CN203766824U - 一种电力机车受电靴的在线轨道检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电力机车受电靴的在线轨道检测装置，包括传感控制模块和安装在电力机车行进轨道两外侧的检测模块，该两个检测模块的安装位置沿行进轨道的中轴线相对称；每个检测模块均由图像传感器、光源和支架组成，图像传感器固定在地面上并且其安装高度低于行进轨道的顶面，光源通过支架固定在地面上并且其安装高度高于行进轨道的顶面，光源的光照范围覆盖驶过检测模块安装位置的电力机车的受电靴，并且此刻的受电靴落入图像传感器的拍摄范围之内，图像传感器的拍摄方向与光源的光照方向不平行；传感控制模块在电力机车驶过检测模块的安装位置时启动图像传感器和光源以采集受电靴的图像。本实用新型能够实现对受电靴的实时跟踪在线监测。

Description

一种电力机车受电靴的在线轨道检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种电力机车受电靴的在线轨道检测装置。

背景技术

近年来，随着国家城市化的全力推动，我国轨道交通事业取得了长足的发展。同时在城市交通运输中扮演更重要的角色，承担着更大的运输任务。所以其安全性、稳定性、舒适性就越来越凸显重要。

受电靴是电力机车的重要取电设备，是保障机车运行系统和电力机车附件空调、照明等正常工作的核心部件。受电靴工作状况的好坏直接决定了电力机车能否正常运行，是否安全，甚至决定是否发生大的公共交通安全事故。例如，未处于正常运动姿态的受电靴将导致电力机车无法取电，具有缺口或者裂纹的受电靴将导致其与接触轨之间存在间隙而形成拉弧放电、造成故障，而在受电靴的碳滑板损耗过度后将失去润滑作用造成受电靴与接触轨之间直接进行金属摩擦。

因此，随着城市轨道交通的高速发展，迫切需要一套安全保障监测装置，实现对机车关键部件受电靴重点参数监测，使得电客车在线监测系统针对可靠的检测数据进行有效分析反馈，对于提高新型机车运行的可靠性，保障行车安全，提升我国铁路运输技术水平，不仅具有十分重大的意义，还具有十分明显的经济应用价值。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种电力机车受电靴的在线轨道监测装置，能够实现对受电靴的实时跟踪在线监测。

解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种电力机车受电靴的在线轨道检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括传感控制模块和安装在电力机车行进轨道两外侧的检测模块，该两个检测模块的安装位置沿所述行进轨道的中轴线相对称；每个所述检测模块均由图像传感器、光源和支架组成，所述图像传感器固定在地面上并且其安装高度低于所述行进轨道的顶面，所述光源通过支架固定在地面上并且其安装高度高于所述行进轨道的顶面，所述光源的光照范围覆盖驶过检测模块安装位置的电力机车的受电靴，并且此刻的受电靴落入所述图像传感器的拍摄范围之内，所述图像传感器的拍摄方向与光源的光照方向不平行；所述传感控制模块在电力机车驶过检测模块的安装位置时启动所述图像传感器和光源以采集受电靴的图像，并在电力机车驶离检测模块的安装位置后关闭所述图像传感器和光源。

作为本实用新型的一种实施方式，所述的传感控制模块包括第一车轮传感器；该第一车轮传感器固定在所述检测模块的安装位置，其在感应到电力机车来车后控制所述图像传感器和光源在预设的时间内处于启动状态，以采集受电靴的完整图像。

作为本实用新型的一种改进，所述的检测装置还包括车号识别模块；该车号识别模块包括车号识别射频天线、第二车轮传感器和设有电力机车车号信息的电子标签，所述电子标签固定在位于受电靴附近位置的电力机车底部，所述车号识别射频天线安装在位于所述行进轨道中轴线位置的地面上，所述第二车轮传感器安装在任意一条行进轨道的内侧位置，所述第二车轮传感器感应到电力机车车轮通过后控制所述车号识别射频天线读取所述电子标签中的电力机车车号信息，用以对图像传感器采集到的受电靴图像进行标记。

