CN111497690A - 一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及接触网技术领域，目的是提供一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统，本发明包括车体和补光单元、相机单元主机单元和检测装置，所述相机单元和所述补光单元均位于所述车体的顶部，所述相机单元包括有可见光相机和3D相机，所述主机单元分别与所述相机单元和补光单元连接，所述主机单元驱动所述补光单元对接触网上投射光源，其中，所述主机单元驱动所述可见光相机获取接触网上反射的待测图像，所述可见光相机将待测图像处理后的光斑数据发送至所述主机单元，所述主机单元接收到光斑数据后驱动所述3D相机确定接触网上绝缘器的位置，所述主机单元接收到所述绝缘器的位置信息后输出触发信号触发检测装置工作，车体上还设置有电源单元。

Description

一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统
技术领域
本发明涉及铁路领域，具体涉及一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统。
背景技术
分段绝缘器是铁路接触网上实现同相电气分段的一种绝缘设备，它用于将同一相供电单元的接触网分割成几个独立的供电范围。分相绝缘器是铁路接触网上实现A、B相轮流供电的主要设备，用于平衡电力系统的A,B,C各相的负荷。分段、分相绝缘器在接触网系统中是最大的集中荷载，在有限的空间内，集合接头线夹、导流滑道和绝缘器件于一体，悬挂弹性不如柔性较大的线索结构。在自然环境、行车速度、受电弓压力、接触网振动和线路条件等因素的综合作用下，分段绝缘器始终处于被动应付状态。由于运行条件苛刻、弓网配合条件差、停电检修维护困难等诸多原因，目前分段分相绝缘器故障已经成为国内接触网的惯性故障，安全可靠运行的分段、分相绝缘器已经成为铁路供电主管部门的重要诉求。目前铁路部门普遍采用人工步行巡视的方式对接触网分段、分相绝缘器的工作状态进行巡检。这种工作方式由于测量方式、测试工具不同，存在误判的可能性，且工作量巨大、工作效率低下。
CN201420458732.0，车载接触网巡检设备，本发明提供的车载接触网巡检设备，包括图像采集装置(101或1)和工控机；工控机包括用于存储及处理图像采集装置(101或1)所采集的图像信息的图像处理装置(102或2)和用于控制所述图像采集装置(101或1)及图像处理装置(102或2)的工控主机(103)；其中，图像处理装置(102或2)设置在图像采集装置(101或1)的外壳(11)内；工控主机(103)与图像采集装置(101或1)无线相连，和/或工控主机(103)与图像处理装置(102或2)无线相连。本发明提供的车载接触网巡检设备解决了目前的车载接触网巡检设备存在的工控机操作笨重、不便携以及设备装配操作比较繁琐的问题，但该装置无法对采集的图像进行快速的处理，进而定位到分段、分相的绝缘器。
因此,需要一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统，能够实现自动巡检出接触网上的分段、分相的绝缘器。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统，该系统安装于接触网检测车或作业车上，在检测车或作业车运行过程中对接触网中的分段绝缘器、器件式分相绝缘器进行实时在线检测、识别，并输出触发信号用于其它系统进行拍摄成像、信号采集等，从而实现接触网分段、分相绝缘器自动巡检的目的，本发明结构合理，设计巧妙，适合推广；
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统，包括有车体和车体上的补光单元、相机单元、主机单元和预警单元，所述相机单元和所述补光单元均位于所述车体的顶部，所述相机单元包括有可见光相机、3D相机和红外相机，所述主机单元分别与所述相机单元和补光单元连接；
