CN114754673B - 刚性接触网几何参数测量方法、设备和存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请属于图像处理技术领域，具体涉及一种刚性接触网几何参数测量方法、设备和存储介质，其中的方法包括：S10、获取待检测刚性接触网下方的铁轨激光数据，所述铁轨激光数据由刚性接触网的汇流排上设置并移动的激光传感器采集；S20、基于所述铁轨激光数据，确定铁轨平面的位置坐标；S30、基于所述位置坐标、所述激光传感器与所述汇流排上安装的接触线的位置关系，确定所述刚性接触网的几何参数。采用本申请的测量方法备对刚性接触网几何参数进行测量时，测量过程用时短，检测效率高，并且大幅提高了检测精度。

Description

刚性接触网几何参数测量方法、设备和存储介质

技术领域

本申请属于图像处理技术领域，具体涉及一种刚性接触网几何参数测量方法。

背景技术

刚性接触网系统是沿地铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路，其担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务，随着列车速度的提高，对于接触悬挂的要求也越来越高。

在国内既有运行线路中，刚性接触网的接触悬挂均存在连接部件松动、几何参数异常等缺陷，这极大增加了行车的风险，造成行车中断等事故发生。因此，在刚性接触网检修中关于几何参数测量极其重要。

目前，关于几何参数测量，主要包括接触线导高、拉出值的测量，测量的方法主要有：基于测量仪器的人工测量法、基于CCD相机的图像检测法等。虽然上述方法都取得了一些效果，但都有各自的不足。人工手持检测仪器进行定点测量的方式，存在测量点零散、检测不全面、过程繁琐、费时费力等的问题；基于接触网检测车的车载检测设备对照明光源要求很高，且巡检周期较长，测量精度不高等问题。

因此，如何高效、精确地对刚性接触网几何参数进行测量成为了一个亟待解决地问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本申请提供一种刚性接触网几何参数测量方法、设备和可读存储介质。

(二)技术方案

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种刚性接触网几何参数测量方法，该方法包括：

S10、获取待检测刚性接触网下方的铁轨激光数据，所述铁轨激光数据由刚性接触网的汇流排上设置并移动的激光传感器采集；

S20、基于所述铁轨激光数据，确定铁轨平面的位置坐标；

S30、基于所述位置坐标、所述激光传感器与所述汇流排上安装的接触线的位置关系，确定所述刚性接触网的几何参数。

可选地，S20包括：

S21、对所述铁轨激光数据进行滤波，得到铁轨滤波数据；

S22、将所述铁轨滤波数据从极坐标系转化至笛卡尔坐标系，得到铁轨图像数据；

S23、从所述铁轨图像数据中提取得到铁轨平面；

S24、确定所述铁轨平面在所述笛卡尔坐标系的位置坐标。

可选地，S21包括：

将所述激光传感器在同一扫描角度测量得到的多帧铁轨激光数据进行排序；

取多帧铁轨激光数据的中位数作为所述扫描角度处的最终测量值。

可选地，从所述极坐标系转化至笛卡尔坐标系的计算公式为：

其中，d_i为所述扫描角度处的最终测量值，Δθ为角度分辨率，x_i、y_i分别为笛卡尔坐标系的横、纵坐标值，n为激光传感器角度帧数。

可选地，S23包括：

基于所述铁轨图像数据，应用直线检测方法检测得到多条直线；

在感兴趣区域内提取符合预设长度阈值、且水平的两个铁轨平面。

可选地，所述直线检测算法为线段检测算法。

可选地，S30中，所述几何参数包括所述接触线的导高和拉出值，所述导高的计算公式为：

q＝h+h₀

其中，q为导高，h为铁轨面到激光传感器的纵向距离，h₀为接触线到激光传感器的纵向距离。

所述拉出值的计算公式为：

m＝x₀-x_O

其中，m为拉出值，x₀为激光传感器的横坐标，x_O是铁轨面中心的横坐标。

可选地，所述激光传感器为激光雷达，则该方法还包括：

S40、基于所述激光雷达实时采集的位置信息和实时测量得到的所述刚性接触网的几何参数生成铁路线的刚性接触网测量报告。

第二方面，本申请实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上第一方面任一项所述的刚性接触网几何参数测量方法的步骤。