作为本实用新型的优选方式，所述光源为激光光源。

作为本实用新型的优选方式，所述图像传感器为CCD图像传感器。

作为本实用新型的优选方式，所述图像传感器采集到的受电靴图像和车号识别射频天线读取到的电力机车车号信息通过分线箱分别传输给用于计算出受电靴轮廓的探测站。

作为本实用新型的优选方式，所述的检测装置安装在电力机车行进轨道沿线的一个或以上的检测点上，每个检测点均设有所述传感控制模块、检测模块和车号识别模块。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

第一，本实用新型通过传感控制模块和检测模块能够快速获得反映列车受电靴的三维运动姿态、缺口、裂纹和碳滑板厚度等状态的图像，实现对受电靴的实时跟踪在线监测，以便正确判别受电靴运行状态是否异常并及时发现突发异常，使得电力机车经过检测点时系统能及时报警，预防故障进一步扩大，有效的保障了电力机车的稳定取流受电，受电靴能够根据其工作状态及时进行维修，为第三轨供电技术在城市轨道交通中应用推广提供了有力保障。

第二，本实用新型通过车号识别模块还能自动识别通过车辆的列车号和车辆号，为系统提供有关电客车的数据管理信息。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明：

图1为本实用新型的俯视布置示意图图；

图2为图1的G向视图；

图3为图1的K向视图；

图4为本实用新型的在线轨道检测装置的电路连接示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本实用新型的电力机车受电靴的在线轨道检测装置由传感控制模块、检测模块和车号识别模块组成，其安装在电力机车行进轨道5沿线的一个或以上的检测点上，每个检测点均设有传感控制模块、两个检测模块和车号识别模块。

对于每一个监测点，两个检测模块安装在电力机车行进轨道5两外侧它们的安装位置沿行进轨道5的中轴线相对称；每个检测模块均由图像传感器1、光源2和支架3组成，图像传感器1采用CCD图像传感器，其固定在地面上并且其安装高度低于行进轨道5的顶面，光源2采用激光光源，其通过支架3固定在地面上并且其安装高度高于行进轨道5的顶面，光源2的光照范围覆盖驶过检测模块安装位置的电力机车的受电靴4，并且此刻的受电靴4落入图像传感器1的拍摄范围之内，图像传感器1的拍摄方向与光源2的光照方向不平行；其中，支架3由铝合金型材构成，其可以根据检测模块安装位置的不同而相应设置（如图2和3所示）。

传感控制模块包括第一车轮传感器；该第一车轮传感器固定在所述检测模块的安装位置，其在感应到电力机车来车后控制图像传感器1和光源2在预设的时间内处于启动状态，以采集受电靴4的完整图像；即传感控制模块在电力机车驶过检测模块的安装位置时启动图像传感器1和光源2以采集受电靴4的图像，并在电力机车驶离检测模块的安装位置后关闭图像传感器1和光源2。

车号识别模块包括车号识别射频天线RF、第二车轮传感器M_RF和设有电力机车车号信息的电子标签，电子标签固定在位于受电靴4附近位置的电力机车底部，车号识别射频天线RF安装在位于行进轨道5中轴线位置的地面上，第二车轮传感器M_RF安装在任意一条行进轨道5的内侧位置，第二车轮传感器M_RF感应到电力机车车轮通过后控制车号识别射频天线RF读取电子标签中的电力机车车号信息，用以对图像传感器1采集到的受电靴4图像进行标记。

图像传感器1采集到的受电靴4图像和车号识别射频天线RF读取到的电力机车车号信息通过分线箱6分别传输给用于计算出受电靴4轮廓的探测站。

由于CCD具有自扫描、光电灵敏度高、几何尺寸精确、敏感单元尺寸小等一系列优点，而且高频率响应，其可测量的车速范围为：3～80km/h，要求使用的环境温度为：-15℃～70℃，完全可以满足受电靴的在线高速采集，因此，图像传感器1能够采集到的受电靴4的完整图像，而该图像通过分线箱6分别传输到探测站中，通过采用灰度级切片处理方法和candy算法即可把该受电靴的光学影像图像转化为数字信号，实现对图像边缘的提取，从而获得便于分析受电靴三维运动姿态、缺口、裂纹和碳滑板厚度等状态的数据。站台监察室检修调度室通过网络即可读取到该探测站计算出的受电靴状态数据。

