弓网视频监控技术研究

薛宪堂，张翼，王燕国，周威，刘国跃，杜馨瑜，王凡

（1.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；2.北京铁科英迈技术有限公司 产品研发部，北京 100081）

近年来，我国电气化铁路运营里程不断增加，为确保铁路安全稳定运营，中国国家铁路集团有限公司、铁路局集团公司和站段各类接触网检测车的检测任务越来越繁重，弓网视频监控系统作为接触网检测车的眼睛，需要在正面阳光、夜间、雨雪和出入隧道等多种场景下保持实时稳定清晰的视频采集和存储。为达到上述目的，需要从多方面进行弓网视频监控技术研究，主要研究内容包括车顶视觉光场方案、多线程并发处理技术和动态自动调整策略等。

1 研究现状

1.1 国外

国外一些相关机构对接触网检测系统进行了弓网视频监控技术研究。

（1）法国的IRIS320综合检测列车最高运行速度320 km/h，系统图像分辨率为640×480，帧率为100fps，其侧重弓网接触状态监控，优点为成像视野范围较大，可以监控支柱等接触网设备和周边环境，但由于车顶空间限制，导致监控设备距离受电弓较远，弓网接触区域图像不清晰［1］。

（2）日本的East-I综合检测列车最高运行速度275 km/h，其弓网视频监控功能和环境视频监测功能为一套设备，安装在两车头位置，其优点是监控的视野范围更大，可以监控接触线、支柱、附件悬挂等设备，但弓网接触区域成像不清晰［2］。

（3）德国DB检测系统的弓网视频监控系统分辨率为640×480、帧率为100 fps，可以采集、存储、回放视频文件，辅助分析弓网缺陷，经过长时间的检测运用也发现了一些不足：其车顶相机距离受电弓14 m左右，光路较长，能量损失较多，导致图像夜间质量较差；其采集-存储设计架构为单线程串行采集和存储，导致图像有丢帧的情况；系统图像明暗自动调整采用硬件外接控制板的方式实现，控制逻辑较简单，自动调整过于敏感，图像明暗交替频繁，而且其数据格式保密，不能进行数据管理和综合分析［3］。

1.2 国内

国内相关单位对车顶弓网视频监控技术有过大量研究。

（1）某铁路局集团公司安装的车顶部弓网视频监控设备采用玻璃钢外罩，摄像头镜头采用钢化玻璃，防护等级IP67，外形结构整体开模加工，成流线型，无尖角。设备制作精密，体积较小，但其帧率仅为8 fps，适用于低速环境，一旦提高帧率，相关散热、光源和软件图像处理流程都会暴露出问题。技术方案中的车顶光场布局过于紧凑，离受电弓较近，导致仰角过大，监视效果不佳；明暗调整策略为参照全图像素平均灰度值进行调整，光线不足的场景会导致过曝。

（2）某电力机车有限责任公司研制的城际动车组弓网视频监控设备，关键组件有受电弓摄像机集成摄像头（云台一体机）、补光灯和加热玻璃等，摄像头具有云台控制、电动变焦、补光和强光抑制功能，满足全天24 h观测需求，在白天和夜间均可正常工作；补光灯采用高功率频闪灯，兼顾功耗、亮度与寿命，补光灯根据升降弓信号自动开启和关闭，降弓10 min后补光灯自动关闭，同时监控屏设置摄像头和补光灯开启关闭按键，可以手动操作；加热玻璃通过感应温度变化控制加热开启和关闭，具有除雾功能，保证视野清晰，设备功能丰富。摄像机为云台一体机可以方便调节，但是该设备整体高度较高，多场景应用受限，且安装位置离受电弓较近，视角较大，成像区域不理想，而且其帧率不足100 fps，不符合高速弓网视频监控设备参数要求［4］。

2 关键技术研究

2.1 车顶视觉光场方案

设备在车顶安装位置的限制、期望达到的光场效果和成像区域的要求是车顶视觉光场设计需要考虑的主要因素。由于车顶设备较多且均有一定的电气安全距离，所以安装位置有一定限制；补光位置过远会导致亮度不够，补光位置过近会导致补光能量过于集中造成补光不均衡；成像区域要求能够覆盖整个受电弓降弓和升弓的最高位置。综合考虑车顶安装位置限制、光场效果和成像区域覆盖等情况，将成像设备和补光灯安装在受电弓开口侧水平距离6～8 m位置，补光灯和相机同断面安装，设置双补光灯交叉补光，减少受电弓上零件阴影，提高图像清晰度［5-6］。车顶视觉光场方案见图1。

