（电气工程专业论文）基于图像处理的接触网检测系统研究.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 电气化铁路因其运输能力强、运营成本低、能源消耗少和环境污染小 等优点，受到世界各国的普遍重视，成为了当今铁路的发展方向。而接触网 作为电气化铁路的重要组成部分，其状态的优劣直接影响到电气化铁路的运 行安全，因此通过检测接触网状态，及时发现整治存在的问题，对于电气化 铁路的安全运行举足轻重。同时，为了不断积累设计、施工和维护经验，提 高检修效率，节约运行成本，使得持续提高接触网检测技术水平成为了电气 化铁路迅猛发展的必然需求和重要保障。 二十世纪末期，接触网的接触式检测技术已日趋成熟，在国内外得到了 广泛应用。但由于技术复杂、成本较高且存在一定安全隐患等原因，极大地 制约了这种检测技术的普及推广和检测精度的进一步提高。非接触式检测技 术是将检测设备安装于车项，完全与高压设备脱离接触，使得技术和设备相 对简单，安全性能大大提高，成本大幅下降。 本文针对目前国内基于图像处理的非接触式检测系统的图像预处理和 目标识别计算，在高速检测情况下存在的主要问题进行研究，并运用自适应 阀值法和自适应控制技术对其进行了改进。主要是对摄像机采集的图像进行 多阀值段划分，采用自适应阀值和两次二值化处理方法进行图像预处理，然 后运用跟踪识别技术将干扰目标排除，最终得到有效目标的几何参数，目标 识别质量和技术参数获取效率明显提高。另外，该系统还优化了车项检测设 备的设置，针对阀值段优化划分、多目标识别、照明光源开闭控制、断点接 续等问题，提出了改进思路。 关键词：接触网；非接触式检测；图像处理；自适应算法 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t wit hit s a d v a n t a g e s o f s t r o n g e rt r a n s p o r tc a p a c it y ，lo w e r o p e r a t i n gc o s t s ，l e s se n e r g yc o n s u m p t i o n ，s m a l l e r e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o na n ds oo n ，t h ee l e c t r i f i e dr a i l w a yi su n i v e r s a l l yc o n c e r n e d a n dh a sb e c a m et h e r a il w a yd e v e l o p m e n to r i e n t a t i o n t h eo v e r h e a d c a t e n a r ys y s t e m ，a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t s i nt h e e l e c t r if i e dr a il w a y ，it ss t a t ep r o sh a sb e e nt a k i n gg r e a te f f e c t so n t h es a f eo p e r a t i n go ft h ee l e c t r i f i e dr a i l w a y t oe n s u r et h a tt h e e l e c t r i f i e dr a i l w a yw o u l do p e r a t es a f e l y ，i ti se s s e n t i a lt oi n s p e c t t h ec a t e n a r ys y s t e mp e r i o d i c a l l ya n dk e e pi t i ng o o dc o n d i t i o n a t t h es a m et i m e ，i no r d e rt oa c c u m u l a t ee x p e r i e n c e so fd e s i g n ， c o n s t r u c t io na n dm a i n t e n a n c e ，t oi n c r e a s et h ec a t e n a r ys y s t e m o v e r h a u le f f i c i e n c ya n d s a v e o p e r a t i n gc o s t s ， i m p r o v i n g t h e d e t e c t i n gt e c h n i q u e sl e v e lh a sb e c o m ea ni n e vi t a b l er e q u i r e m e n ta n d g u a r a n t e ef o rt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i f i e dr a il w a y a tt h ee n do f2 0 t hc e n t u r y ，t h ec o n t a c t s t y l ed e t e c t i o ns y s t e m h a sb e c o m em o r ea n dm o r em a t u r ea n