CN108759670A - 一种基于非接触式检测技术的接触线磨耗动态检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于非接触式检测技术的接触线磨耗动态检测装置。包括图像采集单元和数据处理单元。本发明采用线阵相机实现接触网接触线磨损图像采集，使得接触线的磨损情况更易直观监测。本检测装置可扩展性强，易于满足大拉出值区间范围的磨耗测量。接触网接触线的核心定位方法基于梯度图像，能在很大程度克服线路环境复杂多样带来的各种干扰。

Description

一种基于非接触式检测技术的接触线磨耗动态检测装置

技术领域

本发明属于列车运行安全监测技术领域，涉及一种基于非接触式 检测技术的接触线磨耗动态检测装置。

背景技术

在电气化铁路中，列车运行通过受电弓滑板与接触网接触线的相 互接触滑动取电流。为了保证受电弓良好受流，需要受电弓滑板与接 触线之间具备一定的接触压力。但是，随着列车运行所带来的振动， 以及受电弓滑板与接触线之间长期接触，接触网接触线将会存在不同 程度和不同角度的磨损。

从物理学知识可知，接触网接触线磨损的大小主要与弓网压力大 小、受电弓滑板特性及接触线线面的状态有关。随受电弓对接触悬挂 的抬升力的出现而突然出现，这样受电弓抬升力对接触悬挂的冲量就 比较大，从而接触线的磨损程度更大。根据铁路线路相关技术指标， 当接触线磨损到一定程度，就需要维护或更换，否则易造成安全事故。 因此，需要对地铁线路的接触线磨损状态进行不定期测量监测。但是， 目前并没有这种技术。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于非接触式检测技术的接 触线磨耗动态检测装置，包括图像采集单元和数据处理单元。

所述图像采集单元用于采集接触线图像，其包括线阵扫描相机、 激光光源、电源。电源与线阵扫描相机、激光光源连接；线阵扫描相 机及激光光源、电源封装在一起后通过接口与外界进行连接。所述图 像采集单元设置在被配置本装置的列车车顶，线阵扫描相机所安装的 方向使得其所采集图像中，接触线沿图像相对两个侧边连线方向分布。

所述数据处理单元包括接触线定位模块和接触线磨耗检测模块， 用于提取所采集的图像中接触线及其领域的梯度信息，进行接触线定 位，并进行损耗检测集计算。

进一步的，所述接触线定位模块的工作流程如下：

Step1:对所采集的图像提取垂直边缘梯度信息。

Step2:图像阈值化提取接触线前景目标。

Step3:基于接触线的几何特性滤波噪声区域。

Step4:通过直线拟合的方式，识别符合直线特性的连通区域， 同时以直线的形式表达该连通区域。

Step5:基于边缘梯度特性跟踪接触线曲线轮廓，得到整条接触 线在图像中的完整表达。

Step6:输出整条接触线在完整图像中的位置序列点集。

进一步的，Step1中采用的梯度算子模板为：

进一步的，Step2中，梯度图像阈值化的阈值t，t的计算公式为：

其中：S_xy＝∑e_xy；

其中：e_x＝E_x(I(x,y))；e_y＝E_y(I(x,y))；e_xy＝(e_x+e_y)·I(x,y)，I(x,y) 为原相机图像，E(x,y)为梯度图像，T(x,y)为阈值化后图像。

进一步的，Step3中，接触线的几何特性包括接触线宽度、接触 线长度、接触线在图像中的角度。

进一步的，所述接触线磨耗检测模块的工作流程如下：

Step1:在接触线定位模块完成位置序列点集输出后，提取所采 集图像中接触线位置邻域的垂直梯度信息。

Step2：根据上一步所提取的梯度信息计算接触线磨耗区域。

Step3：根据计算的接触线磨损区域信息计算得到磨损值。

进一步的，Step2中，根据垂直梯度信息计算接触线的横截面的 磨损面宽度。

进一步的，Step3中，磨损值的计算公式为：d＝Γ(Y,r)，其中，d 为磨损值，Y为磨损面宽度，r为接触线半径，Γ为接触线磨耗d与Y、 r之间的几何转换关系式。

本发明的有益效果为：

本发明采用线阵相机实现接触网接触线磨损图像采集，使得接触 线的磨损情况更易直观监测。本检测装置适用于柔性接触网接触线的 磨耗测量，易于满足大拉出值区间范围的磨耗测量。接触网接触线的 核心定位方法基于梯度图像，能在很大程度克服线路环境复杂多样带 来的各种干扰。

