相機設備在城市軌道交通弓網監測中的應用及分析

何東江

（蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 列車受電弓監測概念

城市軌道建設在不斷發展當中，許多城市的城市軌道交通漸漸形成網絡，為人們的出行提供便利。城市軌道交通車輛是城市軌道交通的載客主體，車輛的安全性、高效性、穩定性則是車輛運行的基礎保障，作為從接觸網取流，為列車提供電能的高壓集電系統在車輛運行中尤為重要。

直流牽引供電方式是城市軌道交通運行車輛采用的主要供電方式，在這當中車輛的受流設備分為受電弓和集電靴2種形式，即受流設備是車輛的正極，而回流設備便是車輛的負極。以地鐵列車常用的受流設備受電弓為例，地鐵列車利用安裝在車頂的受電弓從架空接觸網系統[1]獲得電能，以牽引列車運行。它通過絕緣子安裝在地鐵列車的車頂上，是一種鉸接式的機械構件。當受電弓升起時，碳滑板與架空接觸網系統直接接觸，從架空接觸網系統上受取電流，并通過車頂母線傳送至地鐵列車的內部，供列車使用。在列車運行時受電弓最重要的特性是設計的時候要滿足車輛在各種的軌道狀態下車輛受流設備要和架空接觸網系統具有良好的接觸狀態和接觸穩定性，保障軌道車輛在整個線路速度范圍內車輛受流設備都必須具備良好的動力學性能，包括最大可運行速度和最大規定逆風時具有良好的空氣動力學特性。

作為列車安全運行的重要設備，從故障預防、故障檢修、設備保養的角度出發，運用各種設備對受電弓及架空接觸網系統進行監測，對監測數據的記錄和分析，通過數據間的異常來判定故障的原因，為設備的檢修和維護提供數據基礎。

2 受電弓監測設備

弓網監測系統能夠有效地監測出受電弓與架空接觸網系統之間的異常，弓網監測系統對弓網數據進行信息儲存，將實時數據接收并反饋給地面服務器，經過特定的專業系統統計，分析采集到的數據，配合現場查看確定故障原因，為檢修提供數據資料。

接觸網系統分為架空供電軌和架空接觸網系統，地鐵正線常用架空供電軌；架空接觸網系統則分布于車輛段場及出入段場線路。因線路、環境條件的不同對受電弓及接觸網的監測包含區域固定監測和列車實時監測，以此來對接觸狀態和接觸穩定性監測。

3 弓網監測系統設備分類

弓網監測系統[2]是安裝于列車上的由多個設備組成的集成設備，從結構和安裝布局總體分為車頂監測設備、車內數據處理設備和地面服務器。

弓網監測系統通過攝像頭或相機對弓網成像、拍攝弓網紅外熱成像圖片、采集弓網燃弧紫外光子數量和密度、有效定位接觸網系統懸掛裝置的位置、拍攝接觸網系統懸掛圖像、多次測量懸掛幾何參數、對采集的數據缺陷進行識別、對有效數據分析和存儲數據，提供數據的匯總報告、形成有效的數據庫。

3.1 車頂監控設備

車頂監控設備是通過加裝在車頂受電弓附近，監測范圍內可以通過受電弓狀態檢測、接觸懸掛檢測、接觸網檢測的模塊。將弓網監測的數據通過車頂的設備將此項數據傳輸至列車相應的模塊當中。實現對受電弓實時圖像及熱紅外圖像實時采集分析功能；對接觸線圖像進行采集分析，對接觸網系統懸掛圖像進行采集分析；對受電弓紫外光子進行統計；對受電弓滑板磨耗、中心線偏移、受電弓工作壓力等關鍵性參數的在線監測和對車頂異物、車頂關鍵部件缺失、變形等異常檢測功能。

3.2 車內數據處理設備

在每個受電弓所在車廂內，安裝一個服務器，對車頂處理單元傳輸的各項數據進行接收匯總，通過車輛信號接口，將圖像壓縮、存儲、顯示、缺陷實時分析、報警等各類信息傳輸至車輛系統中，通過人機顯示界面顯示直觀數據，人員可以實時進行觀測。

3.3 地面服務器

地面服務器通過安裝于線路上的定點設備將車輛上已采集、壓縮的圖像下載傳輸至相對應的軟件系統當中，軟件系統將信息傳輸到控制中心、車輛段場、車站控制室所在的接收服務器當中，通過相應的軟件進行再次深度分析處理及歷史結果對比分析，得出輸出缺陷報表等數據。