第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上第一方面任一项所述的刚性接触网几何参数测量方法的步骤。

(三)有益效果

本申请的有益效果是：本申请提出了一种刚性接触网几何参数测量方法、设备和可读存储介质，其中的方法包括：S10、获取待检测刚性接触网下方的铁轨激光数据，铁轨激光数据由刚性接触网的汇流排上设置并移动的激光传感器采集；S20、基于铁轨激光数据，确定铁轨平面的位置坐标；S30、基于位置坐标、激光传感器与汇流排上安装的接触线的位置关系，确定刚性接触网的几何参数。采用本申请的测量方法备对刚性接触网几何参数进行测量时，测量过程用时短，检测效率高，并且大幅提高了检测精度。

附图说明

本申请借助于以下附图进行描述：

图1为本申请一个实施例中的刚性接触网几何参数测量方法流程示意图；

图2为本申请另一个实施例中的刚性接触网几何参数测量方法流程示意图；

图3为本申请另一个实施例中激光雷达对铁轨的扫描示意图；

图4为本申请另一个实施例中雷达与接触线的距离关系示意图；

图5为本申请又一实施例中的电子设备的架构示意图。

附图标记说明：

11-汇流排、12-接触线、2-挂轨移动设备、21-激光雷达、3-铁轨。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。可以理解的是，以下所描述的具体的实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合；为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

实施例一

图1为本申请一个实施例中的刚性接触网几何参数测量方法流程示意图，如图1所示，本实施例的刚性接触网几何参数测量方法包括：

S10、获取待检测刚性接触网下方的铁轨激光数据，铁轨激光数据由刚性接触网的汇流排上设置并移动的激光传感器采集；

S20、基于铁轨激光数据，确定铁轨平面的位置坐标；

S30、基于位置坐标、激光传感器与汇流排上安装的接触线的位置关系，确定刚性接触网的几何参数。

本实施例的刚性接触网几何参数测量方法可以准确地测量刚性接触网几何参数，具有更高的测量精度和检测效率。

为了更好地理解本发明，以下对本实施例中的各步骤进行展开说明。

本实施例中，激光传感器可以是激光雷达，也可以是其他线扫描激光传感器。

需要说明的是，本实施例的执行主体可以是刚性接触网测量设备，刚性接触网测量设备可以是微型电脑、个人电脑、服务器等电子设备，还可以是其他可实现相同或相似功能的设备，本实施例对此不加以限制，在本实施例及下述各实施例中，以刚性接触网测量设备为例对本发明刚性接触网几何参数测量方法进行说明。

本实施例中，S20包括：

S21、对铁轨激光数据进行滤波，得到铁轨滤波数据；

具体地，将激光传感器在同一扫描角度测量得到的多帧铁轨激光数据进行排序；取多帧铁轨激光数据的中位数作为所述扫描角度处的最终测量值。

S22、将铁轨滤波数据从极坐标系转化至笛卡尔坐标系，得到铁轨图像数据；

S23、从铁轨图像数据中提取得到铁轨平面；

具体地，基于铁轨图像数据，应用直线检测方法检测得到多条直线；在感兴趣区域内提取符合预设长度阈值、且水平的两个铁轨平面。

S24、确定铁轨平面在所述笛卡尔坐标系的位置坐标。

本实施例S30中，几何参数包括接触线的导高和拉出值，可通过公式(1)计算得到导高。

q＝h+h₀ (1)

其中，q为导高，h为是铁轨面的纵坐标，h₀为是接触线的纵坐标。

可通过公式(2)计算得到拉出值。

m＝x₀-x_O (2)

其中，m为拉出值，x₀为激光传感器的横坐标，x_O是铁轨面中心的横坐标。

本实施例中，激光传感器为激光雷达，则该方法还包括：

S40、基于激光雷达实时采集的位置信息和实时测量得到的刚性接触网的几何参数生成铁路线的刚性接触网测量报告。

实施例二

图2为本申请另一个实施例中的刚性接触网几何参数测量方法流程示意图，本实施例在实施例一的基础上，对本实施例的具体实现过程进行了详细说明。如图2所示，该方法可以包括：