dw id e l yu s e db o t ha th o m ea n da b r o a d h o w e v e r ，d u et ot e c h n i c a lc o m p l e x i t y ，h i g hc o s ta n d s o m ep o t e n t i a l s a f e t yp r o b l e m s ，t h ist e c h n o l o g y c a nn o ti m p r o v eb e t t e r t h e n o n c o n t a c t s t y l ed e t e c t i o ns y s t e m ，w h i c hi n s t a l l e dt h ed e t e c t i o n e q u i p m e n to nt h er o o fa n dc o m p l e t e l yd i s e n g a g e dw i t hh i g h v o l t a g e e q u i p m e n t s ，m a k i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tr e l a t i v e l ys i m p l e ， s e c u r it yf e a t u r e si m p r o v i n ga n dc o s t sd r o p p i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep r o b l e m su n d e rh i g h s p e e dd e t e c t i o na r e m a i n l yr e s e a r c h e d t h en o n c o n t a c t - s t y l ed e t e c t i o ns y s t e md i v i d e s t h ec a m e r a c o ll e c t e di m a g e si n t om u l t i t h r e s h o l d s f i r s t l y ，u s i n g t h ea d a p t i v et h r e s h o l da n dt w i c eb i n a r ya p p r o a c h e st op r e p r o c e s st h e i m a g e s t h e n ，u s i n gt r a c k i n gd i s t i n g u i s h e st e c h n i q u e st oe li m i n a t e i n t e r f e r e n c et a r g e t s f i n a l l y ，g e tn e e d e dg e o m e t r i cp a r a m e t e r s t h i s m a k e st h e t a r g e tr e c o g nit io n q u a it y a n d p a r a m e t e r s a c c e s sin g e f f i c i e n c yo b v i o u s l y i n c r e a s e d b u i l d i n g o nt h i s ，t h es y s t e m 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第| ii 页 o p t i m i z e st h es e t t i n go fc a r r o o fd e t e c t i o nu n i t i tp u t sf o r w a r dn e w i d e a so ft h et h r e s h o l d s d i v i d i n g ，m u l t i o b j e c t si d e n t i f y i n g ， l i g h t i n gs o u r c e sc o n t r o la n db r e a k sr e l a y i n ge t c k e yw o r d s ：t h eo c s ；n o n c o n t a c t s t yiein s p e c tio n ： i m a g ep r o c e s s i n g ；s e i f - a d a p t i v ea i g o ri t h m s 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学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。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后使用本授权书； 2 、不保密彩适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：指导教师签名：形 日期：) ，卯心年f 月f 7 日日期：沙d 序彭月j 7 日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研 究所得成果，除文中已注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究所作出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本论文针对目前国内基于图像处理的接触网非接触式检测系统不能很 好适应高速检测方面的主要问题，运用自适应控制技术和自适应阀值方法 进行了研究工作。