CN111609917B - 一种基于线阵相机的接触网振动测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线阵相机的接触网振动测量方法及系统，涉及轨道交通接触网检测技术领域。本发明采用线阵相机进行非接触式测量，不需要在接触网上安装检测装置，利用激光器增强成像对比度，提高检测精度，可以对接触网进行快速实时监测，本发明的测量方法可以有效降低控制复杂度，减少系统成本，且也可通过大数据分析接触网的振动和高度变化特性。本发明的测量系统结构简单，制造成本低，可以有效降低控制复杂度，且也可通过大数据分析接触网的振动和高度变化特性。

Description

一种基于线阵相机的接触网振动测量方法及系统

技术领域

本发明涉及轨道交通接触网检测技术领域，更具体地说涉及一种基于线阵相机的接触网振动测量方法及系统。

背景技术

电气化铁路接触网沿铁路线露天布置，线长点多且无备用。随着电气化铁路的快速发展，特别是高速电气化铁路路网规模的扩大，铁路部门对牵引供电系统的运行安全提出了更高的要求，接触网系统是高速铁路供电系统的重要组成部分，其基础设施养护面临保障安全、提高效率、降低成本的迫切需求。

接触网系统常年遭受风、霜、雨、雪等自然环境的侵蚀，以及高速运行受电弓的冲击和振动，其机械和电气的性能状态都在动态变化中，在力与电的双重作用下工作，机械和电气方面的故障构成了接触网系统的主要故障。其中，接触线和承力索与机车受电弓受流质量直接相关，接触线作为无备用的供电设施，其工作性能的好坏直接影响机车运行状态和行车安全。在风荷载的作用下，接触线和承力索会发生振动或舞动现象（振动主要来源于机车受电弓与接触网接触，产生波的传导引起的；振动频率与机车运行速度、接触网自身特性、弓网关系等有关。舞动是一种产生在露天导线等悬索结构中风致形成的竖向大振幅、低频率的振动，其特点是触发风速低,且持续时间长、振幅远大于导线自身直径(为导线的5-300倍) 、振动频率较低（频率为0. 1-3HZ））。受持续振动或舞动的影响，接触网的工作性能和耐疲劳特性会降低，如何实时定量监测接触网的振动和舞动，是保证列车可靠、安全运行的关键因素。

随着传感器和电子测量技术的飞速发展，接触网系统的状态监测技术也有了较大的进步。采用先进的非接触式检测技术和现代化的检测设备对接触网系统进行实时监测是提高牵引供电系统安全可靠运行的保证，是实现电气化铁路智能状态检测和状态维修的重要手段，本发明可实现接触网振动和舞动现象的实时定量在线监测。

目前，铁路电气化领域出现的接触网的振动和舞动监测装置采用的主要是接触式方法和非接触式方法。

接触式方法在接触线和承力索上安装检测装置，如位移传感器或者拉线传感器，通过传感器的输出值测量接触网的振动量，由于在接触网上安装了其他装置，因此，它会影响接触网的原有振动特性，且会对列车的运行安全造成不良影响。主要存在以下问题：

（1）接触式测量在接触网上安装了其他装置，使接触网存在一定的安全隐患，假如设备有脱落掉块将会影响列车的运行安全；

（2）由于在接触网上安装了较大的检测装置，大大增加了接触网的受风面积，从而改变了接触网原有受风特性，会增大接触网舞动强度；

（3）接触式监测设备安装维护不方便，会影响列车的正常行车安排，并且施工复杂，劳动强度大，施工安装成本高。

非接触式方法主要采用激光雷达阵列或者利用超声波进行测量，它们分别利用激光信号和超声波信号通过测距实现接触网的振动量测量，激光雷达阵列受太阳光的影响较大，且激光雷达阵列的成本较高，控制复杂。超声波容易受到周围声波的影响，且测量精度不高，实时性能不好。主要存在以下问题：