S1、对铁轨地面进行扫描，获取多帧雷达数据；

S2、对获取的多帧雷达数据滤波融合；

S3、将雷达数据从极坐标转化至笛卡尔坐标系，得到转化后的雷达数据作为图像数据；

S4、基于图像数据，进行直线检测并筛选铁轨平面直线，基于铁轨平面直线确定铁轨平面；

S5、基于雷达与接触线的距离关系，计算导高和拉出值。

本实施例的方法通过挂轨设备的激光雷达传感器，扫描轨道获取轨平面信息，并通过三维空间校准等方法，计算得到刚性接触网的几何参数信息，不同于其他以轨平面为基准，测量接触线的方法。本发明方法以接触线作为基准，测量轨平面的方式，有效解决了接触线过小导致的定位难的问题，同时由于被测量的铁轨面较大，数据点较多，具有更好的抗干扰性和稳定性，测量精度更高。

以下对各个步骤进行具体说明。

图3为本申请另一个实施例中激光雷达对铁轨的扫描示意图，如图3所示，在步骤S1中，在汇流排11上设置一个挂轨移动设备2，在汇流排11上安装由接触线12，挂轨移动设备2可在汇流排11上移动。挂轨移动设备2上使用激光雷达21，向下对铁轨3的地面进行扫描，获取到多帧铁轨3上的剖面数据。

在S2中，雷达数据的数组长度由角度分辨率Δθ决定，其代表每过角度Δθ，雷达会采集一次数据。每帧雷达数据由一组长度为n的数组组成，角度θ_i即为第i帧与扫描起始面的夹角，数组中的值d_i代表雷达在θ_i角度时，雷达到周围环境的测量距离。当雷达静态扫描一个物体时，受环境干扰等影响，雷达数据d_i在θ_i角处的测量值往往不是完全相同的。因此，通过将角度θ_i处的多帧数据进行排序，并取它的中位数作为θ_i处的最终测量值，如公式(3)所示。

其中，N为帧数。

S3中，通过雷达的角度分辨率Δθ，通过公式(4)将雷达数据转化成笛卡尔坐标系的图像数据。

其中，d_i为所述扫描角度处的最终测量值，Δθ为角度分辨率，x_i、y_i分别为笛卡尔坐标系的横、纵坐标值，n为激光传感器角度帧数。

S4中，图像通过直线检测方法，得到多条直线，根据铁轨在图像中的成像特征，在感兴趣区域(Region Of Interest)内提取符合长度阈值，且水平的两条直线作为铁轨平面。直线检测方法采用的是线段检测(Line Segment Detector)算法，其基本原理是首先计算图像中所有点的梯度大小和方向，然后将梯度方向变化小且相邻的点作为一个连通域，接着根据每一个域的矩形度判断是否需要按照规则将其断开以形成多个矩形度更大的域，最后对生成的所有的域做改善和筛选，保留其中满足条件的域，即为最后的直线检测结果。具体过程如下：

①进行高斯降采样，采样率设置为S；

②计算图像中各点的梯度值和方向，并根据梯度值大小排序；

③将梯度值小于ρ的点的状态设置为USED，其余为UNUSED；

④取出剩下的排序表中状态为UNUSED的点；

⑤设置方向变化最大容忍值τ进行区域生长；

⑥计算生长得到的区域的同性点密度D，当D＜D₀时截断该区域，重

新计算D，直到D＞D₀；

⑦计算错误控制函数NFA，当NFA＜ε，输出直线段数据，若排序表还有状态为UNUSED的点，则转至步骤③，直到没有UNUSED的点。

S5中，通过轨平面与雷达的位置关系，并结合雷达与设备、设备与接触线的空间距离，计算导高和拉出值。图4为本申请另一个实施例中雷达与接触线的距离关系示意图，图中h为铁轨面到激光雷达的纵向距离，h₀为接触线到激光雷达的纵向距离，m为两铁轨的中间点与激光雷达的横向距离，从而导高测量值等于h+h₀，拉出值等于m。

本发明所提供的方法使用多帧中值滤波融合对雷达数据进行去噪，结合LSD直线检测算法检测钢轨平面以解决现有刚性接触网几何参数测量方法巡检周期较长，测量精度不高的问题。

实施例三

本申请第二方面通过实施例三提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上实施例中任意一项所述的刚性接触网几何参数测量方法的步骤。

