【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 情況計(jì)算拉出值，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)技術(shù)的重大突破。 a)德國(guó)接觸網(wǎng)檢測(cè)姨置 b)國(guó)產(chǎn) JJC 一 1 型接觸網(wǎng)檢測(cè)裝置 圖 1— 1 典 型接觸式接觸網(wǎng)榆測(cè)裝置 圖 1— 1 典型接觸式接觸網(wǎng)榆測(cè)裝置接觸式檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，能夠同時(shí)測(cè)試接觸線幾何參數(shù)和弓網(wǎng)接觸的動(dòng)力學(xué)參數(shù)：測(cè)試得到的弓網(wǎng)接觸壓力動(dòng)態(tài)曲線，能夠詳細(xì)刻畫弓網(wǎng)接觸運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過(guò)程，較好地反映接觸線的受流特性。但也存在一些問(wèn)題，如由于放大器存在溫度漂移，高壓端微弱傳感信號(hào)放大后受溫度影響加劇，動(dòng)力學(xué)測(cè)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(dòng)的離線增多，電磁干擾嚴(yán)重，檢測(cè)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(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng) 目前世界上，開展非接觸式檢測(cè)研究實(shí)踐的主要有德國(guó)、意大利、日本、奧地利和韓國(guó)等國(guó)家，重點(diǎn)測(cè)試接觸網(wǎng)幾何參數(shù)。其中最具代表性的是德國(guó)基于圖像處理的接觸網(wǎng)檢測(cè)裝置。 德國(guó) BB 公司于 1982 年開始進(jìn)行接觸網(wǎng)非接觸式檢測(cè)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(gè) CCD(ChargedCoupledDevice)攝像機(jī)和 3 個(gè)聚光燈，通過(guò)伺服跟蹤移動(dòng)，使接觸線在 CCD 攝像機(jī)中成像，然后通過(guò)實(shí)時(shí)圖像處理，計(jì)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(cè)。 2021 年，采用高分辨率攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)了接觸線磨耗測(cè)量。該檢測(cè)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(cè)裝置 目前，我國(guó)基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)主要是在德國(guó)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。由車頂安裝的兩臺(tái)線陣 CCD 高速攝像機(jī)將接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)圖像拍攝下來(lái)，經(jīng)過(guò)圖像采集設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)二值化、模式識(shí)別等圖像處理手段，分析計(jì)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(cè)系統(tǒng)無(wú)需在受電弓上安裝傳感器，系統(tǒng)安全性好；檢測(cè)裝置置于車頂，安裝調(diào)試方便且遠(yuǎn)離電磁干擾，檢測(cè)精度較高：有 無(wú)受電弓均可檢測(cè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)工作，普及應(yīng)用前景廣闊。但因?yàn)槟繕?biāo)識(shí)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(cè)，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(cè)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(cè)系統(tǒng)是建立在包括模糊圖像識(shí)別和圖像處理等視覺技術(shù)基礎(chǔ)上的檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括線陣 CCD 攝像機(jī)、照明光源和終端計(jì)算機(jī)處理三個(gè)子系統(tǒng)。檢測(cè)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(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)按照不同要求進(jìn)行分析處理，自動(dòng)生成分析報(bào)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(duì)接觸線進(jìn)行線掃描成像和簡(jiǎn)單的信號(hào)處理，并將處理結(jié)果通過(guò) USB 高速接口發(fā)送到終端計(jì)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(hào)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(lái)，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(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的拍攝 。因其光譜響應(yīng)寬、動(dòng)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(dòng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、堅(jiān)固耐用、壽命長(zhǎng)、圖像畸變小、無(wú)殘像、可以長(zhǎng)時(shí)間工作于惡劣環(huán)境、便于進(jìn)行數(shù)字化處理和與計(jì)算機(jī)連接等諸多優(yōu)點(diǎn)，在圖像采集、非接觸測(cè)量和實(shí)時(shí)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(cè)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(chǔ)、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)讀出功能。通過(guò)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(shí)間順序分布的視頻電壓信號(hào)。其工作過(guò)程如下： (1)光電轉(zhuǎn)換當(dāng)目標(biāo)圖像經(jīng)過(guò)光學(xué)物鏡成像在 CCD 傳感器光敏面上時(shí)，光敏元把入射光量子按比例轉(zhuǎn)換成光生電荷。這個(gè)時(shí)期稱為光積分期，也稱為曝光期。 (2)電荷存儲(chǔ)在光積分期同時(shí)，光敏元下面的勢(shì)阱收集和存儲(chǔ)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(guò)轉(zhuǎn)移脈沖將勢(shì)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(hào)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(gè)光生電荷被依次轉(zhuǎn)變成相應(yīng)信號(hào)，再經(jīng)合成電路得到視頻信號(hào)。