本学位论文主要创新点如下： 1 运用多阀值段划分和自适应阀值算法进行图像分割，改善了图像预 处理效果。 2 运用跟踪分析方法识别并排除干扰目标，提高了有效目标识别效率 和几何参数获取速度。 3 将车顶摄像机水平设置，降低了安装难度，消除安装角度误差对检 测结果的影响。 4 利用数据库软件控制照明光源开闭时刻，解决了因照明光源延时开 闭造成的目标丢失问题。 学位论文作者签名： 张枷 日期：z 细8 年月7 e l 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 1 8 7 9 年5 月3 1 日，在德国柏林举办的世界博览会上，德国西门子公司 和哈尔斯克公司展出了世界上第一条电气化铁路n ，。随着科学技术发展、铁 路运量增长和对能源利用率的重视，电气化铁路运输能力强、运营成本低、 能源消耗少、环境污染小的优点受到了世界各国的青睐。一些工业发达国家 大规模的电气化铁路建设，使它从工矿线路和一些大城市的近郊线路，迅速 发展到城市之间和繁忙的铁路干线。n - - 十世纪七十年代末，欧洲各国、日 本以及前苏联的铁路主要干线均已实现了电气化。截止2 0 0 3 年底，世界电 气化铁路已达到2 6 4 万公里，约占世界铁路总营业里程( 约1 2 1 万公里) 的2 1 8 。 我国第一条电气化铁路宝成线宝鸡至凤州段始建于1 9 5 8 年6 月，于 1 9 6 1 年8 月1 5 日建成，由此揭开了我国电气化铁路建设的序幕协儿“。虽然起 步较完，但经过5 0 年的飞速发展，己跻身于世界电气化铁路大国行列。2 0 0 6 年9 月，我国电气化铁路总里程突破2 4 万公里，成为继俄罗斯之后世界第 二大电气化铁路国家，铁路电气化率达到2 7 ，初步形成了布局合理、标准 统的电气化铁路运营网络。预计到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程达到1 0 万公里，电气化率达到5 0 幅，。届时，我国的电气化铁路不论里程长度和技 术装备，还是所承担的客货运输量都将跨入世界先进行列。 接触网检测是运用技术手段对接触网参数进行在线检测，根据接触网设 备可测得的和外部可辨认的特征对其工作状况进行评价1 。在高速铁路的建 设和发展上，电气化铁路以其显著的优点被许多国家作为大力研究和重点发 展的目标，使得接触网设备检测特别是动态检测变得越来越重要。主要体现 在以下几个方面。 ( 1 ) 高速电气化铁路的建设和发展需要不断地积累经验，通过不同条件、 各种项目的检测结果分析，验证预期效果，找出设备运行规律，为今后设计、 施工、维修持续改进提供依据。 ( 2 ) 接触网作为电气化铁路的大动脉，其质量优劣与电力机车运行安全 直接相关。由于接触网设备露天布置且无备用，工作环境恶劣，如不加强设 备检测，及时发现整治设备隐患，就会危及行车安全，严重干扰运输秩序。 ( 3 ) 以接触网设备运行状态作为依据的状态检修是一种先进、科学、经 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 济的检修体制。它是通过合理安排检测周期，及时获得设备状态；通过对检 测结果的分析判断，制定检修计划和检修方案；通过增强检修的针对性，节 省检修时间和检修成本，提高人员利用率；再通过检测来检验检修质量，获 得设备新的状态。其中的检测环节在状态检修实施过程中举足轻重，直接关 系到状态检修的成效盯。 ( 4 ) 在动态情况下，通过模拟受电弓运行环境检测接触网技术参数是最 贴近实际运行情况的检测手段。它能够发现静态检测无法发现的设备问题， 提高对设备运行规律的认知程度，积累管理经验。 ( 5 ) 接触网设备动态检测效率很高，人工检测十公里设备需要几个小时， 而动态检测几个小时就能够检测数百甚至上千公里，检测结果可通过计算机 进行辅助处理，减轻了劳动强度，工作效率明显提高。 1 2 国内外接触网动态检测系统研究现状 为了适应电气化铁路发展需要，优选接触网和受电弓的结构形式及检查 接触网的施工、维修质量，以电力牵引为主的德国、法国、日本、前苏联等 国家都无一例外地在发展电气化铁路的同时，大力研究接触网动态检测技 术。 接触网检测按照检测设备( 传感器) 是否接触( 近) 接触网设备可分为 接触式检测和非接触式检测。接触网检测的内容主要有偏移( 接触线偏离受 电弓中心的位置) 、高度( 接触线至轨面的距离) 、硬点( 对受电弓产生冲击) 和离线( 弓网机械脱离) 。由于检测方式不同，检测内容各有侧重。 1 2 1 接触式动态检测系统 目前世界上，采用接触式检测方式进行接触网检测的国家有很多。德国、 日本、法国和瑞士等国家都研制开发了各具特色的检测系统，重点测试弓网 动力学参数。其中最具代表性的是德国接触网检测装置。 德国研制的接触网检测装置如图卜1 a 所示。它是通过在受电弓上安装 压力传感器和加速度传感器，测试弓网接触压力、冲击加速度( 硬点) 和离 线等动力学参数，并由受电弓上弓网接触压力的分布情况计算出拉出值，由 受电弓框架转轴的角位移计算出接触线高度旧m 。 我国目前主流的接触网动态检测装置也属于这种方式，是以日本技术为 基础，后借鉴德国技术发展起来的。