接触网视频与几何参数同步检测技术

张翼

（中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081）

0 引言

在接触网检测监测系统（6C系统）中，接触网视频与几何参数检测系统既是高速接触网综合检测装置（1C装置），也是接触网悬挂状态检测监测装置（4C装置）的重要组成部分。接触网视频系统相机靶面拍摄受电弓、接触网及几何参数测量系统测量面等区域，实时监测接触网动态作用关系以及部分接触网零部件的工作状态，当检测系统排查出缺陷数据时，用于比对缺陷数据出现位置所对应的外部设备实际工作环境。接触网几何参数检测系统测量接触线的导高、拉出值和双支接触线相互位置等参数［1-5］，既可运用于新建接触网工程联调联试中，测试静态几何参数和平顺性参数，也可应用于运营接触网设施周期性动态检测中，测试运营状态下的接触线动态几何参数。

针对接触网视频与几何参数检测系统进行同步检测技术研究，设计全新的系统架构，发掘两检测系统的关联性，研制同步设备，并进行实验室测试，实现几何参数每1组测量数据均能关联到线路实际位置的视频图像，方便判断超限数据形成原因，进一步完善检测系统功能。

1 检测系统架构

现有检测系统架构见图1。里程定位服务器接收编码器脉冲后，每隔固定时间通过局域网发送里程定位信息至接触网视频与几何参数检测系统，接触网视频系统采用等时采样方式采集网口相机发送的图像数据，几何参数检测系统接收编码器脉冲，采用等距采样方式接收摄像组件数据，两系统将定位信息与检测数据叠加后发送至数据处理服务器进行数据对齐，该方法实施简单、可行性强，但两系统数据采集方式不同、信息量不对等，且里程定位服务器等时发送的定位信息密度较低，不足以覆盖检测系统每1帧的数据，网络系统本身也会产生延时，导致两系统的数据对齐误差较大。

图1 现有检测系统架构

在现有接触网视频与几何参数检测系统间增加视频采集板，替换视频采集工控机，新架构为保证系统的同步触发特性，将编码器脉冲接入几何参数检测系统数据采集卡统一进行分频处理，分频后脉冲分别发送至几何参数摄像组件及网口相机进行触发拍摄。几何参数检测系统增加422串口卡，将触发时刻的检测数据通过控制器局域网络（CAN）总线发送至数据处理服务器。接触网视频采集板同时接收触发时刻的网口相机数据与几何参数检测系统发送的同步信息。数据处理服务器通过比对两系统检测数据的同步信息，将同一触发脉冲时刻的视频图片与接触网几何参数一一对应起来，解决了原系统数据对齐误差较大的弊端。更新后系统架构见图2。

图2 更新后系统架构

2 视频采集板

检测系统接口统计见表1。针对种类繁多的检测系统接口，要求搭载平台具有相当的开发灵活性，以适应不同设备对平台提出的需求。现场可编程门阵列（FPGA）芯片由可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块随机存储器（RAM）、丰富的布线资源（时钟/长线/短线）、底层嵌入功能单元、内嵌专用硬核等组成，具备性能强、开发灵活性高、成本低、周期短等优势，借助FPGA芯片为核心，并搭载相关外围接口电路研制视频采集板［6］。

表1 检测系统接口统计

视频采集板内部数据流程见图3，其中外部的50 MHz及200 MHz时钟源为FPGA内部逻辑处理提供时钟信号，422接口芯片接收外部控制信号及外部触发时刻信息，分别用于设定采集板工作模式以及为视频图像叠加标志信息。外部数据接口部分设有2路千兆网GIGE接收模块，可接收网口相机发送的图像数据，并通过GIGE并行数据接口芯片将数据发送至FPGA数据接口模块，FPGA内部在控制逻辑的协调下，图像数据完成缓存、直接存储器访问（DMA）传输、叠加触发时刻信息、打包等流程后，发送至FPGA数据发送模块，并通过GIGE并行数据接口芯片将数据发送至GIGE发送模块，GIGE发送模块将数据以标准GIGE通信协议的形式发送至后端数据处理服务器［7］。

图3 视频采集板内部数据流程

3 实验验证

验证视频采集板的实验室测试环境见图4，其中信号发生器用于模拟列车编码器脉冲，通过端子板与几何参数工控机采集卡建立连接，几何参数工控机分别将分频后的脉冲及同步数据发送至视频相机与视频采集板，视频相机接收到触发信号后拍摄几何参数检测系统测量区域并传递图像数据至视频采集板，视频采集板完成图像与同步数据的叠加后，将图像发送至数据处理服务器。数据处理服务器接收到触发时刻的视频图像与几何数据后，比对同步信息，实现图像与数据的一一对应［8-9］。

对数据处理服务器中叠加有同步信息的几何参数测量数据和视频图像进行关联（见表2），图片ID号为视频相机拍摄图片序号，相邻2帧图片之间序号差值为5，因此随着拍摄进行图片ID号递增累加，同步信息为同一触发脉冲下几何参数检测数据与视频图片的标志信息，其代表数据产生时刻的触发脉冲计数。图片ID号和同步信息值换算关系如下：

式中：D为图片ID号；T为同步信息值；i为两系统触发拍摄和采集时所得到的数据帧号；F为分频系数；n为自然数。

为验证系统的同步准确性，随机在两系统数据库中挑选15组数据，这些数据分别对应5个几何参数标定架位置，每个位置都挑选3张视频图片（见图5）和3组几何参数测量值。通过观察表2中数据，可验证图片ID号与同步信息值符合式（1）中的对应关系，两检测系统数据时序关系正确。通过观察15张视频图片中的标定架设定值与相同同步信息所对应的15组几何参数导高、拉出值，可验证接触网视频与几何参数检测系统数据在相同触发脉冲下一一对应，达到同步检测需求［10］。

图4 实验室测试环境布置

表2 检测数据关联情况

4 结束语

基于自主研制的接触网视频采集板，对弓网视频与几何参数检测系统同步检测技术进行论证及实验验证，提出检测系统整体架构，确定两系统数据间的同步方式、时序关系及关联标记。对实验室数据进行分析，表明检测系统不仅在硬件和软件层面，也在数据层面实现了一一对应，真正做到“所检即所见”，为后续软件调取任意采样点的检测数据与同步视频图片提供可能性，便于检测数据的超限判断和综合分析。该同步检测装置可应用于新建及现有高速、普速铁路的接触网设备检测，能够减少线路天窗时间、节省人工成本，为高速高效完成接触网供电设备的检测和维护工作提供技术支持。

图5 检测数据对应的视频截图