相机设备在城市轨道交通弓网监测中的应用及分析

何东江

（兰州市轨道交通有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 列车受电弓监测概念

城市轨道建设在不断发展当中，许多城市的城市轨道交通渐渐形成网络，为人们的出行提供便利。城市轨道交通车辆是城市轨道交通的载客主体，车辆的安全性、高效性、稳定性则是车辆运行的基础保障，作为从接触网取流，为列车提供电能的高压集电系统在车辆运行中尤为重要。

直流牵引供电方式是城市轨道交通运行车辆采用的主要供电方式，在这当中车辆的受流设备分为受电弓和集电靴2种形式，即受流设备是车辆的正极，而回流设备便是车辆的负极。以地铁列车常用的受流设备受电弓为例，地铁列车利用安装在车顶的受电弓从架空接触网系统[1]获得电能，以牵引列车运行。它通过绝缘子安装在地铁列车的车顶上，是一种铰接式的机械构件。当受电弓升起时，碳滑板与架空接触网系统直接接触，从架空接触网系统上受取电流，并通过车顶母线传送至地铁列车的内部，供列车使用。在列车运行时受电弓最重要的特性是设计的时候要满足车辆在各种的轨道状态下车辆受流设备要和架空接触网系统具有良好的接触状态和接触稳定性，保障轨道车辆在整个线路速度范围内车辆受流设备都必须具备良好的动力学性能，包括最大可运行速度和最大规定逆风时具有良好的空气动力学特性。

作为列车安全运行的重要设备，从故障预防、故障检修、设备保养的角度出发，运用各种设备对受电弓及架空接触网系统进行监测，对监测数据的记录和分析，通过数据间的异常来判定故障的原因，为设备的检修和维护提供数据基础。

2 受电弓监测设备

弓网监测系统能够有效地监测出受电弓与架空接触网系统之间的异常，弓网监测系统对弓网数据进行信息储存，将实时数据接收并反馈给地面服务器，经过特定的专业系统统计，分析采集到的数据，配合现场查看确定故障原因，为检修提供数据资料。

接触网系统分为架空供电轨和架空接触网系统，地铁正线常用架空供电轨；架空接触网系统则分布于车辆段场及出入段场线路。因线路、环境条件的不同对受电弓及接触网的监测包含区域固定监测和列车实时监测，以此来对接触状态和接触稳定性监测。

3 弓网监测系统设备分类

弓网监测系统[2]是安装于列车上的由多个设备组成的集成设备，从结构和安装布局总体分为车顶监测设备、车内数据处理设备和地面服务器。

弓网监测系统通过摄像头或相机对弓网成像、拍摄弓网红外热成像图片、采集弓网燃弧紫外光子数量和密度、有效定位接触网系统悬挂装置的位置、拍摄接触网系统悬挂图像、多次测量悬挂几何参数、对采集的数据缺陷进行识别、对有效数据分析和存储数据，提供数据的汇总报告、形成有效的数据库。

3.1 车顶监控设备

车顶监控设备是通过加装在车顶受电弓附近，监测范围内可以通过受电弓状态检测、接触悬挂检测、接触网检测的模块。将弓网监测的数据通过车顶的设备将此项数据传输至列车相应的模块当中。实现对受电弓实时图像及热红外图像实时采集分析功能；对接触线图像进行采集分析，对接触网系统悬挂图像进行采集分析；对受电弓紫外光子进行统计；对受电弓滑板磨耗、中心线偏移、受电弓工作压力等关键性参数的在线监测和对车顶异物、车顶关键部件缺失、变形等异常检测功能。

3.2 车内数据处理设备

在每个受电弓所在车厢内，安装一个服务器，对车顶处理单元传输的各项数据进行接收汇总，通过车辆信号接口，将图像压缩、存储、显示、缺陷实时分析、报警等各类信息传输至车辆系统中，通过人机显示界面显示直观数据，人员可以实时进行观测。

3.3 地面服务器

地面服务器通过安装于线路上的定点设备将车辆上已采集、压缩的图像下载传输至相对应的软件系统当中，软件系统将信息传输到控制中心、车辆段场、车站控制室所在的接收服务器当中，通过相应的软件进行再次深度分析处理及历史结果对比分析，得出输出缺陷报表等数据。