（1）采用激光雷达阵列的非接触式测量的成本较高，控制复杂，且受太阳光的影响较大；

（2）超声波非接触式测量容易受到其他声波干扰，且反应较慢，不利于实时测量；

（3）不能保存大量数据，对接触网振动特性进行大数据综合分析和预测。

发明内容

为克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种基于线阵相机的接触网振动测量方法，本发明的发明目的在于解决上述现有技术中存在的“采用激光雷达阵列的非接触式测量成本高、控制复杂且受太阳光的影响较大，以及超声波非接触式测量容易受到其他声波干扰，且反应较慢，不利于实时测量”的问题。本发明采用线阵相机进行非接触式测量，不需要在接触网上安装检测装置，利用激光器增强成像对比度，提高检测精度，可以对接触网进行快速实时监测，本发明测量方法可以有效降低控制复杂度，减少系统成本，且也可通过大数据分析接触网的振动和高度变化特性。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：

一种基于线阵相机的接触网振动测量方法，包括以下步骤：

数据采集步骤：使用激光器和线阵相机采集接触网图像；线阵相机和激光器对准接触线的定位线夹位置；线阵相机和激光器水平排列或竖直排列，线阵相机的成像平面位于竖直平面且线阵相机的光轴与接触线垂直，激光器在竖直方向上发出不可见激光并照射到接触网上；激光器和线阵相机至少采集一组接触网图像，每组接触网图像至少包括两帧图像，其中一帧图像为激光器与线阵相机同时触发时，线阵相机采集到的接触网图像，一帧图像为仅线阵相机触发采集到的接触网图像；

数据处理步骤：采用嵌入式控制器对数据采集步骤采集到的接触网图像进行处理，提取出接触网的位置数据；嵌入式控制器将提取出的位置数据通过物联网模块上传到云服务器；

振动变化特性分析步骤：云服务接收同一线路上若干位置的接触网位置数据，实时分析线路的振动特性，拟合该条线路的振动曲线，提取出线路的振动频率和振动幅值，根据振动频率和振动幅值是否超出预设范围判断弓网耦合是否良好，并对异常的振动情况进行报警。

在所述数据处理步骤中，嵌入式控制器利用同一位置上仅线阵相机触发时采集到的图像数据，减去激光器和线阵相机同时触发时采集到的图像数据得到导线目标，再求取所述导线目标质心坐标从而获取到导线位置。

所述线阵相机上设置有倾角传感器，倾角传感器将线阵相机的倾斜数据传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器根据倾斜数据对接触线实施位置进行倾斜校正。

所述云服务器远程控制所述嵌入式控制器，对所述线阵相机进行图像位置校准和/或参数调整。理想情况下，导线目标应位于线阵相机采集范围正中，由于设备安装和室外环境等因素的影响，目标相对于线阵相机会有竖向位移和俯仰角度偏差。嵌入式控制器根据倾角传感器的检测数据计算出成像位置偏差，并对线阵相机进行图像位置校准。参数调整是指根据环境光条件进行快门、曝光等光学参数调整。

所述云服务器还对同一个检测点的历史检测数据进行分析，输出机车与接触网的弓网振动特性变化曲线。

本发明还提供了一种基于线阵相机的接触网振动测量系统，本系统结构简单，制造成本低，可以有效降低控制复杂度，且也可通过大数据分析接触网的振动和高度变化特性。

一种基于线阵相机的接触网振动测量系统，其特征在于：包括若干监测装置和云服务器，若干监测装置均包括电源模块、激光器、线阵相机、嵌入式控制器和物联网模块，所述电源模块分别与激光器、线阵相机、嵌入式控制器和物联网模块相连，为激光器、线阵相机、嵌入式控制器和物联网模块提供电力支撑；所述激光器和线阵相机水平排列或竖直排列，线阵相机的成像平面位于竖直平面且线阵相机的光轴与接触线垂直，激光器在竖直方向上发出不可见激光并照射到接触网上；所述嵌入式控制器分别与激光器和线阵相机相连，控制激光器和线阵相机触发，且线阵相机将其采集到的接触网图像传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器对线阵相机采集的到接触网图像进行处理提取出接触线的位置数据，并将位置数据通过物联网模块上传到云服务器。

