解析非常規(guī)環(huán)境下的弓網(wǎng)接觸位置動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

翟國銳，杜偉，張文靜

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130113）

地鐵在運(yùn)行階段，因?yàn)槠滠囕v行駛較為特殊，使其特別容易出現(xiàn)弓網(wǎng)防線或受電弓零件脫節(jié)以及接觸點(diǎn)位置異常等的問題，因此，需要對(duì)弓網(wǎng)接觸位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，這樣才可以確保地鐵安全穩(wěn)定運(yùn)行，并且提升其運(yùn)行效率。但需要注意的是，弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)屬于非車載系統(tǒng)，這樣就只能在地鐵通過瞬時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)性相對(duì)較差。當(dāng)前，針對(duì)弓網(wǎng)檢測(cè)來講，對(duì)受電弓及接觸網(wǎng)的接觸點(diǎn)監(jiān)測(cè)探究探索已經(jīng)取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。但因?yàn)榈罔F運(yùn)行環(huán)境相對(duì)復(fù)雜且多變，所以，在非常規(guī)環(huán)境下對(duì)弓網(wǎng)接觸點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)十分關(guān)鍵且重要。

1 地鐵車輛弓網(wǎng)系統(tǒng)分析

地鐵車輛弓網(wǎng)系統(tǒng)主要是由接觸網(wǎng)及受電弓共同組成，針對(duì)接觸網(wǎng)來講，其通常都是在軌道沿線上空，功能即為將電能直接傳輸?shù)降臓恳酉到y(tǒng)中，進(jìn)而為地鐵車輛牽引動(dòng)能。依照懸掛式可分為剛性懸掛及柔性懸掛兩類，前者接觸網(wǎng)是由旋轉(zhuǎn)底座、絕緣子、匯流排和接觸線等多個(gè)元件共同組織；后者接觸網(wǎng)是由承力索、支柱、接觸線和吊弦等多個(gè)元件共同組成。其中受電弓屬于受流設(shè)備，屬于接觸網(wǎng)與地鐵的連接，依照壁桿結(jié)構(gòu)可劃分為單臂受電弓和雙臂受電弓兩種，受電弓借助與接觸線的連接就可以實(shí)現(xiàn)電能傳輸。

2 主要子系統(tǒng)功能

受電子接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完善性十分重要，有效構(gòu)建能夠生成完整的系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)需包含報(bào)警子系統(tǒng)、攝像子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)等，同時(shí)，需要注意的是，每個(gè)子系統(tǒng)之間都有著信息傳輸及控制的功能。

2.1 車輛報(bào)警子系統(tǒng)

針對(duì)車輛報(bào)警子系統(tǒng)來講，電磁感應(yīng)傳感器屬于這一系統(tǒng)的關(guān)鍵組成，電磁感應(yīng)傳感器的內(nèi)部核心即為發(fā)射與接收，可以將其安裝鋼軌中，然后就能夠生成磁場(chǎng)效應(yīng)。在地鐵車輛通行階段，借助車輪中磁力線就可以直接發(fā)射出電流，這就說明車輛馬上就會(huì)到來，隨之也會(huì)發(fā)射出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。另外，從安裝維護(hù)層面分析，電磁感應(yīng)器都具有一定的優(yōu)勢(shì)，其可以直接安裝到監(jiān)控前方位置，然后在地鐵車輛到達(dá)前就可以立即啟動(dòng)系統(tǒng)來拍攝，車輛通過后，則可以直接關(guān)閉，其開關(guān)信號(hào)原輸出可以這與網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)端口進(jìn)行連接，以便快速觸發(fā)開關(guān)。

2.2 攝像子系統(tǒng)

