【文章內(nèi)容簡介】 情況計算拉出值，實(shí)現(xiàn)了檢測技術(shù)的重大突破。 a)德國接觸網(wǎng)檢測姨置 b)國產(chǎn) JJC 一 1 型接觸網(wǎng)檢測裝置 圖 1— 1 典 型接觸式接觸網(wǎng)榆測裝置 圖 1— 1 典型接觸式接觸網(wǎng)榆測裝置接觸式檢測系統(tǒng)實(shí)時性好，能夠同時測試接觸線幾何參數(shù)和弓網(wǎng)接觸的動力學(xué)參數(shù)：測試得到的弓網(wǎng)接觸壓力動態(tài)曲線，能夠詳細(xì)刻畫弓網(wǎng)接觸運(yùn)行的動態(tài)過程，較好地反映接觸線的受流特性。但也存在一些問題，如由于放大器存在溫度漂移，高壓端微弱傳感信號放大后受溫度影響加劇，動力學(xué)測試參數(shù)誤差較大：由于傳感器安裝在受電弓上，增大了滑板的附加質(zhì)量，系統(tǒng)安全性降低，同刊．弓網(wǎng)接觸滑動的離線增多，電磁干擾嚴(yán)重，檢測精度受到較大影響；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)保養(yǎng)困難，需要高低壓隔離設(shè)備， 成本較高。 非接觸式動態(tài)檢測系統(tǒng) 目前世界上，開展非接觸式檢測研究實(shí)踐的主要有德國、意大利、日本、奧地利和韓國等國家，重點(diǎn)測試接觸網(wǎng)幾何參數(shù)。其中最具代表性的是德國基于圖像處理的接觸網(wǎng)檢測裝置。 德國 BB 公司于 1982 年開始進(jìn)行接觸網(wǎng)非接觸式檢測裝置的研制，主要采用伺服跟蹤和圖像處理技術(shù)。在車頂線陣布置了 4 個 CCD(ChargedCoupledDevice)攝像機(jī)和 3 個聚光燈，通過伺服跟蹤移動，使接觸線在 CCD 攝像機(jī)中成像，然后通過實(shí)時圖像處理，計算出接觸線高度和拉出值。 1996 年改進(jìn)后，實(shí) 現(xiàn)了全天候檢測。 2021 年，采用高分辨率攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)了接觸線磨耗測量。該檢測裝置如圖 12 所示。 西安科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 8 8 圖 12 德圍非接觸接觸網(wǎng)檢測裝置 目前，我國基于圖像處理的檢測系統(tǒng)主要是在德國技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由車頂安裝的兩臺線陣 CCD 高速攝像機(jī)將接觸網(wǎng)的動態(tài)圖像拍攝下來，經(jīng)過圖像采集設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過二值化、模式識別等圖像處理手段，分析計算接觸線的空間位置，最終得到接觸線的高度和拉出值。 非接觸式檢測系統(tǒng)無需在受電弓上安裝傳感器，系統(tǒng)安全性好；檢測裝置置于車頂，安裝調(diào)試方便且遠(yuǎn)離電磁干擾，檢測精度較高：有 無受電弓均可檢測，結(jié)構(gòu)簡潔、成本較低，除電力機(jī)車外，還能夠安裝在內(nèi)燃機(jī)車和各種軌道檢修作業(yè)車輛上開展設(shè)備檢測工作，普及應(yīng)用前景廣闊。但因?yàn)槟繕?biāo)識別準(zhǔn)確 度和技術(shù)參數(shù)獲取效率還不能很好適應(yīng)高速檢測，故目前尚未普及推廣 。 西安科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 9 9 第 2章 接觸網(wǎng)非接觸式檢測原理 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于圖像處理技術(shù)的接觸網(wǎng)非接觸式檢測系統(tǒng)是建立在包括模糊圖像識別和圖像處理等視覺技術(shù)基礎(chǔ)上的檢測系統(tǒng)，主要包括線陣 CCD 攝像機(jī)、照明光源和終端計算機(jī)處理三個子系統(tǒng)。檢測內(nèi)容涵蓋了接觸網(wǎng)的基本幾何參數(shù)。系統(tǒng)配有功能強(qiáng)大的軟件包，可 對檢測數(shù)據(jù)按照不同要求進(jìn)行分析處理，自動生成分析報告，為設(shè)備檢修工作提供可靠詳實(shí)的技術(shù)數(shù)據(jù)。 