（通信与信息系统专业论文）基于图像处理的铁路接触网检测系统的研究.pdf

大连理工人学硕士学位论文 摘要 随着我国铁路电气化比率的不断提高以及机车速度的不断提升，对机车运行各项参 数的检测变得越来越重要。接触线高度、动态拉出值和硬点是众多检测参数中的三个， 它们分别从某一侧面反映了弓网的运行状况。对这三个参数的传统检测方法采用在受电 弓上安装压力传感器、加速度传感器，以及使用激光测距器来完成。这些传统的检测方 法在铁路提速之后会对受电弓的受流特性产生影响，所以迫切需要一种新的方法来适应 高速铁路的弓网检测。 论文充分研究国内外弓网检测技术的动态和发展趋势，并结合我国原有弓网检测系 统的特点，提出了对接触线高度、动态拉出值和硬点的非接触式检测方法，该方法不会 对弓网的受流特性产生影响。本文提出的方法实质上是对原有弓网检测系统的二次开 发，主要是利用数字图像处理技术对原有检测系统所获得的弓网视频进行处理，从中提 取出接触线高度、动态拉出值和硬点这三个参数。 由于原有的视频录像系统只是为了回放某一时间段的弓网运行状况，所以摄像头的 安装位置及角度是定性的。我们要利用该视频去检测参数，就需要对摄像头进行定标。 并且由于视频的获取采用自然光源进行照明，会存在很大的背景噪声，本文主要采用微 分算子对图像进行预处理，并结合弓网视频的特点，对接触线提出粗搜索、细搜索以及 斜率校正等处理方法。然后，利用m a t l a b 仿真工具对算法进行了仿真。最后，利用微软 的m f c 框架设计了弓网检测软件，实现了文件的读取和存储，并对处理结果给出了动 态观看方法。 论文中详细介绍了摄像头定标的过程、视频图像的处理方法以及软件的整体设计方 案。但因为没有定标以后的视频数据，所以最后的检测结果是以像素值来标注的，但通 过逐帧跟踪检测的结果以及观察真实值与我们得到的像素值的变化趋势，可以预测该方 法是可行的。 关键词：弓网检测；接触线高度；动态拉出值；硬点；图像处理 基于图像处理的铁路接触网检测系统的研究 t h er e s e a r c ho fh i g h s p e e dr a i l w a yc a t e n a r yd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do n d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g a b s t r a c t a st h er a t eo fc h i n a sr a i l w a ye l e c t r i f i c a t i o nc o n t i n u o u si m p r o v e da n dt h el o c o m o t i v e s p e e di n c r e a s e d ，i ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt od e t e c tt h el o c o m o t i v ep a r a m e t e r s c o n t a c tl i n eh e i g h t , d y n a m i cp u l l - o u tv a l u ea n dt h eh a r dp o r ta r et h et h r e eo f m a n yd e t e c t i o n p a r a m e t e r s n e yr e f l e c tt h ec a t e n a r ys y s t e m so p e r a t i o n a ls t a t u sf r o mas i d e t h et r a d i t i o n a l d e t e c t i o nm e t h o d sf o rt h et h r e ep a r a m e t e r sa r ct oi n s t a l lp r e s s u r es e n s o r sa n da c c e l e r a t i o n s a l s o r $ o nt h ep a n t o g r a p ha n dt ou s et h e l a s e rr a n g e - f i n d e r t h e s et r a d i t i o n a ld e t e c t i o n m e t h o d sw i l li m p a c tt h ep a n t o g r a p h sf l o wc h a r a c t e r i s t i c s s ow eu r g e n t l yn e e dan e wm e t h o d t oa d a p tt h eh i g h s p e e dr a i l w a y sd e t e c t i o n t h i sp a p e rf u l l ys t u d i e st h ed y n a m i c sa n dd e v e l