攝像子系統(tǒng)屬于一種現(xiàn)代化數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備，主要是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來作為輔助，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部還融入了電動(dòng)云臺(tái)與解碼器等。其可以將視頻進(jìn)行壓縮處理，并且集結(jié)到較小體積的設(shè)備內(nèi)部，同時(shí)其還可以將模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成為數(shù)據(jù)包，然后再借助RJ45 接口上傳到網(wǎng)絡(luò)中。其與以往傳統(tǒng)的模擬攝像機(jī)加編碼器相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：安裝方便、維護(hù)便捷；借助網(wǎng)絡(luò)不僅可以調(diào)整畫面大小和系統(tǒng)容量，還可以調(diào)節(jié)參數(shù)電及進(jìn)行畫面回放，回放畫面也會(huì)十分清晰。但需要注意的是，部分回放有可能因?yàn)閴嚎s編解碼導(dǎo)致畫面質(zhì)量下降。

例如，某地鐵弓網(wǎng)接觸位置動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)就應(yīng)用了攝像子系統(tǒng)這一數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，同時(shí)還使用了壓縮格式，其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)則是能夠在不損害畫面的背景下，高清顯示圖面及視頻內(nèi)容，在這一背景下不僅節(jié)約了寬帶，還進(jìn)一步減少了信息傳輸壓力。此外，這一機(jī)器還能夠使晝夜彩色直接轉(zhuǎn)變成為黑白色，即便是在夜間也可以提供高清圖像質(zhì)量。在系統(tǒng)內(nèi)部裝入防護(hù)罩就可以配置到云臺(tái)中，云臺(tái)能夠承載機(jī)器重量，也是十分重要的承載裝置。解碼器也需要設(shè)置在云臺(tái)附近，這樣有利于接收控制器所發(fā)出的指令。

2.3 傳輸子系統(tǒng)

傳輸子系統(tǒng)主要是將攝像機(jī)圖像內(nèi)容傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，之后控制系統(tǒng)則可以傳遞出命令來對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制。在這一基礎(chǔ)上，傳輸子系統(tǒng)也可依照實(shí)際情況來選擇自己需要的路徑，例如，網(wǎng)線或微波等。

2.4 中心控制子系統(tǒng)

中心控制子系統(tǒng)其能夠?qū)︿浵駥?shí)施預(yù)處理。從監(jiān)控器中能夠直接看到監(jiān)控點(diǎn)弓網(wǎng)接觸點(diǎn)的實(shí)際情況，一旦出現(xiàn)故障，那么工作人員就可采取緊急措施來規(guī)避事故的發(fā)生。同時(shí)，這一子系統(tǒng)的錄像功能也十分完善，能夠?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)信息循環(huán)保存，最重要的是可以將之前錄制的視頻文件進(jìn)行覆蓋。同時(shí)系統(tǒng)還具有檢索功能，使用人員可依照多種方式來對(duì)視頻開展檢索，例如，時(shí)間信息檢索、報(bào)警信息檢索等。此外，系統(tǒng)內(nèi)部還可以依照使用人的實(shí)際需求來對(duì)制定數(shù)據(jù)信息進(jìn)行永久保存，避免出現(xiàn)惡意破壞的現(xiàn)象。中心控制系統(tǒng)還能夠在遠(yuǎn)端來對(duì)云臺(tái)加以控制，使攝像機(jī)進(jìn)行靈活移動(dòng)，也能夠控制攝像機(jī)鏡頭的調(diào)焦及變倍等功能。

3 闡述非常規(guī)環(huán)境下地鐵弓網(wǎng)接觸位置的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)策略

3.1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)監(jiān)測(cè)即為測(cè)量弓網(wǎng)接觸的位置的拉出值、導(dǎo)高、坡度以及高度差等多項(xiàng)幾何參數(shù)，檢測(cè)設(shè)備的主要是由幾何參數(shù)測(cè)量模塊及車體振動(dòng)補(bǔ)償模塊共同組成。

