電氣化鐵路接觸網成像檢測系統在高鐵上的運用

趙俊彥，任崇巍

（哈爾濱鐵路局 科學技術研究所，黑龍江哈爾濱150006）

接觸網檢測有接觸式和非接觸式兩種檢測方式，主要是對接觸網幾何參數進行檢測。而針對接觸網零部件“松、脫、斷”和絕緣部件閃絡等缺陷的檢測，主要依靠人工上道巡視來進行。國內也有學者提出過應用機器視覺原理的檢測方法，主要是用攝像機對鐵路沿線進行連續攝像［1］。國外也有部分設備使用了線陣相機采集接觸網部分圖像進行輔助判斷尺寸偏差，但均未進行整體高清晰成像［2］。為此，研制一套針對接觸網零部件“松、脫、斷”的高速檢測系統，實現對接觸網設備的高速、高清晰度的圖像檢查。

1 系統原理分析

1.1 系統介紹

電氣化鐵路接觸網成像檢測系統能夠在不打亂運輸秩序的情況下，對接觸網整體（包括支柱、吊柱以及接觸線）和局部關鍵部位進行精確定位和圖像抓拍，能夠連續檢測接觸網安裝情況，接觸線、電分相絕緣器等磨損狀況，以及接觸線架設的幾何位置等參數，精確定位接觸線檢測參數超標的位置，同時采用人機結合的方式對故障進行識別。

1.2 工作原理

（1）支柱位置判斷及桿號采集

通過圖像識別算法獲得接觸網支柱與成像檢測裝置的距離，在最佳成像位置向IO控制板發出拍攝指令，同時將抓拍的桿號圖像保存。

（2）圖像采集

計算機發出的IO指令轉換成工作觸發電信號，經負載驅動放大后，觸發相機和頻閃光源同步工作，抓拍接觸網圖像。同時，根據當時車速對接觸線進行連續圖像采集。

（3）圖像保存

存儲服務器通過安裝在上面的多陣列千兆網口接收攝像機傳回的實時采集圖像，對采集的接觸網正反面圖像分時并行存儲。

1.3 系統功能

系統主要功能如下：

（1）在列車運行時采用高幀率攝像機對沿線立柱和吊柱進行連續圖像采集，用智能圖像識別方法對接觸網安裝立柱和吊柱位置進行準確定位，適應列車運行速度為0～160km／h。

（2）對接觸網立柱和吊柱的桿號準確抓拍，并自動識別桿號。

（3）自動抓拍接觸網立柱和吊柱正反兩面全局圖像。

（4）為了確保人機檢查判別故障時能夠清晰準確，對接觸網關鍵部位做了劃分，進行局部高清成像（參見圖1）。

圖1 接觸網關鍵區域

（5）根據車速連續采集沿線接觸線圖像。

（6）自動檢測列車車身傾角，在高速鐵路軌道超高區段也能完整抓拍接觸網圖像。

系統采用了二維電子水平儀，可以同時測量平面的兩個正交方向的水平度，可同時測量并顯示XY兩軸的水平度，還可單軸測量水平方向的水平度或豎直方向的垂直度，測量最高分辨率可達0.003°或0.05mm／m。在高速鐵路軌道超高區段，系統通過水平儀獲取車身傾角，自動調整接觸網抓拍定位，確保圖像完整覆蓋拍攝目標。

1.4 關鍵技術

（1）LED頻閃光源

LED（發光二極管）光源發出的光波長，可以根據相機的光響應曲線進行調節，確保同樣功率下能夠獲得更高的亮度。同時，LED光源采用頻閃工作方式，只在攝像機抓拍時進行光源補償。

（2）高速高清圖像采集

系統采用高分辨率網絡接口的CCD攝像機作為攝像機陣列，單個攝像機分辨率達到2 448×2 048，具有傳輸距離遠，工作穩定，抗干擾能力強的特點。同時，配合使用千萬像素級成像的高分辨率鏡頭，能很好地控制廣角端和長焦端的畸變值。高性能多擴展服務器技術最多可負載24臺高清分辨率攝像機，滿足多陣列攝像機圖像采集需求，系統用兩臺存儲服務器完成存儲任務。

（3）高速圖像采集定位

系統在列車運行時連續采集接觸網支柱圖像，最高幀率達到120幀／s，能夠適應的列車運行速度為0～160 km／h，見圖2。

圖2 桿號定位原理圖

系統對采集的支柱圖像進行灰度值橫向投影，首先計算一張圖中連續的超過橫向投影均值2倍的曲線部分，再計算特征曲線（2倍以上的）連續點數的最大值，結合設備安裝設定參數，當投影最大值的中心位置達到設定的閾值就表示到了需要拍攝的位置，進行控制拍攝，見圖3。

圖3 隧道外立柱投影圖

2 系統運用

系統研制成功后進行了大范圍的測試和試運用。2010年8月至12月間，在廣鐵集團管內武廣高鐵、海南東環鐵路和廣珠城際鐵路進行了接觸網設備平推檢查。

圖4 接觸網設備缺陷案例圖

以廣州供電段運用情況為例，成像檢測列車對該段管內武廣高鐵接觸網設備進行了兩次全面的平推檢查，共檢查接觸網設備1 163.646條km。其中隧道外定位13 126處，隧道內定位5 628處，8月份檢測共產生設備圖片133 602張，其中隧道內44 554張，隧道外89 048張，清晰有效圖片129 594張，占97%；11月份檢測共產生設備圖片97 087張，其中隧道內28 616張，隧道外68 471張，清晰有效圖片88 349張，占91%。

在兩次檢測完成后，廣州供電段按廣鐵集團要求組織技術人員對設備圖片進行了認真分析，共發現各類設備缺陷1 391處，經現場核實，實際缺陷1 252處，準確率達90%。發現的主要缺陷有等電位線螺栓缺失、松動、本線斷股等206處，絕緣子有閃絡燒傷痕跡24處，β銷安裝不標準112處，接觸網零部件安裝未處于設計標準狀態489處，承力索支座缺平衡線8處，承力索支撐線夾裝反106處。部分檢查發現的接觸網設備缺陷如圖4所示。

3 總結與展望

采用圖像檢測手段對接觸網緊固位置進行檢測，并通過人機結合的方式對故障進行判別，這種新型的接觸網檢測模式可以大大減輕檢測人員的勞動強度，提高勞動效率。同時積累的大量圖像及信息數據為故障分析、設備管理以及數據挖掘分析提供了依據，為高鐵接觸網信息化管理提供了新的手段。

［1］ 白 明，于 濂.電氣化鐵路接觸網視覺檢測系統及其方法：中國，CN03121826.1［P］.2004－08－11.

［2］ 陳唐龍.發展新的接觸網檢測技術，保障行車安全［OL］.（2011－9－29）http：∥www.railsources.com／contents／1138／169356.html.