CN111238393A - 受电弓碳滑板检测系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及列车运行安全保障技术领域，实施例具体公开一种受电弓碳滑板检测系统及其控制方法。本申请采用触发部件直接触发投射光源和采集受电弓碳滑板表面3D信息，简化了外部逻辑，再通过算法自动获取碳滑板上表面轮廓信息，定位碳滑板上掉块的位置，还通过算法自动识别碳滑板上掉块的面积和深度、以及碳滑板的宽度，并根据预设阈值发出或者不发出报警信息，可以快速、准确的量化出碳滑板上掉块的面积和个数，更好的贴合运用规程的规定，避免碳滑板过度更换或者带病运行的情况；自动记录和分类分析，也为分析碳滑板的运用规律甚至接触网线路的状态，提供有力数据支撑。

Description

受电弓碳滑板检测系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及列车运行安全保障技术领域，具体涉及一种受电弓碳滑板检测系统及其控制方法。

背景技术

受电弓是电力机车的重要组成部分，其主要作用是从接触网上获取电能，将电力引导至电力驱动部分。受电弓状态的好坏，将直接影响电力机车的受流能力，一般受电弓事故容易导致受电弓滑条受损或者对接触网形成烧损，情况严重可能导致受流中断，机车无法运行甚至烧毁电力机车电力驱动部分。因此受电弓保持一个良好的工作状态，是非常有必要的，对受电弓的在线自动化检测，提高检修效率和质量也是非常有必要的。

现有技术1：采用图像处理技术，对受电弓碳滑板进行拍照。然后对图像进行分析，识别滑板上的异常信号，并进行提示。(正常滑板其表面应该是光滑、均匀的，正常情况其边缘曲线应是平滑过渡的曲线，若该曲线出现了一定程度突变，可评价为掉块)。优点：系统结构简单，成本低。缺点：无法定量分析掉块大小；受雨水等环境因素影响大，容易错误识别。现有技术2：人工目视检查，优点：判断速度快，缺点：效率低，量化困难，容易出现错误判断。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种受电弓碳滑板检测系统及其控制方法，解决或者至少部分解决现有技术存在的问题。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种受电弓碳滑板检测系统，包括第一触发模块、第二触发模块、光源投射模块、3D信息采集模块和数据处理模块，所述第一触发模块分别与3D信息采集模块和光源投射模块连接，所述第二触发模块分别与3D信息采集模块和光源投射模块连接，所述3D信息采集模块还与所述数据处理模块连接，其中，

所述第一触发模块用于在列车驶入检测区域时将第一触发信号分别发送给所述3D信息采集模块和所述光源投射模块；

所述第二触发模块用于在列车驶出检测区域时将第二触发信号分别发送给所述3D信息采集模块和所述光源投射模块；

所述光源投射模块用于在接收到所述第一触发模块发送的第一触发信号时开始投射光源，还用于在接收到所述第二触发模块发送的第二触发信号时结束投射光源；

所述3D信息采集模块用于在接收到所述第一触发模块发送的第一触发信号时开始采集受电弓碳滑板表面3D信息，还用于在接收到所述第二触发模块发送的第二触发信号时结束采集受电弓碳滑板表面3D信息，并将采集的受电弓碳滑板表面3D信息发送给所述数据处理模块；

所述数据处理模块用于对受电弓碳滑板表面3D信息进行处理获得受电弓碳滑板的检测结果。

优选的，所述数据处理模块包括：

轮廓获取单元，用于获取碳滑板上表面轮廓信息；

掉块定位单元，用于定位碳滑板上掉块的位置；

掉块报警单元，用于计算碳滑板上掉块的面积和深度、以及碳滑板的宽度，根据预设阈值发出或者不发出报警信息。

优选的，所述轮廓获取单元包括：

图像映射组件，用于将受电弓碳滑板表面3D信息映射成受电弓碳滑板表面二维图像；

图像去噪组件，用于利用受电弓碳滑板表面3D信息进行数据滤波，剔除受电弓碳滑板表面二维图像的干扰信息。

优选的，所述掉块定位单元的工作方法包括：基于映射的受电弓碳滑板表面二维图像，利用分类学习算法或者深度学习算法自动定位碳滑板掉块区域。

优选的，所述掉块报警单元包括：

掉块计算组件，结合预制标定信息，计算碳滑板掉块的面积和深度，同时计算滑板的宽度；

掉块筛选组件，用于通过扫描闭合区域以及高度差变化，利用预设阈值筛选出符合要求的碳滑板掉块区域，并保存三维坐标信息；

掉块显示组件，用于利用三维坐标信息展示碳滑板掉块位置。

本发明还提供一种受电弓碳滑板检测系统的控制方法，所述受电弓碳滑板检测系统包括第一触发模块、第二触发模块、光源投射模块、3D信息采集模块和数据处理模块，所述第一触发模块分别与3D信息采集模块和光源投射模块连接，所述第二触发模块分别与3D信息采集模块和光源投射模块连接，所述3D信息采集模块还与所述数据处理模块连接，所述方法包括：