（1）幾何參數(shù)檢測(cè)。其主要是使用兩組工業(yè)相機(jī)及一組線狀激光器來作為檢測(cè)設(shè)備，然后再通過激光三角測(cè)量法來對(duì)接觸網(wǎng)開展追蹤，并隨之測(cè)量接觸線拉出值及高度值。在地鐵列車行進(jìn)階段，激光器發(fā)射線性激光會(huì)直接照射在接觸線上，然后就會(huì)生成光斑，接觸線空間位置不同，則光斑位置也會(huì)發(fā)生改變，整個(gè)過程只要對(duì)光斑定位進(jìn)行計(jì)算，就可以得出接觸線高度及拉出值。另外，在不考量軌面高度變化的背景下，光斑距離圖像的低端距離既可以體現(xiàn)出導(dǎo)高值。

（2）車體振動(dòng)補(bǔ)償。地鐵車體來振動(dòng)時(shí)，其也會(huì)對(duì)拉出值及導(dǎo)高值的幾何參數(shù)檢測(cè)帶來影響，因此，應(yīng)對(duì)檢測(cè)開展修正處理。地鐵車體振動(dòng)補(bǔ)償測(cè)量可借助機(jī)器視覺原理來在車體底部安裝相應(yīng)的補(bǔ)償模塊，通常兩個(gè)即可。線激光呈現(xiàn)出角度時(shí)，其從側(cè)面就可以直接照射到鋼軌輪廓上，相機(jī)則可以直接對(duì)鋼軌的激光畸變圖像開展采集，使弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的主機(jī)來對(duì)進(jìn)行分析，然后測(cè)算出地鐵車體與軌道面的偏移情況。最后，將偏移量隨之補(bǔ)償?shù)杰図斎菧y(cè)距模塊中，這樣就可以得出導(dǎo)高值及拉出值。

3.2 視頻圖像中弓網(wǎng)接觸位置的識(shí)別

（1）YOLO v3-tiny 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。YOLO v3-tiny 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與YOLO v3 相同，兩者都是運(yùn)用了多尺度檢測(cè)機(jī)制，但需要注意的是，前者僅用了13×13、26×26兩個(gè)尺度的像素，其他則大致相同。主要因素即為YOLO v3-tiny 是由卷積層及池化層共同的組成的，整體都相對(duì)簡(jiǎn)便。另外，YOLO v3-tiny 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征即為參數(shù)少且計(jì)算量小，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求相對(duì)偏低，最重要的是可以很好地輸入信息進(jìn)行推理及計(jì)算。但需要注意的是，其也具有一定的缺陷，即為了提升計(jì)算速度，就容易降低檢測(cè)的精準(zhǔn)度。因?yàn)閅OLO v3-tiny網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為便捷，特征提取階段存在不充分的現(xiàn)象。因此，為進(jìn)一步強(qiáng)化和提升其檢測(cè)的準(zhǔn)確度，可以借助YOLO v3-tiny 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來對(duì)ROIcanny 開展訓(xùn)練，通過這一算法處理來對(duì)視頻進(jìn)行跟蹤是被，以此得出弓網(wǎng)接觸位置。

（2）YOLO v3-tiny-strong 結(jié)構(gòu)。YOLO v3-tinystrong 結(jié)構(gòu)十分適合運(yùn)用在受電弓圖識(shí)別中，這一結(jié)構(gòu)是YOLO v3-tiny 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)。主要體現(xiàn)即為以下幾點(diǎn)：其一，則是對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面拓展和擴(kuò)充。在深層次學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中，淺層次網(wǎng)絡(luò)提取也十分關(guān)鍵，需要對(duì)物體的剛性結(jié)構(gòu)及紋理結(jié)構(gòu)來進(jìn)行提取，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)都較為明顯。在過程中，可以使用大特征圖像來豐富和優(yōu)化細(xì)節(jié)。針對(duì)YOLO v3-tiny 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來講，其在第二層就進(jìn)行了特征采集，通過這種方式可以全面減少網(wǎng)絡(luò)計(jì)算量。因此，可以在網(wǎng)絡(luò)第一、二層中間再加入1×1 卷積層和3×3 卷積層2 層網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以強(qiáng)化對(duì)淺層特征的提取。在1×1 卷積層的加入中，其作用體現(xiàn)為以下兩點(diǎn)：①可以實(shí)現(xiàn)平滑過度，即為確保第一層所提取到的特征直接添加到3×3 的卷積層中，這樣的方式在傳遞視頻時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)損壞現(xiàn)象；②充分降低了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量的體現(xiàn)。如果直接在網(wǎng)絡(luò)第一層中就加入了3×3 網(wǎng)絡(luò)，則參數(shù)量體現(xiàn)則會(huì)較多，長(zhǎng)時(shí)間卷積層計(jì)算量就增加，且降低檢測(cè)速度。因此，需要在這之前就加入1×1 卷積層，這樣就可以很好地減少網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并且在特征提取時(shí)確保檢測(cè)速度的加快。