所述嵌入式控制器利用同一位置上仅线阵相机触发时采集到的图像数据，减去激光器和线阵相机同时触发时采集到的图像数据得到导线目标，再求取所述导线目标质心坐标从而提取出接触线的位置数据。通过有无激光照射的两帧图像做差求出导线目标（灰度突变点，由于是线阵相机通常只有一行或两行像素），在求取灰度突变像素的质心坐标作为导线位置。

所述云服务器接收同一线路若干位置的接触网位置数据，实时分析线路的振动特征，拟合该条线路的振动曲线，提取出线路的振动频率和振动幅值，根据振动频率和振动幅值是否超出预设范围判定弓网耦合是否良好。

所述云服务器对同一个检测点的历史检测数据进行分析，输出机车与接触网的弓网振动特性变化曲线。

所述监测装置还包括与线阵相机连接的倾角传感器，所述倾角传感器用于测量线阵相机的倾斜数据，并将线阵相机的倾斜数据传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器根据倾斜数据对接触线实时位置进行倾斜校正。

所述云服务器远程控制所述嵌入式控制器，对所述线阵相机进行图像位置校准和/或参数调整。理想情况下，导线目标应位于线阵相机采集范围正中，由于设备安装和室外环境等因素的影响，目标相对于线阵相机会有竖向位移和俯仰角度偏差。嵌入式控制器根据倾角传感器的检测数据计算出成像位置偏差，并对对线阵相机进行图像位置校准。参数调整是指根据环境光条件进行快门、曝光等光学参数调整。

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

1、本发明利用高速线阵相机实现了接触网非接触式实时快速测量，且采用激光对比度增强技术，消除环境光影响。本发明中，采集的接触网图像至少包含两帧图像，其中一帧图像为激光器与线阵相机同时触发时，线阵相机采集到的接触网图像，一帧图像为仅线阵相机触发采集到的接触网图像；嵌入式控制器利用同一位置上仅线阵相机触发时采集到的图像数据，减去激光器和线阵相机同时触发时采集到的图像数据，这样排除背景环境带来的影响（背景环境是很缓慢渐变的一个过程）这样可以大大降低图像处理难度（对图像进行调制）；，两帧图像相减后，导线所在位置图像的会有较大的亮度（灰度值）差异，其余背景由于变化不大亮度（灰度值）变化很小，这样可以大大降低图像处理难度（对图像进行调制）；再通过取导线质心等方法获得导线位置。这样就可以获得接触网振动变化量。

2、本发明通过将数据上传至云服务器中进行分析和存储，云服务器可以对大量位置数据进行数据挖掘，得出接触网振动变化特性，并对异常振动情况进行报警，同时，也可以通过云服务器的智能分析，可以智能选择时间，自动远程控制嵌入式控制器，对高速线阵相机进行位置校准、参数调整等操作。云服务器可以通过对一条线路上多个监测点的数据实时分析可以进行机车与接触网的弓网耦合是否良好、接触网是否需要进行维护或者受电弓需要进行维护等进行分析，这样有利于接触网和受电弓的实时动态维护。

3、本发明可通过数据分析接触网的振动和高度变化特性，对接触网振动特性进行中和分析和预测，降低了系统复杂度和成本。

4、线阵相机和激光器对准接触线的定位线夹位置，线阵相机与激光器水平排列或竖直排列。线阵相机的成像平面位于竖直平面且相机的光轴与接触线垂直；提高图像中参考目标点的大小，便于提取目标计算接触线竖向位移。

5、监测装置还包括与线阵相机连接的倾角传感器，倾角传感器将线阵相机的倾斜数据传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器根据倾斜数据对接触线实时位置进行倾斜校正，提高数据的准确性和测量精度。

