■ 盧海燕 游誠曦

接觸網(wǎng)沿鐵路露天架設(shè)，無備用，一旦發(fā)生設(shè)備故障將直接中斷行車。特別是在繁忙的線路，當發(fā)生范圍較大的接觸網(wǎng)設(shè)備故障時，不僅造成一定的經(jīng)濟損失，而且嚴重干擾鐵路的正常運輸秩序。因此在電氣化鐵路運營過程中，必須提前進行一系列的接觸網(wǎng)檢測工作，以便及時發(fā)現(xiàn)隱患并處理問題，確保接觸網(wǎng)運行可靠。隨著我國高鐵線路不斷開通運營，對接觸網(wǎng)的檢測、監(jiān)測方式也呈多樣化發(fā)展，如對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)進行檢測的弓網(wǎng)綜合檢測裝置及車載接觸網(wǎng)運行狀態(tài)檢測裝置，也有主要對接觸網(wǎng)外部環(huán)境進行監(jiān)測的接觸網(wǎng)安全巡檢裝置。目前，針對接觸網(wǎng)零部件“松、脫、斷”和絕緣部件閃絡(luò)等缺陷的檢測，主要依靠接觸網(wǎng)成像檢測系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）對接觸網(wǎng)支持定位裝置的零部件實施高精度成像檢測、分析，指導(dǎo)接觸網(wǎng)故障隱患的消缺。通過近幾年接觸網(wǎng)成像檢測系統(tǒng)在高鐵線路上的運用，提前發(fā)現(xiàn)了大量接觸網(wǎng)缺陷隱患，并進行了有效整治處理，充分體現(xiàn)了該系統(tǒng)在保障行車安全方面的重要作用。

1 接觸網(wǎng)成像檢測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

接觸網(wǎng)成像檢測系統(tǒng)目前重點運用在高鐵線路上，主要安裝在接觸網(wǎng)作業(yè)車或接觸網(wǎng)檢測車車廂頂部，用于拍攝電氣化鐵路接觸網(wǎng)支持定位裝置的光學圖像系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在不打亂運輸秩序的情況下，利用線路正常的檢修作業(yè)時間，在一定運行速度下，對接觸網(wǎng)支持定位裝置的零部件進行精確定位和高精度成像檢測，同時采用人機結(jié)合的方式對檢測圖像數(shù)據(jù)進行分析，對故障進行識別，形成維修建議，指導(dǎo)接觸網(wǎng)故障隱患的消缺。

1.2 工作原理

主要采用高速運動的定位觸發(fā)及圖像抓拍技術(shù)，圖像采集及存儲技術(shù)。首先通過視頻流分析法找到接觸網(wǎng)支持定位裝置上空間位置相對恒定的特征物，以此作為觸發(fā)抓拍的標志；通過特征物的靜態(tài)圖像標定觸發(fā)距離，然后用動態(tài)實驗來修正補償誤差；同時在系統(tǒng)中配備一系列高分辨數(shù)字工業(yè)相機組合，產(chǎn)生海量圖像數(shù)據(jù)，應(yīng)用大容量磁盤陣列和千兆網(wǎng)靜態(tài)鏈路匯聚相結(jié)合的技術(shù)，保證及時無誤地存儲圖像。

1.3 系統(tǒng)功能

（1）在列車運行時采用高幀率相機對沿線接觸網(wǎng)支持定位裝置進行連續(xù)圖像采集，用智能圖像識別方法對接觸網(wǎng)支持定位裝置位置進行準確定位。

（2）對隧道外接觸網(wǎng)支柱和隧道內(nèi)定位立柱桿號準確抓拍，并自動識別桿號（見圖1、圖2）。

（3）自動抓拍接觸網(wǎng)支持定位裝置正反兩面全局圖像及局部關(guān)鍵圖像。根據(jù)研究，認為對接觸網(wǎng)支持定位裝置進行整體成像對于及時發(fā)現(xiàn)零部件出現(xiàn)“松、缺、斷、脫、裂”、絕緣閃絡(luò)等缺陷極其重要。同時，為了確保人機檢查判別故障時能夠清晰準確，還有必要對接觸網(wǎng)支持定位裝置關(guān)鍵部位進行局部高清成像。經(jīng)過分析，對接觸網(wǎng)支持定位裝置局部關(guān)鍵部位進行了劃分（見表1、圖3）。

