单元3中机车视频采集模块31发送的监控视频和机车系统单元发送的机车运行位置、速度信息，并将机车运行位置、速度信息和本地时间叠加到视频图像上，发送给视频图像存储单元7；
所述的受电弓检测单元5，分别与视频图像采集单元3、视频图像存储单元7和故障报警单元6连接，接收视频图像采集单元3中受电弓拍摄模块32发送的受电弓图像并进行处理。根据处理结果分析判断，受电弓是否缺失变形，是否向故障故障报警单元6发送受电弓缺失变形报警信息，同时将处理的受电弓图像发送给视频图像存储单元7；
所述的视频图像存储单元7，分别与视频信息合成单元4、受电弓检测单元5、无线通讯单元8和信息显示单元9连接，接收视频信息合成单元4发送的监控视频，受电弓检测单元5发送的受电弓图像以及信息显示单元9发送的查看命令。当接收到信息显示单元9发送的查看命令时，通过无线通讯单元8将待查看的监控视频和受电弓图像发送给信息显示单元9；
所述的无线通讯单元8，分别与视频图像存储单元7和信息显示单元9连接，接收视频图像存储单元7发送的监控视频、受电弓图像，通过4G/WiFi网络发送给信息显示单元9；
所述的信息显示单元9，分别与视频图像存储单元7和无线通讯单元8连接，向图像存储单元7发送查看命令，并接收视频图像存储单元7通过无线通讯单元8发送的监控视频、受电弓图像。
如图2所示，本发明还提供了一种受电弓状态异常实时检测方法，包括以下步骤：
步骤(1)：在机车运行开始时，通过触发控制端开启采集触发单元2向视频图像采集单元3和补光单元11发送触发命令，使视频图像采集单元3和补光单元11同时开始工作，触发控制端可以是开关或者机车系统控制器；
步骤(2)：视频图像采集单元3中受电弓拍摄模块32对待检测的受电弓进行图像拍摄，机车视频采集模块31对待监控的机车顶部运行情况进行视频采集，并分别将拍摄的待检测受电弓的图像发送给受电弓检测单元5和采集的待监控机车顶部运行情况的视频流发送给视频信息合成单元4；
步骤(3)：受电弓检测单元5接收视频图像采集单元3中受电弓拍摄模块32发送的受电弓图像，通过受电弓状态异常检测算法对受电弓图像进行处理，根据处理结果判断分析，受电弓是否缺失变形，是否向故障故障报警单元6发送报警信息；
步骤(4)：视频信息合成单元4接收视频图像采集单元3中机车视频采集模块31发送的监控视频，并对监控视频进行信息叠加。所述的叠加信息主要包括机车运行位置、车速信息和本地时间信息；
步骤(5)：受电弓检测单元5和视频信息合成单元4分别将处理的受电弓图像和监控视频发送给视频图像处理单元进行本地存储，以便后续工作人员进行查验。
如图2所示，所述步骤(3)受电弓状态异常检测算法步骤如下：
步骤(3-1)：载入受电弓模板图像和受电弓拍摄图像；
步骤(3-2)：对受电弓拍摄图像进行ROI(Region of Interest，感兴趣区域)选取，即选取受电弓区域图片；
步骤(3-3)：对选取的受电弓图片和模板图像进行预处理，如高斯滤波去噪、图像增强等处理方法；
步骤(3-4)：对预处理后的受电弓图片和模板图像进行轮廓提取，；
步骤(3-5)：由于机车一直处理运动状态，会导致受电弓在拍摄时有轻微的旋转和缩放，因此需要根据受电弓图片的旋转角度和缩放度，对模板轮廓进行合适范围内的角度旋转和缩放；
步骤(3-6)：将模板轮廓与受电弓图片轮廓进欧式距离计算，计算模板轮廓与受电弓图片轮廓的重叠率，若计算结果大于预设阈值(P＝0.85)，则受电弓状态正常；若计算结果小于预设阈值(P＝0.85)，则受电弓状态有可能异常，并记录受电弓状态可能异常的帧数，N＝N+1；
步骤(3-7)：如果受电弓状态可能异常连续帧数N大于预设阈值(Frame＝200)，则说明受电弓状态异常；否则，说明受电弓状态正常。步骤(3-5)所述的受电弓状态可能异常，会因为光照、遮挡等外界环境因素导致处理结果有所偏差。
综上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不适用相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于图像处理的受电弓状态异常检测系统，包括电源单元，其特征在于：还包括采集触发单元、视频图像采集单元、视频信息合成单元、受电弓检测单元、故障故障报警单元、无线通讯单元、视频图像存储单元和信息显示单元，其中所述的采集触发单元的信号输入端与触发控制端连接，所述的采集触发单元的信号输出端与所述的视频图像采集单元的信号输入端连接，所述的视频图像采集单元的信号输出端与所述的视频信息合成单元的信号输入端以及所述的受电弓检测单元的信号输入端连接，所述的视频信息合成单元的信号输入端还与所述的机车系统单元的信号输出端连接，所述的视频信息合成单元的信号输出端与所述的视频图像存储单元的信号输入端连接，所述的受电弓检测单元的信号输出端与所述的视频图像存储单元的信号输入端和故障故障报警单元的信号输入端连接，所述的视频图像存储单元的信号输出端经所述的无线通讯单元与所述的信息显示单元的信号输入端连接，其中