附图说明

图1为本发明接触网振动测量系统的结构示意图；

附图标记：1、电源，2、激光器，3、线阵相机，4、嵌入式控制器，5、物联网模块，6、云服务器，7、接触网。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的技术方案作出进一步详细地阐述。

实施例1

作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

以一条线路线路上为例，在该线路上布置多个监测装置，具体的测量方法如下：

数据采集步骤：使用激光器和线阵相机采集接触网图像；线阵相机和激光器对准接触线的定位线夹位置；线阵相机和激光器水平排列或竖直排列，线阵相机的成像平面位于竖直平面且线阵相机的光轴与接触线垂直，激光器在竖直方向上发出不可见激光并照射到接触网上；激光器和线阵相机至少采集一组接触网图像，每组接触网图像至少包括两帧图像，其中一帧图像为激光器与线阵相机同时触发时，线阵相机采集到的接触网图像，一帧图像为仅线阵相机触发采集到的接触网图像；

数据处理步骤：采用嵌入式控制器对数据采集步骤采集到的接触网图像进行处理，提取出接触网的位置数据；嵌入式控制器将提取出的位置数据通过物联网模块上传到云服务器；

振动变化特性分析步骤：云服务接收同一线路上若干位置的接触网位置数据，实时分析线路的振动特性，拟合该条线路的振动曲线，提取出线路的振动频率和振动幅值，根据振动频率和振动幅值是否超出预设范围判断弓网耦合是否良好，并对异常的振动情况进行报警。

在本实施例中，嵌入式控制器中预先设置有图像处理程序，该图像处理程序为现有从图像中提取接触线的处理程序，且预审设定好监测装置的位置信息，包括监测装置处于该线路中的坐标信息和高度信息等，为减少计算量和提高提取精度，本实施例中特在图像采集步骤中采集至少两帧接触网图像，第一帧图像为激光器与线阵相机同时触发时，线阵相机采集到的接触网图像，第二帧图像为仅线阵相机触发采集到的接触网图像；这样可以通过第二帧图像数据减去第一帧数据，这样排除背景环境带来的影响，两帧图像相减后，导线所在位置图像的会有较大的亮度（灰度值）差异，其余背景由于变化不大亮度（灰度值）变化很小，这样可以大大降低图像处理难度；再通过取导线质心等方法获得导线位置。如单行竖直放置的线阵相机，导线目标在线阵相机占据N个像素，识别出N个像素，取竖向第N/2个像素的坐标作为质心。从而获取到导线位置。

这样就可以获得接触网振动变化量。

在本实施例中，图像的处理过程是在嵌入式控制器中进行的，嵌入式控制器提取出接触线位置数据之后，将位置数据通过物联网模块传输至云服务器中。这种方式可以降低数据传输的数据量，降低对网络和物联网模块的性能要求。同时也可以做到对接触网图像的实时采集和处理。