o p m e n tt r e a d s o ft h ed e t e c t i o n t e c h n o l o g y , a n dc o m b i n e sw i mo u re x i s t i n gc a t e n a r ys y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c s a tl a s t , w eg i v e t h en o n - c o n t a c td e t e c t i o nm e t h o dt oc o n t a c tl i n eh e i g h t ，d y n a m i cp u l l - o u tv a l u ea n dt h eh a r d p o r t o u rm e t h o dh a s1 1 0e f f e c to nt h ec a t e n a r ys y s t e m sf l o wc h a r a c t e r i s t i c s i ti sa c t u a l l yt h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp r o g r a mf o rt h eo r i g i n a ld e t e c t i o nm e t h o d o u rm a i nw o r ki st o p r o c e s st h ev i d e o ，w h i c hi sg o ta tt h eo r i g i n a ld e t e c t i o ns y s t e m a f t e rt h ep r o c e s s i n g , w ew i l l g e tt h ec o n t a c tl i n eh e i g h t ，t h ep u l l - o u tv a l u ea n d t h eh a r dp o r t s i n c et h eo r i g i n a lv i d e or e c o r d i n gs y s t e mi sj u s tt op l a yb a c kt h eo p e r a t i o n a ls t a t u so ft h e p a n t o g r a p hi nac e r t a i np e r i o do ft i m e ，t h ei n s t a l l a t i o no ft h ec a m e r ap o s i t i o na n da n g l ei s q u a l i t a t i v e i fw ew a n tt ou s ct h ev i d e ot od e t e c tt h ep a r a m e t e r s ，w en e e dt oc a l i b r a t et h e c a m e r a a n db e c a u s et h ev i d e ou s e sn a t u r a ll i g h tf o rl i g h r i n g , t h e r ew i l lb eag r e a tb a c k g r o u n d n o i s e i nt h i sp a p e r ，w em a i n l yu s et h ed i f f e r e n t i a lo p e r a t o rt op r e - p r o c e s st h ei m a g e ，a n dt h e m e t h o do fc o a r s es e a r c h ，f i n es e a r c ha n ds l o p ec o r r e c t i o nw i l lb eg i v e nc o m b i n e dw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ev i d e o a n dt h e nw eu s et h em a t l a bs i m u l a t i o nt o o l st os i m u l a t et h e a l g o r i t h m a tl a s t ，w ed e s i g nt h ed e t e c t i o ns o w a r ew i t hm i c r o s o f tm f cf r a m e w o r k t h e s o f t w a r ei m p l e m e n t st h ef i l e s r e a d i n ga n ds t o r i n g w ec a r la l s ov i e wt h ed y n a m i cp r o c e s s i n g r e s u l t s t h ep a p e rd e s c r i b e si