基于一种滤波跟踪算法的刚性接触网磨耗测量研究

于秋波，韩朝建，陆 军，倪国政

（天津津铁供电有限公司，天津 300171）

1 研究背景

城市轨道交通目前多采用刚性架空接触网供电方式为地铁列车提供电能动力[1]。架空刚性悬挂接触网具有结构简单紧凑、可靠性高、工程实施简便、费用低等突出优势。但是刚性接触网磨损比较快，弓网磨耗严重将会大大减损接触网及受电弓滑板的使用寿命，增加运营成本[2-4]，因此及时监测接触网磨耗数值及其增长趋势十分关键。

刚性接触网磨耗到限后如不及时更换，会导致弓网取流不稳定，刮磨汇流排，甚至可能导致汇流排烧伤、接触网放炮、短路等故障，从而影响地铁运营[5]。因此对于刚性接触网磨耗检测十分有必要。目前，行业内现有的接触网导线磨耗测量的工具有游标卡尺和磨耗测量仪，两种方法都需要人工组装梯车，作业人员登车顶后进行数据的定点测量，测量数据离散，工作效率低，无法达到接触网磨耗数据的连续性全面检测[6-8]。

本文以天津地铁6 号线为例进行刚性接触网磨耗测量研究，6 号线全线刚性接触网采用150 mm2的铜银合金接触线，全长98.58 km，正线接触网磨耗数值需要每3 年测量1 轮，且针对磨耗数值即将到限的点位需要增加测量频率，为接触网更换作业预留充足的施工协调、准备时间。例如，当接触网磨耗面宽度大于13 mm 时，考虑到季节、温湿度等环境因素会导致接触网磨耗的突增，为保证弓网的正常匹配，要求受电弓碳滑板磨耗接触线时不超过接触线直径，防止碳滑板刮磨汇流排，因此增加测量频率至每2 周一次，及时关注磨耗数值。

原有测量方式每3 年需要约150 项作业，每次作业约10 人次，时间2 h，共计需要1 500 余人次，3 000 工时，传统的人工测量方法效率低，准确性差，耗时耗力[9]。

因此，亟需研究一种能够实现接触网磨耗状态全面连续检测的方法，用智能化的手段代替人工测量，提高测量效率，短时间内掌握接触网磨耗数据，全面监控接触网磨耗状态。

相关学者对接触网连续磨耗测量的方法进行了研究，文献[10]将光设备采集的接触线轮廓数据利用霍夫变换拟合接触线圆心，根据接触线集合特点进行接触线磨耗检测。该方法采集数据时，容易受到汇流排、焊接点、杂物、噪声的干扰。文献[11]根据光切法的原理，采集捕捉接触线的轮廓图像，通过计算接触线轮廓空间坐标，运用最小二乘法计算圆心位置，通过接触线的轮廓坐标以及接触线的几何尺寸确定磨损数值。数据受噪声影响较大，精确度不够。文献[12]基于双目视觉原理通过高斯滤波算法提取接触线边界点，计算接触线磨耗宽度，但光源和测量系统安装精度对检测的精度影响较大。

本文基于通道可靠性的多尺度背景感知相关滤波跟踪算法，去除噪声、振动等影响，以接触网动态磨耗测量的技术方案代替人工测量，实现连续、全面、高效检测接触网磨耗的功能，能够大幅提高接触网磨耗测量的效率与全面管控，实现连续测量，测量效率显著提高，精确度高，可为接触网的预防性维护提供指导。

2 接触网磨耗检测系统构成

接触网磨耗检测系统在既有接触网检测车上实施功能扩展改造，实现基于接触网检测车为主体的接触网磨耗检测功能。

2.1 设备构成

接触网磨耗检测系统由高精度线激光器、高速面阵相机，以及配套的机械、电气装置构成。在接触网检测车车顶安装高精度线激光器及高速面阵相机的组合检测装置；设备安装确保不侵入设备限界。

2.2 检测方法

检测磨损方法示意如图1 所示。

图1 接触网磨损检测示意Figure 1 Rigid catenary system wear measurement

1) 检测车运行时，通过线激光器照射接触网形成光带，高速面阵相机实时拍摄光带轮廓。

2) 高速面阵相机拍摄视角包括拉出值在-280～280 mm 范围内的接触网导线，并准确测量磨耗数值。

3) 数据分析软件能够读取高速面阵相机所拍摄的图像，经过数据处理后输出接触网磨耗数值。

4) 磨损量计算结果实时显示至人机界面，并且在超过设定的磨损阈值时报警，同时在人机界面上显示接触网磨耗数值、里程位置及实时图像等信息。

5) 系统能够实时存储检测的各项数据，便于查询分析时使用。

该设备视野如图2所示。视野范围约为700 mm(宽)×540 mm(高)；工作距离为550 mm；视觉系统精度为0.1 mm；检测车目标运行速度为60 km/h，连续两张图之间不能有目标遗漏。

