电气化铁路接触网成像检测系统在高铁上的运用

赵俊彦，任崇巍

（哈尔滨铁路局 科学技术研究所，黑龙江哈尔滨150006）

接触网检测有接触式和非接触式两种检测方式，主要是对接触网几何参数进行检测。而针对接触网零部件“松、脱、断”和绝缘部件闪络等缺陷的检测，主要依靠人工上道巡视来进行。国内也有学者提出过应用机器视觉原理的检测方法，主要是用摄像机对铁路沿线进行连续摄像［1］。国外也有部分设备使用了线阵相机采集接触网部分图像进行辅助判断尺寸偏差，但均未进行整体高清晰成像［2］。为此，研制一套针对接触网零部件“松、脱、断”的高速检测系统，实现对接触网设备的高速、高清晰度的图像检查。

1 系统原理分析

1.1 系统介绍

电气化铁路接触网成像检测系统能够在不打乱运输秩序的情况下，对接触网整体（包括支柱、吊柱以及接触线）和局部关键部位进行精确定位和图像抓拍，能够连续检测接触网安装情况，接触线、电分相绝缘器等磨损状况，以及接触线架设的几何位置等参数，精确定位接触线检测参数超标的位置，同时采用人机结合的方式对故障进行识别。

1.2 工作原理

（1）支柱位置判断及杆号采集

通过图像识别算法获得接触网支柱与成像检测装置的距离，在最佳成像位置向IO控制板发出拍摄指令，同时将抓拍的杆号图像保存。

（2）图像采集

计算机发出的IO指令转换成工作触发电信号，经负载驱动放大后，触发相机和频闪光源同步工作，抓拍接触网图像。同时，根据当时车速对接触线进行连续图像采集。

（3）图像保存

存储服务器通过安装在上面的多阵列千兆网口接收摄像机传回的实时采集图像，对采集的接触网正反面图像分时并行存储。

1.3 系统功能

系统主要功能如下：

（1）在列车运行时采用高帧率摄像机对沿线立柱和吊柱进行连续图像采集，用智能图像识别方法对接触网安装立柱和吊柱位置进行准确定位，适应列车运行速度为0～160km／h。

（2）对接触网立柱和吊柱的杆号准确抓拍，并自动识别杆号。

（3）自动抓拍接触网立柱和吊柱正反两面全局图像。

（4）为了确保人机检查判别故障时能够清晰准确，对接触网关键部位做了划分，进行局部高清成像（参见图1）。

图1 接触网关键区域

（5）根据车速连续采集沿线接触线图像。

（6）自动检测列车车身倾角，在高速铁路轨道超高区段也能完整抓拍接触网图像。

系统采用了二维电子水平仪，可以同时测量平面的两个正交方向的水平度，可同时测量并显示XY两轴的水平度，还可单轴测量水平方向的水平度或竖直方向的垂直度，测量最高分辨率可达0.003°或0.05mm／m。在高速铁路轨道超高区段，系统通过水平仪获取车身倾角，自动调整接触网抓拍定位，确保图像完整覆盖拍摄目标。

1.4 关键技术

（1）LED频闪光源

LED（发光二极管）光源发出的光波长，可以根据相机的光响应曲线进行调节，确保同样功率下能够获得更高的亮度。同时，LED光源采用频闪工作方式，只在摄像机抓拍时进行光源补偿。

（2）高速高清图像采集

系统采用高分辨率网络接口的CCD摄像机作为摄像机阵列，单个摄像机分辨率达到2 448×2 048，具有传输距离远，工作稳定，抗干扰能力强的特点。同时，配合使用千万像素级成像的高分辨率镜头，能很好地控制广角端和长焦端的畸变值。高性能多扩展服务器技术最多可负载24台高清分辨率摄像机，满足多阵列摄像机图像采集需求，系统用两台存储服务器完成存储任务。

（3）高速图像采集定位

系统在列车运行时连续采集接触网支柱图像，最高帧率达到120帧／s，能够适应的列车运行速度为0～160 km／h，见图2。

图2 杆号定位原理图

系统对采集的支柱图像进行灰度值横向投影，首先计算一张图中连续的超过横向投影均值2倍的曲线部分，再计算特征曲线（2倍以上的）连续点数的最大值，结合设备安装设定参数，当投影最大值的中心位置达到设定的阈值就表示到了需要拍摄的位置，进行控制拍摄，见图3。

图3 隧道外立柱投影图

2 系统运用

系统研制成功后进行了大范围的测试和试运用。2010年8月至12月间，在广铁集团管内武广高铁、海南东环铁路和广珠城际铁路进行了接触网设备平推检查。

图4 接触网设备缺陷案例图

以广州供电段运用情况为例，成像检测列车对该段管内武广高铁接触网设备进行了两次全面的平推检查，共检查接触网设备1 163.646条km。其中隧道外定位13 126处，隧道内定位5 628处，8月份检测共产生设备图片133 602张，其中隧道内44 554张，隧道外89 048张，清晰有效图片129 594张，占97%；11月份检测共产生设备图片97 087张，其中隧道内28 616张，隧道外68 471张，清晰有效图片88 349张，占91%。

在两次检测完成后，广州供电段按广铁集团要求组织技术人员对设备图片进行了认真分析，共发现各类设备缺陷1 391处，经现场核实，实际缺陷1 252处，准确率达90%。发现的主要缺陷有等电位线螺栓缺失、松动、本线断股等206处，绝缘子有闪络烧伤痕迹24处，β销安装不标准112处，接触网零部件安装未处于设计标准状态489处，承力索支座缺平衡线8处，承力索支撑线夹装反106处。部分检查发现的接触网设备缺陷如图4所示。

3 总结与展望

采用图像检测手段对接触网紧固位置进行检测，并通过人机结合的方式对故障进行判别，这种新型的接触网检测模式可以大大减轻检测人员的劳动强度，提高劳动效率。同时积累的大量图像及信息数据为故障分析、设备管理以及数据挖掘分析提供了依据，为高铁接触网信息化管理提供了新的手段。

［1］ 白 明，于 濂.电气化铁路接触网视觉检测系统及其方法：中国，CN03121826.1［P］.2004－08－11.

［2］ 陈唐龙.发展新的接触网检测技术，保障行车安全［OL］.（2011－9－29）http：∥www.railsources.com／contents／1138／169356.html.