全智能非接触式弓网在线检测系统在轨道交通运营车辆上的应用研究

刘冶

（北京运达华开科技有限公司，北京 102200）

随着既有轨道交通运营进入问题高发期，线路规划爆发式增长，供电线路运营、维护等多个方面需打造智能化检测平台，传统人工检查费时费力已无法保证质量和日益增长的需求，迫切需要研制一套全智能的弓网检测系统，用以减少运营成本、提高检修效率、保证运营安全，是当前发展的必然趋势，该新型系统的研制可彻底改变传统运维作业模式，降低对行车调度和运输造成的损失，大幅提高检修安全和效率。

1 系统介绍

1.1 系统概述

随着轨道交通车辆智能化水平的发展,实时、动态、高精度、高效的在线检测系统有助于及时发现故障,提高效率,降低人工成本,为轨道交通安全维护提供依据,提高运行安全性。受电弓接触线检测模块内部配备高清工业摄像机、强光白光、紫外传感器、激光、红外热成像仪、3D摄像机等,内置几何参数检测模块、紫外燃弧检测模块、红外测温模块、接触网接触线磨损检测模块和关键悬挂检测模块。地面分析服务器可对检测数据进行分析及统计，及时指导列车受电弓和供电接触网设备的维修保养，极大提高运维效率。

1.2 主要功能

（1）受电弓结构检测功能。通过实时采集受电弓的高清视频，利用模式识别、机器学习等智能图像识别技术实现受电弓结构变形，缺失等故障的自动识别分析和报警。

（2）弓网燃弧检测功能。受电弓和接触网离线会导致在受电弓和接触网之间产生电弧,引起牵引电流扰动,影响受电弓和接触网的电流采集质量。受电弓接触线检测系统采用紫外检测仪检测受电弓接触线离线时产生的特定波长的紫外,触发摄像系统,可以准确测量、分析和记录整条线路的弓网离线情况,包括离线(燃弧)位置、燃弧强度、燃弧时间、过程监控等,并输出数据和图像。

同时利用定位信息,如定位电弧烧点等。

（3）接触网关键悬挂检测。受电弓接触网检测系统采用高清摄像机对列车运行过程中接触网的悬挂部分进行视频拍摄。车顶安装两套摄像头,分别分布在接触线两侧,并配备高亮度补光,可有效记录柔性接触线部分接触悬挂(部分支撑装置吊杆)和刚性接触线部分接触悬挂(刚性接触线支撑装置、定位装置和连接器)等零部件的状态。首先利用悬挂检测模块对悬挂点进行定位,对悬挂点的检测触发摄像头进行高速捕捉,通过网线将采集到的图像传输到车内工控机,图像采集软件将位置信息集成到实时图像中

1.3 系统组成

系统主要由车顶数据采集设备、弓网硬点检测设备、车内分析服务器、精度补偿设备以及地面数据中心组成，如图1所示。

图1 弓网检测系统拓扑图

受电弓接触网检测系统采用高清摄像机对列车运行过程中接触网的悬挂部分进行视频拍摄。车顶安装两套摄像头,分别分布在接触线两侧,并配备高亮度补光,可有效记录柔性接触线部分接触悬挂(部分支撑装置吊杆)和刚性接触线部分接触悬挂(刚性接触线支撑装置、定位装置和连接器)等零部件的状态。首先利用悬挂检测模块对悬挂点进行定位,对悬挂点的检测触发摄像头进行高速捕捉,通过网线将采集到的图像传输到车内工控机,图像采集软件将位置信息集成到实时图像中。

车内分析服务器主要进行图像采集控制、数据传输以及和车辆接口进行通信。

图2 系统安装分布示意图

2 技术创新点

2.1 受电弓结构检测

基于图像处理的受电弓结构异常检测算法，包括以下步骤：

图像预处理步骤，去除待识别图像中的噪声。

采用HOG+SVM的方法对经过图像预处理步骤后的待识别图像中包含的受电弓影像进行定位，受电弓结构故障一般需要在车辆归库后，接触线断电，运维人员登车顶进行排查检测，一方面存在意外触电、高空跌落等安全隐患，另一方面车辆归库后发现故障多为事故发生后，故障排查和判定非常依赖于运维人员的个人经验不确定性大,检测效率和质量相对有限,因此,通过技术升级来解决传统故障检测技术的缺陷是当务之急。受电弓轮廓提取步骤对经过受电弓定位步骤的待识别图像进行图像增强，然后进行固定阈值化处理，通过二值化处理对图像像素进行分割，遍历所有像素后，以像素值为提取标准提取前景像素；关键轮廓提取步骤，对经过所述受电弓轮廓提取步骤处理的待识别图像提取出受电弓左、右两侧的区域，分割提取出的区域中心线轮廓，遍历每个轮廓的纵坐标极大值，再将坐标极值进行从大到小的排序，末位对应的就是关键轮廓线。

关键点提取步骤，提取关键轮廓线中受电弓滑板与羊角的间隙中心线轮廓和羊角边沿中心线轮廓，从而获取关键点。

参数计算与异常判断步骤，包括通过关键点提取步骤的结果对受电弓滑板长度、受电弓弓头长度和受电弓弓头高度进行计算，将计算得到的滑板长度、弓头长度、弓头高度和标准值进行比较并判定受电弓结构有无异常现象。