1 9 6 2 年，铁道部科学研究院装备了第 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 一辆接触网检测车，当时仅能检测导线高度和弓网间的大离线。】9 8 0 年研 制出满足8 0 k m h 运营的接触网检测装置，实现了离线、偏移、高度等主要 项目的检测。1 9 9 8 年1 2 月，西南交通大学电气t 程学院研制成功j j c1 型 接触网检测车( 如图11 b 所示) ，基本满足1 6 0 k m h 准高速铁路接触网检测 的需要。车顶配置一台受电弓，受电弓滑板卜安装有检测接触压力、加速 度、拉出值等多种传感器。后来，取消了受电弓上的拉出值传感器，根据受 电弓上弓网接触压力的分布情况计算拉出值，实现了检测技术的重大突破。 a ) 德国接触网检测姨置b ) 国产j j c 一1 型接触网检测装置 图1 1 典型接触式接触网榆测装置 接触式检测系统实时性好，能够同时测试接触线几何参数和弓网接触的 动力学参数：测试得到的弓网接触压力动态曲线，能够详细刻画弓网接触运 行的动态过程，较好地反映接触线的受流特性。但也存在一些问题，如由于 放大器存在温度漂移，高压端微弱传感信号放大后受温度影响加剧，动力学 测试参数误差较大：由于传感器安装在受电弓上，增大了滑板的附加质量， 系统安全性降低，同刊弓网接触滑动的离线增多，电磁干扰严重，检测精 度受到较大影响；系统结构复杂，维护保养困难，需要高低压隔离设备，成 本较高“。 1 2 2 非接触式动态检测系统 目前世界上，开展非接触式检测研究实践的主要有德国、意大利、日本、 奥地利和韩国等国家，重点测试接触网几何参数。其中最具代表性的是德国 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 基于图像处理的接触网检测装置。 德国b b 公司于1 9 8 2 年开始进行接触网非接触式检测装置的研制，主要 采用伺服跟踪和图像处理技术。在车顶线阵布置了4 个c c d ( c h a r g e d c o u p l e dd e v i c e ) 摄像机和3 个聚光灯，通过伺服跟踪移动，使接触线在 c c d 摄像机中成像，然后通过实时图像处理，计算出接触线高度和拉出值。 1 9 9 6 年改进后，实现了全天候检测。2 0 0 0 年，采用高分辨率摄像机实现了 接触线磨耗测量阳1 。该检测装置如图卜2 所示。 幽卜2 德圈非接触接触网检钡0 装置 目前，我国基于图像处理的检测系统主要是在德国技术基础上发展起来 的。由车顶安装的两台线阵c c d 高速摄像机将接触网的动态图像拍摄下来， 经过图像采集设备转换为数字信号，然后通过二值化、模式识别等图像处理 手段，分析计算接触线的空间位置，最终得到接触线的高度和拉出值。 非接触式检测系统无需在受电弓上安装传感器，系统安全性好；检测装 置置于车顶，安装调试方便且远离电磁干扰，检测精度较高；有无受电弓均 可检测，结构简洁、成本较低，除电力机车外，还能够安装在内燃机车和各 种轨道检修作业车辆上开展设备检测工作，普及应用前景广阔。但因为目标 识别准确度和技术参数获取效率还不能很好适应高速检测，故目前尚未普及 推广。 1 3 主要研究内容 接触网非接触式检测技术发展虽然时间较短，但是避免了接触式动态检 测的诸多无法突破的技术障碍。图像识别综合运用了电子学、光学探测、图 像处理和计算机知识，是精密测试技术领域内最具有发展潜力的一项新技 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 术。二者结合的产物基于图像识别技术的非接触式接触网检测系统具有 安全性好、精度高、安装调试方便、成本低等突出优点，得到了铁路部门和 科研机构的高度重视。 现场试验表明，我国基于图像处理检测系统的研究已取得了长足进展， 能够实现检测目标，并积累了宝贵的经验和丰富的数据资料。但要适应高速 检测需求，进一步提高图像识别准确率和有效目标几何参数获取效率，仍需 要持续改进完善。本文从自适应阀值法和自适应控制技术入手，针对目前系 统在图像处理和目标识别等方面存在的主要问题展开研究。主要研究内容和 解决问题的思路是： ( 1 ) 针对实际检测过程中经常出现的背景灰度不均匀和多目标情况，容 易造成误识别和丢失目标的问题，改进图像预处理方法，进一步提高图像识 别质量。 ( 2 ) 针对背景存在乌云、飞鸟或树枝等干扰目标，极大影响有效目标几 何参数获得速度的问题，研究干扰目标排除的方法，进一步提高有效目标几 何参数获取速度。 ( 3 ) 改进检测装置在车顶的设置方式，降低安装难度，减少施工误差。 ( 4 ) 改进照明光源控制方法，消除因照明光源开启延时造成的目标丢失 问题。 ( 5 ) 研究多目标识别方法，进一步提高有效目标识别效率和几何参数的 获取速度。 ( 6 ) 针对特殊原因使目标图像出现断点的情况，研究断点接续方法，尽 可能准确地得到断点处接触线的几何参数。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 第2 章接触网非接触式检测原理 2 1 系统结构 基于图像处理技术的接触网非接触式检测系统是建立在包括模糊图像 识别和图像处理等视觉技术基础上的检测系统，主要包括线阵c c d 摄像机、 照明光源和终端计算机处理三个子系统。检测内容涵盖了接触网的基本几何 参数。系统配有功能强大的软件包，可对检测数据按照不同要求进行分析处 理，自动生成分析报告，为设备检修工作提供可靠详实的技术数据n 3 | 。 