所述主机单元驱动所述补光单元对接触网上投射光源，其中，所述主机单元驱动所述可见光相机获取接触网上反射的待测图像，所述可见光相机将待测图像发送至所述主机单元；
所述主机单元识别所述待测图像上的光斑数据，所述主机单元上设置有预存的分段、分相绝缘器的光斑标准值，当所述光斑数据不小于所述光斑标准值时，所述主机单元发出触发信号驱动所述3D相机获取接触网上的分段、分相绝缘器图像；
所述主机单元上预存有正常工作状态下的分段、分相绝缘器三维标准值和分段接触器温度标值，当所述3D相机获取的分段、分相绝缘器图像的三维数据与所述分段接触器三维标准值匹配时，所述主机单元发出触发信号驱动所述红外相机获取车体上方分段接触器的温度数据，当所述主机单元上的分段接触器温度标值与分段接触器的所述温度数据不匹配时，所述主机单元触发所述预警单元进行温差超限报警，所述车体上还设置有电源单元。
优选的，所述电源单元为UPS,所述主机单元内还设置有稳压器，所述UPS通过所述稳压器与所述主机单元供电。
优选的，所述主机单元包括有车体内的PC端，所述PC端通过网线分别与所述可见光相机和3D相机连接。
优选的，所述补光单元选用激光器，所述可见光相机选用为线阵相机。
优选的，所述主机单元获取所述光斑数据依次进行滤波降噪处理、二值化处理、光斑分割和光斑长度测量。
优选的，所述滤波降噪处理为通过高斯滤波进行处理，高斯滤波的计算公式为
h(x，y)＝f(x，y)*g(u，v)
其中，f(x,y)代表所述光斑数据图像中坐标为(x,y)处的图像像素值，g(u,v)代表高斯卷积核，符号“*”代表卷积操作，h(x,y)代表卷积处理后的结果，二维高斯卷积核的公式为
Figure BDA0002470312490000031
其中，σ代表标准差，所述σ为定值。
优选的，所述二值化处理是通过NiBlack局部阈值法，所述NiBlack局部阈值法的计算公式为，
Figure BDA0002470312490000032
Figure BDA0002470312490000033
T(x，y)＝k×s(x，y)+m(x，y)
Figure BDA0002470312490000034
其中，m(x，y)和s(x，y)代表光斑数据图像的灰度均值和标准差，n代表局部区域的大小，f(i，j)代表光斑数据图像中坐标点(i，j)处的灰度像素值，T(x，y)代表二值化的阈值，k代表修正系数，b(x,y)代表光斑数据图像二值化处理后的结果，通过对二值化处理后的光斑数据图像进行光斑分割得到光斑定值。
优选的，所述光斑定值的长度为G,G的公式为，
Figure BDA0002470312490000035
其中，T1为接触线的光斑在待测图像的最大宽度阈值，T2为吊弦线夹的光斑在待测图像中的最大宽度阈值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.该装置利用主动光源被反射后在可见光图像中所呈现的光斑宽度的不同，来快速、有效的区分当前光源照射的区域到底属于接触线还是吊弦线夹、分段/分相绝缘器；
2.先判断光斑宽度，后利用3D深度信息进行复核、确认，这种处理策略兼顾了装置的处理速度和精度。
附图说明
图1为一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统的结构图；
图2为本发明的实施例中分段、分相绝缘器检测触发流程图；
图3为本发明的实施例的分段、分相绝缘器示意图；
图4为本发明的实施例的光斑检测触发判断处理流程图；
图5为本发明的实施例的接触线上的激光光斑示意图；
图6为本发明的实施例的吊弦线夹上的激光光斑示意图；
图7为本发明的实施例的分段绝缘器上的激光光斑示意图；
图8为本发明的实施例的接触网腕臂及悬挂示意图；
图9为本发明的实施例的接触网硬横跨示意图；
图10为本发明的实施例的铁路隧道壁示意图；