nd e t a i lt h ep r o c e s so fc a m e r ac a l i b r a t i o n , t h ea l g o r i t h mo fi m a g e p r o c e s s i n ga n dt h eo v e r a l ld e s i g no ft h es o f t w a r ep r o g r a m b u tw ed o n th a v et h ev i d e o ， w h i c hh a sb e e nc a l i b r a t e d s ot h ed e t e c t i o nv a l u e sw i l lb eg i v e nw i t hp i x e l t h r o u g ht h e i i 大连理_ t 大学硕士学位论文 t r a c k i n go ft h ed e t e c t i o nr e s u l t sf r a m eb yf r a m e ，a n dt oc o m p a r et h et r u ev a l u e st r e n dw i t h o t l l p i x e lv a l u e st r e n d ，w ec a np r e d i c tt h a tt h i sm e t h o di sf e a s i b l e k e yw o r d s c a t e n a r yd e t e c t i o n ；c o n t a c tl i n eh e i g h t ；d y n a m i cp u l l o u tv a l u e ； h a r dp o r t ；i m a g ep r o c e s s i n g i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：堑堕垒塾丝丛璧鱼垒璺丝翌) 整堑鱼堑叠 作者签名： 墅塞 日期： 竺2 年三月竖日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 堇重璺! 垒垒望鱼鱼垦堕壁鱼垦璺垒型盘至垒鱼堑垒 作者签名：童竺塞日期：型i 年三月j 旦日 导师签名： 墨牲孓日期：二咀年j 月j 里日 大连理t 大学硕士学位论文 1 绪论 1 1课题背景及意义 随着我国经济的不断发展，电气化铁路以其节能、环保以及能够大幅提高运输能力 等特点使其在铁路运输系统中将占有越来越重要的地位。有数据显示，至2 0 0 6 年9 月， 我国电气化铁路总里程已经突破2 4 万公里，电气化率达到2 7 ，成为继俄罗斯、德国 之后的世界第三大电气化铁路引1 1 。对发达国家铁路的发展历史进行研究也可发现，电 气化是一个必然的趋势。 在电气化铁路的供电系统中，电力机车通过接触网获得电能，接触网是整个供电系 统的关键部分。它由接触线和受电弓组成，接触线负责提供电能，受电弓安装在机车顶 部，当机车运行时，通过滑动与接触线接触进而获得电能，为了使接触线对受电弓的磨 擦均匀，接触线一般被安装成“之 字形结构。 由于接触线的工作环境恶劣，所以，在弓网故障中接触线的故障占到了很大的比例。 因此，要保证接触线与受电弓良好接触和可靠受流，保证铁路的安全运行，除了在设计 和施工时采取一些独特的技术之外，对已架设好的接触线进行准确的检测以及时发现故 障点并及时进行维修也是必须的。对接触线的检测主要是检测它的接触线高度、动态拉 出值，称为几何参数。检测方法主要依靠接触线可分辨的外部特征进行接触式或非接触 式检测。 接触式检测主要利用在受电弓的接触面上安装压力传感器的方法进行，而非接触式 检测主要利用线阵列、面阵列摄像机或者激光雷达设备对接触线进行检测。相对接触式 检测，非接触式检测不会影响受电弓与接触线之间的受流特性。另外，如果利用了视频 设备，将能够提供更丰富的信息，并且直观性也更强。所以，对接触线的检测方法现在 正在逐步由接触式向非接触式转变。 目前的检测系统有的采用接触式和非接触式相结合的方式，如对接触线高度的测量 采用激光测距器。对动态拉出值的测量采用在受电弓上铺设压力传感器的方法。而最新 的非接触式检测方法采用两个线阵列摄像机利用“三角测量法”进行检测，同时获得接 触线高度和动态拉出值的数据。但由于任何的检测方法都必然存在误差，所以，大部分 真正的检测系统都配有硬盘录像系统，以实时记录弓网关系，便于结合检测结果进行直 观的观察和分析。本文所阐述的检测方法也属于完全的非接触式检测方法，但是与“三 角测量法 不同的是，本文的检测方法是充分利用上面提到的硬盘录像资料，通过对摄 基于图像处理的铁路接触网检测系统的研究 像头进行定标，利用数字图像处理方法从视频资料中提取出几何参数的检测值。本文属 于对原有检测系统的二次开发，不需要添加任何的检测设备。 另外，视频中还包含了受电弓的位置信息，通过对受电弓位置在前后帧的变化信息， 还可以判断出弓网的硬点。进而，本文的检测方法既可以得到接触线高度、动态拉出值 的几何参数检测值，还可以对硬点做出判断。 