4 主要设备介绍

4.1 摄像头实时监控

摄像头实时监控是在车顶受电弓平台位置加装一个独立的摄像头如图1所示，列车带电状态时启动，可以对受电弓的状态及列车运行时受电弓与接触网系统的接触状态进行实时动态拍摄，通过客室媒体网关将模拟视频图像数字编码，通过列车以太网络传输至司机室媒体服务器存储并在显示器上显示，实时监视受电弓情况及数据备案查询。

图1 摄像头安装位置

4.2 远红外相机

远红外相机在列车运行当中对受电弓、接触网系统进行拍摄，形成热成像，监测受电弓碳滑板与接触网接触状态的位置，在城市轨道车辆带电后远红外相机可以对受电弓实时拍摄，实时观测弓网温度的变化，检测出弓网温度的异常点。优点在于其具备较高的分辨率和采样频率，能够在温度图像上运用图像处理方法分辨出线夹、定位器等接触网设备的形状，在列车允许最大速度范围之内可以清晰采集到所需要的设备动态红外图像。

以常见的红外检测设备在城市轨道车辆上的实验为例：测试时闭合设备电源，启动图像数据采集模块、图像软件；通过操作软件，判断红外热像仪是否可以拍摄热成像图片；利用可检测的物体为模拟物，模拟出一定的温度值，取30 ℃和60 ℃，通过红外测温模块检测模拟物的温度是否和检测的温度一致。结果判定：能正常拍摄热成像图片，并输出温度检测值，误差在2 ℃范围内。

4.3 线阵相机

线阵相机[3]是利用一台或多台相机对同一物体进行连续扫描，有着检测连续的特性，虽然成像为二维图像，但二维图像有极大的长度和宽度，被测视野为细长的带状检测，有着极大的视野精度，可以通过激发装置多次激发相机，进行拍照，再将所拍下的多幅“条”形图像，合并成一张巨大的图。

将2个线阵相机放置于车顶受电弓两侧，分别在左右两侧对接触悬挂进行拍摄，条形光源安置在相机中间，通过分析接触网在两个线阵相机的位置，利用双目视觉原理，计算接触网几何参数。采用线阵相机对运行线路的刚性悬挂沿线装置成像。再配合智能识别算法，可以自动查找出悬挂装置存在的安全隐患。

4.4 离线燃弧检测

根据弓网关系调研数据显示，弓网设备的主要故障存在于弓网燃弧[4]，弓网燃弧后的结果主要体现在2个方面：

（1）在弓网燃弧发生时，会影响弓网的受流质量。

（2）在弓网燃弧发生时，会磨损接触网线和增加碳滑板磨耗，影响弓网运行关系。

通过对太阳光和燃弧弧光光谱的采集数据分析，通过日盲紫外检测手段，既能完成对线路运行时的燃弧检测，又不受外界运行环境的干扰。通过采集日盲紫外镜头汇聚燃弧日盲紫外光子，将日盲紫外光子引导到日盲紫外传感器上，经过日盲紫外光子撞击探测仪产生电信号，采取电信号的比对，实验显示每一次出现光子强度尖峰就意味着会发生一次燃弧。而且产生的尖峰越高，则相对应燃弧的强度就会越大，同一时间产生的尖峰越宽，则表明燃弧时间越长。

4.5 图像线扫技术

在车辆行驶的开阔区域，架设一座动态监测装置，在动态条件下对车辆进行图像线扫。图像线扫技术是对车型和关键部件进行结构分析，使用计算机形成各种车辆车顶结构的概念信息、数据模块，来自动获取车顶和车侧、车顶走行部的高品质图片，使计算机形成各种车辆车顶结构的概念信息、数据模板。在实际检测过程中，通过对目标物体的结构分析，判断目标物是否存在异常，从而来判断分析的设备是否存在异常。

