Chul Jin ChoKore University Seoul 02841 Kore Young PrkKore Rilrod Reserch Institute Uiwng-si Gyeonggi-do 16105 Kore*

新型400 km·h–1級架空接觸網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)

Chul Jin ChoaKorea University, Seoul 02841, Korea, Young ParkbKorea Railroad Research Institute, Uiwang-si, Gyeonggi-do 16105, Korea,*

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 3 July 2016

Revised form 19 August 2016

Accepted 8 September 2016

Available online 21 September 2016

高速鐵路

架空接觸網(wǎng)

狀態(tài)監(jiān)測

基于圖像處理的測量方式

近年來，高速鐵路各項技術(shù)不斷發(fā)展，列車運行速度從300 km·h–1提高到400 km·h–1。本文介紹了由韓國研究者開發(fā)和論證的技術(shù)，即400 km·h–1級集電性能評估方法。此外，本文還詳細解釋了基于視頻圖像的監(jiān)測技術(shù)，其不需要直接接觸供電系統(tǒng)的任何部件，這項技術(shù)被應(yīng)用于檢測以時速400 km運行的高鐵上架空接觸網(wǎng)組件的穩(wěn)定性。與常規(guī)使用激光傳感器或者線相機(line camera)來監(jiān)控架空接觸網(wǎng)的系統(tǒng)不同，開發(fā)的新型系統(tǒng)通過視頻數(shù)據(jù)來測量其處于活動狀態(tài)的參數(shù)。根據(jù)在商業(yè)線路上實地測量的結(jié)果，這種系統(tǒng)能有效地測量架空接觸網(wǎng)的各項參數(shù)。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.引言

在現(xiàn)代電力鐵路中，許多國家都致力于提高商業(yè)線路的速度上限。由于車載、軌道、電力和信號技術(shù)的快速發(fā)展，在商業(yè)運行前對列車及其基礎(chǔ)設(shè)施的性能進行評估和檢測尤為必要。換言之，為了確保乘客的安全，必須適當?shù)貙r速達到400 km的列車評估其影響。因此，有效的監(jiān)測技術(shù)引起了大家的關(guān)注，其可以克服由復(fù)雜結(jié)構(gòu)和長時間操作間隔引起的人力限制[1,2]。

在高速電力鐵路的眾多部件中，架空接觸網(wǎng)(OCL)是不斷地向運行的列車供電的一個接口。然而，由于OCL的物理結(jié)構(gòu)屬性，系統(tǒng)受到機電效應(yīng)的影響[3]。這些影響代表了集電的質(zhì)量，可以被歸納為幾個主要參數(shù)，如接觸力、受電弓、接觸不良率、電弧百分比和接觸線的上升力[4,5]。

最近，韓國鐵路研究所(KRRI)在商業(yè)線路(Honam快線，長56 km)上成功開發(fā)了一個時速400 km的鐵路車輛及其基礎(chǔ)設(shè)施[6]。然而，由于受電弓和接觸線之間的相互作用導(dǎo)致了劇烈的振動和波傳播與反射的快速變化，因此必須嚴格地對OCL所有方面的性能進行評估，以便保證OCL功率穩(wěn)定，正常供電給列車。本文介紹了應(yīng)用于檢測新型時速400 km級OCL[2,6]的性能技術(shù)，即通過物理測量系統(tǒng)驗證核心部件的規(guī)格，還介紹了一種間接接觸線的動態(tài)拉出值/高度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個簡單的電荷耦合器件(CCD)相機來實現(xiàn)[7]。

本文中的其他內(nèi)容如下：第2部分介紹了已建立的現(xiàn)場測試場地的詳細規(guī)格，第3部分介紹了基于視頻圖

像的非接觸式測量系統(tǒng)的細節(jié)，最后論述了所得出的結(jié)果和結(jié)論。

2.材料和方法

如上文所述，為了保證商業(yè)運營的安全性，必須仔細配置OCL各項參數(shù)。因此，測試現(xiàn)場的核心組件配置根據(jù)以前的研究結(jié)果來確定[2,6]。表1是由KRRI開發(fā)的時速400 km級OCL的設(shè)計參數(shù)。測試現(xiàn)場由一類簡易的接觸網(wǎng)構(gòu)成，其包含眾多超高張力接觸線。由于接觸線的張力和重量是影響高效集電性的最大因素，接觸網(wǎng)由規(guī)格為34 kN、150 mm2的改良過的輕質(zhì)銅鎂合金接觸線和規(guī)格為23 kN、116 mm2的絞合銅鎂合金接觸線構(gòu)成。