1 2 国内外研究现状 由于接触网在电气化铁路供电系统中的重要性，人们很早就开始对接触网检测技术 进行研究，并取得了较好的研究成果，形成了一系列的产品。 1 2 1国内接触网检测系统 国内对接触网检测的研究开始于上个世纪6 0 年代。主要的研究机构是铁科院机辆 所和西南交通大学。1 9 9 8 年1 2 月，西南交通大学电气工程学院成功研制出j j c 1 型接 触网检测装置，基本满足1 6 0 k m h 准高速铁路接触网的检测需求。检测项目有压力、动 态拉出值等【l 】。 近年来，基于德国技术发展出了利用激光雷达检测装置检测接触线高度和动态拉出 值的方法。 1 2 2 国外接触网检测系统 国外的接触网检测方法以德国和意大利最具代表性，其中，德国主要注重弓网动力 学参数的检测。而意大利主要注重弓网几何参数的检测。其他国家，如日本和瑞士与德 国比较相像，奥地利和意大利比较相像【2 】。 德国研制的检测装置，主要通过在受电弓上安装压力和加速度传感器，进而得到弓 网动力学参数，然后，接触线高度、动态拉出值等几何参数从相应的动力学参数中计算 出来。 但德国在上世纪8 0 年代也开始研制非接触式检测方法，主要利用四个c c d 线阵列 摄像机，然后利用数字图像实时处理方法同时得到接触线高度和动态拉出值【2 】。 意大利研制的非接触式弓网检测方法主要采用激光照射、伺服跟踪和图像处理技 术。检测装置中的摄像机依靠直线马达拉动【2 】。 1 3 本文的主要工作 本文充分学习了国内外对接触线几何参数的各种检测方法，特别是基于摄像机的非 接触式检测方法。然后，结合我国现有弓网检测系统大部分都有视频录像装置的特点， 大连理工大学硕十学位论文 提出了对原有系统进行二次开发的检测方案，从而无需添加新的检测设备既可实现对接 触线高度、动态拉出值的非接触式检测，并且由于视频中含有受电弓的信息，所以还可 以对接触线上的硬点做出判断。本文的主要工作如下： ( 1 ) 理解弓网几何参数接触线高度、动态拉出值的意义，特别是理解什么是硬点。 ( 2 ) 充分了解现有弓网接触线检测系统中的硬盘录像系统，具体分析能否从视频中 提取出弓网几何参数以及对硬点做出判断。 ( 3 ) 给出对三个参数的检测原理以及检测系统框架，并对机车顶部的摄像头进行定 标，以便最后可以得到具体的数值结果。 ( 4 )由于摄像机是利用自然光源( 太阳光) 来捕获弓网视频，而自然界中的太阳光 由于存在各种各样的反射、折射、衍射等，最后获得的视频具有随机的背景噪声，且对 接触线的分辨产生了很大的影响，本文主要利用数字图像处理算法进行检测，此外还根 据接触线、受电弓的运动特点提出了一些特定的弓网提取算法。然后利用m a t l a b 对该 算法进行了仿真，并给出了仿真的结果。 ( 5 ) 检测的算法不可能百分之百的准确，本文对检测过程中的误差进行了分析，并 提出了一些误差的补偿手段。 ( 6 ) 本文在m i c r o s o f t 公司提供的v c + + 6 o 开发环境下利用m f c 应用程序开发框 架开发出了运行于w i n d o w s 平台的弓网检测软件，自主编写了图像处理类，实现了弓 网视频的读写、处理以及播放功能。 本文是以弓网检测系统的开发过程为主线撰写的，主要内容如下： 第一章为绪论，主要介绍课题研究的背景及意义，并阐述了国内外在该领域的研究 进展。 第二章主要介绍了对检测参数的理解，并给出了整个检测系统的框架以及对摄像头 的定标。 第三章主要是设计数字图像处理算法，从弓网视频中提取目标点然后计算出检测参 数，对于图像处理算法，利用m a t l a b 进行了仿真。 第四章对检测过程中的误差进行了分析，并提出了一些补偿方法。 第五章主要是设计弓网几何参数的检测软件。 最后是总结，指出了该检测系统的不完善之处，并指出了进一步的开发方案。 基于图像处理的铁路接触网检测系统的研究 2 检测原理及检测系统架构 本检测系统是在原有检测系统上所做的二次开发，原有弓网硬盘录像系统由车顶的 光学子系统和车内主机端的视频数据硬盘存储子系统组成。本文需要对原有的光学子系 统进行定标，然后以主机端获得的视频信息为源进行弓网几何参数检测软件的开发。整 个检测系统的框图如图2 1 所示，其中，虚线左侧为原有视频录像系统，虚线右侧为二 次开发的系统。 摄像机 j：吝咖用 隔瓣r 足 1 5 一”一一“ 上上 数据采集主机 提取接触线高度、动态拉出值，判断硬点 上 1 l上 硬盘 -j在帧中标记结果界面显示 图2 1 检测系统框图 f i g 2 1 t h ed i a g r a mo fd e t e c t i o ns y s t e m 本章首先对弓网结构关系图作一些说明，其次对几个检测参数：接触线高度、动态 拉出值和硬点的概念作深入的理解，然后给出这三个参数的检测方法，最后对原有光学 子系统进行定标，并对检测中可能遇到的问题进行了分析。 2 1弓网结构关系 弓网结构关系如图2 2 和图2 3 所示，其中，图2 2 是沿火车行进方向的纵向视图， 图2 3 是侧向视图。图中标识的数据来自于某铁路局检测车的真实数据【3 1 。单向向上的 箭头表示距离轨道平面的高度。 