2 1 1 线阵c o d 摄像机 线阵c c d 摄像机主要是对接触线进行线扫描成像和简单的信号处理，并 将处理结果通过u s b 高速接口发送到终端计算机处理系统。 1 c o d 图像传感器c c d 又称光电耦合器，是一种以电荷为信号载体的微 型图像传感器。自1 9 7 0 年在贝尔实验室诞生以来，随着半导体微电子技 术迅速发展，像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高，工作频率 范围显著增加，很好地满足了对高速运动物体的拍摄“”。因其光谱响应宽、 动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低 功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变 小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机 连接等诸多优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用， 成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一n 引u 。 线阵c c d 图像传感器如图2 - 1 所示，是由线性排列的光敏元、转移栅、 移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成，具有光电转换、电荷存储、电 荷转移、信号读出功能。通过感受照射在它上面的光的强弱与色彩，将一幅 空间分布的光学图像变换成按时间顺序分布的视频电压信号。其工作过程如 下n 引_ 【”l ： ( 1 ) 光电转换当目标图像经过光学物镜成像在c c d 传感器光敏面上时， 光敏元把入射光量子按比例转换成光生电荷。这个时期称为光积分期，也称 为曝光期。 ( 2 ) 电荷存储在光积分期同时，光敏元下面的势阱收集和存储这些光 生电荷并形成电荷包，将被摄景物图像亮度分布转变为光敏区下的电荷分 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 布。 ( 3 ) 电荷转移在光积分结束后，打开转移栅，通过转移脉冲将势阱中 的电荷包转移到相应的移位寄存器中去。 ( 4 ) 信号输出在移位脉冲的作用下，移位寄存器中的电荷包被依次移 出，进入相应放大电路。每个光生电荷被依次转变成相应信号，再经合成电 路得到视频信号。输出信号可接示波器、图像显示器或其它信号存储处理设 备，进行信号再现或存储处理。 本次所研究系统中使用的线性c c d 传感器芯片具有2 0 4 8 个直线排列的 光敏元，光敏元的尺寸为7um 7ud 1 。 旷罱 2 謦 a ) c c d 芯片b ) 内部结构示意圈 j 墨i2 - i 线阵c c d 芯片及其结构示意图 2 线阵摄像机线阵传感器摄像机与其它类型传感器摄像机相比，具有 较高分辨率和很好的实时输出特性。高速线阵传感器摄像机扫描一次，可立 即将扫描结果进行一次视频输出，很容易做连续处理，非常适合对被测图像 信息进行快速采样、存储及数据处理。又由于线阵c c d 测量精度和扫描频率 很高，对于高速运动物体也能得到高分辨率的图像，所以在高速电气化铁路 接触网动态检测中备受青睐。 本次所研究系统中采用的是德国f e i t h 公司生产的线阵摄像机o n u r i s - - s l i s 2 0 4 8 ( 如图2 - 2 ) 。其最大行扫描率达2 0 k h z 图像采集速度最高可 达1 4 6 9 9 帧秒，具有很高的扫描和采集频率。两台摄像机分散倾斜安装于 车项两侧，相对于车顶中心线对称布置，摄象机主光轴所在平面与车顶平面 夹角为6 0 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 a ) 外观图b ) 内部结构 图2 2o n u r i s 线阵c c d 高速摄像机 2 1 2 照明光源 本次所研究系统的照明光源由两台功率5 0 0 w 聚光灯组成。两台聚光灯 位于两摄像机中间，相对车顶中心线对称布置。在机车进入隧道、夜晚以及 背景亮度较低的情况下，为摄像机工作提供照明光源。光源产生的光柱覆盖 车顶两台摄像机视觉重叠部分构成的光幕靶，且在光幕靶的范围内照度均 衡。光源的照度由光源控制卡控制，根据背景光的强度，自动调整光源的强 度，便于系统适应复杂环境3 | 。 2 1 3 终端处理系统 终端计算机处理系统由一台计算机和相关处理软件组成。软件设计采用 s q ls e r v e r 数据库操作系统以及v i s u a lc + + 6 0 做为应用程序的开发工具。 其作用是： ( 1 ) 配置摄像机属性，满足系统对摄像机图像拍摄速度、曝光时间、图 像信息传递同步机制的要求。 ( 2 ) 以多媒体技术与模糊图像处理技术为基础，接收前端两台线扫描摄 像机发送过来的扫描图像，用图像预处理软件来区分背景和目标，通过计算 软件获得接触线的高度和拉出值。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 ( 3 ) 实时监视并记录检测的整个过程，实现检测结果的回放、检索、生 成报告和打印。 另外，终端处理系统还具备摄像机控制故障分析、通信以及光源控制等 功能。软件系统模块组成如图2 - 3 所示m ，。 