附图说明

图1为新接触线的横截面示意图。

图2为磨损接触线的横截面示意图。

图3为图像采集单元示意图。

图4为磨损接触线原始图像。

图5为磨损接触线增强图像。

图6为接触线磨耗检测模块计算所依赖模型。

具体实施方式

在对本发明技术方案进行介绍前，先对相关背景技术进行说明。 如图1所示，是全新未磨损接触线横截面示图区，图2是磨损接触线 的横截面示意图。新接触线的下半部分呈完整圆弧状，图中r是该段 圆弧的半径。而磨损接触线底端呈直线状(图中标记宽度为w)，磨耗 测量即需要完成w宽度的磨损接触线的状态表示，磨耗的最终数据呈 现方式根据不同的需求而不同，本方案最终磨耗测量数据值是将图2 中的横截面磨损直径长度w转化为图6中的d值进行数据呈现。

下面对技术方案进行说明。

本发明所述装置包括图像采集模块和数据处理模块，所述图像采 集单元与数据处理模块单元连接。

一：图像采集单元

所述图像采集单元用于采集接触线图像。如图3所示，该单元包 括线阵扫描相机及激光光源、电源。电源与线阵扫描相机、激光光源 连接。线阵扫描相机及激光光源、电源封装在一起后通过接口与外界 进行连接；其设置在安装有本装置的列车车顶。

所述线阵扫描相机采用高速CMOS线阵摄像机(本实施例采用8K 分辨率高速CMOS线阵相机)，对接触线轮廓图像(激光成像)进行实 时、动态数据采集。并将采集数据通过无线或者有线的方式传输到(本 实施例利用千兆以太网)传输至数据处理模块(本实施例中，数据处 理模块位于车内)，进行数据分析、处理，对标准高度的接触线进行 成像。其线阵扫描相机所安装的方向使得其所采集图像中，优选接触 线沿垂直于图像相对两个侧边的方向分布。因为在接触线的定位处理 中，首先提取图像中的垂直边缘梯度，既可以使接触线在图像中表现 更为突出，同时也可以极大程度滤除横向分布的各种噪声信息，便于 后续定位处理。在确保线阵扫描相机与激光线共面条件下，接触线轮 廓成像如图4示，图像完整呈现了接触线的磨损细节，为便于肉眼确 认磨损细节的可信度，图5给出图像增强还原细节后，接触线的磨损 区域和原始完整接触线的位置示图，从图中可以完整观察到接触线不同的位置，其磨损变化情况。

应当理解，最好设置有数据存储模块，以实现数据存储。

优选的，线阵扫描相机及激光光源、电源为一体化结构组件。激 光光源为大功率激光光源，该光源提供多种出射角度和功率可选，适 于铁路应用。

优选的为便于组件施工安装，组件设计外接接口均采用不同颜色 设计。

二：数据处理单元

所述数据处理单元包括接触线定位模块和接触线磨耗检测模块， 用于提取所采集的图像中接触线及其领域的梯度信息，进行接触线定 位，并进行损耗检测集计算。

接触线定位模块的工作流程如下：

Step1:对所采集的图像提取垂直边缘梯度。

接触网接触线在成像图像中，具备图像灰度变化连通性，与背景 区域分割相对明显，同时相机安装方向特定保证接触线在相机采集图 像中处于垂直方向分布。因此，在接触线的定位处理中，首先提取图 像中的垂直边缘梯度，既可以使接触线在图像中表现更为突出，同时 也可以极大程度滤除横向分布的各种噪声信息，便于后续定位处理， 采用的梯度算子模板为：

设原相机图像I(x,y)，则梯度图像：

E(x，y)＝E(I(x，y))。

Step2:图像阈值化提取接触线前景目标。在经过step1处理后， 图像中基本只存在垂直方向分布的图像信息，通过图像阈值化处理， 即可所有近似接触网接触线的垂直分布区域。设原相机图像I(x,y)， 梯度图像为E(x,y)，阈值化后图像为T(x,y)，梯度图像阈值化的阈值t：

其中：

e_x＝E_x(I(x,y))

e_y＝E_y(I(x,y))

e_xy＝(e_x+e_y)·I(x,y)

S_xy＝∑e_xy

Step3:基于接触线的几何特性滤波噪声区域；Step2处理得到包 含接触网接触线在内的所有候选前景区域，该步骤主要是根据接触线 的几何特性，比如接触线宽度、接触线长度以及在接触线在图像中的 角度等信息，滤除伪接触线等其他噪声区域。

Step4:通过直线拟合的方式，识别符合直线特性的连通区域， 同时以直线的形式表达该连通区域。经过Step3滤除噪声信息后得到 的候选接触线前景区域集合，然后该步骤在所有候选接触线前景区域 集合中，通过直线拟合的方式，识别符合直线特性的连通区域，同时 以直线的形式表达该连通区域。

Step5:基于边缘梯度特性跟踪接触线曲线轮廓，得到整条接触 线在图像中的完整表达。Step4表达得到所有接触线候选曲线的直线 表达，该步骤在此基础上，跟踪各直线的首尾，以得到整条接触线在 图像中的完整表达(图像各行均找到有效位置)。