机车在运行时，接触线与受电弓之间是滑动接触的，为了使受电弓的磨擦更加均匀， 接触线一般被设计成“之 字型，所以，从机车的纵向来看接触线是左右摆动的。又因 为机车运行时会产生自然的振动，所以受电弓也会以波动方式与接触线接触，从而接触 线也会做上下的波动，图2 2 所示的虚线框为接触线系统合理的移动范围。 大连理工大学硕十学位论文 接触线悬挂在承力索之上，用来为机车提供电能，接触线的悬挂方式有很多种，图 2 3 所示为一种方法，也是最原始的方法，现在的悬挂方法要复杂的多，悬挂方式的改 进主要是提供受电弓与接触线之间的更良好的跟随特性，另外，在某些比较恶劣的环境 下，通过悬挂方式的改变，可以增加接触线的牢固性。 受电弓是安装在机车顶部的一个受电装置，它与接触线呈交叉式接触，主要负责从 接触线上获得电能，它通过一个弹性缓冲结构与机车顶部相连，这种弹性结构保证了受 电弓对接触线良好的跟随特性。另外，受电弓是可升降的，在机车停止时落下，运行时 升起。 0 9 0 m 1 7 拉在t i i 砘亿茹 高 活动范围 承力索 1，j l o 0 6 2 o o m 一8 7 0 聊 接触线 1r 一， y 乙 一6 7 0 朋 3 7 0 聊 图2 2 动车组接触网纵向视图 f i g 2 2t h ev e r t i c a lv i e wo fh i g h - s p e e dr a i l w a y c a t e n a r ys y s t e m 基于图像处理的铁路接触网检测系统的研究 图2 3 动车组接触网侧向视图 f i g 2 3 t h el a t e r a lv i e wo fh i g h s p e e dr a i l w a yc a t e n a r ys y s t e m 2 2 对接触线高度、动态拉出值、硬点的理解 接触线高度、动态拉出值称为接触线的几何参数，用于表示接触线在垂直以及水平 方向上的运动范围。而对于硬点，一般指接触线对受电弓的冲击点。具体定义如下： 接触线高度：是指接触线相对轨道平面的高度f 4 】【5 】，如图2 2 所示，其合理变化范 围为4 9 5 6 7 0 m 。 动态拉出值：是指接触线与受电弓接触点相对受电弓中心点的距离【4 】【5 1 ，因为接触 线是呈“之 字形架设，故动态拉出值是一个时变的值，其合理变化范围为4 5 0 r a m 。 硬点：主要分为三种，分别是“固有硬点 、“弹性硬点 、“速度硬点”【6 】【刀。 产生的原因分别为： ( 1 ) 在接触网接点、区分绝缘器、定位装置以及中心锚结等处，接触线柔韧性变差 或形成集中质量而产生“固有硬点 。 ( 2 ) 受电弓或接触线受到某种激扰，使二者的协调关系被破坏，进而受电弓与接触 线之间即产生冲撞而产生冲击力，从而形成“弹性硬点 。 ( 3 ) 机车速度达到一定值( 如速度大于1 6 0 k m h ) 时，在每个定位点处将产生对受 电弓的冲击，进而形成“速度硬点”。 但无论是哪种硬点，他们的集中表现是接触线与受电弓之间的接触力产生大的突 变，进而根据牛顿第二定律，受电弓的瞬时加速度也将产生大的突变，而受电弓的初始 速度要远小于这一冲击加速度，所以受电弓的空间位置也将在很短的时间内产生很大的 变化。 大连理工大学硕+ 学位论文 2 3 接触线高度、动态拉出值和硬点的检测方法 本文采用非接触式检测方法，即通过摄像头获得弓网的视频数据，然后通过数字图 像处理的方法对弓网视频进行处理，进而得到接触线高度、动态拉出值、以及硬点这三 个参数的动态值。下面简单叙述对弓网几何参数和硬点的最新的检测方法以及本文检测 方法的比较优势1 8 j 【9 j 。 对于接触线高度、动态拉出值的新近非接触式检测方法为三角测量法，需要用到两 个线阵列摄像头【l o j 。而本检测方案中并不增加任何的检测设备，对弓网的录像在传统的 检测系统中已被使用，主要用来直观地观看弓网运行状况。本方案主要是充分挖掘这个 硬盘录像系统的潜能，在为摄像头定标的基础之上，利用数字图像处理技术从中提取出 检测数据。 对于硬点的检测，传统上是将加速度传感器安装在受电弓上，然后以加速度数据为 数据源，采用一定的算法来判别硬点。而本检测方案采用非接触式检测方法，即利用出 现垂直硬点时受电弓会在垂直方向上在很短的时间内产生很大的位移来判断硬点。对于 硬点的检测依然不用添加任何的检测设备，而是充分利用上面提到的硬盘录像系统，在 对摄像头进行定标之后，利用数字图像处理方法来判别硬点。 2 3 1传统检测系统中的硬盘录像系统 硬盘录像系统的摄像头安装位置如图2 4 所示，该位置可以清晰地分辨出弓网关系。 图2 4 摄像头的安装位置 f i g 2 4 t h ep o s i t i o no fc a m e r ai n s t a l l a t i o n 基丁鲥像处理的铁路接触阿检测系统盼研究 摄像头获得的一帧图像，如图25 所示 图25 摄像头获得的一帧国像 f i g2 5 o n e f t a t t l ec o m e s f r o mc a m e r a 232 接触线高度、动态拉出值、硬点的检测方法 下面所述的弓网参数检测方法均以硬盘录像系统所获得的视频数据为处理源，通过 数字图像处理技术获得目标数据，然后结合摄像头的定标数据得到最终的检测值。 