系统模块图 摄像机控制模块il图像解析模块ll 光源控制模块 电予快门控制 iil 目标图像识别 li 背景图像识别 数字图像传递 li 接触线图像灰度ii 接触线图像边缘 接触线高度ll接触线拉出值 图2 - 3 软件系统模块图 2 2 相交式定位计算方法 由于两摄像机倾斜安装，其主光轴必相交，故此种安装方式对应的定位 计算方法称为相交式定位计算方法。如图2 4 所示，两台摄像机的透镜中心 4 、b 和接触线截面中心c 构成一平面三角形，彳、召两点距离为s ，连线 平行于车顶平面，镜头与车顶平面夹角为。a 为接触线的拉出值，h 为接 触线中心至镜头中心连线距离。 接触线 图2 - 4 定位计算方法示意图 设m 为摄像机像素总数，m 为像素宽度，厂为焦距，x l 、x 2 分别为接 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第10 页 触线目标在两摄像机焦平面成像的中心位置。根据三角函数知识可得 脚c 留码f ( 2 - 1 ) 一一a r c 留两f ( 2 - 2 ) ，咒i 一x 2 l 由于 一h + 土= s ( 2 - 3 ) z g 口it g a = 司以推出 办：s t g a , t g a = ( 2 - 4 ) t g a , + t g a = 由于 h = h o + h ( 2 - 5 ) 式中日为接触线高度，五。为摄像机安装高度( 镜头中心连线至钢轨顶 面距离) 。由( 2 4 ) 和( 2 - 5 ) 式可得 h ：h o + s t g a , t g a 2 ( 2 - 6 ) t g a i + 留口2 又由于 上一鱼= 口 ( 2 7 ) 留口- 2 羔一土：口 ( 2 8 ) 2 t g a ： 、。 由( 2 4 ) 、( 2 7 ) 和( 2 - 8 ) 式可以推出 口：s ( t g az - t g a , ) ( 2 9 ) 2 ( t g a - + t g a o 根据( 2 1 ) 、( 2 2 ) 式以及( 2 - 6 ) 、( 2 - 9 ) 式，即可得到接触线的 高度和拉出值。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 1 页 2 3 目标识别和检测方法 2 3 1 目标类型 本次所研究的检测系统的目标是接触线。目前，我国电气化铁路接触网 几种主要的接触线类型和宽度阳如表2 - 2 所示。 表2 2 常用接触线类型和宽度 类别铜接触线银铜接触线 型号 c t 8 5c t “0c t l 2 0c t l 5 0c t h a 8 5c t h a l l 0c t h a l 2 0c t h a l 5 0 宽度( 哪)l o 7 61 2 3 41 2 9 01 4 1 01 0 6 01 2 3 41 2 9 01 4 4 0 2 3 2 目标识别 对采集图像进行目标识别的基本前提是对图像进行分割预处理。根据灰 度特征把图像划分成若干个互不相交的区域，使得这些特征在同一区域内， 表现出一致性或相似性，而在不同区域间表现出明显的不同，进而在一帧图 像中，将目标从背景中分离出来，以便于进一步处理。在具体应用中，分割 是对图像进一步分析、识别的前提，分割的准确性将直接影响到后续任务的 有效性。 阀值法是一种传统的图像分割方法，是图像分割中最基本、最简单，同 时也是应用最广泛的分割技术。它具有实现简单、计算量小、性能较稳定等 显著特点，特别适用于目标和背景占据不同灰度级范围的图像，不仅可以极 大的压缩数据量，而且也大大简化了分析和处理步骤，在红外成像、遥感、 医学等很多领域得到广泛应用。 图像阀值化首先是将像素集合划分为若干阀值段，然后针对每个阀值段 对应的灰度图像各像素灰度值通过一定算法得到其特征阀值，以此为标准将 图像分割为两个部分，分别用0 和1 表示。这样就将原始灰度值变换为二值 化特征值，完成了图像的预处理，为目标识别打下了基础。 本次所研究的系统是采用全局阀值法对图像进行分割预处理，将整个一 帧灰度图像划分为一个阀值段，段内各像素灰度值的平均值做为特征阀值， 然后进行二值化，完成图像预处理，实现目标与背景的分离。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第12 页 2 3 。3 检测方法 当线阵摄像机与被摄物体在纵向相对运动时，每次采集都能得到目标的 一帧二维图像数据，然后通过全局阀值法进行图像预处理，区分背景和目标， 最终利用相交式几何定位计算方法完成目标定位和几何参数获取。检测主要 步骤和功能如下。 ( 1 ) 图像采集安装在车顶的两个线阵c c d 摄像机同时对接触线目标进 行扫描，各自得到背景和目标混合的灰度图像。 ( 2 ) 图像预处理对灰度图像利用全局阀值法进行处理，区分背景和目 标区域，获取目标。昼间背景明亮，其灰度值较高，目标灰度值较低。采用 平均灰度值作为阀值进行图像分割，大于阀值的是背景，二值化为0 ，小于 阀值的是目标，二值化为1 。夜间、通过隧道及背景亮度较低时，需开启照 明光源，二值化方法相反。 ( 3 ) 目标定位根据识别的目标区域，找到目标中心位置，然后将两摄 像机采集的目标两两组合，进行空间定位。 ( 4 ) 计算几何参数根据( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 - 6 ) 、( 2 9 ) 式计算，获得 接触线目标的高度和拉出值。 