图11为本发明的实施例的接触线异物的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1～11，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，而不是全部的实施例。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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统，包括有车体和车体上的补光单元、相机单元、主机单元和预警单元，所述相机单元和所述补光单元均位于所述车体的顶部，所述相机单元包括有可见光相机、3D相机和红外相机，所述主机单元分别与所述相机单元和补光单元连接；
所述主机单元驱动所述补光单元对接触网上投射光源，其中，所述主机单元驱动所述可见光相机获取接触网上反射的待测图像，所述可见光相机将待测图像发送至所述主机单元；
所述主机单元识别所述待测图像上的光斑数据，所述主机单元上设置有预存的分段接触器的光斑标准值，当所述光斑数据不小于所述光斑标准值时，所述主机单元发出触发信号驱动所述3D相机获取接触网上的分段、分相绝缘器图像；
所述主机单元上预存有正常工作状态下的分段接触器三维标准值和分段、分相绝缘器温度标值，当所述3D相机获取的分段接触器图像的三维数据与所述分段接触器三维标准值匹配时，所述主机单元发出触发信号驱动所述红外相机获取车体上方分段接触器的温度数据，当所述主机单元上的分段接触器温度标值与分段接触器的所述温度数据不匹配时，所述主机单元触发所述预警单元进行温度超限预警，所述车体上还设置有电源单元。
值得说明的是，车外设备由补光单元、可见光相机、3D相机构成，车内设备由主机和电源单元构成。其中，电源单元接入电力机车车载220V交流或110V直流电路，将其转换为整个系统所需的DC24V、DC12V、DC5V等供电输入。主机单元用于连接车外所有的相机，并进行相应的触发条件判断工作，请参照图1，车外所有设备均安装于电力机车车顶，用于采集车顶接触网上的相关数据。其中，补光单元跟可见光相机配合使用，使得该相机可以获取到清晰度最佳的成像效果。3D相机用于获取车顶接触网上空接触线、承力索、吊弦线夹、支柱、悬挂、绝缘器的深度信息。
值得说明的是，请参照图3，铁路供电接触网上的设备除了接触线、承力索之外，吊弦跟分段、分相绝缘器也属比较常见的设备。查阅铁路相关行业标准文件可知，接触线的直径在8-15mm之间，吊线线夹的截面积在40mm左右，而分段(分相)绝缘器的横截面积至少90mm以上。显然，接触线(请参照图5所示)、吊弦线夹(请参照图6所示)、绝缘器(请参照图7所示)的横截面积差异很大。因此，可以利用主动光源向接触线发射光线，利用可见光相机捕获接触线、吊弦线夹、绝缘器反射回来的光斑，通过判断反射光斑的宽度大小即可判断当前激光照射的是接触线、吊弦线夹、绝缘器中的具体哪类设备。本实施例的光源可以是普通的LED聚光灯、高压氖灯也可以采用激光器作为主动光源。可见光相机可以使用普通的面阵相机，也可以使用采样频率更高的线阵相机。本发明推荐利用激光器作为主动光源，利用线阵相机作为采集设备。
值得说明的是，通过可见光相机采集到接触线上的主动光源光斑图像之后，分别进行滤波降噪、二值化、光斑分割检测，进而测量图像中光斑的长度，通过判断长度是否满足要求来判定当前图像中的光斑是否属于分段、分相绝缘器返回的光斑，整个处理流程如图4所示。
值得说明的是，首先，针对输入的光斑图像进行滤波降噪操作。这里的滤波降噪算法可以使用均值滤波、中值滤波、高斯滤波、双边滤波、维纳滤波等。此处以高斯滤波为例，给出其计算公式，
h(x，y)＝f(x，y)*g(u，v)
这里的f(x,y)代表图像中坐标为(x,y)处的图像像素值，g(u,v)代表高斯卷积核，符号“*”代表卷积操作，h(x,y)代表卷积处理后的结果。其中，二维高斯卷积核的公式如下：
Figure BDA0002470312490000061
公式中的σ代表标准差，通常根据经验在0.8-1.2之间自行选取。
其次，对滤波降噪后的图像需要进行二值化处理。常用的二值化处理算法有大津法、三角形法、NiBlack局部阈值法等。此处以NiBlack算法为例，给出图像二值化的计算公式。
Figure BDA0002470312490000062
Figure BDA0002470312490000071