（4）自動檢測列車車身傾角，在高速鐵路軌道超高區(qū)段也能完整抓拍接觸網(wǎng)圖像。系統(tǒng)采用了二維電子水平儀，可以同時測量平面的兩個正交方向的水平度，可同時測量并顯示X、Y兩軸的水平度，還可單軸測量水平方向的水平度或豎直方向的垂直度，測量最高分辨率可達0.003 °或0.05 mm/m。在高速鐵路軌道超高區(qū)段，系統(tǒng)通過水平儀獲取車身傾角，自動調(diào)整接觸網(wǎng)抓拍定位，確保圖像完整覆蓋拍攝目標。

1.4 關(guān)鍵技術(shù)

1.4.1 高速圖像采集精確定位技術(shù)

圖1 隧道外采集桿號

圖2 隧道內(nèi)采集桿號

系統(tǒng)選用的定位信息采集相機幀頻高達120 f/s，定位相機的幀率越高每兩幀圖像之間的空間距離就越小，圖像算法處理后的距離精度就越高，當檢測車在以20 m/s的速度運行時，如果采用120 f/s的高速相機進行圖像采集則每一幀圖像的距離為17 cm。而定位信息采集相機采集接觸網(wǎng)位置信息最大的誤差只有一幀，進行定位觸發(fā)拍攝的誤差則為17 cm，這個長度對于抓拍相機的曝光影響很小，實際運用中，系統(tǒng)在高速運行時抓拍到的圖像都比較清晰。系統(tǒng)在列車運行時連續(xù)采集接觸網(wǎng)支柱圖像，最高幀率達到120 f/s，能夠適應(yīng)的列車運行速度為0～160 km/h。桿號定位原理見圖4。

表1 全局相機及各局部相機拍攝圖像覆蓋區(qū)域

圖3 接觸網(wǎng)支持定位裝置全局圖像

圖4 桿號定位原理

1.4.2 LED頻閃光源技術(shù)

LED光源發(fā)出的光波長，可以根據(jù)相機的光響應(yīng)曲線進行調(diào)節(jié)，確保同樣功率下能夠獲得更高的亮度。同時，LED光源采用頻閃工作方式，只在相機抓拍時進行光源補償。這種工作方式使補償光源具有功率小、發(fā)熱量小、瞬間亮度更高的優(yōu)點，可以在列車高速運行時使相機工作在小快門、小光圈的情況下，確保抓拍圖像無拖影。

1.4.3 高速高清圖像采集技術(shù)

系統(tǒng)采用高分辨率網(wǎng)絡(luò)接口的CCD相機作為相機陣列，單個相機分辨率達到2 448×2 048，具有傳輸距離遠，工作穩(wěn)定，抗干擾能力強的特點。同時，配合使用千萬像素級成像的高分辨率鏡頭，能很好地控制廣角端和長焦端的畸變值。系統(tǒng)采用高性能多擴展服務(wù)器技術(shù)，每臺最多可負載24臺高清分辨率相機，完全滿足多陣列相機圖像采集需求，系統(tǒng)只用2臺存儲服務(wù)器就完成了過去需要16臺計算機完成的任務(wù)量。

2 系統(tǒng)運用

2.1 運用情況

系統(tǒng)研制成功后進行了大范圍的測試和運用，2010年8月—2013年12月，先后對武廣高鐵、海南東環(huán)鐵路、廣珠城際鐵路、廣深港高鐵進行了9次的成像檢測，共獲取接觸網(wǎng)圖片4 264 695張，發(fā)現(xiàn)各類缺陷8 008處，充分體現(xiàn)了科技保安全的強大作用。發(fā)現(xiàn)的主要缺陷類型有：定位器等電位線螺栓缺失、松動、本線斷股，絕緣子有閃絡(luò)燒傷，開口銷缺失，接觸網(wǎng)零部件安裝未處于設(shè)計標準狀態(tài)，承力索支座平衡線缺失，承力索支撐線夾裝反，旋轉(zhuǎn)雙耳斷裂，防風拉線不受力等。檢測分析發(fā)現(xiàn)的接觸網(wǎng)設(shè)備缺陷案例見圖5。