该非接触式检测系统全部项目的检测均采用图像处理的方法，所需信息 全部通过摄像机直接获取，具有检测方法简单、检测设备无磨损、不需要高 低电压隔离、使用寿命长、易于维护、不必对受电弓进行任何改造以及安全 系数大等一系列优点n 引。通过试验和结果分析，目前该检测系统能够完成检 测任务，但要更好地适应高速检测要求，还存在一些问题需要改进完善。 ( 1 ) 车顶摄像机倾斜安装，与车顶平面存在一定夹角，易产生安装误差。 ( 2 ) 采用光源控制卡控制照明光源开闭。高速检测时，因光源控制卡控 制延迟，可能会出现因照明光源开闭不及时而造成目标丢失。 ( 3 ) 当背景灰度不均匀以及一帧图像出现多个目标时，采用全局阀值法 进行预处理，不能兼顾图像各处情况而影响分割效果，容易造成目标误识别 或丢失目标。 ( 4 ) 当背景中出现乌云、飞鸟、树阴等干扰目标以及一帧图像出现多个 目标时，杂乱的目标图使得获取有效目标几何参数的效率降低。 ( 5 ) 特殊情况目标图像出现断点时，无法获得该处接触线的几何参数。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第13 页 第3 章接触网非接触式检测系统计算方法 针对目前非接触式检测系统需要改进和完善的一些问题，本文通过对自 适应控制和自适应识别技术的研究，提出一系列改进算法。 3 1 平行式定位计算方法 本次设计将检测系统中车顶两摄像机的安装方式改为集中水平安装，对 称布置于车顶中心线两侧。摄像机主光轴所在平面与车顶平面夹角为9 0 。， 不易产生角度安装误差。 由于两摄像机水平安装，其主光轴必平行，故此种安装方式对应的定位 计算方法称为平行式定位计算方法。 3 1 1 定位算法 根据接触线位置相对于摄像机镜头主光轴位置的不同，其定位计算可分 为接触线位于1 # 和2 # 两摄像机主光轴中间、位于1 # 摄像机主光轴左侧和位 于2 # 摄像机主光轴右侧三种情况。 ( 1 ) 接触线位于两摄像机镜头主光轴中间设口表示接触线拉出值，h 为 接触线至镜头平面高度，么、b 为两摄像机镜头中心，与接触线截面中心c 点构成一平面三角形，4 、召两点距离为s ，连线平行于车顶平面。定位算 法如图3 - 1 所示。 椿触墟 摄像机 镜头平面 焦平面 l # 摄像机 主光轴车项中心 硝摄像机 主光轴 图3 - 1 目标位于两摄像机主光轴内侧时的定位算法示意图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 w - m 刀傲1 豕穆l 1 豕系思双，m 刀1 冢系苋发，为焦距，x i 、x 2 分别为于姜 触线目标在两摄像机焦平面成像的中心位置。根据三角函数知识可得- 鼠锄增高m 。1 卜一一x i i 良一吆石i t 弓 q 。2 ，竹x 2 一 设h 为接触线高度，h o 为摄像机安装高度。则有 h = h o + 筹t g 器t g p 3 ， l +6 2 当接触线位于车项中心右侧时有 口：s ( t g o z - t 9 0 0 ( 3 - 4 ) 2 ( t g o - + t g o ：1 当接触线位于车项中心左侧时有 口=糕2(tgot g o ( 3 - 5 ) - + z ) 、。 ( 2 ) 接触线位于1 # 摄像机镜头主光轴左侧和2 摄像机镜头主光轴右侧 分析方法与目标位于两摄像机主光轴中间时一致，定位算法如图3 2 所示。 摄像机 镜头平面 焦平面 l 拌摄像机 ： 2 # 摄像机 主光轴 车顶中心主光轴 a ) 接触线位于1 # 摄像机主光轴左侧 l # 摄像机2 撑摄像机 主光轴 车顶中心主光轴 b ) 接触线位于2 # 摄像机主光轴右侧 图3 2 目标位于两摄像机主光轴外侧时的定位算法示意图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第15 页 综上所述，根据接触线相对于摄像机主光轴位置的不同，其高度和拉出 值的表达式如表3 - 1 所示。根据摄像机性能指标和现场安装情况，可以得到 两摄像机透镜中心彳、b 距离s ，摄像机像素总数m 、像素宽度m 、焦距 以及安装高度 o ，由式( 3 一1 ) 、式( 3 2 ) 和表3 - 1 中的计算公式，即可得 到相应几何参数。 表3 - 1 接触线高度和拉出值计算公式 接触线位置高度拉出值备注 l # 和2 # 两摄像 h ：h ，ts t 9 9 ，t 9 9 ： 口一s ( t g o 一辔 接触线位于车顶中心 机主光轴以内 t g o - + 留9 ：2 ( t 9 0 , + t g 目：、 左侧拉出值取+ ，右侧取一 接触线位于1 # 摄像机 l # 和2 # 两摄像 日：矗。s t g o t g o ! 口：s ( t g o t + t g o ：) 主光轴左侧取+ ，位于2 # 机主光轴以外 t g o , 一辔口!2 ( t g o - 一辔秒：) 摄像机主光轴右侧取一 3 1 2 检测范围 由于电力机车受电弓工作高度范围是5 1 8 3 m m - - - 6 6 8 3 m m ，受电弓工作宽 度为1 2 5 0 m m m ，。即在受电弓工作高度范围内，均应能够检测其中心线左右至 少6 2 5 m m 范围的接触线位置，见图3 - 3 中的矩形区域。 i i 拌摄像机1 2 埘聂像机 主光轴! 主光轴 车顶中心 单位：i n i i l 图3 3 检测范围和受电弓工作范围关系图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第16 页 图3 3 中各数据是依据两摄像机主光轴距离s = 1 0 0 m m ，焦距f = 1 2 5 m m ， 像素宽度m = 7 1 a m ，安装高度h o = 4 1 2 0 m m 计算得出。