S21：所述第一触发模块在列车驶入检测区域时将第一触发信号分别发送给所述3D信息采集模块和所述光源投射模块；

S22：所述光源投射模块在接收到所述第一触发模块发送的第一触发信号时开始投射光源；

S23：所述3D信息采集模块在接收到所述第一触发模块发送的第一触发信号时开始采集受电弓碳滑板表面3D信息；

S24：所述第二触发模块在列车驶出检测区域时将第二触发信号分别发送给所述3D信息采集模块和所述光源投射模块；

S25：所述光源投射模块在接收到所述第二触发模块发送的第二触发信号时结束投射光源；

S26：所述3D信息采集模块在接收到所述第二触发模块发送的第二触发信号时结束采集受电弓碳滑板表面3D信息，并将采集的受电弓碳滑板表面3D信息发送给所述数据处理模块；

S27：所述数据处理模块对受电弓碳滑板表面3D信息进行处理获得受电弓碳滑板的检测结果。

优选的，所述步骤S27的方法包括：

S271：获取碳滑板上表面轮廓信息；

S272：定位碳滑板上掉块的位置；

S273：计算碳滑板上掉块的面积和深度、以及碳滑板的宽度，根据预设阈值发出或者不发出报警信息。

优选的，所述步骤S271的方法包括：

S2711：将受电弓碳滑板表面3D信息映射成受电弓碳滑板表面二维图像；

S2712：利用受电弓碳滑板表面3D信息进行数据滤波，剔除受电弓碳滑板表面二维图像的干扰信息。

优选的，所述步骤S272的方法包括：基于映射的受电弓碳滑板表面二维图像，利用分类学习算法或者深度学习算法自动定位碳滑板掉块区域。

优选的，所述步骤S273的方法包括：

S2731：结合预制标定信息，计算碳滑板掉块的面积和深度，同时计算滑板的宽度；

S2732：通过扫描闭合区域以及高度差变化，利用预设阈值筛选出符合要求的碳滑板掉块区域，并保存三维坐标信息；

S2733：利用三维坐标信息展示碳滑板掉块位置。

本申请与现有技术相比，其有益效果详细说明如下：本申请采用触发部件直接触发投射光源和采集受电弓碳滑板表面3D信息，简化了外部逻辑，再通过算法自动获取碳滑板上表面轮廓信息，定位碳滑板上掉块的位置，还通过算法自动识别碳滑板上掉块的面积和深度、以及碳滑板的宽度，并根据预设阈值发出或者不发出报警信息，可以快速、准确的量化出碳滑板上掉块的面积和个数，更好的贴合运用规程的规定，避免碳滑板过度更换或者带病运行的情况；自动记录和分类分析，也为分析碳滑板的运用规律甚至接触网线路的状态，提供有力数据支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种受电弓碳滑板检测系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光源投射模块与3D信息采集模块位置示意图；

图3为本发明实施例提供的一种数据处理模块结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种受电弓碳滑板检测系统的控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，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。

本发明的目的是：结合标定、数据分析、深度学习等手段，自动识别碳滑板表面的掉块特征并定位，自动测量碳滑板表面掉块的尺寸和深度，为更加贴合铁路运用规程提供技术保障。注：以铁路动车组运用维修规程(TG/CL 127-2017)为例，碳滑板的正常运用标准为“缺陷掉块占宽度方向不超过40％”，该量化标准若无有效技术手段保证，将很难真正的按要求实施起来。不按要求实施要么是碳滑板带病运行，要么是过度更换造成经济损失。

如图1所示，本发明实施例提供一种受电弓碳滑板检测系统，包括第一触发模块11、第二触发模块12、光源投射模块13、3D信息采集模块14和数据处理模块15，第一触发模块11分别与3D信息采集模块14和光源投射模块13连接，第二触发模块12分别与3D信息采集模块14和光源投射模块13连接，3D信息采集模块14还与数据处理模块15连接，其中，