所述的采集触发单元用于向所述的视频图像采集单元发送信号采集的命令；
所述的视频图像采集单元，用于拍摄机车顶部运行状况的监控视频以及受电弓的图像；
所述的视频信息合成单元，用于接收视频图像采集单元发送的监控视频和机车系统单元发送的机车运行位置和速度信息，并将机车运行位置、速度信息和本地时间叠加到视频图像上，发送到视频图像存储单元；
所述的受电弓检测单元，用于接收视频图像采集单元发送的受电弓图像并对受电弓图像进行故障分析判断；
所述的故障故障报警单元用于接收所述的受电弓检测单元对受电弓的故障判断信息并发出故障报警信号；
所述的视频图像存储单元，用于存储视频信息合成单元发送的监控视频以及受电弓检测单元发送的受电弓图像；
所述的信息显示单元，用于向图像存储单元发送查看命令，并接收视频图像存储单元通过无线通讯单元发送的监控视频和受电弓图像。
2.根据权利要求1所述的基于图像处理的受电弓状态异常检测系统，其特征在于：还包括补光单元，所述的补光单元的信号输入端与所述的采集触发单元的信号输出端连接，所述的补光单元用于接收采集触发单元发送的触发命令并为所述的视频图像采集单元提供光照补偿。
3.根据权利要求1所述的基于图像处理的受电弓状态异常检测系统，其特征在于：所述的视频图像采集单元包括机车视频采集模块和受电弓拍摄模块，所述的机车视频采集模块用于拍摄机车顶部运行状况的监控视频并将监控视频发送给视频信息合成单元，所述的受电弓拍摄模块用于拍摄受电弓图像并将受电弓图像发送给受电弓检测单元。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的基于图像处理的受电弓状态异常检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下的步骤：
步骤(1)，在所述的机车系统单元的机车运行开始时，通过触发控制端开启采集触发单元向所述的视频图像采集单元发送触发命令，使所述的视频图像采集单元开始工作；
步骤(2)，所述的视频图像采集单元中对待检测的受电弓进行图像拍摄、对待监控的机车顶部运行情况进行视频采集，并将拍摄的待检测受电弓的图像发送给受电弓检测单元，同时将采集的待监控机车顶部运行情况的视频流发送给视频信息合成单元；
步骤(3)，所述的受电弓检测单元接收视频图像采集单元中受电弓拍摄模块发送的受电弓图像，通过受电弓状态异常检测算法对受电弓图像进行处理，然后根据处理结果判断分析受电弓是否缺失变形以及是否向故障故障报警单元发送报警信息；
步骤(4)，所述的视频信息合成单元接收视频图像采集单元中机车视频采集模块发送的监控视频，并对监控视频进行信息叠加；
步骤(5)，所述的受电弓检测单元和视频信息合成单元分别将处理的受电弓图像和监控视频发送给视频图像处理单元进行本地存储；
步骤(6)，所述的信息显示单元向所述的图像存储单元发送查看命令，并接收视频图像存储单元通过无线通讯单元发送的监控视频和受电弓图像。
5.根据权利要求4所述的基于图像处理的受电弓状态异常检测系统，其特征在于：在所述步骤(3)受电弓状态异常检测算法步骤如下：
步骤(3-1)：载入受电弓模板图像和受电弓拍摄图像；
步骤(3-2)：对受电弓拍摄图像进行ROI(Region ofInterest，感兴趣区域)选取，即选取受电弓区域图片；
步骤(3-3)：对所选取的受电弓图片和模板图像进行预处理；
步骤(3-4)：对预处理后的受电弓图片和模板图像进行轮廓提取；
步骤(3-5)：将所取的模板轮廓与受电弓图片轮廓进行欧式距离计算，计算出模板轮廓与受电弓图片轮廓的重叠率，若重叠率的计算结果大于预设的阈值，则判断受电弓状态正常；若重叠率的计算结果小于预设的阈值，则判断受电弓状态有可能异常，并记录受电弓状态可能异常的帧数，如果受电弓状态可能异常连续帧数大于预设阈值，则判断受电弓状态异常；否则，则判断受电弓状态正常。
6.根据权利要求5所述的基于图像处理的受电弓状态异常检测系统，其特征在于：所述的步骤(3-3)中，所述的预处理包括高斯滤波去噪和图像增强处理。
7.根据权利要求5所述的基于图像处理的受电弓状态异常检测系统，其特征在于：所述的步骤(3-4)中，根据受电弓图片的旋转角度和缩放度对应地对模板轮廓进行旋转和缩放。
8.根据权利要求4-7任一项所述的基于图像处理的受电弓状态异常检测系统，其特征在于：在所述的步骤(1)中，所述的采集触发单元同时向所述的补光单元发送触发命令使补光单元为所述的视频图像采集单元提供光照补偿。
9.根据权利要求4-7任一项所述的基于图像处理的受电弓状态异常检测系统，其特征在于：在所述的步骤(4)中，所述的叠加信息主要包括机车运行位置、车速信息和本地时间信息。
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