网定位管斜拉线受力状态检测研究

蔡博宇（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

网定位管斜拉线受力状态检测研究

蔡博宇
（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

摘 要：针对接触网悬挂装置定位管斜拉线的分布特点，本文提出了一种基于轮廓曲率的接触网定位管斜拉线不受力的检测方法：首先对采集到的原图像二值化；其次由于背景中存在一些小物体的干扰，需对二值化图像进行数字形态学运算，消除过小的连通域；随后分别提取图像内外轮廓曲线；最后通过对轮廓曲线曲率的分析，实现定位管斜拉线的不受力的检测，为接触网实现智能化检测提供新思路。

关键词：定位管斜拉线；数字形态学运算；轮廓曲线曲率

定位管斜拉线是电气化铁路铁路接触网悬挂装置中的小部件：机械支撑下方定位器与定位管，使接触线导高、拉出值保持在规定范围内，从而保证铁路运行安全，斜拉线在接触网悬挂装置中的位置如图1所示。接触网定位管斜拉线脱落将直接中断行车，影响正常的行车秩序，因而有必要对定位管斜拉线的状态进行检测。通过对定位管斜拉线不受力的检测，能够及时监测斜拉线存在的安全隐患。

目前，接触网非接触式检测设备在铁路上的应用日趋广泛，应用方向主要为接触网几何参数的检测、接触线磨耗的研究。随着铁道部提出的6C系统发展战略，接触网零部件的非接触式检测也开始发展，但是目前这方面的研究还不充分。本文针对接触网悬挂装置定位管斜拉线的分布特点，提出了一种基于轮廓曲率的接触网定位管斜拉线不受力的检测方法，实现了针对拉线的非接触式状态监测：首先对采集到的原图像二值化；其次由于背景中存在一些小物体的干扰，需对二值化图像进行数字形态学运算，消除过小的连通域；随后分别提取图像内外轮廓曲线；最后通过对轮廓曲线曲率的分析，实现定位管斜拉线的不受力的检测。

1 接触网悬挂装置图像的采集

目前主要是利用铁路综合检测车采集接触网支撑和悬挂装置图像。即通过在检测车顶部设置高清摄像机，遇到接触网支柱时，摄像机自动拍摄。图2为车顶摄像头和射灯示意图。

为了获得足够清晰的图像，满足后期分析的要求，采用夜间加射灯的拍摄方式，黑色背景可以保证图像净空状态良好。

图1 定位管斜拉线图

图2 车顶摄像与灯光图

图3 二值化图像

图4消除过小的连通域

图5 内外轮廓示意图

2 数字形态学运算

为了消除二值图像中过小的连通域，对其进行数字形态学运算，考虑两幅图像A，B。可以定义其腐蚀运算为：

Erosion（A，B）={a｜（a+b）∈A，a∈A，b∈B} （1）

由于图像拍摄质量、预处理质量等因素影响，很多情况下二值化图像会存在一些小的连通域，会影响后面内外轮廓提取的精度。因此，采用形态学腐蚀操作，有效解决该问题。图3为二值化图像，显然图中存在小的连通域；图4消除过小的连通域后二值图。

3 轮廓提取及曲率计算

3.1 内外轮廓

对于一幅二值化的图像，可以提取出两种类型的轮廓曲线。图5中的白色区域构成4个连通域，分别为A、B、C、D，轮廓①④⑤⑥为A、B、C、D的外轮廓（轮廓的内邻域分别位于上述连通域中），②③分别为A内轮廓（轮廓的内邻域位于连通域A内部的“孔洞”中）。

对于图4所示二值化的图像，进行内外轮廓提取，如图6所示，（a）图为外轮廓曲线，（b）、（c）、（d）图为内轮廓曲线，对内外轮廓进行综合分析，可以看出（a）图和（c）图中的轮廓曲线存在类似于圆弧形的弯曲，显然表征了斜拉线的不受力。为了给出智能判断，需客观评价该现象。

3.2 轮廓曲率分析

将轮廓曲线上第k个点的曲率定义为：第k个点与第k+100个点之间的连线倾角，如图7所示。

图6 内外轮廓曲线

图7 曲率定义示意图

图8 曲率曲线

图9 掩膜信号

图10 检测结果

基于此定义，可得到上述四条轮廓曲线的曲率曲线。如图8所示为图6（a）外轮廓曲线曲率曲线图。图中横坐标为轮廓点在轮廓曲线上的索引，纵坐标为其对应的曲率值。为方便观察，只绘出了外轮廓曲线上的前5000个点。由图8可以总结以下规律：

（1）图中腕臂、定位器等杆状物以及受力良好的拉线边界点，轮廓曲线在其邻域内取值较为稳定。这是由于上述物体的边界呈现出明显的直线特征，边界点的曲率没有明显的变化；

（2）由于轮廓曲线的方向在杆状物的连接处发生转折，曲率曲线在该处会呈现出明显的跳变；

（3）当图像中出现不受力的拉线时，其轮廓曲线近似于一段平滑的圆弧，因此曲率曲线中会出现一个连续缓慢变化的区段，具有这种特点的区段只有在图中含有不受力的拉线时才会存在。

为进一步提取出曲率曲线中连续缓慢变化的区段，可采用加窗的思想，窗口沿曲率曲线连续滑动。如果窗两端曲率的差值在一个特定的范围内，（经验值为[3，10]）则认为窗两端的点疑似位于不受力的防风拉线的边界上。构建一个与曲率曲线长度相同的二值掩膜信号，将上述疑似点位置上的点置为1，如图10所示。如果掩膜信号上连续为1的点达到一定的宽度，则认为该区域为不受力的拉线所对应的区域。

结语

对于检测车车拍摄的海量图片，传统的人工检测方法很难适应接触网检测的要求，且其效率和精度都无法得到保证。本文利用图像处理技术，经过对图像二值化处理，再使用数字形态学运算，消除过小的连通域；最后分别对提取的图像内外轮廓曲线曲率分析，实现定位管斜拉线的不受力的检测，取得了较好的效果。该方法能够快速提取轮廓并计算曲率，经进一步优化有望取代传统的人工检测，提高检测效率实现接触网智能化巡检的需求。

参考文献

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中图分类号U22

文献标识码：A