第一触发模块11用于在列车驶入检测区域时将第一触发信号分别发送给3D信息采集模块14和光源投射模块13；

第二触发模块12用于在列车驶出检测区域时将第二触发信号分别发送给3D信息采集模块14和光源投射模块13；

光源投射模块13用于在接收到第一触发模块11发送的第一触发信号时开始投射光源，还用于在接收到第二触发模块12发送的第二触发信号时结束投射光源；

3D信息采集模块14用于在接收到第一触发模块11发送的第一触发信号时开始采集受电弓碳滑板表面3D信息，还用于在接收到第二触发模块12发送的第二触发信号时结束采集受电弓碳滑板表面3D信息，并将采集的受电弓碳滑板表面3D信息发送给数据处理模块15；

数据处理模块15用于对受电弓碳滑板表面3D信息进行处理获得受电弓碳滑板的检测结果。

具体的，该系统利用结构光三维扫描技术或其他三维成像技术，以获取碳滑板表面的三维模型信息。系统至少包含3D信息采集模块、光源投射模块、数据处理模块等。具体的3D信息采集模块可以为3D采集相机、光源投射模块可以为线型结构光源、数据处理模块可以为工控机。

如图2所示，光源投射模块的激光垂直打在受电弓碳滑板上，3D采集相机成角度拍摄，两者安装于轨道的正上方，保证激光线方向垂直于列车运动方向，在3D采集相机安装装置前后安装第一触发模块、第二触发模块，即弓位触发传感器1和弓位触发传感器2，当列车通过时首先触发弓位传感器1，线型结构光源开始投射激光，3D采集相机开始采集，当受电弓完全经过采集装置后触发弓位触发传感器2，线型结构光源结束投射激光，3D采集相机停止采集。这样我们就可以获取到受电弓碳滑板板上表面的3D信息。

需要说明的是，如图3所示，数据处理模块15包括：

轮廓获取单元，用于获取碳滑板上表面轮廓信息；

掉块定位单元，用于定位碳滑板上掉块的位置；

掉块报警单元，用于计算碳滑板上掉块的面积和深度、以及碳滑板的宽度，根据预设阈值发出或者不发出报警信息。

具体的检测原理为：利用三维成像技术，获取碳滑板上表面轮廓信息；基于轮廓信息，并结合深度学习或者其他分类识别算法，定位碳滑板上掉块的位置；结合预制标定信息，计算碳滑板掉块的面积和深度，同时计算碳滑板的宽度，最后参考实际运用标准即预设阈值，确定是否输出报警。

需要说明的是，轮廓获取单元包括：

图像映射组件，用于将受电弓碳滑板表面3D信息映射成受电弓碳滑板表面二维图像；

图像去噪组件，用于利用受电弓碳滑板表面3D信息进行数据滤波，剔除受电弓碳滑板表面二维图像的干扰信息。

具体的，3D采集相机采集到受电弓的三维数据，数据处理模块将三维数据映射成二维图像，利用三维信息进行数据滤波，剔除干扰信息，例如剔除噪声以及非滑板区域的信息。

需要说明的是，掉块定位单元的工作方法包括：基于映射的受电弓碳滑板表面二维图像，利用分类学习算法或者深度学习算法自动定位碳滑板掉块区域。

具体的，碳滑板掉块的定位方法可以采用：1、分类学习法，如HOG或者SVM算法；2、深度学习法，如YOLO算法。利用上述算法，首先让计算机学习足够的正样本(掉块形状)，再学习足够的负样本(正常数据)，最后由软件整合，实现系统自动定位掉块位置的功能。

需要说明的是，掉块报警单元包括：

掉块计算组件，用于结合预制标定信息，计算碳滑板掉块的面积和深度，同时计算滑板的宽度；

掉块筛选组件，用于通过扫描闭合区域以及高度差变化，利用预设阈值筛选出符合要求的碳滑板掉块区域，并保存三维坐标信息；

掉块显示组件，用于利用三维坐标信息展示碳滑板掉块位置。

具体的，碳滑板掉块的面积计算方法：首先界定掉块区域的边界，然后根据边界信息采用近似拟合的方法，得到掉块区域的长度和宽度，进而计算出其面积；滑板掉块的深度计算方法；利用3D信息，计算出掉块区域的最大深度。