輸出信號(hào)可接示波器、圖像顯示器或其它信號(hào)存儲(chǔ)處理設(shè)備，進(jìn)行信號(hào)再現(xiàn)或存儲(chǔ)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(shí)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(duì)被測(cè)圖像信息進(jìn)行快速采樣、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理。 又由于線陣CCD 測(cè)量精度和掃描頻率很高，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)檢測(cè)中備受青睞。 本次所研究系統(tǒng)中采用的是德國(guó) 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(tái)攝像機(jī)分散傾斜安裝于車項(xiàng)兩側(cè)，相對(duì)于車頂中心線對(duì)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(tái)功率 500W 聚光燈組成。兩臺(tái)聚光燈位于兩攝像機(jī)中間，相對(duì)車項(xiàng)中心線對(duì)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(tái)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(dòng)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(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)和相關(guān)處理軟件組成。軟件設(shè)計(jì)采用 SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)攝像機(jī)圖像拍攝速度、曝光時(shí)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(tái)線掃描攝像機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的掃描圖像，用圖像預(yù)處理軟件來(lái)區(qū)分背景和目標(biāo)，通過(guò)計(jì)算軟件獲得接觸線的高度和拉出值。 (3)實(shí)時(shí)監(jiān)視 并記錄檢測(cè)的整個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的回放、檢索、生成報(bào)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(shí)別 對(duì)采集圖像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的基本前提是對(duì)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(gè)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(lái)，以便于進(jìn)一步處理。在具體應(yīng)用中，分割是對(duì)圖像進(jìn)一步分析、識(shí)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(jiǎn)單，同時(shí)也是應(yīng)用最廣泛的分割技術(shù)。它具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、計(jì)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(jí)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(jiǎn)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(duì)每個(gè)閥值段對(duì)應(yīng)的灰度圖像各像素灰度值通過(guò)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(gè)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(shí)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(duì)圖像進(jìn)行分割預(yù)處理，將整個(gè)一幀灰度圖像劃分為一個(gè)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(cè)方法 當(dāng)線陣攝像機(jī)與被攝物體在縱向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(guò)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(jì)算方法完成目標(biāo)定位和幾何參數(shù)獲取。檢測(cè)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€(gè)線陣 CCD 攝像機(jī)同時(shí)對(duì)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(duì)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(guò)隧道及背景亮度較低時(shí)，需開啟照明光源，二值化方法相反。 (3)目標(biāo)定位 根據(jù)識(shí)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(jì)算幾何參數(shù) 根據(jù) (21)、 (22)、 (26)、 (2— 9)式計(jì)算，獲得接觸線目標(biāo)的高度和拉出值。 該非接觸式檢測(cè)系統(tǒng)全部項(xiàng)目的檢測(cè)均采用圖像處理的方法，所需信息全部通過(guò)攝像機(jī)直接獲取，具有檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、檢測(cè)設(shè)備無(wú) 磨損、不需要高低電壓隔離、使用壽命長(zhǎng)、易于維護(hù)、不必對(duì)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(guò)試驗(yàn)和結(jié)果分析，目前該檢測(cè)系統(tǒng)能夠完成檢測(cè)任務(wù)，但要更好地適應(yīng)高速檢測(cè)要求，還存在一些問(wèn)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(cè)時(shí)，因光源控制卡控制延遲，可能會(huì)出現(xiàn)因照明光源開閉不及時(shí)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(gè)目標(biāo)時(shí)，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(shí)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(gè)目標(biāo)時(shí)，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(shí)，無(wú)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(cè)系統(tǒng)計(jì)算方法 針對(duì)目前非接觸式檢測(cè)系統(tǒng)需要改進(jìn)和完善的一些問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)自適應(yīng)控制和自適應(yīng)識(shí)別技術(shù)的研究，提出一系列改進(jìn)算法。 平行式定位計(jì)算方法 本次設(shè)計(jì)將檢測(cè)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(duì)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(duì)應(yīng)的定位計(jì)算方法稱為平行式定位計(jì)算方法。 定位算法 根據(jù)接觸線位置相對(duì)于攝像機(jī)鏡頭主光軸位置的不同，其定位計(jì)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(cè)范圍 由于電力機(jī)車受電弓工作高度范圍是 5183mm6683mm，受電弓工