其中，灰度级切片又称为灰度窗口切片（slicing），是为了将某一区间的灰度级和其他部分（背景）分开。清除背景是把不在灰度窗口范围内的像素都赋值最小灰度级，在灰度窗口内的像素都赋值最大灰度级，相当于一种窗口图像的二值化处理。

图像边缘是图像的基本特征之一，它包含对人类视觉和机器识别有价值的物体图像边缘信息。边缘在测量过程中是一个相当重要的环节，很多时候我们测出的边缘与真实边缘都会存在一些误差，对于图像测量高精度要求的测量技术很有必要进行边缘增强。但是边缘增强会导致图像噪声增大，给图像的测量准确度造成影响。所以我们需要在噪声抑制和边缘检测之间取得较好的平衡。Canny算子这种法是以待处理像素为中心的邻域作为进行灰度分析的基础，实现对图像边缘的提取并已经取得了较好的处理效果。由于Ｃａｎｎｙ边缘算子具有许多优点：①低误码率，很少把边缘点误认为非边缘点；②高定位精度，即精确地把边缘点定位在灰度变化最大的像素上；③抑制虚假边缘。因此这一方法能够满足受电靴在检线测的准确度和精确度要求。

candy算法检测边缘主要步骤：

1）用高斯滤波器平滑图象。

二维高斯函数为：

$G(x,y)=\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\δ}}^2}\exp (-\frac{(x^2+y^2)}{2{\mathrm{\δ}}^2})$

在某一方向ｎ上Ｇ（ｘ，ｙ）的一阶方向导数为：#

$\begin{array}{cc}{G}_n=\frac{\∂G}{\∂n}=n\▿G& n=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]\end{array}$ 错误！未找到引用源。

式中：ｎ式方向矢量，是梯度矢量。将图像ｆ（ｘ，ｙ）与Ｇｎ作卷积，同时改变n的方向，Ｇｎ*ｆ（ｘ，ｙ）取得最大值时的ｎ就是正交于检测边缘的方向。

2）用一阶偏导的有限差分来计算梯度的幅值和方向

$\begin{array}{cc}{E}_x=\frac{\∂G}{\∂X}*f(x,y)& E_y=\frac{\∂G}{\∂y}*f(x,y)\\ A(x,y)=\sqrt{E_x^2+E_y^2}& \mathrm{\θ}=\mathrm{Arc}\tan \left(\frac{E_x}{E_y}\right)\end{array}$

Ａ（ｘ，ｙ）反映了图像（ｘ，ｙ）点处的边缘强度，θ是图像（ｘ，ｙ）点处的法向矢量。

3）对梯度幅值进行非极大值抑制。仅仅得到全局的梯度并不足以确定边缘，因此为确定边缘，必须保留局部梯度最大的点，而抑制非极大值。解决方法是利用梯度的方向。四个扇区的标号为0到3，对应3*3邻域的四种可能组合。在每一点上，邻域的中心像素Ｍ与沿着梯度线的两个像素相比。如果Ｍ的梯度值不比沿梯度线的两个相邻像素梯度值大，则令Ｍ＝0，即Ｇ（ｘ，ｙ）＝ＮＭＳ（Ｍ［ｘ，ｙ］，§［ｘ，ｙ］）。

4）用双阈值算法检测和连接边缘。减少假边缘段数量的典型方法是对Ｇ（ｘ，ｙ）使用一个阈值，并将低于阈值的所有值赋零值。通常选取阈值的方法：双阈值算法进行边缘判别和连接边缘。①首先是边缘判别：凡是边缘强度大于高阈值的一定是边缘点；凡是边缘强度小于低阈值的一定不是边缘点；如果边缘强度大于低阈值又小于高阈值，则看这个像素的邻接像素中有没有超过高阈值的边缘点，如果有，它就是边缘点，如果没有，它就不是边缘点。②其次是连接边缘：双阈值算法对非极大值抑制图像作用两个阈值τ1和τ2，且2τ1≈τ2，从而可以得到两个阈值边缘图像Ｇ1（ｘ，ｙ）和Ｇ2（ｘ，ｙ）。由于Ｇ2（ｘ，ｙ）使用高阈值得到，因而含有很少的假边缘，但有间断（不闭合）。双阈值法要在Ｇ2（ｘ，ｙ）中把边缘连接成轮廓，当到达轮廓的端点时，该算法就在Ｇ1（ｘ，ｙ）的8邻点位置寻找可以连接到轮廓上的边缘，这样，算法不断地在Ｇ1（ｘ，ｙ）中收集边缘，直到将Ｇ1（ｘ，ｙ）连接起来为止。