针对掉块的边界界定方法：构建后的三维数据，由于其分辨率通常较二维图像更低，掉块的边界信息不够清晰。本发明的技术方案是，对碳滑板横向或者纵向上，进行逐行扫描，将非扫描方向上的相邻若干个像素进行比较，若其高度差大于预设值则认为是个边界点。扫描完成后，评估所有的边界点，并作闭合运算，能够自己形成封闭空间的，或者与碳滑板固有边界组合形成封闭空间的，都认为是一个完整的掉块区域的边界。

与现有技术相比，本发明带来的有益效果包含：1.可以快速、准确的量化出碳滑板上掉块的面积和个数；2.可以更好的贴合运用规程的描述，避免碳滑板过度更换或者带病运行的情况；3.自动记录和分类分析，也为分析碳滑板的运用规律甚至接触网线路的状态，提供有力数据支撑。

如图4所示，本发明还提供一种受电弓碳滑板检测系统的控制方法，受电弓碳滑板检测系统包括第一触发模块、第二触发模块、光源投射模块、3D信息采集模块和数据处理模块，第一触发模块分别与3D信息采集模块和光源投射模块连接，第二触发模块分别与3D信息采集模块和光源投射模块连接，3D信息采集模块还与数据处理模块连接，方法包括：

S21：第一触发模块在列车驶入检测区域时将第一触发信号分别发送给3D信息采集模块和光源投射模块；

S22：光源投射模块在接收到第一触发模块发送的第一触发信号时开始投射光源；

S23：3D信息采集模块在接收到第一触发模块发送的第一触发信号时开始采集受电弓碳滑板表面3D信息；

S24：第二触发模块在列车驶出检测区域时将第二触发信号分别发送给3D信息采集模块和光源投射模块；

S25：光源投射模块在接收到第二触发模块发送的第二触发信号时结束投射光源；

S26：3D信息采集模块在接收到第二触发模块发送的第二触发信号时结束采集受电弓碳滑板表面3D信息，并将采集的受电弓碳滑板表面3D信息发送给数据处理模块；

S27：数据处理模块对受电弓碳滑板表面3D信息进行处理获得受电弓碳滑板的检测结果。

需要说明的是，步骤S27的方法包括：

S271：获取碳滑板上表面轮廓信息；

S272：定位碳滑板上掉块的位置；

S273：计算碳滑板上掉块的面积和深度、以及碳滑板的宽度，根据预设阈值发出或者不发出报警信息。

需要说明的是，步骤S271的方法包括：

S2711：将受电弓碳滑板表面3D信息映射成受电弓碳滑板表面二维图像；

S2712：利用受电弓碳滑板表面3D信息进行数据滤波，剔除受电弓碳滑板表面二维图像的干扰信息。

需要说明的是，步骤S272的方法包括：基于映射的受电弓碳滑板表面二维图像，利用分类学习算法或者深度学习算法自动定位碳滑板掉块区域。

需要说明的是，步骤S273的方法包括：

S2731：结合预制标定信息，计算碳滑板掉块的面积和深度，同时计算滑板的宽度；

S2732：通过扫描闭合区域以及高度差变化，利用预设阈值筛选出符合要求的碳滑板掉块区域，并保存三维坐标信息；

S2733：利用三维坐标信息展示碳滑板掉块位置。

图3所对应实施例中特征的说明可以参见图1-图2所对应实施例的相关说明，这里不再一一赘述。

以上对本发明实施例所提供的一种受电弓碳滑板检测系统及其控制方法进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。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的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

Claims (10)

1.一种受电弓碳滑板检测系统，其特征在于，包括第一触发模块、第二触发模块、光源投射模块、3D信息采集模块和数据处理模块，所述第一触发模块分别与3D信息采集模块和光源投射模块连接，所述第二触发模块分别与3D信息采集模块和光源投射模块连接，所述3D信息采集模块还与所述数据处理模块连接，其中，

所述第一触发模块用于在列车驶入检测区域时将第一触发信号分别发送给所述3D信息采集模块和所述光源投射模块；

所述第二触发模块用于在列车驶出检测区域时将第二触发信号分别发送给所述3D信息采集模块和所述光源投射模块；

所述光源投射模块用于在接收到所述第一触发模块发送的第一触发信号时开始投射光源，还用于在接收到所述第二触发模块发送的第二触发信号时结束投射光源；

所述3D信息采集模块用于在接收到所述第一触发模块发送的第一触发信号时开始采集受电弓碳滑板表面3D信息，还用于在接收到所述第二触发模块发送的第二触发信号时结束采集受电弓碳滑板表面3D信息，并将采集的受电弓碳滑板表面3D信息发送给所述数据处理模块；

