接觸網成像檢測系統運用

■ 盧海燕 游誠曦

接觸網沿鐵路露天架設，無備用，一旦發生設備故障將直接中斷行車。特別是在繁忙的線路，當發生范圍較大的接觸網設備故障時，不僅造成一定的經濟損失，而且嚴重干擾鐵路的正常運輸秩序。因此在電氣化鐵路運營過程中，必須提前進行一系列的接觸網檢測工作，以便及時發現隱患并處理問題，確保接觸網運行可靠。隨著我國高鐵線路不斷開通運營，對接觸網的檢測、監測方式也呈多樣化發展，如對接觸網幾何參數進行檢測的弓網綜合檢測裝置及車載接觸網運行狀態檢測裝置，也有主要對接觸網外部環境進行監測的接觸網安全巡檢裝置。目前，針對接觸網零部件“松、脫、斷”和絕緣部件閃絡等缺陷的檢測，主要依靠接觸網成像檢測系統（簡稱系統）對接觸網支持定位裝置的零部件實施高精度成像檢測、分析，指導接觸網故障隱患的消缺。通過近幾年接觸網成像檢測系統在高鐵線路上的運用，提前發現了大量接觸網缺陷隱患，并進行了有效整治處理，充分體現了該系統在保障行車安全方面的重要作用。

1 接觸網成像檢測系統

1.1 系統概述

接觸網成像檢測系統目前重點運用在高鐵線路上，主要安裝在接觸網作業車或接觸網檢測車車廂頂部，用于拍攝電氣化鐵路接觸網支持定位裝置的光學圖像系統。該系統能夠在不打亂運輸秩序的情況下，利用線路正常的檢修作業時間，在一定運行速度下，對接觸網支持定位裝置的零部件進行精確定位和高精度成像檢測，同時采用人機結合的方式對檢測圖像數據進行分析，對故障進行識別，形成維修建議，指導接觸網故障隱患的消缺。

1.2 工作原理

主要采用高速運動的定位觸發及圖像抓拍技術，圖像采集及存儲技術。首先通過視頻流分析法找到接觸網支持定位裝置上空間位置相對恒定的特征物，以此作為觸發抓拍的標志；通過特征物的靜態圖像標定觸發距離，然后用動態實驗來修正補償誤差；同時在系統中配備一系列高分辨數字工業相機組合，產生海量圖像數據，應用大容量磁盤陣列和千兆網靜態鏈路匯聚相結合的技術，保證及時無誤地存儲圖像。

1.3 系統功能

（1）在列車運行時采用高幀率相機對沿線接觸網支持定位裝置進行連續圖像采集，用智能圖像識別方法對接觸網支持定位裝置位置進行準確定位。

（2）對隧道外接觸網支柱和隧道內定位立柱桿號準確抓拍，并自動識別桿號（見圖1、圖2）。

（3）自動抓拍接觸網支持定位裝置正反兩面全局圖像及局部關鍵圖像。根據研究，認為對接觸網支持定位裝置進行整體成像對于及時發現零部件出現“松、缺、斷、脫、裂”、絕緣閃絡等缺陷極其重要。同時，為了確保人機檢查判別故障時能夠清晰準確，還有必要對接觸網支持定位裝置關鍵部位進行局部高清成像。經過分析，對接觸網支持定位裝置局部關鍵部位進行了劃分（見表1、圖3）。

（4）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X、Y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0.05 mm/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

1.4.1 高速圖像采集精確定位技術

圖1 隧道外采集桿號

圖2 隧道內采集桿號

系統選用的定位信息采集相機幀頻高達120 f/s，定位相機的幀率越高每兩幀圖像之間的空間距離就越小，圖像算法處理后的距離精度就越高，當檢測車在以20 m/s的速度運行時，如果采用120 f/s的高速相機進行圖像采集則每一幀圖像的距離為17 cm。而定位信息采集相機采集接觸網位置信息最大的誤差只有一幀，進行定位觸發拍攝的誤差則為17 cm，這個長度對于抓拍相機的曝光影響很小，實際運用中，系統在高速運行時抓拍到的圖像都比較清晰。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 f/s，能夠適應的列車運行速度為0～160 km/h。桿號定位原理見圖4。

表1 全局相機及各局部相機拍攝圖像覆蓋區域

圖3 接觸網支持定位裝置全局圖像

圖4 桿號定位原理

1.4.2 LED頻閃光源技術

LED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，只在相機抓拍時進行光源補償。這種工作方式使補償光源具有功率小、發熱量小、瞬間亮度更高的優點，可以在列車高速運行時使相機工作在小快門、小光圈的情況下，確保抓拍圖像無拖影。

1.4.3 高速高清圖像采集技術

系統采用高分辨率網絡接口的CCD相機作為相機陣列，單個相機分辨率達到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。系統采用高性能多擴展服務器技術，每臺最多可負載24臺高清分辨率相機，完全滿足多陣列相機圖像采集需求，系統只用2臺存儲服務器就完成了過去需要16臺計算機完成的任務量。