图26 安装在高速动车组上的离线火花传感器 f i g2 6s p a r k l l g o r i n s t a l l e do n t h e i n s p e c t i o n t r a i n 大连理r t 大学硕士学位论文 ( 1 ) 接触线高度的检测方法 接触线在理想情况下是与受电弓时时接触的。在图2 5 中表现为受电弓与接触线相 互交叉，所以提取接触线与受电弓上边缘的交叉点，然后结合摄像头的定标数据将交叉 点的像素坐标换算为相应的真实坐标，即可检测出接触线高度。当接触线脱离受电弓时， 会产生离线火花，可以通过离线火花探测器来探测这样的点，离线火花传感器如图2 6 所示。 这样，对于接触线高度的测量，我们提出以下的方法，在图2 5 中，利用数字图像 处理技术，提取出接触线与受电弓的交叉点，得到该点与图像帧底部的像素距离，然后 利用摄像头的定标数据将像素距离转换为实际的高度值。在离线火花探测器探测到有离 线的情况发生时，该处的接触线高度值无效。 ( 2 ) 动态拉出值的检测方法 同样利用上面的方法，得到接触线与受电弓的交叉点，然后计算该交叉点与受电弓 中心位置的像素距离( 受电弓中心位置在图像帧中默认是固定的，因为受电弓主要作垂 直方向上的运动，而侧向的摆动很微小，所以这样假设是合理的) ，再结合摄像头的定 标数据，得到其实际值。 ( 3 ) 硬点的检测方法 硬点出现时的直接表现形式是弓网接触力的突变。也即受电弓所受合力大小的突然 增加。这会导致受电弓在垂直方向上在很短的时间内产生很大的位移，进而可以在视觉 上进行识别。这也是基于视觉的硬点检测的基本依据。 下面对硬点的视觉检测作一下可行性分析，受电弓受力模型如图2 7 所示口。 pq 1 l1 l、 iil r + i 图2 7 受电弓受力模型 f i g 2 7 f o r c em o d e lo f t h ep a n t o g r a p h 基于图像处理的铁路接触网检测系统的研究 其中，p 为受电弓接触压力，q 为受电弓自身重力，f 1 和f 2 为受电弓支撑结构对 受电弓的支撑力，上面的量满足如下关系： p = f 1 + f 2 + m a q ，其中m 为受电弓质量，a 为受电弓加速度 方程移项得p 一( f 1 + f 2 ) + q = m a ，其中，支撑力几+ f 2 的大小由受电弓的缓冲 装置提供，该装置类似弹簧，而非刚体，所以它不可能随接触压力户同步变化，而q 为 受电弓自身重力，为常量。当由于某种原因接触压力尸产生突变，而支撑力f 1 + f 2 来 不及变化，则受电弓所受合力的大小将突然增加，进而产生加速度a 大小的突然增加， 传统的检测方法即依据此加速度大小的突变来判别硬点。而加速度大小的突然增大必然 会使受电弓在垂直方向上的位移在很短时间内产生很大变化。我们的视觉检测方法即以 此为依据。 本检测系统检测的机车运行速度为3 5 0 k i n h ，在相关文献中，并未找到此运行速度 条件下，传统检测方法对硬点的判别f - j 限，以相关较低速度条件下的判别门限为依据， 我们假定加速度值超过4 0 9 ，则判定为硬点，而正常运行时的加速度值为2 0 9 左右。进 而作如下计算： 假定摄像机的帧速率为2 4 帧秒，且在1 2 4 秒的时间内，受电弓所受合力不变。设 受电弓在此合力作用时间的初始速度为1 ，。，则受电弓所受合力在1 2 4 秒的时间内使受 电弓运动距离为：s = 1 ，。f + 主讲22 刍+ 虿眨a 而。 当没有硬点出现时，受电弓加速度值约为a = 2 0 9 ，此种情况下，受电弓在1 2 4 秒 的时间内运动距离为：o 1 7 + v 。2 4 ( m ) 。 而当有硬点出现时，受电弓加速度值将大于a = 4 0 9 ，此种情况下，受电弓在1 2 4 秒的时间内运动距离为：0 3 5 + v 。2 4 ( m ) 。 上式中，v 。一般取0 2 m s 左右【1 2 1 。故上边两式的值分别约为3 6 c m 和1 8 c m 。 通过以上的数据对比，我们完全可以通过视觉的方法来识别硬点，可将域值取为 2 5 c m 。 在检测时，通过数字图像处理技术提取出接触线与受电弓接触点处受电弓上边缘所 在像素行，然后通过前后两帧的对比，如果前后两帧的提取行之差超出某一域值( 该域 值由实际域值2 5 c m 以及摄像头定标共同决定) ，则可判定该处存在硬点。 人连理1 。大学硕上学位论文 24 摄像头定标 摄像头定标的目的足将检测结果的像素值表示转换为真实值表示。摄像头定标包括 摄像机位置及仰角的确定、摄像机分辨率的确定两个方面。摄像头位置以及仰角的确定 以能够完全获取弓网视频图像为宜。摄像机分辨率的确定取决于对检测精度的要求。 241 摄像机的安装位置及仰角的确定 受电弓高度h ( 相对车顶) 的变化范围为12 5 m 30 0 m ，弓长l 为2 0 0 m ，左右摆 动范围为o3 0 m 1 8 o 对于摄像机，我们采用市场上常见的3 5 r a m 镜头c c d 感光片尺寸如图2 8 所示” 。 