所述数据处理模块用于对受电弓碳滑板表面3D信息进行处理获得受电弓碳滑板的检测结果。

2.根据权利要求1所述的受电弓碳滑板检测系统，其特征在于，所述数据处理模块包括：

轮廓获取单元，用于获取碳滑板上表面轮廓信息；

掉块定位单元，用于定位碳滑板上掉块的位置；

掉块报警单元，用于计算碳滑板上掉块的面积和深度、以及碳滑板的宽度，根据预设阈值发出或者不发出报警信息。

3.根据权利要求2所述的受电弓碳滑板检测系统，其特征在于，所述轮廓获取单元包括：

图像映射组件，用于将受电弓碳滑板表面3D信息映射成受电弓碳滑板表面二维图像；

图像去噪组件，用于利用受电弓碳滑板表面3D信息进行数据滤波，剔除受电弓碳滑板表面二维图像的干扰信息。

4.根据权利要求2所述的受电弓碳滑板检测系统，其特征在于，所述掉块定位单元的工作方法包括：基于映射的受电弓碳滑板表面二维图像，利用分类学习算法或者深度学习算法自动定位碳滑板掉块区域。

5.根据权利要求2所述的受电弓碳滑板检测系统，其特征在于，所述掉块报警单元包括：

掉块计算组件，结合预制标定信息，计算碳滑板掉块的面积和深度，同时计算滑板的宽度；

掉块筛选组件，用于通过扫描闭合区域以及高度差变化，利用预设阈值筛选出符合要求的碳滑板掉块区域，并保存三维坐标信息；

掉块显示组件，用于利用三维坐标信息展示碳滑板掉块位置。

6.一种受电弓碳滑板检测系统的控制方法，其特征在于，所述受电弓碳滑板检测系统包括第一触发模块、第二触发模块、光源投射模块、3D信息采集模块和数据处理模块，所述第一触发模块分别与3D信息采集模块和光源投射模块连接，所述第二触发模块分别与3D信息采集模块和光源投射模块连接，所述3D信息采集模块还与所述数据处理模块连接，所述方法包括：

S21：所述第一触发模块在列车驶入检测区域时将第一触发信号分别发送给所述3D信息采集模块和所述光源投射模块；

S22：所述光源投射模块在接收到所述第一触发模块发送的第一触发信号时开始投射光源；

S23：所述3D信息采集模块在接收到所述第一触发模块发送的第一触发信号时开始采集受电弓碳滑板表面3D信息；

S24：所述第二触发模块在列车驶出检测区域时将第二触发信号分别发送给所述3D信息采集模块和所述光源投射模块；

S25：所述光源投射模块在接收到所述第二触发模块发送的第二触发信号时结束投射光源；

S26：所述3D信息采集模块在接收到所述第二触发模块发送的第二触发信号时结束采集受电弓碳滑板表面3D信息，并将采集的受电弓碳滑板表面3D信息发送给所述数据处理模块；

S27：所述数据处理模块对受电弓碳滑板表面3D信息进行处理获得受电弓碳滑板的检测结果。

7.根据权利要求6所述的受电弓碳滑板检测系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S27的方法包括：

S271：获取碳滑板上表面轮廓信息；

S272：定位碳滑板上掉块的位置；

S273：计算碳滑板上掉块的面积和深度、以及碳滑板的宽度，根据预设阈值发出或者不发出报警信息。

8.根据权利要求7所述的受电弓碳滑板检测系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S271的方法包括：

S2711：将受电弓碳滑板表面3D信息映射成受电弓碳滑板表面二维图像；

S2712：利用受电弓碳滑板表面3D信息进行数据滤波，剔除受电弓碳滑板表面二维图像的干扰信息。

9.根据权利要求7所述的受电弓碳滑板检测系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S272的方法包括：基于映射的受电弓碳滑板表面二维图像，利用分类学习算法或者深度学习算法自动定位碳滑板掉块区域。

10.根据权利要求7所述的受电弓碳滑板检测系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S273的方法包括：

S2731：结合预制标定信息，计算碳滑板掉块的面积和深度，同时计算滑板的宽度；

S2732：通过扫描闭合区域以及高度差变化，利用预设阈值筛选出符合要求的碳滑板掉块区域，并保存三维坐标信息；

S2733：利用三维坐标信息展示碳滑板掉块位置。

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