基于3D相机的接触网导线磨耗测量方法分析

吴旭东

（北京地铁供电分公司，北京 100000）

0 引言

接触网是电力机车不可缺少的重要组成部分，旨在为电力传输全程提供保障，减少质量问题，控制负面影响，长时间使用后会使得接触线严重磨损。若不及时更换，不仅会影响供电质量，而且可能引发安全事故威胁人员生命安全。因此，对接触网进行检修时需做好损耗检测工作，结合实际情况，采取科学有效的测量方式，打破传统测量模式的限制，提升测量效率，保证测量质量，提高测量结果精准度，从而延长接触网生命周期，优化应用效果。

1 接触线概述

1.1 接触线特性

接触网是牵引供电装置的重要部分，目的是满足电力机车行进途中的用电需求，为避免电力传输过程中接触网的摇晃，接触网布置过程中需同步安装支撑架、接触悬挂等部件，利用承力索和吊弦提升接触网稳定性，保证其平稳性。依据接触线材质以及规格设计线路沟槽，使接触线与线夹紧密贴合。接触线是电力传输主要材料，其性能与特点具体如下：

第一，无论是铜线还是铜合金接触线，都要保证其表面的平整清洁，不能存在任何质量问题，包括缝隙、斑点等。第二，材料需具备较强抗拉能力，实际拉断力不得少于54kN，能承受频繁振动产生的作用力。第三，导电能力较强，弓网受流特点突出，可减少传输阶段能耗。第四，拥有良好耐热能力，整体硬度较高，不因高温环境而软化。第五，拥有良好防腐蚀能力，而且材料膨胀系数不能过高，以保证稳定性。

但是，接触线理化性能无法同步提升，纯铜制成的接触线虽然导电效率较高，可有效抵抗外部条件腐蚀，但耐磨能力不佳，高温环境下易出现形变现象，且抗拉能力较低。一般情况下，这类接触线主要用于低速铁路中。接触线制备过程中，厂家经常使用不同技术和材料，推出不同类型接触线，通过这种方式优化接触网性能，尽管当前的接触线优势显著，但实际应用中依然存在问题，因此新型接触线研发受到相关各界高度关注。

以形态作为依据，可将接触线分为铜合金以及钢铝两类，前者多为圆形，而后者大多设计为倒梯形，以减少空气与材料之间接触，强化接触网耐腐蚀性，提高接触线强度。

1.2 接触线磨耗分析

供电类导线旨在为电能传输提供保障，接触网运行过程中必然与空气摩擦，频繁振动，受自然条件干扰，工作张力持续扩张，如果受电弓与接触线之间的接触压力超过安全范围，会加剧弓网间机械损耗，接触线与受电弓之间接触出现异常后，有很大概率出现火花或电弧等情况，且电气损耗持续加剧。电流不断增大使温度持续升高，而高温会使接触线软化，进而继续增加接触线磨耗，接触线横截面积随即减少，接触线承载流量也会因此下降，接触线抗拉强度随之降低，难以保证电力传输安全，长期使用下会引发更为严重的问题。

在接触网运行过程中可采取有效措施适当减少接触线磨耗，一般情况下主要从以下2 个方面减少接触线磨耗。其一，对受流加以调整。电力机车始终处于行驶状态，因此会持续生成振动作用力，对弓网结构加以调整，不仅可提升稳定性、保证受流，同时可避免离线火花等情况，减少电气传输过程中的损耗。其二，改进接触网安装方式，接触网跨距较大情况下，可向线索和接触线施加一定压力，或者调低接触网实际密度，两者均可减少摩擦造成的损耗。此外，可在接触网安装过程中引入新型材料，与受电弓之间始终保持摩擦平衡，控制接触网运行阶段损耗。

为降低接触网运行过程中安全事故发生概率，设计过程中应考虑材料耐磨能力。正常情况下，接触线生命周期约为9 年。此外，定期对接触线进行全面检查，了解接触网损耗情况，如果接触线累积损耗面积超过额定标准，必须立即更换接触线；反之，只需对磨损部分进行修复。

