宋大治 陸思文

1.南京地鐵建設有限責任公司，江蘇 南京 210000；

2.東南大學信息科學與工程學院，江蘇 南京 210000

地鐵作為現(xiàn)代的一種重要出行方式，具有行駛速度快、不堵車、運量大等優(yōu)點，但同時也存在著無法避免的隱患，電弧閃光就是其中極為重要的一種。

軌道交通地鐵接觸網(wǎng)網(wǎng)上的電壓波動范圍大約為1000～1800V，最大持續(xù)電流有效值大約為3000A，供給電客車的電流經(jīng)過走行軌返回牽引變電所，接觸網(wǎng)階牽引變電所正極，走行軌接牽引變電所負極。接觸網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)向電客車提供電能的最直接環(huán)節(jié)，其狀態(tài)直接影響著地鐵的運營安全[1,2]。電客車電弓與接觸網(wǎng)線接觸會對接觸網(wǎng)線產(chǎn)生機械磨損和電氣磨損，并導致電接觸不良等現(xiàn)象，使得接觸網(wǎng)線會產(chǎn)生電火花或電弧。同時，隨著地鐵運行速度的不斷提高，車體的振動加劇，受電弓和接觸線的良好接觸遭到破壞，容易造成弓網(wǎng)脫離，從未引起電弧閃光[3,4]。為了避免由此引起的重大損失，電弧閃光的檢測具有重要意義。

本文提出一種通過視頻圖像對電弧閃光現(xiàn)象進行檢測的方法，主要對整個系統(tǒng)的架構(gòu)及其中的關(guān)鍵性算法進行介紹。

1 電弧閃光檢測系統(tǒng)架構(gòu)

圖1為地鐵接觸網(wǎng)電弧閃光檢測系統(tǒng)的主要組成框圖。首先，利用架設在地鐵軌道附近的視頻監(jiān)控攝像機實時采集接觸網(wǎng)的視頻畫面，將視頻傳入視頻解碼器進行解碼，并將解碼后的視頻信號傳輸至核心處理模塊進行處理。核心處理模塊主要完成對電弧閃光的檢測（具體檢測方法見后續(xù)），檢測中涉及的一些參數(shù)及相應配置存放在存儲模塊，以便系統(tǒng)斷電重啟后可以恢復關(guān)閉前的狀態(tài)。若核心處理模塊檢測到電弧閃光發(fā)生，則報警器給出安全警示。同時，將閃光發(fā)生的相應信息，包括發(fā)生電弧閃光的時間、路段名稱通過有線或無線網(wǎng)絡傳遞給后方控制臺。同時，對捕捉到的電弧閃光的圖像和視頻進行保存。控制臺主要完成接收、查看、處理、刪除報警信號等功能。

圖1 地鐵電弧閃光檢測系統(tǒng)主要組成框圖

2 電弧閃光檢測算法

在上述的系統(tǒng)構(gòu)架中，核心處理模塊主要完成對地鐵接觸網(wǎng)電弧閃光現(xiàn)象的檢測，其中的電弧閃光檢測算法是整套系統(tǒng)的核心。

根據(jù)經(jīng)驗，電弧閃光出現(xiàn)的時間極為短暫。出現(xiàn)前和出現(xiàn)后的畫面圖像基本一致，只有在電弧閃光發(fā)生的瞬間圖像亮度才會出現(xiàn)集體上升，電弧閃光的檢測算法主要基于這一特性完成。

圖2是電弧閃光檢測算法的主要流程圖，主要包括以下幾個步驟。

圖2 電弧閃光檢測算法流程圖

（1）系統(tǒng)初始化。完成設備以及一些主要參數(shù)的初始化，使系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。

（2）配置或讀取相關(guān)參數(shù)。如果是第一次對當前區(qū)域進行檢測時，需要設定一些基本參數(shù)，如感興趣區(qū)域的左右邊界等。如果已經(jīng)對該監(jiān)控區(qū)域設定過相關(guān)參數(shù)，則可直接進行讀取。

（3）針對每幀圖像計算單幀狀態(tài)圖。提取每幀圖像的灰度信息，對其進行相應計算得到單幀狀態(tài)圖，反映的是每幀圖像各點的灰度信息。

（4）針對每幀圖像計算四幀狀態(tài)圖。四幀狀態(tài)圖由當前幀圖像以及前三幀圖像的單幀狀態(tài)圖計算得到，反映的是每幀圖像中各點的變化情況。

（5）根據(jù)四幀狀態(tài)圖判斷閃光是否發(fā)生。若發(fā)生，則發(fā)送警報信號，并將發(fā)生電弧閃光的時間、地點通過有線或無線網(wǎng)絡傳遞給后方控制臺。同時，將捕捉到的電弧閃光的圖像以及視頻證據(jù)進行保存，以供后續(xù)查看。

在測試時，使用閃光燈模擬真正的電弧閃光。圖3為抓拍到的模擬閃光抓拍實例。由圖3可見，每次抓拍均由4幅圖像構(gòu)成。其中，第一、第二幅圖像為閃光發(fā)生前的圖像，第三幅圖像為閃光發(fā)生時的圖像，第四幅圖像為閃光發(fā)生后的圖像。通過這四幅圖像，可清晰地看出模擬閃光發(fā)生的全過程。

圖3 模擬閃光抓拍實例

3 結(jié)語

地鐵接觸網(wǎng)的電弧閃光檢測是一項具有重要現(xiàn)實意義的研究內(nèi)容。本文主要通過架設在地鐵附近的攝像機對接觸網(wǎng)進行監(jiān)控，將采集到的視頻信號進行解碼得到每幀圖片的灰度信息。通過每幀圖片的灰度信息以及前后幀圖片對應位置間的灰度關(guān)系，判斷電弧閃光是否發(fā)生。若判斷電弧閃光發(fā)生，則發(fā)出報警信息并將相應報警信息傳回控制臺，同時，將圖片及視頻證據(jù)進行保存以供工作人員后續(xù)處理。