4 主要設備介紹

4.1 攝像頭實時監控

攝像頭實時監控是在車頂受電弓平臺位置加裝一個獨立的攝像頭如圖1所示，列車帶電狀態時啟動，可以對受電弓的狀態及列車運行時受電弓與接觸網系統的接觸狀態進行實時動態拍攝，通過客室媒體網關將模擬視頻圖像數字編碼，通過列車以太網絡傳輸至司機室媒體服務器存儲并在顯示器上顯示，實時監視受電弓情況及數據備案查詢。

圖1 攝像頭安裝位置

4.2 遠紅外相機

遠紅外相機在列車運行當中對受電弓、接觸網系統進行拍攝，形成熱成像，監測受電弓碳滑板與接觸網接觸狀態的位置，在城市軌道車輛帶電后遠紅外相機可以對受電弓實時拍攝，實時觀測弓網溫度的變化，檢測出弓網溫度的異常點。優點在于其具備較高的分辨率和采樣頻率，能夠在溫度圖像上運用圖像處理方法分辨出線夾、定位器等接觸網設備的形狀，在列車允許最大速度范圍之內可以清晰采集到所需要的設備動態紅外圖像。

以常見的紅外檢測設備在城市軌道車輛上的實驗為例：測試時閉合設備電源，啟動圖像數據采集模塊、圖像軟件；通過操作軟件，判斷紅外熱像儀是否可以拍攝熱成像圖片；利用可檢測的物體為模擬物，模擬出一定的溫度值，取30 ℃和60 ℃，通過紅外測溫模塊檢測模擬物的溫度是否和檢測的溫度一致。結果判定：能正常拍攝熱成像圖片，并輸出溫度檢測值，誤差在2 ℃范圍內。

4.3 線陣相機

線陣相機[3]是利用一臺或多臺相機對同一物體進行連續掃描，有著檢測連續的特性，雖然成像為二維圖像，但二維圖像有極大的長度和寬度，被測視野為細長的帶狀檢測，有著極大的視野精度，可以通過激發裝置多次激發相機，進行拍照，再將所拍下的多幅“條”形圖像，合并成一張巨大的圖。

將2個線陣相機放置于車頂受電弓兩側，分別在左右兩側對接觸懸掛進行拍攝，條形光源安置在相機中間，通過分析接觸網在兩個線陣相機的位置，利用雙目視覺原理，計算接觸網幾何參數。采用線陣相機對運行線路的剛性懸掛沿線裝置成像。再配合智能識別算法，可以自動查找出懸掛裝置存在的安全隱患。

4.4 離線燃弧檢測

根據弓網關系調研數據顯示，弓網設備的主要故障存在于弓網燃弧[4]，弓網燃弧后的結果主要體現在2個方面：

（1）在弓網燃弧發生時，會影響弓網的受流質量。

（2）在弓網燃弧發生時，會磨損接觸網線和增加碳滑板磨耗，影響弓網運行關系。

通過對太陽光和燃弧弧光光譜的采集數據分析，通過日盲紫外檢測手段，既能完成對線路運行時的燃弧檢測，又不受外界運行環境的干擾。通過采集日盲紫外鏡頭匯聚燃弧日盲紫外光子，將日盲紫外光子引導到日盲紫外傳感器上，經過日盲紫外光子撞擊探測儀產生電信號，采取電信號的比對，實驗顯示每一次出現光子強度尖峰就意味著會發生一次燃弧。而且產生的尖峰越高，則相對應燃弧的強度就會越大，同一時間產生的尖峰越寬，則表明燃弧時間越長。

4.5 圖像線掃技術

在車輛行駛的開闊區域，架設一座動態監測裝置，在動態條件下對車輛進行圖像線掃。圖像線掃技術是對車型和關鍵部件進行結構分析，使用計算機形成各種車輛車頂結構的概念信息、數據模塊，來自動獲取車頂和車側、車頂走行部的高品質圖片，使計算機形成各種車輛車頂結構的概念信息、數據模板。在實際檢測過程中，通過對目標物體的結構分析，判斷目標物是否存在異常，從而來判斷分析的設備是否存在異常。