图5为本申请又一实施例中的电子设备的架构示意图。

图5所示的电子设备可包括：至少一个处理器101、至少一个存储器102、至少一个网络接口104和其他的用户接口103。电子设备中的各个组件通过总线系统105耦合在一起。可理解，总线系统105用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统105除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图5中将各种总线都标为总线系统105。

其中，用户接口103可以包括显示器、键盘或者点击设备(例如，鼠标，轨迹球(trackball)或者触感板等。

可以理解，本实施例中的存储器102可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、可编程只读存储器(ProgrammableROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(ErasablePROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(ElectricallyEPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(StaticRAM，SRAM)、动态随机存取存储器(DynamicRAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(SynchronousDRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DoubleDataRateSDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(SynchlinkDRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambusRAM，DRRAM)。本文描述的存储器62旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

在一些实施方式中，存储器102存储了如下的元素，可执行单元或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：操作系统1021和应用程序1022。

其中，操作系统1021，包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序1022，包含各种应用程序，用于实现各种应用业务。实现本发明实施例方法的程序可以包含在应用程序1022中。

在本发明实施例中，处理器101通过调用存储器102存储的程序或指令，具体的，可以是应用程序1022中存储的程序或指令，处理器101用于执行第一方面所提供的方法步骤。

上述本发明实施例揭示的方法可以应用于处理器101中，或者由处理器101实现。处理器101可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器101中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器101可以是通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现成可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件单元组合执行完成。软件单元可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器102，处理器101读取存储器102中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

另外，结合上述实施例中的刚性接触网几何参数测量方法，本发明实施例可提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上方法实施例中的任意一种刚性接触网几何参数测量方法。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。

此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (8)

1.一种刚性接触网几何参数测量方法，其特征在于，该方法包括：

S10、获取待检测刚性接触网下方的铁轨激光数据，所述铁轨激光数据由刚性接触网的汇流排上设置并移动的激光传感器采集；

S20、基于所述铁轨激光数据，确定铁轨平面的位置坐标；

S20包括：

S21、对所述铁轨激光数据进行滤波，得到铁轨滤波数据；

S22、将所述铁轨滤波数据从极坐标系转化至笛卡尔坐标系，得到铁轨图像数据；

从所述极坐标系转化至笛卡尔坐标系的计算公式为：

其中，d_i为扫描角度处的最终测量值，Δθ为角度分辨率，x_i、y_i分别为笛卡尔坐标系的横、纵坐标值，n为激光传感器角度帧数；

S23、从所述铁轨图像数据中提取得到铁轨平面；

S24、确定所述铁轨平面在所述笛卡尔坐标系的位置坐标；

S30、基于所述位置坐标、所述激光传感器与所述汇流排上安装的接触线的位置关系，确定所述刚性接触网的几何参数。

2.根据权利要求1所述的刚性接触网几何参数测量方法，其特征在于，S21包括：

将所述激光传感器在同一扫描角度测量得到的多帧铁轨激光数据进行排序；

取多帧铁轨激光数据的中位数作为所述扫描角度处的最终测量值。

3.根据权利要求1所述的刚性接触网几何参数测量方法，其特征在于，S23包括：

基于所述铁轨图像数据，应用直线检测方法检测得到多条直线；

在感兴趣区域内提取符合预设长度阈值、且水平的两个铁轨平面。

4.根据权利要求3所述的刚性接触网几何参数测量方法，其特征在于，所述直线检测算法为线段检测算法。

5.根据权利要求1所述的刚性接触网几何参数测量方法，其特征在于，S30中，所述几何参数包括所述接触线的导高和拉出值，所述导高的计算公式为：

q＝h+h₀

其中，q为导高，h为铁轨面到激光传感器的纵向距离，h₀为接触线到激光传感器的纵向距离；

所述拉出值的计算公式为：

m＝x₀-x_O

其中，m为拉出值，x₀为激光传感器的横坐标，x_O是铁轨面中心的横坐标。

6.根据权利要求1所述的刚性接触网几何参数测量方法，其特征在于，所述激光传感器为激光雷达，则该方法还包括：

S40、基于所述激光雷达实时采集的位置信息和实时测量得到的所述刚性接触网的几何参数生成铁路线的刚性接触网测量报告。

7.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上权利要求1至6任一项所述的刚性接触网几何参数测量方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上权利要求1至6任一项所述的刚性接触网几何参数测量方法的步骤。