陳國輝 上海鐵路局科研所

地鐵接觸網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究

陳國輝 上海鐵路局科研所

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高效而便捷的生活方式越發(fā)被人們所追求，地鐵建設(shè)便在這種氛圍下快速地發(fā)展著。同時(shí)地鐵的安全也越來越被人們重視，但是地鐵提速后隧道內(nèi)剛性接觸網(wǎng)運(yùn)行中存在著拉弧、磨耗嚴(yán)重等問題。這些問題的存在對于安全運(yùn)營造成很大的威脅,因此對于接觸網(wǎng)狀態(tài)的監(jiān)控顯得尤為重要。介紹一種采用車載方式的隧道內(nèi)接觸網(wǎng)視頻監(jiān)控裝置，能對接觸網(wǎng)關(guān)鍵點(diǎn)的工作狀態(tài)及受電弓運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，用以指導(dǎo)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)備的維護(hù)、搶修等工作。針對該車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能、構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)等主要問題及解決方案進(jìn)行全面的闡述。

地鐵；剛性接觸網(wǎng)；車載視頻監(jiān)控

1 概述

目前我國的城市地鐵建設(shè)正如火如荼地進(jìn)行著，這與地鐵作為高效、便捷、節(jié)能的運(yùn)輸工具是分不開的。城市既有地鐵運(yùn)營線路也有計(jì)劃擴(kuò)大列車編組、縮短發(fā)車間隔，向高運(yùn)能、高速度的快速軌道交通目標(biāo)發(fā)展。

剛性接觸網(wǎng)技術(shù)普遍應(yīng)用于城市軌道交通，其80km/h低速線路的設(shè)計(jì)、運(yùn)營及維護(hù)技術(shù)方面相對比較成熟。目前需要從改進(jìn)剛性接觸網(wǎng)懸掛方式、提高防災(zāi)能力及智能監(jiān)控技術(shù)等方面，開展適合城市快軌交通120km/h地鐵剛性接觸網(wǎng)技術(shù)研究?？萍疾块_展了”十二五”國家支撐計(jì)劃“國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目--城市軌道交通運(yùn)輸組織、控制及保障一體化關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)研制”863計(jì)劃，我有幸參與了我所與協(xié)作單位共同開發(fā)的該項(xiàng)目分支項(xiàng)目“城軌交通基礎(chǔ)設(shè)施全息化移動檢測與運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)研制”之一的子課題“接觸網(wǎng)安全狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研制”這個(gè)課題。

該子課題其中有一個(gè)研究任務(wù)是研發(fā)受電弓安全狀態(tài)監(jiān)測裝置和實(shí)景顯示系統(tǒng)對運(yùn)行中的電動列車進(jìn)行弓網(wǎng)關(guān)系的視頻監(jiān)控，了解弓網(wǎng)配合情況。通過圖像處理技術(shù)，對拉弧情況進(jìn)行預(yù)警。

2 發(fā)現(xiàn)問題解決問題

根據(jù)運(yùn)營線路的現(xiàn)場觀測和維護(hù)人員反映，目前地鐵剛性接觸網(wǎng)（如圖1）在運(yùn)營過程中普遍存在拉弧、磨耗大及松動等問題。據(jù)分析，主要存在以下一些技術(shù)問題：

（1）膨脹關(guān)節(jié)、線岔處拉弧及磨耗偏大。

（2）剛性梁中間接頭易松動塌腰。

（3）機(jī)械摩擦和電化學(xué)磨損較大。

圖1 剛性接觸網(wǎng)

為此需要研發(fā)地鐵接觸網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，作為監(jiān)控、預(yù)警、分析來解決這些問題。

3 系統(tǒng)功能及構(gòu)成

3.1 功能概述

接觸網(wǎng)視頻監(jiān)控裝置采用高速攝像機(jī)，負(fù)責(zé)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)關(guān)鍵點(diǎn)工作狀態(tài)的視頻識別、追蹤等，監(jiān)測接觸網(wǎng)關(guān)鍵點(diǎn)的工作狀態(tài)及受電弓運(yùn)行狀態(tài)，以指導(dǎo)接觸網(wǎng)設(shè)備維護(hù),并成為地鐵供電部門的設(shè)備安全運(yùn)營管理的輔助系統(tǒng)。

通過分析軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)播放、圖像切換、定期存儲和歷史播放、播放控制，以及對比分析、圖像報(bào)警處理和報(bào)表輸出等工作，截取關(guān)鍵視頻數(shù)據(jù)傳送至決策層，以便進(jìn)一步研究確定運(yùn)行或維修計(jì)劃。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)組成：高速攝像機(jī)系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)(如圖2所示)等。