5 基礎設備研究分析

5.1 線路條件和環境因素對相機的設備運行影響

以常用的相機為例，相機在城市軌道車輛弓網監測當中使用的范圍相當廣泛，相機拍攝的高清圖像質量在數據采集分析環節中起著很大的作用。因線路條件的不同，大部分的城市軌道設計為地下軌道，但因地域條件限制或城市設計也存在地上軌道，這種不確定的條件會對相機拍攝圖片的明暗存在著一定的影響。

相機所拍圖片明暗因素有多種，一部分是環境導致的，一部分是相機本身導致的。

環境因素方面主要取決于光照情況以及物體對光照的反射情況，為不太依賴于自然光，一般拍照設備都附有專用光源對其所拍物體進行補光，不同的物體其表面的吸光性能也有所不同，但在實際應用中不能對所拍物體進行干預，所以不對其進行討論。為避免自然光影響過大，給設備增加補光光源以達到在黑暗的環境中能清晰拍攝到所拍物體，但在環境光照強烈的場景，物體的反射光會連同補光光源的光照一起反射給相機，不同的環境光照物體的反射光也不盡相同。但物體本身的反光性能不能左右，能控制所拍圖片的明暗程度就只能由相機本身因素確定。

5.2 不同線路條件下的相機調試與分析研究

對相機調試的研究分析主要體現在進光量（鏡頭光圈的調節）、曝光時間（成像靶面對光照的積分時間）以及模數轉換時的物理增益（相對于轉換為數字量后的數字增益）。數字增益可在圖像處理上實現。若采用固定的曝光量，固定的曝光時間，則無法滿足環境光變化過大的光照環境（隧道口，站區），且增加增益會導致圖片的噪點（一些信號中不帶有信息的干擾）增加，為保障圖片的質量就只能是調節相機的曝光時間（鏡頭一般使用工業級鏡頭采用固定光圈）。

為適應不同的環境光照情況，相機需使用動態的曝光時間設置。動態曝光時間可以通過前一張或是前幾張圖片的明暗信息計算出當前照片需曝光的時間。但在環境光突變（隧道口，站區）時前后圖片的明暗程度會出現較大的落差，此時再通過前幾張圖片的信息判斷當前張圖片的曝光時間不再適用，且可能會出現因曝光時間不合適導致的圖片全白（過爆）或圖片全暗情況。為避免出現自動調節的曝光時間過長或過短情況，在自動調節曝光時間上需增加一個范圍，自動曝光時間只能在區間內進行調節，使得圖片不會太暗或是太亮。為規定自動曝光時間的區間，需計算出相機所設置的最大曝光時間和最小曝光時間。

（1）最大曝光時間和最小曝光時間計算在調試前給相機默認最大曝光時間和最小曝光時間，并統計設備運行之后一段時間（爭取覆蓋全線路各種情況）的自動曝光時間值和所拍圖片的明暗程度。通過對最亮的照片和最暗的照片所對應的曝光值進行對比分析后，調節最大曝光時間和最小曝光時間，調節時不能幅度太大，可遵循PID調節（經典控制理論中控制系統的一種基本調節方式，是具有比例、積分和微分作用的一種線性調節規律），最終全線路能達到最好的拍照效果。

（2）實現軟件鏈接到相機，按相機觸發頻率采集圖像。軟件每間隔0.5～1 s抽取一張圖像交由算法處理，算法將返回當前圖像需要調整的絕對曝光值。軟件得到絕對曝光值后，將該值與相機當前的曝光值傳給算法，算法將返回曝光需要調整到的目標值；軟件設置相機的曝光為算法返回的值。相機是一種高頻采樣設備，頻繁設置曝光，會使拍攝圖像的噪聲非常大，拍攝效果較差。因此不能把圖像都交給算法處理，并設置曝光。根據大量的實踐經驗抽取最后一張圖像，調用算法處理，并設置曝光，這樣動態調整曝光，達到的拍攝效果最好。

6 結論

車載弓網監測設備是弓網監測技術的基礎，文章對車載弓網監測中的相機運用進行簡述，并進行實驗分析，相機在城市軌道車輛弓網監測系統中有著重要的位置，其以最直觀的圖像方式體現弓網關系，在列車上的調試可以看出，線路條件不同、環境因素的不同，采取相對應的基礎設備來監測，可以使采集的數據更加貼合線路需求，從而更好地為弓網檢測提供參考。