倒28c c d 感光片尺寸 f i g2 8 t h es i z e o f c c d 根据以上的数据可对摄像头位置及仰角进行定标，如图2 9 所示。 由图2 9 所示数据计算可得。 胛= 5 0 6 m ，进而可得，占= 2 5 + ，s = 45 9 m ，我们取j = 50 0 m 。 ( 说明：以上数据是将弓网的实际范围当作这一范围在摄像机平面上的投影范围来 计算得出的这将使实际摄影范围稍有扩大，但这是合理的。) 、释 基于图像处理的铁路接触网检测系统的研究 1 7 5 聊 1 2 5 m 三6 0 ! 一 弓网运动范围 + 一 “7 ”4 图2 9 摄像头位置及仰角定标 f i g 2 9 t h el o c a t i o na n de l e v a t i o no ft h ec a m g l a c c d 感光片： 1 r 0 1 3 5 r a m 这样，我们就得到摄像头的位置为距受电弓5 0 m 处，仰角为2 5 。由于我们对距离 s 进行了扩大，所以，在受电弓处实际的拍摄范围为2 6 0 2 3 8 m 。 关于在受电弓处摄像头拍摄范围的计算如图2 1 0 所示。角度2 2 。为摄像机的视角， 而摄像机胶片平面法线方向与水平面夹角为2 5 。，所以摄像头视角下边缘线与水平面夹 角为1 4 。，摄像机在受电弓处获得的图像范围为垂直2 3 8 m ，水平2 6 0 m 。 2 3 8 m 5 0 m 图2 1 0 实际拍摄范围计算 f i g 2 10t h ec a l c u l a t eo fa c t u a ls h o o t i n gr a n g e 大连理工大学硕士学位论文 2 4 2 摄像机分辨率的确定 摄像机分辨率的确定主要依据对接触线高度、动态拉出值的精度要求，以及对硬点 的可识别。下面将根据给定的几何参数检测精度，以及对硬点的可识别条件来确定本文 中摄像机的分辨率。 ( 1 ) 接触线高度、动态拉出值的精度要求 给定的接触线高度、动态拉出值的精度数据如表2 1 所示【1 4 1 。表中分别给出了两个 几何参数的检测范围，对两个参数检测值的分辨率以及允许的误差范围。表中的数据是 某机辆所在传统检测方法中所使用的数据，本文的检测方法只是对传统检测方法在方法 上的改进，并不是检测精度的提高，所以本文的检测方法仍使用表2 1 中的精度数据。 表2 1 弓网几何参数的检测精度 t a b 2 1t h ed e t e c t i o np r e c i s i o no fg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s 检测项目测量范围分辨率 误差 接触线高度4 9 5 6 9 5 m5 m m 1 0 m m 动态拉出值5 0 0 m m5 m m 1 0 m m ( 2 ) 硬点可识别 如上面所讨论，受电弓在垂直方向上1 2 4 秒时间内出现硬点的平均位移为3 6 c m ， 而不出现硬点时的平均位移为1 8 c m 。故摄像头在垂直方向上的最小分辨率可取1 0 c m ， 在定标时，还要考虑由于摄像头的倾角而引起的垂直距离到摄像头平面距离的投影变 换。 综合以上两点，为了达到最小分辨率为5 0 m m 的要求，即长度5 0 r a m 的物体，在图 片帧中应对应两行的像素。这样，摄像机的分辨率行为：吾娑竺2 ：9 5 2 j t ，分辨率列 ) u m m 为2 6 0 m 2 ：1 0 4 0 列。 5 o m m 2 4 3 像素值与实际值的换算 摄像机经过定标之后，即可以将检测结果的像素值表示转换为真实值。 对于接触线高度，相应的转换公式为：h 实际= h 像素0 0 0 2 5 + 4 9 5 ( 单位：米) 。 对于拉出值，相应的转换公式为：l 实际= l 像素0 0 0 2 5 ( 单位：米) 对于硬点，将通过接触线高度值的变化进行判断。 苎! ! 堡竺型! 壁堕堡墼! 塑型墨竺! ! ! 塞 25 检测中遇到的问题及解决办法 ( 1 ) 承力累干扰问题 如图2 5 所示，我们需要提取接触线与受电弓的交叉点，但承力索是对接触线的一 个干扰，从两根线中识别出接触线，主要依据两根线的粗细不同以及在某些特定区域的 相对位置关系。 ( 2 ) 线岔及锚段关节问题 线岔及锚段关节主要会造成对接触线与受电弓交叉点提取的影响【1 1 。如图21 1 所示， 当出现线岔及锚段关节时，在一帧图像中将出现多条接触线。从多条接触线中提取出目 标接触线主要依据出现线岔及锚段关节帧的自口一帧中接触线的位置，来限定该帧中接 触线出现的区域，进而正确提取。除此以外，还会依据接触线的斜率信息。 图21 1 ( a ) 锚段关节 f w21 】( a ) a 曲盯s e g m 即t j o m b 圈21 1 ( h ) 尉 2 】 线岔 l i n e m ( 踯机车振动的影响问题 机车振动是指车辆萨常运行时车体的振动现象心。机车横向的摆动将对动态拉出值 的测量产生影响。而机车垂直方向上的振动将影响接触线高度的测量精度以及硬点判断 的准确性。