2 系統運用

2.1 運用情況

系統研制成功后進行了大范圍的測試和運用，2010年8月—2013年12月，先后對武廣高鐵、海南東環鐵路、廣珠城際鐵路、廣深港高鐵進行了9次的成像檢測，共獲取接觸網圖片4 264 695張，發現各類缺陷8 008處，充分體現了科技保安全的強大作用。發現的主要缺陷類型有：定位器等電位線螺栓缺失、松動、本線斷股，絕緣子有閃絡燒傷，開口銷缺失，接觸網零部件安裝未處于設計標準狀態，承力索支座平衡線缺失，承力索支撐線夾裝反，旋轉雙耳斷裂，防風拉線不受力等。檢測分析發現的接觸網設備缺陷案例見圖5。

2.2 系統檢測分析發現的缺陷問題匯總分析

系統采用可見光成像為核心的檢測技術對接觸網支持定位裝置狀態進行檢測，通過清晰準確抓拍到的圖像，配合獲取的圖像位置信息分析，可以準確實時地的掌握某時某地某個接觸網支持定位裝置的動態運營狀態，可以及時檢測分析發現接觸網支持定位裝置的“松、脫、缺、裂、閃絡”等不良狀態，并及時指導作業人員對缺陷設備進行處理，消除接觸網故障的發生。對2010—2013年武廣高鐵前后7次成像檢測分析結果進行匯總，從表2可以看出，經過多輪的檢測分析和設備整治，缺陷問題從當初的近2 000個減少至40個左右，缺陷問題在每一次檢測、整治后都呈大幅度減少，且近3次檢測未再發現較嚴重的A類及B類問題，均以安裝工藝不標準、不影響設備運行的C類問題為主。

圖5 接觸網設備缺陷案例

表2 武廣高鐵長沙供電段管內成像檢測分析缺陷問題匯總

2.3 系統運用效率與人工檢測對比分析

系統基于接觸網的高清可見光圖像進行檢測分析，具有速度快、效率高的優勢，與人工登桿檢測作業相比有明顯的優勢（見表3）。

表3 人工登桿檢測與成像檢測對比

2.4 運用效果

目前電氣化鐵路接觸網檢測的自動化程度仍然較低，日常對接觸網的檢測與維護大多是采用人工登桿檢測方式，維護效率比較低，系統基于接觸網的高清可見光圖像進行檢測，以檢測車的模式運行，實現了快速對接觸網支持定位裝置進行連續檢測，大大降低了人工檢測的工作量和勞動強度，極大地提高了對接觸網支撐定位裝置的檢測效率和頻度，具有速度快、效率高的優勢。通過將成像檢測分析技術運用到接觸網的日常巡檢和維保工作中，可以進一步改善鐵路職工的工作條件，降低勞動強度，提高工作效率；此外，基于接觸網高清數字圖像的成像檢測可以建立接觸網支柱檔案，有利于接觸網管理的信息化水平，對于提高電氣化鐵路供電系統的安全保障水平，具有重要意義。

3 總結與展望

采用圖像檢測手段對接觸網支持定位裝置進行檢測，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工作勞動強度，提高勞動效率，對于確保鐵路供電安全起到了重要作用。同時積累的大量圖像及信息數據為故障分析、設備管理及數據挖掘分析提供了強有力的依據，為高鐵接觸網信息化管理提供了新手段。

系統對接觸網的缺陷排查起到了極大的促進作用，但系統一次生成的圖像數據量大，圖像查看人員難以在短時間內查看完所有的圖像，從而影響缺陷確定的周期。而且受個人情緒、視覺疲勞等人為因素影響，容易造成缺陷漏檢。針對我國近幾年電氣化運營里程迅速增長，接觸網維護維修保障安全的壓力日益增長的迫切需求，極有必要研究接觸網成像檢測圖像的實時智能分析。由于接觸網的支持定位裝置都有標準圖像及標準參數，展望今后能通過應用算法提取接觸網的支持定位裝置圖像相關特征參數，并與標準參數或歷史圖像特征參數實施比對，從而通過計算機給出接觸網的支持定位裝置狀態是否正常的判斷結果，并給出非正常狀態特征及可能的缺陷形式，實時生成報表，指導接觸網維護維修工作。

[1] 于萬聚. 高速電氣化鐵路接觸網[M]. 成都：西南交通大學出版社，2003.

[2] 中華人民共和國鐵道部運輸局供電部，中國鐵道科學研究院，西南交通大學. 高速鐵路供電安全檢測監測系統（6C）總體技術規范[S]. 北京，2012.

[3] 趙俊彥，任崇巍. 電氣化鐵路接觸網成像檢測系統在高鐵上的運用[J]. 鐵道機車車輛，2012，32(3)：136-137.