通过HOG特征提取的方法对样本图像进行特征提取，具体包括以下步骤：

由于拍摄环境差异为减少光照因素和局部阴影对受电弓图像的影响，需要对图像进行归一化处理I(x,y)=I(x,y)gamma,其中(x，y)为图像的像素点；对图像x方向和y方向进行梯度计算，梯度计算是为进一步弱化光照的影响，图像中的像素点(x，y)的梯度为：

根据以上式子，可得到像素点(x，y)处的梯度幅值：

和梯度方向：

通过SVM训练方法对样本图像中的受电弓图像和非受电弓图像进行HOG特征分类，包括对线性可分的样本图像HOG特征点以最优分类线进行分类，以及对非线性可分的样本图像HOG特征点以最优分类超平面进行分类。通过最优分类线，面函数可对受电弓整正、负样本图像进行训练学习，最终得到一个受电弓检测模型。图3、4为该模型在实际运营场景中的运用。

图3 受电弓结构实时监测示意图

图4 受电弓结构异常报警

2.2 弓网燃弧检测

弓网燃弧检测抓药采用紫外探测器对弓网燃弧所造成的光辐射（220～329nm）进行实时监测，能实时监测燃弧的强度、持续时长等参数。

紫外探测器主要利用金属的光电发射效应结合电子繁流理论。将传感器的阳极和光电阴极加载电压形成电场。在其作用下电子被加速撞向阴极，产生更多的电子。这一过程循环往复，在阳极和光电阴极之间就会迅速形成很大的电流并产生放电。原理如图5。

图5 紫外探测器原理示意图

紫外探测器由光敏元件和信号处理模块组成。当光敏元件接收到燃弧发生所释放得大量紫外光辐射时，会转换为电脉冲信号，通过信号处理模块处理得到燃弧辐射强度，再根据数据采样情况计算燃弧持续时长，紫外探测器采用一体式设计，自带窄带滤光片，可以在全日盲条件下精确探测，外观如图6。

图6 紫外探测器示意图

通过对燃弧持续时间的检测，结合牵引电流检测实现燃弧率的计算，根据标准EN-50317-2002中关于燃弧率的定义，燃弧率的计算公式为：

其中，tarc是持续时间超过1毫秒的拉弧时间。

ttotal是一段测量时间内电流超过额定电流30%的时间总和。

结果以百分比表示并作为在一定速度下的列车弓网受流质量的一个特性指标。图7、图8为弓网燃弧检测在实际运营中的几个案例。

图7 紫外探测器探测到燃弧时的强度曲线示意图

图8 运行状况燃弧发生时的图片

2.3 接触线磨耗检测

接触网导线呈圆柱状，截面底部为标准圆弧，列车运营过程中接触网导线长时间与受电弓滑板接触摩擦取电导致导线底面磨损，即导线截面底部被被一条横线（磨损表面）截断，根据圆弧和直线的几何关系，可计算磨耗深度。

图9 接触线截面示意图

列车取电方式为弓网摩擦取电，磨损面通常不易氧化，会有较强的反光，在磨损面边界处反光亮度梯度下降非常明显，可用来作为判断边界的依据，磨损接触线如图10所示，A、B两点光照梯度有明显变化，而两点间光照梯度没有变化。识别图像特征提取A、B两点，再利用几何关系求解出磨耗大小w，进而计算出磨损深度a。

图10 接触线截面尺寸示意图

综上所述，接触线磨耗的测量过程有如下几步：

（1）利用图像边缘检测识别算法从左边相机拍摄的图片定位到接触线磨损面和非磨损位置的角点。代入相机标定的内参和外参矩阵可求得左边角点到相机的距离。

（2）同理获取到接触线右侧角点到右侧相机的距离

（3）两个相机安装距离已知，接触线左右角点分别与左右两侧相机的距离已知，由几何参数测量结果可知接触线与相机的连线和水平位置的夹角。

（4）由以上已知条件可计算出左右两侧角点相对于XYO坐标系的坐标位置，可以判断接触线是否存在偏磨现象。

（5）代入接触线的直径可求得接触线磨耗。

2.4 硬点检测

图11 接触线磨耗检测示意图

图12 接触线三维形貌复原示意图

接触线硬点采用非接触式，通过硬点检测相机以恒定1000fps帧率进行拍摄，每一帧间隔的时间都相同，对每一帧进行受电弓弓头的定位，对比前后两帧之间弓头的高度差，由高度差和时间的二次积分可以推算出受电弓在纵向位置的加速度。当加速度超过额定的数值时，则定义为该位置存在硬点。

根据实测车辆平顺运行无硬点时，垂向加速度不大于0.3g（g为重力加速度），而出现硬点时振幅会超过250mm，垂向加速度会超过4g。

3 结语

新型弓网在线监测系统通过新增的弓网结构检测、燃弧检测、接触线磨耗检测以及弓网压力和硬点检测等多维度检测，能够全面覆盖检测弓网运行异常状态，极大提高了城市轨道交通运营安全监测和管理维护效率。通过长期数据收集并基于大数据分析，可逐步实现对轨道交通列车受电弓和接触网的状态智能诊断，为智慧交通建设开辟新思路。