地铁接触网视频监控系统研究

陈国辉 上海铁路局科研所

地铁接触网视频监控系统研究

陈国辉 上海铁路局科研所

随着经济的发展，高效而便捷的生活方式越发被人们所追求，地铁建设便在这种氛围下快速地发展着。同时地铁的安全也越来越被人们重视，但是地铁提速后隧道内刚性接触网运行中存在着拉弧、磨耗严重等问题。这些问题的存在对于安全运营造成很大的威胁,因此对于接触网状态的监控显得尤为重要。介绍一种采用车载方式的隧道内接触网视频监控装置，能对接触网关键点的工作状态及受电弓运行状态进行实时监控，用以指导隧道内接触网设备的维护、抢修等工作。针对该车载视频监控系统的功能、构成、关键技术等主要问题及解决方案进行全面的阐述。

地铁；刚性接触网；车载视频监控

1 概述

目前我国的城市地铁建设正如火如荼地进行着，这与地铁作为高效、便捷、节能的运输工具是分不开的。城市既有地铁运营线路也有计划扩大列车编组、缩短发车间隔，向高运能、高速度的快速轨道交通目标发展。

刚性接触网技术普遍应用于城市轨道交通，其80km/h低速线路的设计、运营及维护技术方面相对比较成熟。目前需要从改进刚性接触网悬挂方式、提高防灾能力及智能监控技术等方面，开展适合城市快轨交通120km/h地铁刚性接触网技术研究。科技部开展了”十二五”国家支撑计划“国家科技支撑计划项目--城市轨道交通运输组织、控制及保障一体化关键技术与系统研制”863计划，我有幸参与了我所与协作单位共同开发的该项目分支项目“城轨交通基础设施全息化移动检测与运维关键技术及系统研制”之一的子课题“接触网安全状态监测系统研制”这个课题。

该子课题其中有一个研究任务是研发受电弓安全状态监测装置和实景显示系统对运行中的电动列车进行弓网关系的视频监控，了解弓网配合情况。通过图像处理技术，对拉弧情况进行预警。

2 发现问题解决问题

根据运营线路的现场观测和维护人员反映，目前地铁刚性接触网（如图1）在运营过程中普遍存在拉弧、磨耗大及松动等问题。据分析，主要存在以下一些技术问题：

（1）膨胀关节、线岔处拉弧及磨耗偏大。

（2）刚性梁中间接头易松动塌腰。

（3）机械摩擦和电化学磨损较大。

图1 刚性接触网

为此需要研发地铁接触网视频监控系统，作为监控、预警、分析来解决这些问题。

3 系统功能及构成

3.1 功能概述

接触网视频监控装置采用高速摄像机，负责隧道内接触网关键点工作状态的视频识别、追踪等，监测接触网关键点的工作状态及受电弓运行状态，以指导接触网设备维护,并成为地铁供电部门的设备安全运营管理的辅助系统。

通过分析软件进行实时播放、图像切换、定期存储和历史播放、播放控制，以及对比分析、图像报警处理和报表输出等工作，截取关键视频数据传送至决策层，以便进一步研究确定运行或维修计划。

3.2 系统构成

系统组成：高速摄像机系统、光源系统、计算机监控系统(如图2所示)等。

（1）高速摄像机系统：由多台CCD高速摄像机、光学镜头、图像采集卡等构成。选用可变焦距和可变光圈光学镜头，设定合适的焦距使得两只像机视窗的交集覆盖电力接触线出现的整个区域，设定合适的光圈使得两只像机拍摄到的接触线图像在接触线出现的整个区域内边缘清晰、灰度适中。图像采集卡具有同时处理两台高速摄像机图像的能力，这些能力包括协调两台摄像机的工作时序、传递测控计算机对摄像机的控制命令、开辟前置图像缓冲区等，图像采集卡使用PC总线和测控计算机连接。

图2 计算机监控系统

（2）光源系统：使用定制的发光器件，通过摄像光源控制卡，根据背景光的照度，自动调整摄像光源的光照强度，满足任何背景光照度的情况。摄像光源的光照强度不仅在接触线出现的区域内照度适中，能清晰地突现出接触线图像的几何轮廓，尤其是接触线磨损面的棱线，而且最大限度地分辨背景图像灰度值，以降低图像解析系统识别真正接触线图像的难度。

（3）计算机监控系统：使用工业控制计算机、图像采集卡、RFID里程定位装置作为硬件的主体；WINDOWSXP为计算机操作系统、MicrosoftVisual2005开发工具C++语言编程开发的“地铁接触网高速监控系统”(如图3)软件主体，构成计算机测控系统。

图3 地铁接触网高速监控系统

3.3 硬件环境

（1）进口网络CCD面阵列高速摄像机

（2）专业的光学镜头

（3）基于RFID射频区间里程定位装置

（4）高亮度发光器件

（5）UPS电源

（6）工业控制计算机

3.4 软件环境

（1）操作系统WindowsXP

（2）网络相机驱动

（3）MicrosoftVisual2005开发工具C++语言

（4）SaperaLT类

（5）图像解析模型

（6）软件模块（如图4）

图4 软件模块

4 技术特点

（1）适用于高铁、城市地铁的实际现场适用。

（2）采用工业级高频(60Hz)、曝光时间短、高分辨率(1400×1000)、高清晰度面阵列网络相机。

（3）图像压缩算法效率高、存储速度快。

5 效果及创新

地铁接触网视频监控系统在国内首次将机器视觉技术对接触网进行非接触式检测的综合技术应用到城市轨道交通电客车上，采用线阵CCD相机结合面阵LED定制光源来监控接触网，完成了城轨接触网综合监测设备的功能。理论联系实际确定接触网的主要监测参数类型和监测精度，为弓网相互作用性能的建议标准和城市轨道交通接触网监测技术提供参考依据。

接触网的安全监测，是保障运营的一个重要环节。本项目研究是根据上海地铁实际情况和具体要求，研究贴合轨道交通快速和多形式发展需要，在可行性、实施性、技术指标要求上对接触网监测带来新的理念，在接触网不停电、不对运营产生不利影响的情况下，运用系统精确、全面、连续、完整地监测，将在轨道交通城市获得广泛应用。

责任编辑：王华朱挺来稿日期：2014-11-28