这就需要对最后的检测结果进行振动补偿关于机车振动的进一步讨论将在 后面的章节中阐述。 ( 4 ) 对弓网的照明问题 因为植测系统要在各种环境下工作，包括白天、黑夜以及雨雪等天气。在黑夜或 者是阴天等环境下，自然光线很暗，无法提供足够的照明来使摄像头获得清晰的视频。 所以需要提供主动光源来进行照明。使检测系统可以全天候进行工作。 大连理t 大学硕士学位论文 3 图像目标的提取方法 摄像头定标之后，即可通过原有检测系统中的硬盘录像系统获得定标的视频数据。 本章的主要工作是以获得的视频数据为数据源，设计数字图像处理的算法来提取接触线 与受电弓的交叉点以及每帧中交叉点处受电弓上边缘所在的像素行。提取出的交叉点用 于计算接触线高度和动态拉出值，而提取出的受电弓上边缘线用于判别硬点。 数字图像处理技术主要分为三个层次：底层图像预处理、图像分割与中层图像处理、 图像理解【i 】。其中，第一个层次主要是对图像进行像素级的处理，包括图像的增强处理 和部分形态学运算。第二个层次是图像的分割和目标提取，主要是从图像中得到目标点 的非图形方式的简单描述。第三个层次是根据得到的数据对目标点进行分析与综合【l j 。 i m p e g 2 视频 上 i 从视频源中提取视频帧( r g b ) 并转换成灰度图像( y ) 上 对灰度图像进行预处理，以增强目标与背景的对比度。包括平 滑处理、s o b e l 运算、零边界提取 上 提取接触线：分别使用粗搜索、细搜索，斜率校正以及最小二 乘法直线拟合等手段 上 i 提取受电弓的上边缘线 上 计算接触线与受电弓上边缘线的交叉点，进而得到动态拉出值 与接触线高度的像素值表示以及判断硬点 图3 1 图像处理过程 f i g 3 1 i m a g ep r o c e s s i n g 基r 图像处理的铁路接触网检测系统的研究 本章图像的预处理部分即为第一个层次，后面采用粗搜索、细搜索等方法即为第二 个层次，它将在每帧中得到一条直线的表达式。最后利用提取的目标点来计算检测参数 即为第三个层次。 本节对图像处理算法的设计使用m a t l a b 仿真工具，该仿真软件的图像处理工具箱 提供了非常方便的基本图像处理函数，如j p g ，b m p 图片的读取函数i m r e a d 0 ，a v i 视频 的直接读取函数a v i r e a d ( ) 以及直方图统计，开运算、闭运算，膨胀和腐蚀等函数。这都 为我们的图像处理算法研究提供了事半功倍的效果。另外，m a c l a b 强大的绘图功能能够 将数据以更加直观的方式展现给算法研究者。所以本文选择该软件为算法丌发软件。 图像处理的基本过程如图31 所示。在下面的章节中将对基本处理过程中的每涉 进行洋细的介绍。 31 视频源的预处理 上面介绍的视频采集系统获得的弓网视频是以m p g 2 格式存储在计算机硬盘上的， 而本节所使用的m a f l a b 工具只能读取a v i 格式视频【i “。所以需要一个转换工具完成视 频格式转换。 转换完成之后，即可通过m a t l a b 内置的a v i r e a d 0 函数读取视频文件，然后对每一 个r g b 图像帧利用r g b - - y u v 的转换公式得到灰度图像帧( 即y 分量) 。因为彩色 信息在本项目的目标提取算法中不能提供任何帮助，所以这样做是台理的。 转换前后的图像如图3 2 所示。 图32 ( a ) r g b 图像 f i g32 f “r g b i m a g e 圈32 ( b ) v 分量图像 f i g32 ( b 1g r a yi m a g e 大连理丁大学硕士学位论文 3 2 灰度图像的预处理 灰度图像的预处理，主要目的是增加接触线与背景之间的对比度，减少背景对目标 物体的影响，以便后面提取接触线时对接触线的定位更加准确。本文主要采取的方法有 平滑处理、微分处理以及零边界提取。 3 2 1像素提取行的灰度级分布规律 接触线所在某行的灰度级典型分布规律如图3 3 所示，整个的背景噪声因为左上角 太阳光源的影响而分布不均，但大体呈现了一定的坡度。接触线和承力索为两个目标点， 它们在背景上产生了两个很大的冲击跃变。但跃变的最小值比最右侧背景噪声的值要 大。所以，仅凭在整个像素行内搜索最小值以得到目标点是不可能的。另外，接触线和 承力索在最值上并没有绝对的差别，对它们的区分主要依靠它们所占据的宽度。 上面提到的对灰度图像所作的平滑处理、微分处理等预处理工作都是基于图像所具 有的上述灰度级规律，处理的目的是削弱背景噪声，使接触线与承力索从背景中凸现出 枣【1 7 】【1 8 】【1 9 】 爪o 但是这个分布规律并不是对所有的图像帧都成立，某些背景噪声过大的帧中，目标 点几乎被噪声所淹没，这个问题在后面还要介绍，并因此引出对目标点提取的后续处理 方法。 图3 3 接触线所在行灰度级典型分布 f i g 3 3 t h et y p i c a ld i s t r i b u t i o no fg r a yl e v e l 基于图像处理的铁路接触网检测系统的研究 3 2 2 对像素行作平滑处理 平滑处