（1）高速攝像機(jī)系統(tǒng)：由多臺CCD高速攝像機(jī)、光學(xué)鏡頭、圖像采集卡等構(gòu)成。選用可變焦距和可變光圈光學(xué)鏡頭，設(shè)定合適的焦距使得兩只像機(jī)視窗的交集覆蓋電力接觸線出現(xiàn)的整個(gè)區(qū)域，設(shè)定合適的光圈使得兩只像機(jī)拍攝到的接觸線圖像在接觸線出現(xiàn)的整個(gè)區(qū)域內(nèi)邊緣清晰、灰度適中。圖像采集卡具有同時(shí)處理兩臺高速攝像機(jī)圖像的能力，這些能力包括協(xié)調(diào)兩臺攝像機(jī)的工作時(shí)序、傳遞測控計(jì)算機(jī)對攝像機(jī)的控制命令、開辟前置圖像緩沖區(qū)等，圖像采集卡使用PC總線和測控計(jì)算機(jī)連接。

圖2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

（2）光源系統(tǒng)：使用定制的發(fā)光器件，通過攝像光源控制卡，根據(jù)背景光的照度，自動調(diào)整攝像光源的光照強(qiáng)度，滿足任何背景光照度的情況。攝像光源的光照強(qiáng)度不僅在接觸線出現(xiàn)的區(qū)域內(nèi)照度適中，能清晰地突現(xiàn)出接觸線圖像的幾何輪廓，尤其是接觸線磨損面的棱線，而且最大限度地分辨背景圖像灰度值，以降低圖像解析系統(tǒng)識別真正接觸線圖像的難度。

（3）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)：使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、圖像采集卡、RFID里程定位裝置作為硬件的主體；WINDOWSXP為計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、MicrosoftVisual2005開發(fā)工具C++語言編程開發(fā)的“地鐵接觸網(wǎng)高速監(jiān)控系統(tǒng)”(如圖3)軟件主體，構(gòu)成計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)。

圖3 地鐵接觸網(wǎng)高速監(jiān)控系統(tǒng)

3.3 硬件環(huán)境

（1）進(jìn)口網(wǎng)絡(luò)CCD面陣列高速攝像機(jī)

（2）專業(yè)的光學(xué)鏡頭

（3）基于RFID射頻區(qū)間里程定位裝置

（4）高亮度發(fā)光器件

（5）UPS電源

（6）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

3.4 軟件環(huán)境

（1）操作系統(tǒng)WindowsXP

（2）網(wǎng)絡(luò)相機(jī)驅(qū)動

（3）MicrosoftVisual2005開發(fā)工具C++語言

（4）SaperaLT類

（5）圖像解析模型

（6）軟件模塊（如圖4）

圖4 軟件模塊

4 技術(shù)特點(diǎn)

（1）適用于高鐵、城市地鐵的實(shí)際現(xiàn)場適用。

（2）采用工業(yè)級高頻(60Hz)、曝光時(shí)間短、高分辨率(1400×1000)、高清晰度面陣列網(wǎng)絡(luò)相機(jī)。

（3）圖像壓縮算法效率高、存儲速度快。

5 效果及創(chuàng)新

地鐵接觸網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)首次將機(jī)器視覺技術(shù)對接觸網(wǎng)進(jìn)行非接觸式檢測的綜合技術(shù)應(yīng)用到城市軌道交通電客車上，采用線陣CCD相機(jī)結(jié)合面陣LED定制光源來監(jiān)控接觸網(wǎng)，完成了城軌接觸網(wǎng)綜合監(jiān)測設(shè)備的功能。理論聯(lián)系實(shí)際確定接觸網(wǎng)的主要監(jiān)測參數(shù)類型和監(jiān)測精度，為弓網(wǎng)相互作用性能的建議標(biāo)準(zhǔn)和城市軌道交通接觸網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)提供參考依據(jù)。

接觸網(wǎng)的安全監(jiān)測，是保障運(yùn)營的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目研究是根據(jù)上海地鐵實(shí)際情況和具體要求，研究貼合軌道交通快速和多形式發(fā)展需要，在可行性、實(shí)施性、技術(shù)指標(biāo)要求上對接觸網(wǎng)監(jiān)測帶來新的理念，在接觸網(wǎng)不停電、不對運(yùn)營產(chǎn)生不利影響的情況下，運(yùn)用系統(tǒng)精確、全面、連續(xù)、完整地監(jiān)測，將在軌道交通城市獲得廣泛應(yīng)用。

責(zé)任編輯：王華朱挺來稿日期：2014-11-28