风沙地区接触网悬挂状态巡检系统研究

高俊秀

【摘 要】随着车流密度不断加大，接触网与受电弓频繁接触，磨耗比较快；如何方便获得接触网磨耗、导高、拉出值，成为供电部门急待解决的重要问题。本文详细介绍了风沙地区接触网悬挂状态巡检系统的两种方式及其构成原理。巡检系统采用视频技术获得接触网关键部位的清晰图像，结合智能分析计算出相关技术参数，指导接触网检修作业，可提高接触网悬挂组件故障检测效率、减轻劳动强度。

【关键词】便携式 车载式 接触网 检测

1 研发背景

根据我局所管区域内大部分线路北傍阴山山脉、南沿黄河，草原沙害造成的沙尘、沙尘暴经常发生，接触网及其悬挂部件是沿铁路沿线露天架设，受大风和沙尘等恶劣气候影响，更易出现松动、损坏等故障，需要频繁地进行巡检、维修。目前普遍采用的是人工肉眼观察检测方式，工作效率低、劳动强度大、安全保障系数低、容易误判、检测范围受限。因此，急需一种检测全面、具体的接触网及其悬挂装置状态巡检系统。

2 总体设计

2.1设计思路

采用视频技术获得接触网关键部位的清晰图像，工作人员只需要对这些图像进行调阅即可，不受外界环境因素限制；同时结合智能分析计算出接触网磨耗、导高、拉出值等，指导接触网检修作业，可以很好地完成接触网悬挂状态的巡检任务。

2.2研究内容

风沙地区接触网悬挂状态巡检系统是以安全检测为首要目标，保证接触网供电系统运行良好，为完成指定区段的接触网状态检测，可以用两种方式来实现。（1）采用便携式视频采集装置，临时安装于运行动车组或机车的司机台上，对接触网的安全状态进行视频采集，事后统计分析接触悬挂部件技术状态。（2）采用车载式视频采集装置，对接触网悬挂系统进行图像整体和关键部位的精确定位、抓拍，通过完整的后台数据挖掘功能实现接触网结构状态的信息化管理及数据分析，得到相关技术参数，指导接触网检修，及时消除接触网故障隐患。

2.3主要技术难点

（1）便携式系统：设备外形设计，小巧稳固，不影响正常行车；对问题图像的标记存储。（2）车载式系统：车底和车顶设备抗风沙性能研究；19个摄像机图像的协调接收及处理；智能分析软件设计，主要包括算法、图像压缩及提取；装车方案设计，包括车型选择、摄像机布置安装和线缆铺排及控制机柜安装。

3 便携式视频采集装置设计

3.1硬件组成及原理

本装置由一台高性能便携式工业计算机、高速移动存储介质、两个500万像素工业相机（可根据需求增加至800万像素）、锂电池、云台和补光组件组成。其中两个500万像素工业相机及锂电池、云台、云台固定装置、补光组件等组成图像采集部分，拍摄图像清晰可靠，能清晰识别接触网螺丝的松动、脱落等细节问题。高速相机在能保证大范围视角拍摄的同时还可清晰辨认支柱号，为事后查看故障位置提供依据；锂电池保证了在过分相断电时系统仍能正常工作至少五分钟；补光组件能够满足隧道和低光状态下的图像采集。由高性能便携式工业计算机控制图像采集，并将采集图像保存到高速移动存储介质，能保证在高温、高湿、强烈振动等恶劣工作环境下的图像采集和播放分析工作。其整体示意图如图1所示，实际应用在机车上如图2所示。

3.2软件组成及原理

本装置采用极具人性化的软件界面，后期播放视频画面主次搭配，可单独或同时播放全局和关键部位两个视频，图像可主次切换、窗口隐藏，方便用户对全局部位概览或关键部位进行仔细观察。

