CN108759671A - 一种接触线磨耗动态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种接触线磨耗动态检测方法。包括采集接触线图像的步骤、接触线定位的步骤、接触线磨耗检测步骤。本检测方法可扩展性强，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

一种接触线磨耗动态检测方法

技术领域

本发明属于列车运行安全监测技术领域，涉及一种接触线磨耗动态检测方法。

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，本发明提供了一种接触线磨耗动态检测方法，包括：

采集接触线图像的步骤。

接触线定位的步骤。

接触线磨耗检测步骤。

其中，接触线定位步骤分为如下步骤：

Step1:对所采集的接触线图像提取垂直边缘梯度。所述接触线图像中，接触线的方向沿着图像相对两侧的连线方向。

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。

其中，接触线磨耗检测步骤分为如下步骤：

步骤1:在接触线定位步骤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。

步骤2：根据上一步所提取的梯度信息计算接触线磨耗区域。

步骤3：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，Step1中采用的梯度算子模板为：

进一步的，Step2中，图像阈值化时，阈值的计算公式为：

其中：t为阈值。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，具体E_x指水平梯度图像；E_y指垂直梯度图像。

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，步骤二中，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，步骤三中，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。

进一步的，采集接触线图像的步骤中，所采集图像中，接触线的方向垂直于图像相对两侧。

进一步的，还包括对所采集图像进行存储的步骤。

本发明的有益效果为：

本发明采集接触网接触线磨损图像，使得接触线的磨损情况更易直观监测。本方法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为采集接触线图像步骤所使用设备示意图。

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为接触线磨耗检测步骤计算所依赖模型。

图7为本发明流程图。

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7中的d值进行数据呈现。

下面对技术方案进行说明。

如图7所示，本发明包括采集接触线图像的步骤、接触线定位的步骤、接触线磨耗检测步骤。下面对各个步骤进行详细说明。

一：采集接触线图像的步骤

本步骤使用如图3所示的装置进行图像采集。该装置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。该装置安装在列车车顶。

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。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，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为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。

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。

二：接触线定位的步骤

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)＝Ε(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，即可得到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，跟踪各直线的首尾端，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。

三：接触线磨耗检测的步骤

流程如下：

Step1:在接触线定位步骤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步骤中相同的提取方法，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。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)

1.一种接触线磨耗动态检测方法，其特征在于，包括：

采集接触线图像的步骤；

接触线定位的步骤；

接触线磨耗检测步骤；

其中，接触线定位步骤分为如下步骤：

Step1:对所采集的接触线图像提取垂直边缘梯度；所述接触线图像中，接触线的方向沿着图像相对两侧的连线方向；

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；

其中，接触线磨耗检测步骤分为如下步骤：

步骤1:在接触线定位步骤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；

步骤2：根据上一步所提取的梯度信息计算接触线磨耗区域；

步骤3：根据计算的接触线磨损区域信息计算得到磨损值。

2.如权利要求1所述的接触线磨耗动态检测方法，其特征在于，Step1中采用的梯度算子模板为：

3.如权利要求1所述的接触线磨耗动态检测方法，其特征在于，Step2中，图像阈值化时，阈值的计算公式为：

其中：t为阈值；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，具体E_x指水平梯度图像；E_y指垂直梯度图像。

4.如权利要求1所述的接触线磨耗动态检测方法，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。

5.如权利要求1所述的接触线磨耗动态检测方法，其特征在于，步骤二中，根据垂直梯度信息计算接触线的横截面的磨损面宽度。

6.如权利要求5所述的接触线磨耗动态检测方法，其特征在于，步骤三中，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。

7.如权利要求1所述的接触线磨耗动态检测方法，其特征在于，采集接触线图像的步骤中，所采集图像中，接触线的方向垂直于图像相对两侧。

8.如权利要求1所述的接触线磨耗动态检测方法，其特征在于，还包括对所采集接触线图像进行存储的步骤。