線陣 COD 攝像機(jī) 線陣 CCD 攝像機(jī)主要是對接觸線進(jìn)行線掃描成像和簡單的信號處理，并將處理結(jié)果通過 USB 高速接口發(fā)送到終端計算機(jī)處理系統(tǒng)。 1． COD 圖像傳感器 CCD 又稱光電耦合器，是一種以電荷為信號載體的微型圖像傳感器。自 1970 年在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生以來，隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)迅速發(fā)展，像素集成度、分辨率、幾何精度和靈敏度大大提高，工作頻率范圍顯著增加，很好地滿足了對高速運(yùn)動物體的拍攝 。因其光譜響應(yīng)寬、動態(tài) 范圍大、靈敏度和幾何精度高、噪聲低、體積小、重量輕、低電壓、低功耗、抗沖擊、耐震動、抗電磁干擾能力強(qiáng)、堅固耐用、壽命長、圖像畸變小、無殘像、可以長時間工作于惡劣環(huán)境、便于進(jìn)行數(shù)字化處理和與計算機(jī)連接等諸多優(yōu)點(diǎn)，在圖像采集、非接觸測量和實(shí)時監(jiān)控方面得到了廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代光電子學(xué)和測試技術(shù)中最活躍、最富有成果的研究領(lǐng)域之一。 線陣 CCD 圖像傳感器如圖 21 所示，是由線性排列的光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成，具有光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀出功能。通過感受照射在它上面的光的強(qiáng) 弱與色彩，將一幅空間分布的光學(xué)圖像變換成按時間順序分布的視頻電壓信號。其工作過程如下： (1)光電轉(zhuǎn)換當(dāng)目標(biāo)圖像經(jīng)過光學(xué)物鏡成像在 CCD 傳感器光敏面上時，光敏元把入射光量子按比例轉(zhuǎn)換成光生電荷。這個時期稱為光積分期，也稱為曝光期。 (2)電荷存儲在光積分期同時，光敏元下面的勢阱收集和存儲這些光生電荷并形成電荷包，將被攝景物圖像亮度分布轉(zhuǎn)變?yōu)楣饷魠^(qū)下的電荷分 布。 (3)電荷轉(zhuǎn)移在光積分結(jié)束后，打開轉(zhuǎn)移柵，通過轉(zhuǎn)移脈沖將勢阱中的電荷包轉(zhuǎn)移西安科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 10 10 到相應(yīng)的移位寄存器中去。 (4)信號輸出在移位脈沖的作用下，移位寄 存器中的電荷包被依次移出，進(jìn)入相應(yīng)放大電路。每個光生電荷被依次轉(zhuǎn)變成相應(yīng)信號，再經(jīng)合成電路得到視頻信號。輸出信號可接示波器、圖像顯示器或其它信號存儲處理設(shè)備，進(jìn)行信號再現(xiàn)或存儲處理。 a)CCD 芯片 b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 圖 21 線陣 CCD 芯片及其結(jié)構(gòu)示意圖 2． 線陣攝像機(jī) 線陣傳感器攝像機(jī)與其它類型傳感器攝像機(jī)相比，具有較高分辨率和很好的實(shí)時輸出特性。高速線陣傳感器攝像機(jī)掃描一次，可立即將掃描結(jié)果進(jìn)行一次視頻輸出，很容易做連續(xù)處理，非常適合對被測圖像信息進(jìn)行快速采樣、存儲及數(shù)據(jù)處理。 又由于線陣CCD 測量精度和掃描頻率很高，對于高速運(yùn)動物體也能得到高分辨率的圖像，所以在高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)動態(tài)檢測中備受青睞。 本次所研究系統(tǒng)中采用的是德國 FEITH 公司生產(chǎn)的線陣攝像機(jī) OnurisSLIS／2048(如圖 22)。其最大行掃描率達(dá) 20kHz．圖像采集達(dá) 14699 幀／秒，具有很高的掃描和采集頻率。