将CCD传感器摄取图像边缘提取后，利用获得的图像信息对物体的形状、尺寸、方位等几何量进行测量。由于CCD的像素尺寸和间距是已知的，被测对象映射到CCD上的传递系数是可确定的，这样可以根据被测对象映射到CCD上的几何参数，得到被测物体的实际几何参数。这样就实现了拍摄图像坐标和实际空间坐标的一一对应。

本实用新型不局限与上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本实用新型的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种电力机车受电靴的在线轨道检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括传感控制模块和安装在电力机车行进轨道（5）两外侧的检测模块，该两个检测模块的安装位置沿所述行进轨道（5）的中轴线相对称；每个所述检测模块均由图像传感器（1）、光源（2）和支架（3）组成，所述图像传感器（1）固定在地面上并且其安装高度低于所述行进轨道（5）的顶面，所述光源（2）通过支架（3）固定在地面上并且其安装高度高于所述行进轨道（5）的顶面，所述光源（2）的光照范围覆盖驶过检测模块安装位置的电力机车的受电靴（4），并且此刻的受电靴（4）落入所述图像传感器（1）的拍摄范围之内，所述图像传感器（1）的拍摄方向与光源（2）的光照方向不平行；所述传感控制模块在电力机车驶过检测模块的安装位置时启动所述图像传感器（1）和光源（2）以采集受电靴（4）的图像，并在电力机车驶离检测模块的安装位置后关闭所述图像传感器（1）和光源（2）。

2.根据权利要求1所述的电力机车受电靴的在线轨道检测装置，其特征在于：所述的传感控制模块包括第一车轮传感器；该第一车轮传感器固定在所述检测模块的安装位置，其在感应到电力机车来车后控制所述图像传感器（1）和光源（2）在预设的时间内处于启动状态，以采集受电靴（4）的完整图像。

3.根据权利要求1或2所述的电力机车受电靴的在线轨道检测装置，其特征在于：所述的检测装置还包括车号识别模块；该车号识别模块包括车号识别射频天线（RF）、第二车轮传感器（MRF）和设有电力机车车号信息的电子标签，所述电子标签固定在位于受电靴（4）附近位置的电力机车底部，所述车号识别射频天线（RF）安装在位于所述行进轨道（5）中轴线位置的地面上，所述第二车轮传感器（MRF）安装在任意一条行进轨道（5）的内侧位置，所述第二车轮传感器（MRF）感应到电力机车车轮通过后控制所述车号识别射频天线（RF）读取所述电子标签中的电力机车车号信息，用以对图像传感器（1）采集到的受电靴（4）图像进行标记。

4.根据权利要求3所述的电力机车受电靴的在线轨道检测装置，其特征在于：所述光源（2）为激光光源。

5.根据权利要求3所述的电力机车受电靴的在线轨道检测装置，其特征在于：所述图像传感器（1）为CCD图像传感器。

6.根据权利要求3所述的电力机车受电靴的在线轨道检测装置，其特征在于：所述图像传感器（1）采集到的受电靴（4）图像和车号识别射频天线（RF）读取到的电力机车车号信息通过分线箱（6）传输给用于计算出受电靴（4）轮廓的探测站。

7.根据权利要求3所述的电力机车受电靴的在线轨道检测装置，其特征在于：所述的检测装置安装在电力机车行进轨道（5）沿线的一个或以上的检测点上，每个检测点均设有所述传感控制模块、检测模块和车号识别模块。