2.2 系統(tǒng)檢測分析發(fā)現(xiàn)的缺陷問題匯總分析

系統(tǒng)采用可見光成像為核心的檢測技術(shù)對接觸網(wǎng)支持定位裝置狀態(tài)進行檢測，通過清晰準確抓拍到的圖像，配合獲取的圖像位置信息分析，可以準確實時地的掌握某時某地某個接觸網(wǎng)支持定位裝置的動態(tài)運營狀態(tài)，可以及時檢測分析發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)支持定位裝置的“松、脫、缺、裂、閃絡(luò)”等不良狀態(tài)，并及時指導(dǎo)作業(yè)人員對缺陷設(shè)備進行處理，消除接觸網(wǎng)故障的發(fā)生。對2010—2013年武廣高鐵前后7次成像檢測分析結(jié)果進行匯總，從表2可以看出，經(jīng)過多輪的檢測分析和設(shè)備整治，缺陷問題從當初的近2 000個減少至40個左右，缺陷問題在每一次檢測、整治后都呈大幅度減少，且近3次檢測未再發(fā)現(xiàn)較嚴重的A類及B類問題，均以安裝工藝不標準、不影響設(shè)備運行的C類問題為主。

圖5 接觸網(wǎng)設(shè)備缺陷案例

表2 武廣高鐵長沙供電段管內(nèi)成像檢測分析缺陷問題匯總

2.3 系統(tǒng)運用效率與人工檢測對比分析

系統(tǒng)基于接觸網(wǎng)的高清可見光圖像進行檢測分析，具有速度快、效率高的優(yōu)勢，與人工登桿檢測作業(yè)相比有明顯的優(yōu)勢（見表3）。

表3 人工登桿檢測與成像檢測對比

2.4 運用效果

目前電氣化鐵路接觸網(wǎng)檢測的自動化程度仍然較低，日常對接觸網(wǎng)的檢測與維護大多是采用人工登桿檢測方式，維護效率比較低，系統(tǒng)基于接觸網(wǎng)的高清可見光圖像進行檢測，以檢測車的模式運行，實現(xiàn)了快速對接觸網(wǎng)支持定位裝置進行連續(xù)檢測，大大降低了人工檢測的工作量和勞動強度，極大地提高了對接觸網(wǎng)支撐定位裝置的檢測效率和頻度，具有速度快、效率高的優(yōu)勢。通過將成像檢測分析技術(shù)運用到接觸網(wǎng)的日常巡檢和維保工作中，可以進一步改善鐵路職工的工作條件，降低勞動強度，提高工作效率；此外，基于接觸網(wǎng)高清數(shù)字圖像的成像檢測可以建立接觸網(wǎng)支柱檔案，有利于接觸網(wǎng)管理的信息化水平，對于提高電氣化鐵路供電系統(tǒng)的安全保障水平，具有重要意義。

3 總結(jié)與展望

采用圖像檢測手段對接觸網(wǎng)支持定位裝置進行檢測，并通過人機結(jié)合的方式對故障進行判別，這種新型的接觸網(wǎng)檢測模式可以大大減輕檢測人員的工作勞動強度，提高勞動效率，對于確保鐵路供電安全起到了重要作用。同時積累的大量圖像及信息數(shù)據(jù)為故障分析、設(shè)備管理及數(shù)據(jù)挖掘分析提供了強有力的依據(jù)，為高鐵接觸網(wǎng)信息化管理提供了新手段。

系統(tǒng)對接觸網(wǎng)的缺陷排查起到了極大的促進作用，但系統(tǒng)一次生成的圖像數(shù)據(jù)量大，圖像查看人員難以在短時間內(nèi)查看完所有的圖像，從而影響缺陷確定的周期。而且受個人情緒、視覺疲勞等人為因素影響，容易造成缺陷漏檢。針對我國近幾年電氣化運營里程迅速增長，接觸網(wǎng)維護維修保障安全的壓力日益增長的迫切需求，極有必要研究接觸網(wǎng)成像檢測圖像的實時智能分析。由于接觸網(wǎng)的支持定位裝置都有標準圖像及標準參數(shù)，展望今后能通過應(yīng)用算法提取接觸網(wǎng)的支持定位裝置圖像相關(guān)特征參數(shù)，并與標準參數(shù)或歷史圖像特征參數(shù)實施比對，從而通過計算機給出接觸網(wǎng)的支持定位裝置狀態(tài)是否正常的判斷結(jié)果，并給出非正常狀態(tài)特征及可能的缺陷形式，實時生成報表，指導(dǎo)接觸網(wǎng)維護維修工作。

[1] 于萬聚. 高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M]. 成都：西南交通大學出版社，2003.

[2] 中華人民共和國鐵道部運輸局供電部，中國鐵道科學研究院，西南交通大學. 高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（6C）總體技術(shù)規(guī)范[S]. 北京，2012.

[3] 趙俊彥，任崇巍. 電氣化鐵路接觸網(wǎng)成像檢測系統(tǒng)在高鐵上的運用[J]. 鐵道機車車輛，2012，32(3)：136-137.