兩臺攝像機(jī)分散傾斜安裝于車項(xiàng)兩側(cè)，相對于車頂中心線對稱布置，攝象機(jī)主光軸所在平面與車頂平面夾角為 60。 西安科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 11 11 a)外觀圖 b)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 2— 2 Onuris 線陣 CCD 高速攝像機(jī) 2． 1． 2 照明光源 本次所研究系統(tǒng)的照明光源由兩臺功率 500W 聚光燈組成。兩臺聚光燈位于兩攝像機(jī)中間，相對車項(xiàng)中心線對稱布置。在機(jī)車進(jìn)入隧道、夜晚以及背景亮度較低的情況下，為攝像機(jī)工作提供照明光源。光源產(chǎn)生的光柱覆蓋車頂兩臺攝像機(jī)視覺重疊部分構(gòu)成的光幕靶，且在光幕靶的范圍內(nèi)照度均衡。光源的照度由光源控制卡控制 ，根據(jù)背景光的強(qiáng)度，自動調(diào)整光源的強(qiáng)度，便于系統(tǒng)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境 。 2． 1． 3 終端處理系統(tǒng) 終端計算機(jī)處理系統(tǒng)由一臺計算機(jī)和相關(guān)處理軟件組成。軟件設(shè)計采用 SQLServer數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)以及 Visualc+6． 0 做為應(yīng)用程序的開發(fā)工具。其作用是： (1)配置攝像機(jī)屬性，滿足系統(tǒng)對攝像機(jī)圖像拍攝速度、曝光時間、圖像信息傳遞同步機(jī)制的要求。 (2)以多媒體技術(shù)與模糊圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，接收前端兩臺線掃描攝像機(jī)發(fā)送過來的掃描圖像，用圖像預(yù)處理軟件來區(qū)分背景和目標(biāo)，通過計算軟件獲得接觸線的高度和拉出值。 (3)實(shí)時監(jiān)視 并記錄檢測的整個過程，實(shí)現(xiàn)檢測結(jié)果的回放、檢索、生成報告和打印。 另外，終端處理系統(tǒng)還具備攝像機(jī)控制故障分析、通信以及光源控制等功能。軟件系統(tǒng)模塊組成如圖 23 所示。 西安科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 12 12 圖 23 軟件系統(tǒng)模塊組成 2..2 目標(biāo)識別 對采集圖像進(jìn)行目標(biāo)識別的基本前提是對圖像進(jìn)行分割預(yù)處理。根據(jù)灰度特征把圖像劃分成若干個互不相交的區(qū)域，使得這些特征在同一區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)出一致性或相似性，而在不同區(qū)域間表現(xiàn)出明顯的不同，進(jìn)而在一幀圖像中，將目標(biāo)從背景中分離出來，以便于進(jìn)一步處理。在具體應(yīng)用中，分割是對圖像進(jìn)一步分析、識別的前提，分割的準(zhǔn)確性將直接影響到后續(xù)任務(wù)的有效性。 閥值法是一種傳統(tǒng)的圖像分割方法，是圖像分割中最基本、最簡單，同時也是應(yīng)用最廣泛的分割技術(shù)。它具有實(shí)現(xiàn)簡單、計算量小、性能較穩(wěn)定等顯著特點(diǎn)，特別適用于目標(biāo)和 背景占據(jù)不同灰度級范圍的圖像，不僅可以極大的壓縮數(shù)據(jù)量，而且也大大簡化了分析和處理步驟，在紅外成像、遙感、醫(yī)學(xué)等很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 圖像閥值化首先是將像素集合劃分為若干閥值段，然后針對每個閥值段對應(yīng)的灰度圖像各像素灰度值通過一定算法得到其特征閥值，以此為標(biāo)準(zhǔn)將圖像分割為兩個部分，分別用 0 和 1 表示。這樣就將原始灰度值變換為二值化特征值，完成了圖像的預(yù)處理，為目標(biāo)識別打下了基礎(chǔ)。 