实施例2

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

一种基于线阵相机的接触网振动测量方法，包括以下步骤：

数据采集步骤：使用激光器和线阵相机采集接触网图像；线阵相机和激光器对准接触线的定位线夹位置；线阵相机和激光器水平排列或竖直排列，线阵相机的成像平面位于竖直平面且线阵相机的光轴与接触线垂直，激光器在竖直方向上发出不可见激光并照射到接触网上；激光器和线阵相机至少采集一组接触网图像，每组接触网图像至少包括两帧图像，其中一帧图像为激光器与线阵相机同时触发时，线阵相机采集到的接触网图像，一帧图像为仅线阵相机触发采集到的接触网图像；数据处理步骤：采用嵌入式控制器对数据采集步骤采集到的接触网图像进行处理，提取出接触网的位置数据；嵌入式控制器将提取出的位置数据通过物联网模块上传到云服务器；振动变化特性分析步骤：云服务接收同一线路上若干位置的接触网位置数据，实时分析线路的振动特性，拟合该条线路的振动曲线，提取出线路的振动频率和振动幅值，根据振动频率和振动幅值是否超出预设范围判断弓网耦合是否良好，并对异常的振动情况进行报警。在本实施例中，嵌入式控制器中预先设置有图像处理程序，该图像处理程序为现有从图像中提取接触线的处理程序，且预审设定好监测装置的位置信息，包括监测装置处于该线路中的坐标信息和高度信息等，为减少计算量和提高提取精度，本实施例中特在图像采集步骤中采集至少两帧接触网图像，第一帧图像为激光器与线阵相机同时触发时，线阵相机采集到的接触网图像，第二帧图像为仅线阵相机触发采集到的接触网图像；这样可以通过第二帧图像数据减去第一帧数据，这样排除背景环境带来的影响，两帧图像相减后，导线所在位置图像的会有较大的亮度（灰度值）差异，其余背景由于变化不大亮度（灰度值）变化很小，这样可以大大降低图像处理难度；再通过取导线质心等方法获得导线位置。这样就可以获得接触网振动变化量。

在所述数据处理步骤中，嵌入式控制器利用同一位置上仅线阵相机触发时采集到的图像数据，减去激光器和线阵相机同时触发时采集到的图像数据，从而获取到导线位置。所述线阵相机上设置有倾角传感器，倾角传感器将线阵相机的倾斜数据传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器根据倾斜数据对接触线实施位置进行倾斜校正。在本实施例中，图像的处理过程是在嵌入式控制器中进行的，嵌入式控制器提取出接触线位置数据之后，将位置数据通过物联网模块传输至云服务器中。这种方式可以降低数据传输的数据量，降低对网络和物联网模块的性能要求。同时也可以做到对接触网图像的实时采集和处理。

实施例3

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

一种基于线阵相机的接触网振动测量系统，包括若干设置于轨旁的监测装置和云服务器，若干监测装置均包括电源模块、激光器、线阵相机、嵌入式控制器和物联网模块，所述电源模块分别与激光器、线阵相机、嵌入式控制器和物联网模块相连，为激光器、线阵相机、嵌入式控制器和物联网模块提供电力支撑；所述激光器和线阵相机水平排列或竖直排列，线阵相机的成像平面位于竖直平面且线阵相机的光轴与接触线垂直，激光器在竖直方向上发出不可见激光并照射到接触网上；所述嵌入式控制器分别与激光器和线阵相机相连，控制激光器和线阵相机触发，且线阵相机将其采集到的接触网图像传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器对线阵相机采集的到接触网图像进行处理提取出接触线的位置数据，并将位置数据通过物联网模块上传到云服务器。

所述线阵相机和所述激光器采用触发模式工作，激光器的的触发周期2倍于所述线阵相机的触发周期，基于背景环境的缓慢渐变特性通过相邻两帧图像做差滤除背景环境，再提取接触线质心坐标获取接触线实时位置。

所述云服务器接收同一线路若干位置的接触网位置数据，实时分析线路的振动特征，拟合该条线路的振动曲线，提取出线路的振动频率和振动幅值，根据振动频率和振动幅值是否超出预设范围判定弓网耦合是否良好。

所述监测装置还包括与线阵相机连接的倾角传感器，所述倾角传感器用于测量线阵相机的倾斜数据，并将线阵相机的倾斜数据传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器根据倾斜数据对接触线实时位置进行倾斜校正。

Claims (10)

1.一种基于线阵相机的接触网振动测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

数据采集步骤：使用激光器和线阵相机采集接触网图像；线阵相机和激光器对准接触线的定位线夹位置；线阵相机和激光器水平排列或竖直排列，线阵相机的成像平面位于竖直平面且线阵相机的光轴与接触线垂直，激光器在竖直方向上发出不可见激光并照射到接触网上；激光器和线阵相机至少采集一组接触网图像，每组接触网图像至少包括两帧图像，其中一帧图像为激光器与线阵相机同时触发时，线阵相机采集到的接触网图像，另一帧图像为仅线阵相机触发采集到的接触网图像；