5 基础设备研究分析

5.1 线路条件和环境因素对相机的设备运行影响

以常用的相机为例，相机在城市轨道车辆弓网监测当中使用的范围相当广泛，相机拍摄的高清图像质量在数据采集分析环节中起着很大的作用。因线路条件的不同，大部分的城市轨道设计为地下轨道，但因地域条件限制或城市设计也存在地上轨道，这种不确定的条件会对相机拍摄图片的明暗存在着一定的影响。

相机所拍图片明暗因素有多种，一部分是环境导致的，一部分是相机本身导致的。

环境因素方面主要取决于光照情况以及物体对光照的反射情况，为不太依赖于自然光，一般拍照设备都附有专用光源对其所拍物体进行补光，不同的物体其表面的吸光性能也有所不同，但在实际应用中不能对所拍物体进行干预，所以不对其进行讨论。为避免自然光影响过大，给设备增加补光光源以达到在黑暗的环境中能清晰拍摄到所拍物体，但在环境光照强烈的场景，物体的反射光会连同补光光源的光照一起反射给相机，不同的环境光照物体的反射光也不尽相同。但物体本身的反光性能不能左右，能控制所拍图片的明暗程度就只能由相机本身因素确定。

5.2 不同线路条件下的相机调试与分析研究

对相机调试的研究分析主要体现在进光量（镜头光圈的调节）、曝光时间（成像靶面对光照的积分时间）以及模数转换时的物理增益（相对于转换为数字量后的数字增益）。数字增益可在图像处理上实现。若采用固定的曝光量，固定的曝光时间，则无法满足环境光变化过大的光照环境（隧道口，站区），且增加增益会导致图片的噪点（一些信号中不带有信息的干扰）增加，为保障图片的质量就只能是调节相机的曝光时间（镜头一般使用工业级镜头采用固定光圈）。

为适应不同的环境光照情况，相机需使用动态的曝光时间设置。动态曝光时间可以通过前一张或是前几张图片的明暗信息计算出当前照片需曝光的时间。但在环境光突变（隧道口，站区）时前后图片的明暗程度会出现较大的落差，此时再通过前几张图片的信息判断当前张图片的曝光时间不再适用，且可能会出现因曝光时间不合适导致的图片全白（过爆）或图片全暗情况。为避免出现自动调节的曝光时间过长或过短情况，在自动调节曝光时间上需增加一个范围，自动曝光时间只能在区间内进行调节，使得图片不会太暗或是太亮。为规定自动曝光时间的区间，需计算出相机所设置的最大曝光时间和最小曝光时间。

（1）最大曝光时间和最小曝光时间计算在调试前给相机默认最大曝光时间和最小曝光时间，并统计设备运行之后一段时间（争取覆盖全线路各种情况）的自动曝光时间值和所拍图片的明暗程度。通过对最亮的照片和最暗的照片所对应的曝光值进行对比分析后，调节最大曝光时间和最小曝光时间，调节时不能幅度太大，可遵循PID调节（经典控制理论中控制系统的一种基本调节方式，是具有比例、积分和微分作用的一种线性调节规律），最终全线路能达到最好的拍照效果。

（2）实现软件链接到相机，按相机触发频率采集图像。软件每间隔0.5～1 s抽取一张图像交由算法处理，算法将返回当前图像需要调整的绝对曝光值。软件得到绝对曝光值后，将该值与相机当前的曝光值传给算法，算法将返回曝光需要调整到的目标值；软件设置相机的曝光为算法返回的值。相机是一种高频采样设备，频繁设置曝光，会使拍摄图像的噪声非常大，拍摄效果较差。因此不能把图像都交给算法处理，并设置曝光。根据大量的实践经验抽取最后一张图像，调用算法处理，并设置曝光，这样动态调整曝光，达到的拍摄效果最好。

6 结论

车载弓网监测设备是弓网监测技术的基础，文章对车载弓网监测中的相机运用进行简述，并进行实验分析，相机在城市轨道车辆弓网监测系统中有着重要的位置，其以最直观的图像方式体现弓网关系，在列车上的调试可以看出，线路条件不同、环境因素的不同，采取相对应的基础设备来监测，可以使采集的数据更加贴合线路需求，从而更好地为弓网检测提供参考。