虽然可检测范围是e c d 区 域，其最低点c 对应h = 4 2 0 7 m m ，但由于需要检i i i ! i 受电弓中心线左右至少 6 2 5 m m ( 对应h = 5 2 9 7 m m ) 范围的接触线位置，所以有效检测范围是日 5 2 9 7 舢。 另外，在h = 5 1 8 3 m m 时，可检测的接触线范围是受电弓中心线左右各 5 6 0 m m 。当5 1 8 3 m m h 5 2 9 7 m m 时，接触线位置检测存在一定盲区( 矩形区 域位于e c d 区域外的两个三角形区域) 。但由于接触线高度距离钢轨顶面的 高度一般不超过6 5 0 0 m m ，在区间和中间站不小于5 7 0 0 m m ，旧线改造不小于 5 3 3 0 m m 心。即接触线高度的范围是5 3 3 0 m m - - 6 5 0 0 m m ，一般不会低于5 3 3 0 m m ， 也就不会出现在检测盲区内。如果要求彻底消除检测盲区，我们可以通过适 当降低摄像机安装高度而。和减小摄像机工作焦距厂来解决。 3 2 自适应算法 在日常生活中，自适应是指生物能改变自己的习性以适应新环境的一种 特征。自适应算法是指系统能够根据不同的情况，自动快速调节自身原有的 行为特性以适应对象和扰动的变化。下面从白适应控制和自适应识别技术两 方面入手，阐述对原检测系统基于自适应算法的改进思路。 ( 1 ) 自适应控制任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性。自适 应控制的研究对象就是具有一定程度不确定性的系统。描述被控对象及其环 境的数学模型不完全确定，其中包含一些未知因素和随机因素。从系统内部 来讲，描述被控对象的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一定能准确 知道；从系统外部来讲，外部环境影响是不可预测的，可以等效地用扰动来 表示。此外，还有一些与测量设备以及被测目标相关的不确定因素进入系统。 面对这些客观存在的、各种各样的不确定性，如何进行适当的控制，使得输 出结果达到并保持最优或者近似最优，就是自适应控制所要研究解决的问 题。 自适应控制是一种基于数学模型的控制方法，它所依据的关于模型和扰 动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中不断提取有关信息，依据对 象的输入输出数据，不断地在线辨识模型参数，使模型逐步完善。随着过程 的延续，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际，控制 系统也就具有了适应能力。 常规的反馈控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响也具 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第17 页 有一定的抑制能力，但是由于控制器参数是固定的，所以当系统内部特性变 化或者外部扰动变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至不稳 定。 接触线作为被检测的目标，是一个具有许多不确定因素的对象。从系统 内部来讲，描述接触线的数学模型的结构和参数，我们事先并不一定能准确 知道。同时，跨线桥、隧道、飞鸟、乌云等外部环境以及接触网定位支撑装 置都会对检测造成影响，其中许多是不可预测的。在测量时还会产生照明光 源延迟开闭、多目标出现、目标断续等不确定因素随时进入检测系统。所以， 对接触线这种特性或扰动特性变化范围很大，同时又要求保持高性能指标的 检测系统，采取自适应控制是合适的。 ( 2 ) 自适应识别根据对摄像机采集的一帧灰度图像使用统一阀值还是 对图像不同区域使用不同阀值进行预处理，可以分为全局阀值法和自适应阀 值法( 也称为局部阀值法) 。当图像中存在背景与目标灰度差值不大，多目 标共存，有阴影，照度不均匀，背景灰度变化等情况时，只用一个固定的全 局阀值对一帧灰度图像进行分割，会由于不能兼顾图像各处的情况而影响分 割效果，造成目标误识别或丢失目标。自适应阀值法是用一定数量的像素组 成阀值段，对一帧灰度图像进行分割，然后每个阀值段分别以特定算法提取 阀值进行图像预处理方法。自适应阀值法相对于全局阀值法稍显复杂，但是 它能够较好地解决全局阀值法不能很好解决的一些问题。 3 3 检测方法 由上节分析可知，将自适应控制和自适应阀值引入检测系统是十分必要 的。具体的算法是采用自适应阀值法进行灰度值图像预处理，通过目标的灰 度值和成像宽度区分工作支接触线和其它线索，按照透镜成像规律来判断目 标空间位置，依据有效目标点的延续性去除干扰目标，从而使检测系统具备 自适应功能，根据系统内部和外部的情况变化，改变工作方式或硬件设备状 态，保持工况切换及时准确，优化图像识别技术，获得高质量的目标图，最 终精确高效地计算出目标的几何参数。检测主要包括图像采集、图像预处理、 获取目标、干扰目标排除、目标定位和计算几何参数等步骤。 3 3 1 图像采集 安装在车顶的两个线阵c c d 摄像机同时对接触线目标进行扫描，各自采 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第18 页 集灰度图像。 3 3 2 图像预处理 采用自适应阀值法进行图像预处理，并通