数据处理步骤：采用嵌入式控制器对数据采集步骤采集到的接触网图像进行处理，提取出接触网的位置数据；嵌入式控制器将提取出的位置数据通过物联网模块上传到云服务器；

振动变化特性分析步骤：云服务接收同一线路上若干位置的接触网位置数据，实时分析线路的振动特性，拟合该条线路的振动曲线，提取出线路的振动频率和振动幅值，根据振动频率和振动幅值是否超出预设范围判断弓网耦合是否良好，并对异常的振动情况进行报警。

2.如权利要求1所述的一种基于线阵相机的接触网振动测量方法，其特征在于：在所述数据处理步骤中，嵌入式控制器利用同一位置上仅线阵相机触发时采集到的图像数据，减去激光器和线阵相机同时触发时采集到的图像数据得到导线目标，再求取所述导线目标质心坐标从而获取到导线位置。

3.如权利要求1所述的一种基于线阵相机的接触网振动测量方法，其特征在于：所述线阵相机上设置有倾角传感器，倾角传感器将线阵相机的倾斜数据传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器根据倾斜数据对接触线实时位置进行倾斜校正。

4.如权利要求3所述的一种基于线阵相机的接触网振动测量方法，其特征在于：所述云服务器远程控制所述嵌入式控制器，对所述线阵相机进行图像位置校准和/或参数调整。

5.如权利要求1所述的一种基于线阵相机的接触网振动测量方法，其特征在于：所述云服务器还对同一个检测点的历史检测数据进行分析，输出机车与接触网的弓网振动特性变化曲线。

6.一种基于线阵相机的接触网振动测量系统，其特征在于：包括若干监测装置和云服务器，若干监测装置均包括电源模块、激光器、线阵相机、嵌入式控制器和物联网模块，所述电源模块分别与激光器、线阵相机、嵌入式控制器和物联网模块相连，为激光器、线阵相机、嵌入式控制器和物联网模块提供电力支撑；所述激光器和线阵相机水平排列或竖直排列，线阵相机的成像平面位于竖直平面且线阵相机的光轴与接触线垂直，激光器在竖直方向上发出不可见激光并照射到接触网上；所述嵌入式控制器分别与激光器和线阵相机相连，控制激光器和线阵相机触发，且线阵相机将其采集到的接触网图像传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器对线阵相机采集的到接触网图像进行处理提取出接触线的位置数据，并将位置数据通过物联网模块上传到云服务器。

7.如权利要求6所述的一种基于线阵相机的接触网振动测量系统，其特征在于：所述嵌入式控制器利用同一位置上仅线阵相机触发时采集到的图像数据，减去激光器和线阵相机同时触发时采集到的图像数据得到导线目标，再求取所述导线目标质心坐标从而提取出接触线的位置数据。

8.如权利要求6所述的一种基于线阵相机的接触网振动测量系统，其特征在于：所述云服务器接收同一线路若干位置的接触网位置数据，实时分析线路的振动特征，拟合该条线路的振动曲线，提取出线路的振动频率和振动幅值，根据振动频率和振动幅值是否超出预设范围判定弓网耦合是否良好；和/或，

所述云服务器对同一个检测点的历史检测数据进行分析，输出机车与接触网的弓网振动特性变化曲线。

9.如权利要求6所述的一种基于线阵相机的接触网振动测量系统，其特征在于：所述监测装置还包括与线阵相机连接的倾角传感器，所述倾角传感器用于测量线阵相机的倾斜数据，并将线阵相机的倾斜数据传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器根据倾斜数据对接触线实时位置进行倾斜校正。

10.如权利要求6所述的一种基于线阵相机的接触网振动测量系统，其特征在于：所述云服务器远程控制所述嵌入式控制器，对所述线阵相机进行图像位置校准和/或参数调整。

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