高俊秀
【摘 要】隨著車流密度不斷加大,接觸網(wǎng)與受電弓頻繁接觸,磨耗比較快;如何方便獲得接觸網(wǎng)磨耗、導高、拉出值,成為供電部門急待解決的重要問題。本文詳細介紹了風沙地區(qū)接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)巡檢系統(tǒng)的兩種方式及其構(gòu)成原理。巡檢系統(tǒng)采用視頻技術(shù)獲得接觸網(wǎng)關(guān)鍵部位的清晰圖像,結(jié)合智能分析計算出相關(guān)技術(shù)參數(shù),指導接觸網(wǎng)檢修作業(yè),可提高接觸網(wǎng)懸掛組件故障檢測效率、減輕勞動強度。
【關(guān)鍵詞】便攜式 車載式 接觸網(wǎng) 檢測
1 研發(fā)背景
根據(jù)我局所管區(qū)域內(nèi)大部分線路北傍陰山山脈、南沿黃河,草原沙害造成的沙塵、沙塵暴經(jīng)常發(fā)生,接觸網(wǎng)及其懸掛部件是沿鐵路沿線露天架設,受大風和沙塵等惡劣氣候影響,更易出現(xiàn)松動、損壞等故障,需要頻繁地進行巡檢、維修。目前普遍采用的是人工肉眼觀察檢測方式,工作效率低、勞動強度大、安全保障系數(shù)低、容易誤判、檢測范圍受限。因此,急需一種檢測全面、具體的接觸網(wǎng)及其懸掛裝置狀態(tài)巡檢系統(tǒng)。
2 總體設計
2.1設計思路
采用視頻技術(shù)獲得接觸網(wǎng)關(guān)鍵部位的清晰圖像,工作人員只需要對這些圖像進行調(diào)閱即可,不受外界環(huán)境因素限制;同時結(jié)合智能分析計算出接觸網(wǎng)磨耗、導高、拉出值等,指導接觸網(wǎng)檢修作業(yè),可以很好地完成接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)的巡檢任務。
2.2研究內(nèi)容
風沙地區(qū)接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)巡檢系統(tǒng)是以安全檢測為首要目標,保證接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)運行良好,為完成指定區(qū)段的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測,可以用兩種方式來實現(xiàn)。(1)采用便攜式視頻采集裝置,臨時安裝于運行動車組或機車的司機臺上,對接觸網(wǎng)的安全狀態(tài)進行視頻采集,事后統(tǒng)計分析接觸懸掛部件技術(shù)狀態(tài)。(2)采用車載式視頻采集裝置,對接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)進行圖像整體和關(guān)鍵部位的精確定位、抓拍,通過完整的后臺數(shù)據(jù)挖掘功能實現(xiàn)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的信息化管理及數(shù)據(jù)分析,得到相關(guān)技術(shù)參數(shù),指導接觸網(wǎng)檢修,及時消除接觸網(wǎng)故障隱患。
2.3主要技術(shù)難點
(1)便攜式系統(tǒng):設備外形設計,小巧穩(wěn)固,不影響正常行車;對問題圖像的標記存儲。(2)車載式系統(tǒng):車底和車頂設備抗風沙性能研究;19個攝像機圖像的協(xié)調(diào)接收及處理;智能分析軟件設計,主要包括算法、圖像壓縮及提?。谎b車方案設計,包括車型選擇、攝像機布置安裝和線纜鋪排及控制機柜安裝。
3 便攜式視頻采集裝置設計
3.1硬件組成及原理
本裝置由一臺高性能便攜式工業(yè)計算機、高速移動存儲介質(zhì)、兩個500萬像素工業(yè)相機(可根據(jù)需求增加至800萬像素)、鋰電池、云臺和補光組件組成。其中兩個500萬像素工業(yè)相機及鋰電池、云臺、云臺固定裝置、補光組件等組成圖像采集部分,拍攝圖像清晰可靠,能清晰識別接觸網(wǎng)螺絲的松動、脫落等細節(jié)問題。高速相機在能保證大范圍視角拍攝的同時還可清晰辨認支柱號,為事后查看故障位置提供依據(jù);鋰電池保證了在過分相斷電時系統(tǒng)仍能正常工作至少五分鐘;補光組件能夠滿足隧道和低光狀態(tài)下的圖像采集。由高性能便攜式工業(yè)計算機控制圖像采集,并將采集圖像保存到高速移動存儲介質(zhì),能保證在高溫、高濕、強烈振動等惡劣工作環(huán)境下的圖像采集和播放分析工作。其整體示意圖如圖1所示,實際應用在機車上如圖2所示。
3.2軟件組成及原理
本裝置采用極具人性化的軟件界面,后期播放視頻畫面主次搭配,可單獨或同時播放全局和關(guān)鍵部位兩個視頻,圖像可主次切換、窗口隱藏,方便用戶對全局部位概覽或關(guān)鍵部位進行仔細觀察。
(1)圖像采集系統(tǒng)軟件:安裝在高性能便攜式計算機上,主要進行采集、保存原始圖像數(shù)據(jù),如圖3所示。
(2)數(shù)據(jù)播放分析系統(tǒng)軟件:可安裝在多個客戶端,用戶可以通過該系統(tǒng)軟件進行圖像檢查、分析接觸網(wǎng)及懸掛部分的缺陷和問題,如圖4所示。
4 車載式視頻采集裝置設計
4.1硬件組成
