接触网成像检测系统运用

■ 卢海燕 游诚曦

接触网沿铁路露天架设，无备用，一旦发生设备故障将直接中断行车。特别是在繁忙的线路，当发生范围较大的接触网设备故障时，不仅造成一定的经济损失，而且严重干扰铁路的正常运输秩序。因此在电气化铁路运营过程中，必须提前进行一系列的接触网检测工作，以便及时发现隐患并处理问题，确保接触网运行可靠。随着我国高铁线路不断开通运营，对接触网的检测、监测方式也呈多样化发展，如对接触网几何参数进行检测的弓网综合检测装置及车载接触网运行状态检测装置，也有主要对接触网外部环境进行监测的接触网安全巡检装置。目前，针对接触网零部件“松、脱、断”和绝缘部件闪络等缺陷的检测，主要依靠接触网成像检测系统（简称系统）对接触网支持定位装置的零部件实施高精度成像检测、分析，指导接触网故障隐患的消缺。通过近几年接触网成像检测系统在高铁线路上的运用，提前发现了大量接触网缺陷隐患，并进行了有效整治处理，充分体现了该系统在保障行车安全方面的重要作用。

1 接触网成像检测系统

1.1 系统概述

接触网成像检测系统目前重点运用在高铁线路上，主要安装在接触网作业车或接触网检测车车厢顶部，用于拍摄电气化铁路接触网支持定位装置的光学图像系统。该系统能够在不打乱运输秩序的情况下，利用线路正常的检修作业时间，在一定运行速度下，对接触网支持定位装置的零部件进行精确定位和高精度成像检测，同时采用人机结合的方式对检测图像数据进行分析，对故障进行识别，形成维修建议，指导接触网故障隐患的消缺。

1.2 工作原理

主要采用高速运动的定位触发及图像抓拍技术，图像采集及存储技术。首先通过视频流分析法找到接触网支持定位装置上空间位置相对恒定的特征物，以此作为触发抓拍的标志；通过特征物的静态图像标定触发距离，然后用动态实验来修正补偿误差；同时在系统中配备一系列高分辨数字工业相机组合，产生海量图像数据，应用大容量磁盘阵列和千兆网静态链路汇聚相结合的技术，保证及时无误地存储图像。

1.3 系统功能

（1）在列车运行时采用高帧率相机对沿线接触网支持定位装置进行连续图像采集，用智能图像识别方法对接触网支持定位装置位置进行准确定位。

（2）对隧道外接触网支柱和隧道内定位立柱杆号准确抓拍，并自动识别杆号（见图1、图2）。

（3）自动抓拍接触网支持定位装置正反两面全局图像及局部关键图像。根据研究，认为对接触网支持定位装置进行整体成像对于及时发现零部件出现“松、缺、断、脱、裂”、绝缘闪络等缺陷极其重要。同时，为了确保人机检查判别故障时能够清晰准确，还有必要对接触网支持定位装置关键部位进行局部高清成像。经过分析，对接触网支持定位装置局部关键部位进行了划分（见表1、图3）。

（4）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X、Y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0.05 mm/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

1.4.1 高速图像采集精确定位技术

图1 隧道外采集杆号

图2 隧道内采集杆号

系统选用的定位信息采集相机帧频高达120 f/s，定位相机的帧率越高每两帧图像之间的空间距离就越小，图像算法处理后的距离精度就越高，当检测车在以20 m/s的速度运行时，如果采用120 f/s的高速相机进行图像采集则每一帧图像的距离为17 cm。而定位信息采集相机采集接触网位置信息最大的误差只有一帧，进行定位触发拍摄的误差则为17 cm，这个长度对于抓拍相机的曝光影响很小，实际运用中，系统在高速运行时抓拍到的图像都比较清晰。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 f/s，能够适应的列车运行速度为0～160 km/h。杆号定位原理见图4。

表1 全局相机及各局部相机拍摄图像覆盖区域

图3 接触网支持定位装置全局图像

图4 杆号定位原理

1.4.2 LED频闪光源技术

LED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，只在相机抓拍时进行光源补偿。这种工作方式使补偿光源具有功率小、发热量小、瞬间亮度更高的优点，可以在列车高速运行时使相机工作在小快门、小光圈的情况下，确保抓拍图像无拖影。

1.4.3 高速高清图像采集技术

系统采用高分辨率网络接口的CCD相机作为相机阵列，单个相机分辨率达到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。系统采用高性能多扩展服务器技术，每台最多可负载24台高清分辨率相机，完全满足多阵列相机图像采集需求，系统只用2台存储服务器就完成了过去需要16台计算机完成的任务量。