2 3D 相机测量技术

基于视觉衍生的结构光三维测量技术是测量技术不断发展出现的新型技术手段，测量精准度较高，因此得到广泛应用。

2.1 系统相机标定技术

相机采集的数据是以二维方式处理三维物体之后得到的产物，而计算机视觉则是基于二维产物获取目标三维信息。系统相机标定旨在将图像各像素点坐标与实际空间坐标相联系，创建虚拟模型，根据坐标进行计算，这一过程即相机标定。一般情况下，这一技术应用过程中需采集目标规模、尺寸等条件，由此确定具体模板，通过模板进行参数计算。另外，此标定方法可实现计算目的，这种方式灵敏性较为突出，无须创建特殊标定模板，只要收集环境信息即可实现标定目标。

2.2 图像预处理技术

数字图像处理是基于需求对采集的数字图像要素进行计算，由此获得满足需求的图像。这一技术应用范围广泛，也是图像处理流程中的重要环节。图像收集过程中，受相机内部部件、外部环境条件以及采集目标等方面因素影响，存在成像清晰度不足或者成像不够完整的问题，如果利用这些图像资料进行后续作业，会降低操作精准度，使测量结果缺乏真实性与可靠性。另外，利用图像预处理技术可将采集图像划分多个区域，剔除需求之外的图像区域，保留所需区域，提高作业效率的同时减少工作量。

2.3 结构光图像解相位技术

解相位技术是通过大量结构光图像组合形成的产物获取目标三维信息，进而开展一系列测量，这是采集测量目标三维数据信息的核心环节。除了点、线两类光源之外，任何光线投射到物体表面之后都会依据某种规律形成图像，即光栅场，从空间角度来看，这一现象又被称作相位。解相位技术收集已经形变的光栅场，基于形变创建关系，由此采集目标三维数据信息。通过点光源开展测量工作时，需对图像进行深入分析，确定解出点具体位置；利用线光源进行测量时，需通过计算确定图像内部中心线所在位置；通过光栅进行测量时，相位虽然分布在物体表面但具有连续特点，因此每次投影后都可以得到某一平面基本信息，测量效率得到大幅度提升。经过长期发展，条纹图像解相呈现多样化特点，包括傅里叶轮廓变换技术、莫尔条纹技术等。

2.4 三维数据生成与输出

对结构光线图进行解相位处理所得到的结果是平面内大量离散点组合之后形成的点云。依据结构光类型差异以及扫描方式，点云可细分为无序排列、非几何点云、线点云、规律点云、三角点云等。为降低数据测量难度，提高数据测量效率，一般需要对收集的电源进行专项处理，如简化、分割等。若采集数据精准度较高且更为真实，可基于三维技术设计模型，依据模型开展相应设计工作。

3 接触网导线磨耗测量

接触网导线损耗测量过程可细分如下步骤：第一，利用3D 相机采集反射光形成的磨损接触图像，这一环节效果主要取决于相机硬件性能以及基于数据创建的模型。第二，利用相机对收集的图像数据进行预处理，剔除冗余信息，保证图像质量，进而提高辨识率。第三，依据边缘部分进行提取，强化测量系统稳定性，提高测量结果精准度，不仅操作难度较低且较为灵活[1]。

3.1 图像滤波方法

3.1.1 递归逼近高斯滤波

相机在收集图像时会受到不同程度的干扰，导致采集的图像包含多种噪声，如环境振动、自然光线等，影响测量结果准确性，增加测量数据误差范围，面对这种情况需确定噪声类型以及来源，比较后采取针对性方式控制图像噪声。常规情况下，影响图像质量的噪声源多样，详情如下：第一，暗电流噪声。在电信号和光信号缺少的情况下，相机内MOS 电容器处于深度消耗状态，生成的热生载流子均集中于势阱，以致测量全暗阶段相机依然存在电流，这类电流被称作暗电流，由此生成的异响包括热噪和乱真电荷，前者随工作环境温度变化而改变，后者与驱动时钟有密切的联系。第二，散粒噪声。散粒噪声是光线汇入光敏感区域后形成的产物，3D 相机光敏传感器运行过程中会产生一定信号电荷，两者之间的差距可以视作散粒噪声源头，与电频并无直接关系，源自零件运行过程，无法借助电路降低噪声。并且，噪声大小和电流强度与光线强度之间保持正比例关系，信噪比例会随信号质量提高而上升，属于高斯分布范畴。第三，输出噪声。其包含复位噪声和1/f 噪声，源自测量电路，信号传输速度增加之后噪声呈上升趋势。因此，在零件工作频率较高情况下，噪声尤为突出，干扰图像采集并降低图像质量。

