【文章內容簡介】 接觸網(wǎng)檢測裝置。德國研制的接觸網(wǎng)檢測裝置如圖所示。它是通過在受電弓上安裝壓力傳感器和加速度傳感器，測試弓網(wǎng)接觸壓力、沖擊加速度(硬點)和離線等動力學參數(shù)，并由受電弓上弓網(wǎng)接觸壓力的分布情況計算出拉出值，由受電弓框架轉軸的角位移計算出接觸線高度。我國目前主流的接觸網(wǎng)動態(tài)檢測裝置也屬于這種方式，是以日本技術為基礎，后借鑒德國技術發(fā)展起來的。1962年，鐵道部科學研究院裝備了第一輛接觸網(wǎng)檢測車，當時僅能檢測導線高度和弓網(wǎng)間的大離線。1980年研制出滿足80km/h運營的接觸網(wǎng)檢測裝置，實現(xiàn)了離線、偏移、高度等主要項目的檢測。1998年12月，西南交通大學電氣工程學院研制成功接觸網(wǎng)檢測車(如圖所示)，基本滿足160km/h準高速鐵路接觸網(wǎng)檢測的需要。車頂配置一臺受電弓，受電弓滑板卜安裝有檢測接觸壓力、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算拉出值，實現(xiàn)了檢測技術的重大突破。 a)德國接觸網(wǎng)檢測姨置 b)國產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)接觸的動力學參數(shù)：測試得到的弓網(wǎng)接觸壓力動態(tài)曲線，能夠詳細刻畫弓網(wǎng)接觸運行的動態(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，電磁干擾嚴重，檢測精度受到較大影響；系統(tǒng)結構復雜，維護保養(yǎng)困難，需要高低壓隔離設備，成本較高。目前世界上，開展非接觸式檢測研究實踐的主要有德國、意大利、日本、奧地利和韓國等國家，重點測試接觸網(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?！　〉聡鳥B公司于1982年開始進行接觸網(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。在車頂線陣布置了4個CCD(ChargedCoupledDevice)攝像機和3個聚光燈，通過伺服跟蹤移動，使接觸線在CCD攝像機中成像，然后通過實時圖像處理，計算出接觸線高度和拉出值。1996年改進后，實現(xiàn)了全天候檢測。2000年，采用高分辨率攝像機實現(xiàn)了接觸線磨耗測量。該檢測裝置如圖12所示。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)主要是在德國技術基礎上發(fā)展起來的。由車頂安裝的兩臺線陣CCD高速攝像機將接觸網(wǎng)的動態(tài)圖像拍攝下來，經(jīng)過圖像采集設備轉換為數(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，安裝調試方便且遠離電磁干擾，檢測精度較高：有無受電弓均可檢測，結構簡潔、成本較低，除電力機車外，還能夠安裝在內燃機車和各種軌道檢修作業(yè)車輛上開展設備檢測工作，普及應用前景廣闊。但因為目標識別準確度和技術參數(shù)獲取效率還不能很好適應高速檢測，故目前尚未普及推廣。第2章 接觸網(wǎng)非接觸式檢測原理基于圖像處理技術的接觸網(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基礎上的檢測系統(tǒng)，主要包括線陣CCD攝像機、照明光源和終端計算機處理三個子系統(tǒng)。檢測內容涵蓋了接觸網(wǎng)的基本幾何參數(shù)。系統(tǒng)配有功能強大的軟件包，可對檢測數(shù)據(jù)按照不同要求進行分析處理，自動生成分析報告，為設備檢修工作提供可靠詳實的技術數(shù)據(jù)。線陣CCD攝像機主要是對接觸線進行線掃描成像和簡單的信號處理，并將處理結果通過USB高速接口發(fā)送到終端計算機處理系統(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年在貝爾實驗室誕生以來，隨著半導體微電子技術迅速發(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動物體的拍攝。因其光譜響應寬、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、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、便于進行數(shù)字化處理和與計算機連接等諸多優(yōu)點，在圖像采集、非接觸測量和實時監(jiān)控方面得到了廣泛應用，成為現(xiàn)代光電子學和測試技術中最活躍、最富有成果的研究領域之一?！　【€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，具有光電轉換、電荷存儲、電荷轉移、信號讀出功能。通過感受照射在它上面的光的強弱與色彩，將一幅空間分布的光學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)光電轉換當目標圖像經(jīng)過光學物鏡成像在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變?yōu)楣饷魠^(qū)下的電荷分布。 (3)電荷轉移在光積分結束后，打開轉移柵，通過轉移脈沖將勢阱中的電荷包轉移到相應的移位寄存器中去。 (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，進入相應放大電路。每個光生電荷被依次轉變成相應信號，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備，進行信號再現(xiàn)或存儲處理。 a)CCD芯片 b)內部結構示意圖圖21線陣CCD芯片及其結構示意圖2．