2 系统运用

2.1 运用情况

系统研制成功后进行了大范围的测试和运用，2010年8月—2013年12月，先后对武广高铁、海南东环铁路、广珠城际铁路、广深港高铁进行了9次的成像检测，共获取接触网图片4 264 695张，发现各类缺陷8 008处，充分体现了科技保安全的强大作用。发现的主要缺陷类型有：定位器等电位线螺栓缺失、松动、本线断股，绝缘子有闪络烧伤，开口销缺失，接触网零部件安装未处于设计标准状态，承力索支座平衡线缺失，承力索支撑线夹装反，旋转双耳断裂，防风拉线不受力等。检测分析发现的接触网设备缺陷案例见图5。

2.2 系统检测分析发现的缺陷问题汇总分析

系统采用可见光成像为核心的检测技术对接触网支持定位装置状态进行检测，通过清晰准确抓拍到的图像，配合获取的图像位置信息分析，可以准确实时地的掌握某时某地某个接触网支持定位装置的动态运营状态，可以及时检测分析发现接触网支持定位装置的“松、脱、缺、裂、闪络”等不良状态，并及时指导作业人员对缺陷设备进行处理，消除接触网故障的发生。对2010—2013年武广高铁前后7次成像检测分析结果进行汇总，从表2可以看出，经过多轮的检测分析和设备整治，缺陷问题从当初的近2 000个减少至40个左右，缺陷问题在每一次检测、整治后都呈大幅度减少，且近3次检测未再发现较严重的A类及B类问题，均以安装工艺不标准、不影响设备运行的C类问题为主。

图5 接触网设备缺陷案例

表2 武广高铁长沙供电段管内成像检测分析缺陷问题汇总

2.3 系统运用效率与人工检测对比分析

系统基于接触网的高清可见光图像进行检测分析，具有速度快、效率高的优势，与人工登杆检测作业相比有明显的优势（见表3）。

表3 人工登杆检测与成像检测对比

2.4 运用效果

目前电气化铁路接触网检测的自动化程度仍然较低，日常对接触网的检测与维护大多是采用人工登杆检测方式，维护效率比较低，系统基于接触网的高清可见光图像进行检测，以检测车的模式运行，实现了快速对接触网支持定位装置进行连续检测，大大降低了人工检测的工作量和劳动强度，极大地提高了对接触网支撑定位装置的检测效率和频度，具有速度快、效率高的优势。通过将成像检测分析技术运用到接触网的日常巡检和维保工作中，可以进一步改善铁路职工的工作条件，降低劳动强度，提高工作效率；此外，基于接触网高清数字图像的成像检测可以建立接触网支柱档案，有利于接触网管理的信息化水平，对于提高电气化铁路供电系统的安全保障水平，具有重要意义。

3 总结与展望

采用图像检测手段对接触网支持定位装置进行检测，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工作劳动强度，提高劳动效率，对于确保铁路供电安全起到了重要作用。同时积累的大量图像及信息数据为故障分析、设备管理及数据挖掘分析提供了强有力的依据，为高铁接触网信息化管理提供了新手段。

系统对接触网的缺陷排查起到了极大的促进作用，但系统一次生成的图像数据量大，图像查看人员难以在短时间内查看完所有的图像，从而影响缺陷确定的周期。而且受个人情绪、视觉疲劳等人为因素影响，容易造成缺陷漏检。针对我国近几年电气化运营里程迅速增长，接触网维护维修保障安全的压力日益增长的迫切需求，极有必要研究接触网成像检测图像的实时智能分析。由于接触网的支持定位装置都有标准图像及标准参数，展望今后能通过应用算法提取接触网的支持定位装置图像相关特征参数，并与标准参数或历史图像特征参数实施比对，从而通过计算机给出接触网的支持定位装置状态是否正常的判断结果，并给出非正常状态特征及可能的缺陷形式，实时生成报表，指导接触网维护维修工作。

[1] 于万聚. 高速电气化铁路接触网[M]. 成都：西南交通大学出版社，2003.

[2] 中华人民共和国铁道部运输局供电部，中国铁道科学研究院，西南交通大学. 高速铁路供电安全检测监测系统（6C）总体技术规范[S]. 北京，2012.

[3] 赵俊彦，任崇巍. 电气化铁路接触网成像检测系统在高铁上的运用[J]. 铁道机车车辆，2012，32(3)：136-137.