T(x，y)＝k×s(x，y)+m(x，y)
Figure BDA0002470312490000072
这里,m(x,y)和s(x,y)代表图像的灰度均值和标准差，n代表局部区域的大小(例如：3,5,7,9等)，f(i,j)代表图像中坐标点(i,j)处的灰度像素值，T(x,y)代表二值化的阈值，k代表修正系数(通常根据经验在0.9-1.1之间选取)，b(x,y)代表二值化处理后的结果。接着，对经过二值化处理后的图像b(x,y)进行图像分割操作，得到真正的光斑数据。通过判断光斑的长度G是否满足要求来判定当前图像中的光斑是否由于分段、分相绝缘器反射造成的。
Figure BDA0002470312490000073
这里的T1为接触线的光斑在可见光图像的最大宽度阈值，T2为吊弦线夹的光斑在可见光图像中的最大宽度阈值。
值得说明的是，上述采用光斑宽度进行分段、分相绝缘器检测识别的方法，由于算法简单，在现有的普通X86处理平台上可以实现1000Hz以上的处理频率。如此高的处理频率使得装置具备密集的采样间隔，确保不会对分段、分相绝缘器的检测识别造成遗漏。但是由于接触网上除了接触线等供电设备，还存在腕臂、悬挂、硬横跨、隧道壁或者垃圾袋、树枝等异物，因此仅仅靠光斑宽度G是否大于阈值T2判断是否存在分段、分相绝缘器还存在一定的误差。本发明引入3D相机对此进行再次过滤，即：当利用主动光源+可见光相机检测到疑似分段绝缘器之后，通过采集当前电力机车上方的3D深度数据再次判定接触线上空是否存在类似分段、分相绝缘器轮廓外形的设备，进一步提高触发检测装置的准确率。
值得说明的是，触发装置需要实现录入分段、分相绝缘器的3D模型，假设为S0。
而3D相机采集到的三维形状数据为S1，采用欧式距离、曼哈顿距离、余弦相似度、雅克比相似度等判断方法，判定当前的三维形状数据是否属于分段、分相绝缘器。以欧式距离为例，其计算公式为：
Figure BDA0002470312490000081
公式中的D即为计算所得的欧式距离，如果D的取值超过某个阈值T(例如：0.95)，则代表当前3D相机所采集的三维形状就是分段、分相绝缘器，装置可以输出一个分段、分相绝缘器的触发信号。
值得说明的是，本实施例利用红外相机采集分段绝缘器的红外温度数据。分段绝缘器的最高温度为T1，如果T1超过规定的经验阈值T0，则认为分段绝缘器上存在高温缺陷；此外，还可以利用温度传感器采集当前时刻的环境温度T2，假设T1-T2超过了规定的经验阈值△T，则认为分段绝缘器上存在温差报警。另外，还可以利用高清可见光相机配合补光灯对分段绝缘器的前、后、左、右、及底部等各个角度进行图像拍摄，然后利用PC上的图像识别算法检测分析分段绝缘器上是否存在螺丝松动、螺钉脱落、异物、支撑杆断裂、绝缘滑道磨损、绝缘子破损等缺陷。
值得说明的是，先判断光斑宽度，后利用3D深度信息进行复核、确认，这种处理策略兼顾了装置的处理速度和精度，本实施例中仅仅采用1个可见光相机+1个补光灯进行光斑图像的采集判断，也可以扩充为2个甚至多个相机和多个补光灯对分段、分相绝缘器的头部、尾部进行光斑宽度的判断识别，更进一步降低误触发的概率，本实施例中所示的光源可以是条形或圆形氙气灯、氖灯、LED灯，也可以用线激光或面激光作为补光光源，实施例中的处理算法、软件可以运行于普通PC上，也可以运行于ARM、FPGA、DPS、单片机等嵌入式设备中，处理主机可以放置在电力机车车内，也可以安装在电力机车车顶，本系统不仅适用于普速线路，也适用于高铁线路和城市轨道交通(地铁、轻轨)线路的接触网分段、分相绝缘器检测、识别。
综上所述，本发明的实施原理为：车外所有设备均安装于电力机车车顶，用于采集车顶接触网上的相关数据。其中，补光单元跟可见光相机配合使用，使得该相机可以获取到清晰度最佳的成像效果。3D相机用于获取车顶接触网上空接触线、承力索、吊弦线夹、支柱、悬挂、绝缘器的深度信息结构合理，设计巧妙，适合推广。

Claims (8)