Step6:输出整条接触线在完整图像中的位置序列点集，作为该 接触线的位置信息。

接触线磨耗检测模块的工作流程如下：

Step1:在接触线定位模块完成位置序列点集输出后，提取所采 集图像中接触线位置邻域的垂直梯度信息。提取垂直梯度信息是采用 类似接触线定位模块中相同的提取方法，计算提取接触线位置邻域的 垂直梯度信息，用于计算磨耗宽度。

Step2:基于上一步所提取的垂直梯度信息计算接触线磨耗区域。 在Step1处理的结果图像中，根据接触线左右两侧梯度分布极大值以 及灰度分布的变化特性，分别计算各行的磨损起止位置，并同时计算 接触线的横截面的磨损面宽度(如图6中所示的Y)。

Step3:根据计算的接触线磨损区域信息计算得到磨损值。接触线 磨损值转换。该模块负责利用接触线的定位信息，根据接触线图像的 灰度变化特性，采用图像处理的原理实现计算接触线磨耗值(图3横 截面示意图中的Y值)，根据圆的几何关系转换，设定接触线半径为 r。于是，可计算得到图6横截面示意图中的d:

d＝Γ(Y,r)

其中，d为磨损值，Y为磨损面宽度，r为接触线半径，Γ为接 触线磨耗d与Y、r之间的几何转换关系式。Γ为接触线磨耗d与Y、r 之间的几何转换关系式。

Claims (8)

1.一种基于非接触式检测技术的接触线磨耗动态检测装置，其特征在于，包括图像采集单元和数据处理单元；

所述图像采集单元用于采集接触线图像，其包括线阵扫描相机、激光光源、电源；电源与线阵扫描相机、激光光源连接；线阵扫描相机及激光光源、电源封装在一起后通过接口与外界进行连接；所述图像采集单元设置在被配置本装置的列车车顶，线阵扫描相机所安装的方向使得其所采集图像中，接触线沿图像相对两个侧边连线方向分布；

所述数据处理单元包括接触线定位模块和接触线磨耗检测模块，用于提取所采集的图像中接触线及其领域的梯度信息，进行接触线定位，并进行损耗检测集计算。

2.如权利要求1所述的基于非接触式检测技术的接触线磨耗动态检测装置，其特征在于，所述接触线定位模块的工作流程如下：

Step1:对所采集的图像提取垂直边缘梯度信息；

Step2:图像阈值化提取接触线前景目标；

Step3:基于接触线的几何特性滤波噪声区域；

Step4:通过直线拟合的方式，识别符合直线特性的连通区域，同时以直线的形式表达该连通区域；

Step5:基于边缘梯度特性跟踪接触线曲线轮廓，得到整条接触线在图像中的完整表达；

Step6:输出整条接触线在完整图像中的位置序列点集。

3.如权利要求2所述的基于非接触式检测技术的接触线磨耗动态检测装置，其特征在于，Step1中采用的梯度算子模板为：

4.如权利要求3所述的基于非接触式检测技术的接触线磨耗动态检测装置，其特征在于，Step2中，梯度图像阈值化的阈值t，t的计算公式为：

其中：S_xy＝∑e_xy；

其中：e_x＝E_x(I(x,y))；e_y＝E_y(I(x,y))；e_xy＝(e_x+e_y)·I(x,y)，I(x,y)为原相机图像，E(x,y)为梯度图像，T(x,y)为阈值化后图像，E_x指水平梯度图像；E_y指垂直梯度图像。

5.如权利要求2所述的基于非接触式检测技术的接触线磨耗动态检测装置，其特征在于，Step3中，接触线的几何特性包括接触线宽度、接触线长度、接触线在图像中的角度。

6.如权利要求1所述的基于非接触式检测技术的接触线磨耗动态检测装置，其特征在于，所述接触线磨耗检测模块的工作流程如下：

Step1:在接触线定位模块完成位置序列点集输出后，提取所采集图像中接触线位置邻域的垂直梯度信息；

Step2：根据上一步所提取的梯度信息计算接触线磨耗区域；

Step3：根据计算的接触线磨损区域信息计算得到磨损值。

7.如权利要求6所述的基于非接触式检测技术的接触线磨耗动态检测装置，其特征在于，Step2中，根据垂直梯度信息计算接触线的横截面的磨损面宽度。

8.如权利要求7所述的基于非接触式检测技术的接触线磨耗动态检测装置，其特征在于，Step3中，磨损值的计算公式为：d＝Γ(Y,r)，其中，d为磨损值，Y为磨损面宽度，r为接触线半径，Γ为接触线磨耗d与Y、r之间的几何转换关系式。