本次所研究的系統(tǒng)是采用全局閥值法對圖像進(jìn)行分割預(yù)處理，將整個一幀灰度圖像劃分為一個閥值段，段內(nèi)各像素灰度值的平均值做為特 征閥值，然后進(jìn)行二值化，完成圖像預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與背景的分離。 檢測方法 當(dāng)線陣攝像機(jī)與被攝物體在縱向相對運(yùn)動時，每次采集都能得到目標(biāo)的一幀二維圖像數(shù)據(jù)，然后通過全局閥值法進(jìn)行圖像預(yù)處理，區(qū)分背景和目標(biāo)，最終利用相交式幾何定位計算方法完成目標(biāo)定位和幾何參數(shù)獲取。檢測主要步驟和功能如下。 (1)圖像采集 西安科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 13 13 安裝在車頂?shù)膬蓚€線陣 CCD 攝像機(jī)同時對接觸線目標(biāo)進(jìn)行掃描，各自得到背景和目標(biāo)混合的灰度圖像。 (2)圖像預(yù)處理 對灰度圖像利用全局閥值法進(jìn)行處理，區(qū)分背景和目標(biāo)區(qū)域，獲取目標(biāo)。晝間背景明亮，其灰度值較高 ，目標(biāo)灰度值較低。采用平均灰度值作為閥值進(jìn)行圖像分割，大于閥值的是背景，二值化為 0，小于閥值的是目標(biāo)，二值化為 1。夜間、通過隧道及背景亮度較低時，需開啟照明光源，二值化方法相反。 (3)目標(biāo)定位 根據(jù)識別的目標(biāo)區(qū)域，找到目標(biāo)中心位置，然后將兩攝像機(jī)采集的目標(biāo)兩兩組合，進(jìn)行空間定位。 (4)計算幾何參數(shù) 根據(jù) (21)、 (22)、 (26)、 (2— 9)式計算，獲得接觸線目標(biāo)的高度和拉出值。 該非接觸式檢測系統(tǒng)全部項(xiàng)目的檢測均采用圖像處理的方法，所需信息全部通過攝像機(jī)直接獲取，具有檢測方法簡單、檢測設(shè)備無 磨損、不需要高低電壓隔離、使用壽命長、易于維護(hù)、不必對受電弓進(jìn)行任何改造以及安全系數(shù)大等一系列優(yōu)點(diǎn) n 引。通過試驗(yàn)和結(jié)果分析，目前該檢測系統(tǒng)能夠完成檢測任務(wù)，但要更好地適應(yīng)高速檢測要求，還存在一些問題需要改進(jìn)完善。 (1)車頂攝像機(jī)傾斜安裝，與車頂平面存在一定夾角，易產(chǎn)生安裝誤差。 (2)采用光源控制卡控制照明光源開閉。高速檢測時，因光源控制卡控制延遲，可能會出現(xiàn)因照明光源開閉不及時而造成目標(biāo)丟失。 (3)當(dāng)背景灰度不均勻以及一幀圖像出現(xiàn)多個目標(biāo)時，采用全局閥值法進(jìn)行預(yù)處理，不能兼顧圖像各處情況而 影響分割效果，容易造成目標(biāo)誤識別或丟失目標(biāo)。 (4)當(dāng)背景中出現(xiàn)烏云、飛鳥、樹陰等干擾目標(biāo)以及一幀圖像出現(xiàn)多個目標(biāo)時，雜亂的目標(biāo)圖使得獲取有效目標(biāo)幾何參數(shù)的效率降低。 (5)特殊情況目標(biāo)圖像出現(xiàn)斷點(diǎn)時，無法獲得該處接觸線的幾何參數(shù)。 西安科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 14 14 第 3章 接觸網(wǎng)非接觸式檢測系統(tǒng)計算方法 針對目前非接觸式檢測系統(tǒng)需要改進(jìn)和完善的一些問題，本文通過對自適應(yīng)控制和自適應(yīng)識別技術(shù)的研究，提出一系列改進(jìn)算法。 平行式定位計算方法 本次設(shè)計將檢測系統(tǒng)中車頂兩攝像機(jī)的安裝方式改為集中水平安裝，對稱布置于車頂中心線兩側(cè)。 攝像機(jī)主光軸所在平面與車頂平面夾角為 90o。，不易產(chǎn)生角度安裝誤差。 由于兩攝像機(jī)水平安裝，其主光軸必平行，故此種安裝方式對應(yīng)的定位計算方法稱為平行式定位計算方法。 定位算法 根據(jù)接觸線位置相對于攝像機(jī)鏡頭主光軸位置的不同，其定位計算可分為接觸線位于 1和 2兩攝像機(jī)主光軸中間、位于 1攝像機(jī)主光軸左側(cè)和位于 2攝像機(jī)主光軸右側(cè)三種情況。 3． 1． 2 檢測范圍 由于電力機(jī)車受電弓工作高度范圍是 5183mm6683mm，受電弓工