上述均是3D 相机采集图像资料过程中经常出现的噪声，另外，还存在环境噪声，这类噪声是太阳、空气等因素导致的[2]。当前，噪声处理方式繁多，处理方法多样，有效的图像预处理可提取磨损边缘部分包含的数据信息，常规噪声处理方法包括中值滤波、高斯滤波，各种方法优势显著，效果不同。以中值滤波为例，这种方式较为简单，使用前需确定相应模板，模板由邻近像素构成。

3.1.2 小波变换去噪法

这一方法对采集图像进行转换处理，改变图像对应空间域，对变换后的域系数进行处理，直至反馈至空间域，以此清除图像包含的噪声。严格来说，小波变换、傅里叶变换等都可视作适用于空间域变换的滤波方式。傅里叶变换应用广泛，可通过深入分析确定信号频域，掌握信号特点，但这种方式无法广泛应用，难以动态呈现信号频域分布情况[3]。与傅里叶变换相比，小波变换效率更高，而这种方式依旧无法广泛应用，但能依据需求调整参数，可获取多个分辨率，在突变信号以及特殊信号分析方面效果突出，因此该方法常用于剔除采集图像包含的噪声。常规情况下，测量过程中主要使用低通滤波进行去噪，但在实际测量中发现，该方法不仅会将噪声剔除，也会清除可用信息，影响图像质量。小波变换可以清除图像噪声，保障图像资料质量，因此受到高度重视。

鉴于小波变换去噪法针对不同小波系数具有不同规则，其可细分为以下几类：一是模极大值去噪法，基于不同尺度的小波系数设计信号。经这种方式形成的信号与噪声奇异性之间存在明显差异，模极大值较为特殊，处理后可对信号加以调整，或起到抑制大值点的作用。如果图像受白噪声干扰且奇异点数量较多时，可借助模极大值剔除其中噪声，其对噪声的依赖性较小，对低信噪比的信号也能实现很好的滤波效果。二是基于各尺度间小波系数相关性去噪，小波变换后的信号在各尺度间具有较强的相关性，噪声却无明显相关性，并且噪声主要集中在小尺度层次中。这一方法的去噪效果较稳定，适用于高信噪比信号，缺点是计算量大，并且需要事先估计噪声方差[4]。三是小波阈值去噪法，信号产生的小波系数包含信号重要信息，并且幅值较大，噪声的小波系数幅值小，通过在不同尺度上选取合适阈值，采取相应的保留抑制措施，以小波逆变换实现滤波目的。阈值滤波方法简单、计算量小，应用广泛，但是阈值的选取相对困难，并且去噪效果与信号的信噪比关联较大。根据阈值函数的不同，又有硬阈值函数和软阈值函数之分。相机接收到一维接触线图像后，为方便查看，截取像素点，大部分像素区间为灰度最小值，并存在波动，只有在磨耗处聚光反射，证明该区间像素灰度值较大，且在该区间内部光强分布不均。

3.2 边缘点检测识别

为收集接触网边缘点要素，需分析受损分布情况及其特点，具体操作过程中需基于机器视觉的方式加以处理。正常情况下，边缘检测算子可细分为一阶段和二阶段两类，前者的边缘算子各有优缺点，例如，Roberts 边缘算子的优点在于能提升定位精准度，但易受到噪声干扰；Canny 边缘算子能将图像内噪声完全清除，保证检测结果质量[5]。后者的边缘算子大多基于灰度变化均匀进行定位，以Laplacian 算子为例，其向同性较为特殊，但易受到噪声影响，因此实际应用过程中主要借助该算子改进形式，即基于高斯型平滑函数进行计算，弱化二阶导数造成的负面影响。

对3D 相机接触线磨耗测量系统来说，边缘点检测具有十分重要的作用。目前，阈值比较法应用较为广泛，其通过灰度最大值和最小值确定测定阈值，基于信号交接部分设计阈值范围。劣势是噪声会影响测量精准度，为规避这一情况，可调用拟合窗口与最小二乘法拟合直线，随后利用截交拟合直线收集交集部分数据。因该方式对检测精度具有较高要求，故此必须对比，深入分析。

4 结语

随着科学技术水平不断提升，计算机、机器视觉技术等应用广泛，基于成像设备衍生的非接触测量模式得到广泛应用，尤其是铁路检测方面。基于3D 相机选用适当技术手段对接触网导线磨耗进行测量，可以提高损耗测量效率，保证测量结果精准度，规避常规测量方式带来的问题，确保牵引供电安全，延长接触网生命周期。