通過利用HEMU-430X(代表高速電動多單元時速430 km實驗)[1]，從時速 60 km遞增到時速410 km，從而實現(xiàn)對時速400 km級OCL組件進行性能評估。圖1是OCL組件以及在測試現(xiàn)場拍攝的圖片。

表1.國Honam快線400 km·h–1級OCL的設(shè)計參數(shù)[2,6]

圖1.在時速400 km級測試場地OCL的部件和安裝。

如表2中所示，通過監(jiān)測受電弓的接觸力、接觸不良率、接觸線的動態(tài)拉出值/高度、拉力、張力和電流等參數(shù)，可以評估時速400 km級OCL核心部件的性能。這些參數(shù)可以通過軌道測試獲得，測試要求測量車輛通過目標地點的時刻。如果表2中的所有參數(shù)都滿足測試運行和速度的允許范圍，則確定OCL是安全可靠的。

3.理論

以下介紹基于視頻圖像的動態(tài)拉出值/高度測量系統(tǒng)。需要注意的是本文中的一些細節(jié)是總結(jié)以前研究中所包含的內(nèi)容模塊。與其他性能評估措施不同，動態(tài)拉出值和高度只能通過觀察接觸線位置相對于受電弓中心的位移來測量。因此，如圖2所示，動態(tài)拉出值和高度只能通過非接觸式接口捕捉受電弓和接觸線的圖像測量得出。動態(tài)拉出值/高度測量系統(tǒng)與基于電弧傳感器的接觸不良率測量系統(tǒng)共享接口，該系統(tǒng)能夠檢測可見波長范圍之外的電子波。

圖3顯示了安裝在HEMU-430X上的基于視頻圖像的測量系統(tǒng)。HEMU-430X是用于評估時速400 km級列車基礎(chǔ)設(shè)施的測試車輛，如圖3所示，視頻采集系統(tǒng)安裝在受電弓的方向上，以便同時記錄OCL的圖像。

通過圖2和圖3所示的視頻采集接口，可以獲得動態(tài)位移值(即從受電弓的中心到接觸面的距離)。獲得動態(tài)拉出值和高度的過程如圖4所示 [2,7,8]。由于動態(tài)位移值是通過從受電弓中心到接觸面的距離來計算的，所以

有必要找到受電弓以及接觸線的精確位置。因此，根據(jù)所獲取的圖像序列，首先獲得受電弓的位置及其中心。然后假設(shè)接觸帶與照相機的角度可能不垂直，于是以直線的形式檢測接觸帶。類似地，應(yīng)用線檢測方法來檢測接觸線。最后，找到受電弓和接觸線的交叉點，并且轉(zhuǎn)換成動態(tài)拉出值和高度。

表2.00 km·h–1級OCL的核心規(guī)格

圖2.測試接觸不良率和動態(tài)拉出值/高度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。OCL：架空接觸網(wǎng)；DAQ：數(shù)據(jù)采集；GigE：千兆以太網(wǎng)；PoE：以太網(wǎng)供電；SMPS：開關(guān)模式供電；UPS：不間斷電源供應(yīng)。

圖3.在HEMU-430X頂上安裝的基于視頻圖像的測量系統(tǒng)。

利用大容量的存儲設(shè)備對數(shù)據(jù)進行記錄，從而可以離線測量OCL的動態(tài)拉出值和高度。然而，在實際情況下必須考慮到附加程序可能會降低性能。如圖5所示[2,7]，實際動態(tài)拉出值/高度測量系統(tǒng)可以總結(jié)為四個步驟。

圖5顯示了實際的誤差來源。第一個實際誤差的來源是OCL部件之間的相似性，即這些部件不能憑借單張圖片來自動區(qū)分。第二個實際誤差的來源是快速變化的背景和由太陽照射引起的光線變化，這可能會頻繁地改變檢測受電弓的適當參數(shù)。比如在橫截面部分，可以觀察到一個或多個接觸線，其可能是誤差的來源。接觸位置的快速移動是由低采樣率引起的，也限制了高速工業(yè)CCD相機的拍攝。最后，在隧道以及山區(qū)或火車站等復(fù)雜場地，必須對參數(shù)進行調(diào)整。以下是具體的操作步驟。