風沙地區(qū)接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)巡檢系統(tǒng)中車載式視頻采集裝置硬件部分主要由車頂裝置、車內(nèi)裝置、車底裝置三大部份組成,其中車頂設備包括:全景高清攝像機、關(guān)鍵部位高清攝像機、高速定位觸發(fā)攝像機、線陣相機、云臺、非接觸式幾何參數(shù)檢測、光源補償裝置,溫度補償?shù)妊b置組成;車內(nèi)設備包括:控制機柜、數(shù)據(jù)處理服務器、陣列式采集裝置、設備功能箱、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換裝置、輸出打印裝置、斷電保護裝置、低壓隔離等裝置組成;車底設備由車輛動態(tài)補償裝置等組成,并通過密封、加固防護罩做好防風沙處理。如圖5所示:
室外設備要做好防風沙保護,攝像機、光源補償裝置、幾何檢測組件做好密閉護罩,安裝穩(wěn)固,并保證圖像拍攝清晰;綜合控制箱安裝完成后,將蓋板等縫隙密封嚴實。
4.2主要檢測參數(shù)及原理
(1)幾何參數(shù)檢測項目。
(2)幾何參數(shù)檢測原理。對兩個相機進行控制并同步采集圖像數(shù)據(jù)后,通過三角原理,對圖像數(shù)據(jù)進行處理后并將背景剔除,根據(jù)接觸網(wǎng)特征進行目標識別,獲取接觸網(wǎng)二值數(shù)據(jù),通過計算分析后獲得高精度接觸網(wǎng)幾何參數(shù),其原理如圖6所示。根據(jù)接觸導線的最大可能高度和設計的兩CCD交匯視角輻射寬度來確定安裝距離d_0和初始傾角(設相機光軸和車頂?shù)膴A角為α_0和β_0),相機光軸所在的平面和車頂平面成60度夾角,CCD的中心點位于點A,CCD2的中心點位于點B,d_0=|AB|,d_0為基線長度,即兩個CCD中心的安裝距離,PA與X軸的夾角為α_0,PB與X軸的夾角為β_0,PC與0A的夾角為Φ,PD與0B的夾角為φ,2個CCD鏡頭焦距均為f。只要確定焦距f,并根據(jù)基線長度d_0,交匯角α_0、β_0。并由2個CCD輸出的視頻信號確定像高h_1、h_2,就可得出接觸線上的坐標。再根據(jù)2個CCD在車頂?shù)木唧w位置,就可以算出接觸線的拉出值和高度。
4.3軟件設計
本裝置檢測軟件系統(tǒng)是由“接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)實時在線采集系統(tǒng)”、“接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”、“接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)”三大系統(tǒng)組成的接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測設備專用配套軟件,提供良好的人機交互接口。
(1)軟件設計環(huán)境。操作系統(tǒng)為WinXP/Win2003/Win7/Win8,編程語言為C/VC++,開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010,數(shù)據(jù)傳輸方式為RJ45/RS232,數(shù)據(jù)庫為Oracle。
(2)全景圖像數(shù)據(jù)采集模塊(FVGM)設計。該模塊(Full View Gather Model)對應全景圖像采集攝像頭,負責初始化全景圖像采集攝像頭,采集圖像數(shù)據(jù)、停止采集圖像數(shù)據(jù)和攝像頭參數(shù)控制。與其交互的模塊有數(shù)據(jù)存儲模塊(DSM)、日志模塊(LM)、系統(tǒng)控制模塊(SCM)。主要功能是初始化全景攝像頭,采集數(shù)據(jù)傳出數(shù)據(jù)指針,攝像頭參數(shù)控制。
(3)關(guān)鍵部位圖像數(shù)據(jù)采集模塊(KPGM)設計。該模塊對應關(guān)鍵部位圖像采集攝像頭,負責初始化關(guān)鍵部位圖像采集攝像頭,采集圖像數(shù)據(jù)、停止采集圖像數(shù)據(jù)和攝像頭參數(shù)控制。與其交互的模塊有數(shù)據(jù)存儲模塊(DSM)、日志模塊(LM)、系統(tǒng)控制模塊(SCM),主要功能是初始化關(guān)鍵部位攝像頭,采集數(shù)據(jù)傳出數(shù)據(jù)指針,攝像頭參數(shù)控制。
5 結(jié)語
本系統(tǒng)的應用能夠確保電氣化鐵路運營秩序和提高車輛的供電安全性、可靠性。配置在運營線上,固定周期擔當一次巡檢任務,可以根據(jù)實際需要便攜式裝置還是車載式裝置,減輕了勞動作業(yè)強度,改善了工人工作環(huán)境,提高了勞動生產(chǎn)效率。通過檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,接觸幾何參數(shù)及懸掛部件技術(shù)狀態(tài),指導接觸網(wǎng)檢修,保證行車安全;同時它的防風沙設計,填補了全路對風沙地區(qū)接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)智能巡檢的空白,因此具有廣闊的研究和應用前景。
參考文獻:
[1] 劉國慶,李文貴.高速視頻檢測在京秦線接觸網(wǎng)動態(tài)巡檢車上的應用[J].太原鐵道科技,2005,04:31-32.
[2] 趙玉玲.接觸網(wǎng)移動巡檢子系統(tǒng)的設計[J].工業(yè)控制計算機,2010,11:44-45.