图2 检测方式示意Figure 2 Test method

3 接触网磨耗检测算法

本文使用一种基于通道可靠性的多尺度背景感知相关滤波跟踪算法，实现刚性接触网磨耗的连续测量。

此算法是为了有效应对相关滤波器的边界效应和场景的复杂变化，在背景感知相关滤波框架的基础上提出了该算法，该算法主要包含以下4 个方面的功能。

1) 针对单一特征分辨率不足的问题，同时提取HOG 特征、灰度特征和CN 特征描述目标外观模型，增强目标外观模型的抗干扰能力。

2) 针对多通道相关滤波器通道之间相互影响的问题，提出每个通道单独训练的机制。

3) 采用通道可靠性系数衡量相关滤波器响应图的置信度并将其应用于多通道响应图的融合，实现目标的精确定位。

4) 采用尺度池方法进行目标尺度估计，增强算法对尺度变化的稳健性。同时，选用目标跟踪精准度(OTB)[13]数据库中的视频序列对所提算法进行验证，并将其与近年来具有代表性的相关滤波算法进行对比。结果表明所提算法的性能优于其他算法的性能。

多通道相关滤波器表达形式为

第d通道的滤波器系数h(d)是由对应通道的响应值除以所有通道特征响应和得到的，并不能真实反映出每个通道特征的分辨能力。为避免上述问题对多通道滤波器分辨能力的影响，将滤波器表达式改为

图3 是使用普通滤波和基于通道可靠性的多尺度背景感知相关滤波跟踪算法的区别，其中左侧图像为普通滤波算法，右侧图像为基于通道可靠性的多尺度背景感知相关滤波跟踪算法处理的图像。

由对比效果可以观察出，经过算法处理后图像噪声明显降低，减小了噪声对后续算法处理带来的影响。经过实际测试后的数据显示：背景过滤的成功率提升了46%，显著降低了在恶劣环境下的干扰情况，提高了最终磨耗检测的准确性。

原算法使用跟踪过程中，滤波器的训练会受到目标形变、尺度变化、遮挡等因素的影响，同时出现漂移现象，因此本文中的算法对跟踪模型进行更新，所提算法可以有效地处理光照变化、尺度变化、遮挡等复杂因素的干扰，取得较高的跟踪精度和成功率，其整体性能优于其他算法。

本方案将该设备安装于工程车上，方案实施后，选取现场50 个点位进行接触网磨耗数据的连续测量，其中47 个点位与磨耗测量仪数值误差在±0.5 mm以内，精确度高达94%。

4 接触网磨耗离线处理系统

4.1 设备构成

接触网磨耗离线数据管理系统由离线管理服务器、HMI、A4 彩色打印机及键盘鼠标构成。

4.2 系统功能

1) 接触网磨耗离线数据管理系统能自动导入车载系统检测并记录到的全部异常信息。

2) 数据管理系统可按接触网磨耗检测的时间、区间、里程、磨耗数值等不同分类查询报警信息，并可依据筛选条件自动形成报警信息统计报表。

3) 对于每条报警信息，系统可显示该报警对应的检测异常图像。

4) 针对磨耗检测历史情况，可形成磨耗数值变化趋势图，用以估算接触网更换时间。

5) 系统可根据预先设置磨耗数值的预警值，在达到或超过该值时发出预警。

5 应用效果及经济效益

5.1 应用效果

该研究实施后能够更深层次地关注接触网磨耗变化情况，深度了解接触网磨耗变化情况，精确度高达94%。由于该研究可实现接触网磨耗数据的连续测量，增加测量频次，因此还可通过多次检测数据之间的接触网磨耗变化趋势监测接触网状态，当接触网磨耗增长速度过快，磨耗增长率超过0.5%后，记录观测接触网磨耗档案，及时安排人员检查磨耗点位状态，调整接触网参数，可降低磨耗增长率，保证接触网设备运营安全。

5.2 经济效益

原有测量方式测量接触网导线效率低，全线路每轮每3 年约需要150 项作业，每次施工约10 人次，每次施工时间2 h，共计需要1 500 余人次，3 000 工时；应用该研究后接触网导线测量效率得到显著提升，全线每轮只需要1 项施工，共计需要4 人次，4 工时，大幅度降低了人工成本，增加了测量效率。由于施工人次及工时大幅度减少，所以可增加测量频次深度监测接触网磨耗状态。

6 结论

本文以天津地铁6 号线为例，在接触网检测车上实现车辆的改造，基于通道可靠性的多尺度背景感知相关滤波跟踪算法，增加了刚性接触网磨耗测量系统。

1) 能够实现刚性接触网的全面连续测量，通过各月度的对比，以及接触网的趋势图能及时发现磨耗率增长的点位，采取针对性处理措施，实现接触网的预防性维修。

2) 连续测量较人工测量效率显著提高，针对即将到限的点位能够及时组织接触网更换作业，避免弓网故障，降低成本。

3) 实现了智能监控区间设备状态的功能，提升了设备检测效率及准确度，可提高地铁区间设备安全性。