第一步涉及環(huán)境識別，確定用于搜索受電弓的條件和參數(shù)。在常見的系統(tǒng)中，環(huán)境大致分為三種不同類型：正常、有背景干擾和隧道。如圖6[9]中右側(cè)所示的幾種類型，每種類型下對收集圖像的固定區(qū)域所提供的照明值不同。例如，與隧道類相比，正常類在區(qū)域1中具有較亮的值。類似地，區(qū)域2也具有不同的亮度值。通過收集多個圖像的平均強度值，可以設(shè)置邊界以識別合適的類型，這個邊界稱為“線性分類器”。

圖4.測量OCL動態(tài)拉出值/高度的過程。

圖5.實際測量動態(tài)拉出值/高度的過程。

圖6.環(huán)境識別過程[9]。(a)周圍環(huán)境的不同類型；(b)圖像的特征向量。

圖7.圖像檢測受電弓(a)和接觸線(b)的過程。

第二步對受電弓和接觸線進行檢測，如圖7所示。先前步驟中所選的環(huán)境類型進展至檢測步驟。第二步的目的是找到受電弓最合適的位置，該位置由搜索到的具有最高相似值的位置所決定。

第三步進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，從而濾除在實際情況中獲得的不準確的測量數(shù)據(jù)(圖8)。在圖像序列之間，由于圖像樣本之間和接觸線位置之間的關(guān)系，接觸線只有有限的移動范圍。該有限范圍被定義為驗證區(qū)域，而不考慮區(qū)域外的檢測結(jié)果干擾。

圖8.數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的過程。(a)橫截面的接觸線檢測；(b)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的應(yīng)用。

4.結(jié)果

表3顯示了安裝在HEMU-43OX的Honam 快線上視頻檢測系統(tǒng)的結(jié)果。 結(jié)果包括與實驗條件相關(guān)的參數(shù)，如測量間值、最大速度、持續(xù)時間和樣品數(shù)量。注意，每個結(jié)果都是從單獨測試中得出的，測試范圍僅在最小測量速度到最大測量速度間變化。

5.討論

圖9展示了實現(xiàn)的動態(tài)拉出值/高度測量系統(tǒng)的軟件平臺。圖中左側(cè)顯示了用于電弧測量的運行系統(tǒng)，而右側(cè)展示了基于圖像的測量系統(tǒng)。如圖9所示，測量系統(tǒng)能夠同時檢測OCL的電弧和測量動態(tài)位移。根據(jù)上文中所采取的測量方式，可以得出所有測試樣本中動態(tài)拉出值都在250 mm的范圍之內(nèi)。正如預(yù)期，在運行速度為400 km·h–1時受電弓和接觸線之間接觸的影響，受電弓的上升力增加，可以觀察到高度的變化也增加。雖然，常規(guī)的不接觸受電弓來測量接觸線靜態(tài)位置的方式是不能監(jiān)測運行中的列車的，但基于視頻圖像的監(jiān)測方法可以有效地測量OCL的動態(tài)。

表3.370 km·h–1到400 km·h–1的動態(tài)拉出值的測量結(jié)果

圖9.(a)HEMU-430X 400 km·h–1級上的電弧測量結(jié)果；(b)HEMU-430X 400 km·h–1級上動態(tài)拉出值/高度的測量結(jié)果。

如在系統(tǒng)配置的描述中所提到的，圖像合集是從韓國開發(fā)的時速400 km級HEMU-430X頂上安裝的圖像采集裝置獲得的。為了評估相應(yīng)的系統(tǒng)性能，從三天的三次測試運行中選擇300幀圖像進行評估。評估結(jié)果如表4所示。由表4可得， 系統(tǒng)誤差大約為8 mm，誤差大小就像720×480圖像上的四個像素點一樣。由于采集硬件的限制，圖像之間在以非常高的速度快速變化時可能發(fā)生模糊，這種模糊造成了系統(tǒng)誤差。因此，希望可以采用更好規(guī)格的硬件系統(tǒng)來減少誤差。