（1）图像采集系统软件：安装在高性能便携式计算机上，主要进行采集、保存原始图像数据，如图3所示。

（2）数据播放分析系统软件：可安装在多个客户端，用户可以通过该系统软件进行图像检查、分析接触网及悬挂部分的缺陷和问题，如图4所示。

4 车载式视频采集装置设计

4.1硬件组成

风沙地区接触网悬挂状态巡检系统中车载式视频采集装置硬件部分主要由车顶装置、车内装置、车底装置三大部份组成，其中车顶设备包括：全景高清摄像机、关键部位高清摄像机、高速定位触发摄像机、线阵相机、云台、非接触式几何参数检测、光源补偿装置，温度补偿等装置组成；车内设备包括：控制机柜、数据处理服务器、阵列式采集装置、设备功能箱、网络数据交换装置、输出打印装置、断电保护装置、低压隔离等装置组成；车底设备由车辆动态补偿装置等组成，并通过密封、加固防护罩做好防风沙处理。如图5所示：

室外设备要做好防风沙保护，摄像机、光源补偿装置、几何检测组件做好密闭护罩，安装稳固，并保证图像拍摄清晰；综合控制箱安装完成后，将盖板等缝隙密封严实。

4.2主要检测参数及原理

（1）几何参数检测项目。

（2）几何参数检测原理。对两个相机进行控制并同步采集图像数据后，通过三角原理，对图像数据进行处理后并将背景剔除，根据接触网特征进行目标识别，获取接触网二值数据，通过计算分析后获得高精度接触网几何参数，其原理如图6所示。根据接触导线的最大可能高度和设计的两CCD交汇视角辐射宽度来确定安装距离d_0和初始倾角（设相机光轴和车顶的夹角为α_0和β_0），相机光轴所在的平面和车顶平面成60度夹角，CCD的中心点位于点A，CCD2的中心点位于点B，d_0=|AB|，d_0为基线长度，即两个CCD中心的安装距离，PA与X轴的夹角为α_0，PB与X轴的夹角为β_0，PC与0A的夹角为Φ，PD与0B的夹角为φ，2个CCD镜头焦距均为f。只要确定焦距f，并根据基线长度d_0，交汇角α_0、β_0。并由2个CCD输出的视频信号确定像高h_1、h_2，就可得出接触线上的坐标。再根据2个CCD在车顶的具体位置，就可以算出接触线的拉出值和高度。

4.3软件设计

本装置检测软件系统是由“接触网悬挂状态实时在线采集系统”、“接触网悬挂状态数据管理系统”、“接触网悬挂状态数据分析处理系统”三大系统组成的接触网悬挂状态检测设备专用配套软件，提供良好的人机交互接口。

（1）软件设计环境。操作系统为WinXP/Win2003/Win7/Win8，编程语言为C/VC++，开发环境为Visual Studio 2010，数据传输方式为RJ45/RS232，数据库为Oracle。

（2）全景图像数据采集模块（FVGM）设计。该模块（Full View Gather Model）对应全景图像采集摄像头，负责初始化全景图像采集摄像头，采集图像数据、停止采集图像数据和摄像头参数控制。与其交互的模块有数据存储模块（DSM）、日志模块（LM）、系统控制模块（SCM）。主要功能是初始化全景摄像头，采集数据传出数据指针，摄像头参数控制。

（3）关键部位图像数据采集模块（KPGM）设计。该模块对应关键部位图像采集摄像头，负责初始化关键部位图像采集摄像头，采集图像数据、停止采集图像数据和摄像头参数控制。与其交互的模块有数据存储模块（DSM）、日志模块（LM）、系统控制模块（SCM），主要功能是初始化关键部位摄像头，采集数据传出数据指针，摄像头参数控制。

5 结语

本系统的应用能够确保电气化铁路运营秩序和提高车辆的供电安全性、可靠性。配置在运营线上，固定周期担当一次巡检任务，可以根据实际需要便携式装置还是车载式装置，减轻了劳动作业强度，改善了工人工作环境，提高了劳动生产效率。通过检测数据统计分析，接触几何参数及悬挂部件技术状态，指导接触网检修，保证行车安全；同时它的防风沙设计，填补了全路对风沙地区接触网悬挂状态智能巡检的空白，因此具有广阔的研究和应用前景。

参考文献：

[1] 刘国庆，李文贵.高速视频检测在京秦线接触网动态巡检车上的应用[J].太原铁道科技，2005，04：31-32.

[2] 赵玉玲.接触网移动巡检子系统的设计[J].工业控制计算机，2010，11：44-45.