其二，則是在26×26 像素尺度檢測(cè)工作開展前，加入相應(yīng)的卷積層，全部完成以后提取特征。這種的操作模式雖然使用了route 合并功能，并且還融合了深淺層特征，但需要注意的是，由于后者僅有1 層3X3 卷層實(shí)施了特征提取，所提取到的抽象特征則會(huì)有所減少。因此，可以使用YOLO v3 多尺度檢測(cè)層的功能，并且在深層網(wǎng)絡(luò)中加入2 個(gè)3×3 的卷積層，這樣的方式可以有效對(duì)深層特征進(jìn)行提取，進(jìn)而完善模型，完善后的模型則是YOLO v3-tiny-strong，其與YOLO v3-tiny 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比雖然有一定的區(qū)別，但能夠進(jìn)一步提升YOLO v3-tiny-strong 檢測(cè)的準(zhǔn)確度。在這一基礎(chǔ)上，還可以開展多種模型的橫向?qū)Ρ龋缓笥?jì)算平均值，進(jìn)而全面強(qiáng)化輸出的準(zhǔn)確度。

另外，F(xiàn)ast R-CNN 網(wǎng)絡(luò)由于其固有的二階網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其檢測(cè)的準(zhǔn)確度較高，特別是在候選窗推薦階段，其與其他網(wǎng)絡(luò)相比都有明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能進(jìn)一步提升目標(biāo)檢測(cè)效能。YOLO v3 網(wǎng)絡(luò)所運(yùn)用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即為darknet-53，可以通過強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)層數(shù)來提升特征的提取能力，并且也使用了多元化的檢測(cè)方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，能夠促進(jìn)檢測(cè)精準(zhǔn)度的提升。同時(shí)，YOLO v3 網(wǎng)絡(luò)中的下采樣操作使用了步長(zhǎng)2 的卷積層，能夠有效規(guī)避采樣階段一些細(xì)節(jié)問題的出現(xiàn)，借助技術(shù)的完善就能夠促進(jìn)YOLO v3 網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)精準(zhǔn)度的提高，并且輸出的平均準(zhǔn)確性也較強(qiáng)。通過對(duì)比能夠發(fā)現(xiàn)YOLO v3-tiny-srong 與YOLO v3-tiny 相比，前者的準(zhǔn)確度有明顯提升，提升幅度大約為15%。此外，也可以在帶有NVIDIAGTX980GPU的情況下，對(duì)多個(gè)算法的檢測(cè)速度進(jìn)行測(cè)試，通過傳輸速度來對(duì)模型處理速度進(jìn)行對(duì)比，在這一背景下，雖然修改后的YOLO v3-tiny-srong 其檢測(cè)速度有所下降，但準(zhǔn)確度卻得到了全面提升，可以充分滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求。

4 結(jié)語

結(jié)合全文，地鐵弓網(wǎng)接觸位置的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)十分關(guān)鍵，有效監(jiān)測(cè)不僅可以降低弓網(wǎng)事故的發(fā)生，并且還可以確保地鐵車輛安全穩(wěn)定地運(yùn)行。另外，弓網(wǎng)接觸位置動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)也可以為地鐵列車提速及降低噪聲等有一定的幫助。