1.一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统，其特征在于，包括有车体和车体上的补光单元、相机单元、主机单元和预警单元，所述相机单元和所述补光单元均位于所述车体的顶部，所述相机单元包括有可见光相机、3D相机和红外相机，所述主机单元分别与所述相机单元和补光单元连接；
所述主机单元驱动所述补光单元对接触网上投射光源，其中，所述主机单元驱动所述可见光相机获取接触网上反射的待测图像，所述可见光相机将待测图像发送至所述主机单元；
所述主机单元识别所述待测图像上的光斑数据，所述主机单元上设置有预存的分段接触器的光斑标准值，当所述光斑数据不小于所述光斑标准值时，所述主机单元发出触发信号驱动所述3D相机获取接触网上的分段接触器图像；
所述主机单元上预存有正常工作状态下的分段接触器三维标准值和分段接触器温度标值，当所述3D相机获取的分段接触器图像的三维数据与所述分段接触器三维标准值匹配时，所述主机单元发出触发信号驱动所述红外相机获取车体上方分段接触器的温度数据，当所述主机单元上的分段接触器温度标值与分段接触器的所述温度数据不匹配时，所述主机单元触发所述预警单元进行温差超限预警，所述车体上还设置有电源单元。
2.根据权利要求1所述的一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统，其特征在于,所述电源单元为UPS,所述主机单元内还设置有稳压器，所述UPS通过所述稳压器与所述主机单元供电。
3.根据权利要求2所述的一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统，其特征在于，所述主机单元包括有车体内的PC端，所述PC端通过网线分别与所述可见光相机和3D相机连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统，其特征在于，所述补光单元选用激光器，所述可见光相机选用线阵相机。
5.根据权利要求1所述的一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统，其特征在于，所述主机单元获取所述光斑数据依次进行滤波降噪处理、二值化处理、光斑分割和光斑长度测量。
6.根据权利要求5所述的一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统，其特征在于，所述滤波降噪处理为通过高斯滤波进行处理，高斯滤波的计算公式为
h(x，y)＝f(x，y)*g(u，v)其中，f(x,y)代表所述光斑数据图像中坐标为(x,y)处的图像像素值，g(u,v)代表高斯卷积核，符号“*”代表卷积操作，h(x,y)代表卷积处理后的结果，二维高斯卷积核的公式为
Figure FDA0002470312480000021
其中，σ代表标准差，所述σ为定值。
7.根据权利要求6所述的一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统，其特征在于，所述二值化处理是通过NiBlack局部阈值法，所述NiBlack局部阈值法的计算公式为，
Figure FDA0002470312480000022
Figure FDA0002470312480000023
T(x，y)＝k×s(x，y)+m(x，y)
Figure FDA0002470312480000024
其中，m(x，y)和s(x，y)代表光斑数据图像的灰度均值和标准差，n代表局部区域的大小，f(i，j)代表光斑数据图像中坐标点(i，j)处的灰度像素值，T(x，y)代表二值化的阈值，k代表修正系数，b(x,y)代表光斑数据图像二值化处理后的结果，通过对二值化处理后的光斑数据图像进行光斑分割得到光斑定值。
8.根据权利要求7所述的一种用于接触网分段、分相绝缘器的检测系统，其特征在于，所述光斑定值的长度为G,G的判断公式为，
Figure FDA0002470312480000031
其中，T1为接触线的光斑在待测图像的最大宽度阈值，T2为吊弦线夹的光斑在待测图像中的最大宽度阈值。
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