表4.能測試結(jié)果

6.結(jié)論

本文介紹了在KRRI開發(fā)的時速400 km級高速鐵路運行前，已經(jīng)應(yīng)用于評估OCL性能的一項監(jiān)測技術(shù)。評估集電性能結(jié)果的指標為受電弓的接觸面、接觸不良率和接觸線的上升力。觀察到的測量結(jié)果是在部件規(guī)格限制范圍之內(nèi)的。開發(fā)基于視頻圖像的監(jiān)測系統(tǒng)的目的是改進常規(guī)需要人力的監(jiān)測技術(shù)，以便在動態(tài)拉出值和高度方面對集電性能進行非接觸式評估?；趶V泛進行的性能評估，其相應(yīng)技術(shù)表明，即使在時速400 km運行的情況下，也可能分析OCL的狀態(tài)。因此可以預(yù)測，本文提出的監(jiān)測方法的組合可以對OCL性能進行定量描述。

致謝

本研究由韓國鐵路研究所研發(fā)計劃資助。

Compliance with ethics guidelines

Chul Jin Cho and Young Park declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

[1] Kwon SY, Park CM, Park Y, Lee K, Cho YH, Eum KT, et al. Comparative review of the current collection quality parameters between catenary and pantograph by measuring the contact force and arcs simultaneously during new Korean high speed train trial runs. In: Proceedings of the 10th World Congress on Railway Research; 2013 Nov 25–28; Sydney, Australia; 2013.

[2] Cho YH, Kwon YJ, Lee K, Park Y, Park CM, Ryoo H. Innovative high-speed overhead contact line by adopting an ultra-high strength contact wire. In: Proceedings of the 11th World Congress on Railway Research; 2016 May 29–Jun 22; Milan, Italy; 2016.

[3] Borromeo S, Aparicio JL. Automatic system for wear measurement of contact wire in railways. In: Proceedings of the 2002 28th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Volume 4/4; 2002 Nov 5–8; Sevilla, Spain. Piscataway: IEEE; 2002. p. 2700?5.

[4] Park Y, Lee K, Park SY, Park JY, Choi WS. Implement of multi-functional type condition monitoring system for railway catenary system. Trans Korean Inst Electr Eng 2015;64(9):1406?10. Korean.

[5] Koyama T, Ikeda M, Nakamura K, Tabayashi S, Niwakawa M. Measuring the contact force of a pantograph by image processing technology. In: Brebbia CA, Tomii N, Mera JM, Ning B, Tzieropoulos P, editors Proceedings of the Thirteenth International Conference on Design and Operation in Railway Engineering; 2012 Sep 11–13; New Forest, UK. Billerica: WIT Press; 2012. p. 189?98.

[6] Cho YH, Ryoo HB, Kang SH, Jung HS, Cho HR, Lee KS, et al. Final project report on the development of overhead contact line system for speed enhancement. Gyeonggi-do: Korea Railroad Research Institute; 2015. Korean.

[7] Cho CJ, Cho YH, Kwon SY, Lee K, Jang S, Ryoo H. Development of an image processing based method for dynamic stagger extraction of pantograph-overhead contact line system. J Korean Soc Rail 2011;(5):1336?41. Korean.

[8] Cho CJ, Ko H. Video-based dynamic stagger measurement of railway overhead power lines using rotation-invariant feature matching. IEEE Trans Intell Transport Syst 2015;16(3):1294?1304.

[9] Cho CJ, Park Y, Ku B, Ko H. An implementation of environment recognition for enhancement of advanced video based railway inspection car detection modules. Sci Adv Mater. In press.Thirteenth International Conference on Design and Operation in Railway Engineering; 2012 Sep 11–13; New Forest, UK. Billerica: WIT Press; 2012. p. 189?98.

[6] Cho YH, Ryoo HB, Kang SH, Jung HS, Cho HR, Lee KS, et al. Final project report on the development of overhead contact line system for speed enhancement. Gyeonggi-do: Korea Railroad Research Institute; 2015. Korean.

[7] Cho CJ, Cho YH, Kwon SY, Lee K, Jang S, Ryoo H. Development of an image processing based method for dynamic stagger extraction of pantograph-overhead contact line system. J Korean Soc Rail 2011;(5):1336?41. Korean.

[8] Cho CJ, Ko H. Video-based dynamic stagger measurement of railway overhead power lines using rotation-invariant feature matching. IEEE Trans Intell Transport Syst 2015;16(3):1294?1304.

[9] Cho CJ, Park Y, Ku B, Ko H. An implementation of environment recognition for enhancement of advanced video based railway inspection car detection modules. Sci Adv Mater. In press.

* Corresponding author.

E-mail address: ypark@krri.re.kr

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(3):360–365

Chul Jin Cho, Young Park. New Monitoring Technologies for Overhead Contact Line at 400 km·h–1. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.016