图1 车顶视觉光场方案

2.2 多线程并发处理技术

数据采集、处理和存储具有一定的相关性，常采用单线程构架进行开发。单线程具有程序执行时，程序执行顺序不变的特点，即前面的逻辑必须处理结束，后面的部分才会执行。单线程处理的优点是程序逻辑简单清楚，但由于需要在上一个任务完成后才能开始新任务，所以在多核处理机上其效率通常比多线程低。在单线程中如果中间某一部分逻辑所用的时间比预计时间长，程序会出现不响应的状态甚至程序崩溃［7］。

传统单线程构架采集、处理和存储的方法在分辨率为1 024×1 024、帧率100 fps数据量下会有丢帧现象，造成图像数据缺失，不能最大限度发挥弓网视频监控系统的作用和价值。为达到视频的高速采集、处理和存储目的，采用多线程并行处理、线程同步等技术［8］。图像采集后将数据同时分发给显示、处理和存储线程，使采集、显示、处理和存储能同步进行，相比采集-显示-处理-存储单线程架构，系统能力得到提升，在图像帧率100 fps的数据量下实时采集、处理和存储不丢帧、检测数据完整、弓网视频监控软件运行流畅。多线程交互过程见图2。

图2 多线程交互过程

多线程并发处理技术可以实现不同的功能模块同时进行工作，从而提高数据处理量和处理速度。多线程并发处理技术中图像数据接收线程负责采集图像数据，对数据采集进行了多线程包装，从驱动中采集的数据转存到智能内存中并同步实时地将载有图像数据的智能内存分发给显示线程、数据处理线程和存储线程，以实现数据显示、处理和存储同步进行。

2.3 动态自动调整策略

视频图像画质清晰与否是衡量视频实用性的重要参数。市面上的相机有些没有自动曝光功能，这种情况下，检测车在夜间以及行驶至隧道等环境时会影响视频清晰度，看不清弓网工况，靠人工调整不但耗费人力而且难以时刻保证图像质量；带有自动曝光功能的相机，由于采取使用整幅图像像素平均灰度值调整曝光的方法，在夜间弓网视频会出现大部分背景为黑色而受电弓以及有光线照射的接触网零部件所占图像区域较小情况，这种情况下有光照部分的受电弓和接触网设备会出现过度曝光情况，看不清弓网工况。相机自动曝光效果见图3。

图3 相机自动曝光效果

为解决上述问题，将自动调整的区域设定为受电弓区域，通过基于深度神经网络的目标定位算法实时在图像中选取受电弓区域［9］。深度神经网络可通过大量的受电弓样本训练，利用深层神经网络的拟合能力对受电弓模式特征进行建模，从图像中自动定位受电弓区域［10］。利用该区域内的图像像素计算平均灰度值，据此调整曝光和增益，根据实际图像分析，该方法在夜间的图像质量优于相机自动曝光的图像。软件自动曝光效果见图4，其中红色限定框为计算灰度值的区域（该限定框仅供计算灰度值，不显示和存储）。

图4 软件自动曝光效果

优化后图像细节对比见图5，上部分是相机自动调整效果，下部分是软件中设置受电弓区域为自动调整区域后的效果。图5中可以明显看出下部分红框区域比上部分对应位置更清晰。

图5 优化前后图像细节对比

该功能中计算灰度值较耗时，根据实际效果计算灰度值的像素点采用10选1抽样计算灰度值，计算灰度值调整的频率为隔帧计算。这种抽样计算平均灰度值的方法既提高了计算速度，也不影响调整效果。

根据当前灰度值找到合适的调整值，采用二分法快速定位合适曝光和增益值的方法。在此基础上增加小幅控制逻辑用来防止某些情况下图像的平均灰度值在控制边界摆动时出现闪屏的现象。二分法调整逻辑见图6。

图6 二分法调整逻辑

3 试验验证

基于弓网视频监控技术的硬件设备和软件已经在高速综合检测列车上安装部署，并进行了1个月的验证试验，试验线路场景包括：夜间、直面阳光、隧道、雨雪等场景。夜间效果提升对比见图7，存储图像信息见图8。

图7 夜间效果提升前后对比

图8 存储图像信息

试验结果表明：通过对车顶视觉光场方案和动态自动调整策略的优化，夜间图像质量得到明显提升，受电弓的细节更清晰；通过多线程并发处理技术的改进，弓网视频监控系统运行流畅稳定，图像数据不丢真。弓网视频监控系统满足弓网1C技术条件，可以快速采集、处理、展示和存储视频图像，并能够适应直面阳光、夜间、雨雪和出入隧道等多种场景。

4 结束语

通过对国内外弓网视频监控技术的发展现状分析并结合现场实际运用环境的特点，提出解决实际问题的弓网视频监控技术，包括：车顶视觉光场方案、多线程并发处理技术和动态自动调整策略。在线路试验分析基础上对系统不断完善，在多种场景的线路试验过程中，持续对弓网视频监控系统的图像质量和性能进行跟踪测试，验证确认了弓网视频监控技术的正确性。