【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 接觸網(wǎng)檢測(cè)裝置。德國(guó)研制的接觸網(wǎng)檢測(cè)裝置如圖所示。它是通過在受電弓上安裝壓力傳感器和加速度傳感器，測(cè)試弓網(wǎng)接觸壓力、沖擊加速度(硬點(diǎn))和離線等動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并由受電弓上弓網(wǎng)接觸壓力的分布情況計(jì)算出拉出值，由受電弓框架轉(zhuǎn)軸的角位移計(jì)算出接觸線高度。我國(guó)目前主流的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置也屬于這種方式，是以日本技術(shù)為基礎(chǔ)，后借鑒德國(guó)技術(shù)發(fā)展起來的。1962年，鐵道部科學(xué)研究院裝備了第一輛接觸網(wǎng)檢測(cè)車，當(dāng)時(shí)僅能檢測(cè)導(dǎo)線高度和弓網(wǎng)間的大離線。1980年研制出滿足80km/h運(yùn)營(yíng)的接觸網(wǎng)檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了離線、偏移、高度等主要項(xiàng)目的檢測(cè)。1998年12月，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院研制成功接觸網(wǎng)檢測(cè)車(如圖所示)，基本滿足160km/h準(zhǔn)高速鐵路接觸網(wǎng)檢測(cè)的需要。車頂配置一臺(tái)受電弓，受電弓滑板卜安裝有檢測(cè)接觸壓力、加速度、拉出值等多種傳感器。后來，取消了受電弓上的拉出值傳感器，根據(jù)受電弓上弓網(wǎng)接觸壓力的分布情況計(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(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。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?！　〉聡?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，通過伺服跟蹤移動(dòng)，使接觸線在CCD攝像機(jī)中成像，然后通過實(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)。2000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。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，經(jīng)過圖像采集設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過二值化、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。第2章 接觸網(wǎng)非接觸式檢測(cè)原理基于圖像處理技術(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，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?！　【€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(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，通過轉(zhuǎn)移脈沖將勢(shì)阱中的電荷包轉(zhuǎn)移到相應(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。 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(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。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，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?！　￠y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?！　D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)?！　”敬嗡芯康南到y(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。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?！　≡摲墙佑|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)，無法獲得該處接觸線的幾何參數(shù)。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)和完善的一些問題，本文通過對(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。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