線陣攝像機線陣傳感器攝像機與其它類型傳感器攝像機相比，具有較高分辨率和很好的實時輸出特性。高速線陣傳感器攝像機掃描一次，可立即將掃描結果進行一次視頻輸出，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公司生產的線陣攝像機OnurisSLIS／2048(如圖22)。其最大行掃描率達20kHz．圖像采集達14699幀／秒，具有很高的掃描和采集頻率。兩臺攝像機分散傾斜安裝于車項兩側，相對于車頂中心線對稱布置，攝象機主光軸所在平面與車頂平面夾角為60。 a)外觀圖 b)內部結構圖2—2 Onuris線陣CCD高速攝像機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中間，相對車項中心線對稱布置。在機車進入隧道、夜晚以及背景亮度較低的情況下，為攝像機工作提供照明光源。光源產生的光柱覆蓋車頂兩臺攝像機視覺重疊部分構成的光幕靶，且在光幕靶的范圍內照度均衡。光源的照度由光源控制卡控制，根據(jù)背景光的強度，自動調整光源的強度，便于系統(tǒng)適應復雜環(huán)境。2．1．3終端處理系統(tǒng)終端計算機處理系統(tǒng)由一臺計算機和相關處理軟件組成。軟件設計采用SQLServer數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)以及Visualc+6．0做為應用程序的開發(fā)工具。其作用是：　　(1)配置攝像機屬性，滿足系統(tǒng)對攝像機圖像拍攝速度、曝光時間、圖像信息傳遞同步機制的要求。(2)以多媒體技術與模糊圖像處理技術為基礎，接收前端兩臺線掃描攝像機發(fā)送過來的掃描圖像，用圖像預處理軟件來區(qū)分背景和目標，通過計算軟件獲得接觸線的高度和拉出值。(3)實時監(jiān)視并記錄檢測的整個過程，實現(xiàn)檢測結果的回放、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目標識別對采集圖像進行目標識別的基本前提是對圖像進行分割預處理。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，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，進而在一幀圖像中，將目標從背景中分離出來，以便于進一步處理。在具體應用中，分割是對圖像進一步分析、識別的前提，分割的準確性將直接影響到后續(xù)任務的有效性?！　￠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、最簡單，同時也是應用最廣泛的分割技術。它具有實現(xiàn)簡單、計算量小、性能較穩(wěn)定等顯著特點，特別適用于目標和背景占據(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)學等很多領域得到廣泛應用?！　D像閥值化首先是將像素集合劃分為若干閥值段，然后針對每個閥值段對應的灰度圖像各像素灰度值通過一定算法得到其特征閥值，以此為標準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，完成了圖像的預處理，為目標識別打下了基礎?！　”敬嗡芯康南到y(tǒng)是采用全局閥值法對圖像進行分割預處理，將整個一幀灰度圖像劃分為一個閥值段，段內各像素灰度值的平均值做為特征閥值，然后進行二值化，完成圖像預處理，實現(xiàn)目標與背景的分離。當線陣攝像機與被攝物體在縱向相對運動時，每次采集都能得到目標的一幀二維圖像數(shù)據(jù)，然后通過全局閥值法進行圖像預處理，區(qū)分背景和目標，最終利用相交式幾何定位計算方法完成目標定位和幾何參數(shù)獲取。檢測主要步驟和功能如下。(1)圖像采集安裝在車頂?shù)膬蓚€線陣CCD攝像機同時對接觸線目標進行掃描，各自得到背景和目標混合的灰度圖像。(2)圖像預處理對灰度圖像利用全局閥值法進行處理，區(qū)分背景和目標區(qū)域，獲取目標。晝間背景明亮，其灰度值較高，目標灰度值較低。采用平均灰度值作為閥值進行圖像分割，大于閥值的是背景，二值化為0，小于閥值的是目標，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)目標定位根據(jù)識別的目標區(qū)域，找到目標中心位置，然后將兩攝像機采集的目標兩兩組合，進行空間定位。(4)計算幾何參數(shù)根據(jù)(21)、(22)、(26)、(2—9)式計算，獲得接觸線目標的高度和拉出值。　　該非接觸式檢測系統(tǒng)全部項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直接獲取，具有檢測方法簡單、檢測設備無磨損、不需要高低電壓隔離、使用壽命長、易于維護、不必對受電弓進行任何改造以及安全系數(shù)大等一系列優(yōu)點n引。通過試驗和結果分析，目前該檢測系統(tǒng)能夠完成檢測任務，但要更好地適應高速檢測要求，還存在一些問題需要改進完善?！　?1)車頂攝像機傾斜安裝，與車頂平面存在一定夾角，易產生安裝誤差?！　?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丟失?！　?3)當背景灰度不均勻以及一幀圖像出現(xiàn)多個目標時，采用全局閥值法進行預處理，不能兼顧圖像各處情況而影響分割效果，容易造成目標誤識別或丟失目標?！　?4)當背景中出現(xiàn)烏云、飛鳥、樹陰等干擾目標以及一幀圖像出現(xiàn)多個目標時，雜亂的目標圖使得獲取有效目標幾何參數(shù)的效率降低。(5)特殊情況目標圖像出現(xiàn)斷點時，無法獲得該處接觸線的幾何參數(shù)。第3章 接觸網(wǎng)非接觸式檢測系統(tǒng)計算方法針對目前非接觸式檢測系統(tǒng)需要改進和完善的一些問題，本文通過對自適應控制和自適應識別技術的研究，提出一系列改進算法。本次設計將檢測系統(tǒng)中車頂兩攝像機的安裝方式改為集中水平安裝，對稱布置于車頂中