趙鑫欣 王勝春 王昊 杜馨瑜 趙延峰 蔣曙光

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京 100081）

在我國城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中大部分線路采用了接觸軌方式供電（又稱第三軌）。第三軌供電方式具有安裝方便、單位電阻小、節(jié)省能耗等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。

第三軌系統(tǒng)中集電靴與接觸軌的良好接觸是列車穩(wěn)定運行的前提，接觸界面既制約著列車運行速度，也影響供電的穩(wěn)定性。因此，建立第三軌廓形檢測系統(tǒng)車載平臺，有助于分析第三軌的高低和水平距離，為線路維修和養(yǎng)護提供科學(xué)依據(jù)［1-2］。本文介紹基于時空上下文信息的快速追蹤算法及其在第三軌廓形檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 第三軌廓形檢測系統(tǒng)

第三軌廓形檢測系統(tǒng)是城軌車牽引供電系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)（圖1），其直接影響到地鐵供電系統(tǒng)甚至城軌車的安全運營。

圖1 第三軌廓形檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)以車體為載體，其與走行軌攝像組件安裝在轉(zhuǎn)向架端的同一檢測梁上，用于檢測軌道左側(cè)或右側(cè)的第三軌。第三軌廓形檢測系統(tǒng)按0.25 m 間隔輸出觸發(fā)信號控制攝像組件采集第三軌圖像，然后處理圖像內(nèi)容并輸出第三軌軌距點和軌頂點測量結(jié)果，最后合成第三軌幾何參數(shù)進行距離超限判斷。第三軌與走行軌之間相對位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 第三軌與走行軌相對位置

對第三軌廓形的快速準確追蹤是影響廓形檢測和分析的關(guān)鍵問題之一。城軌車運行過程中因經(jīng)過軌道不平順、小半徑曲線段等區(qū)段，車體會產(chǎn)生六自由度方向強振動（圖3），包括垂直鋼軌方向的搖頭和沉浮、沿軌道縱向的點頭和橫擺、沿軌道橫向的伸縮和側(cè)滾振動。

圖3 車體六自由度強振動示意

第三軌廓形檢測系統(tǒng)基于結(jié)構(gòu)光測量原理。高速攝像機按一定角度和高度對第三軌廓形進行拍攝，攝像機拍攝視野不固定且變化非常大，導(dǎo)致采集圖像內(nèi)容復(fù)雜多變，不僅包含第三軌廓形光條，還可能包含線路、絕緣子、防爬器、防護罩等線路設(shè)備。還需要解決因車體六自由度強振動和光照變化而導(dǎo)致的圖像噪聲，致使追蹤目標特征形態(tài)缺失和畸變。

2 快速追蹤算法

2.1 第三軌圖像采集

軌道左右兩側(cè)只有一側(cè)存在第三軌，所以檢測系統(tǒng)需要實時判斷第三軌所在位置，并將沒有第三軌的一側(cè)進行歸零處理。

將攝像機抓拍的第三軌內(nèi)側(cè)圖像計算處理得到軌距點和軌頂點位置，再結(jié)合第三軌參數(shù)，最終得到第三軌的水平和垂直距離。采集的每幀圖像大小為2 048×1 088，強振動行車環(huán)境下第三軌橫向移動范圍約30 mm，垂向移動范圍約90 mm。

2.2 目標特征描述子的選取

第三軌的軌距點不受車體強振動、第三軌結(jié)構(gòu)變化和外部光照變化等影響，可以準確可靠地描述第三軌廓形目標特征。因此，選取第三軌的軌距點作為目標特征描述子。

2.3 基于時空上下文信息的快速追蹤算法

常見的目標追蹤算法有訓(xùn)練分類器［3］、均值漂移算法［4］和機器學(xué)習(xí)［5］等。快速追蹤算法基于連續(xù)幀目標及其周圍場景存在著的時間和空間關(guān)系設(shè)計。時間信息可以反映相鄰幀間目標和位置的變化，且不會發(fā)生突變?？臻g信息可以反映目標和目標周圍背景存在的特定關(guān)系，當目標外觀發(fā)生很大變化時，這種關(guān)系可以幫助區(qū)分目標和背景，這2種信息組合在一起就是時空上下文信息。該算法首先基于第三軌廓形結(jié)構(gòu)先驗信息在圖像中指定軌頭區(qū)域作為起始目標區(qū)域，再根據(jù)貝葉斯概率模型構(gòu)建軌頭區(qū)域置信圖（圖4），最后計算置信圖的最大極值點并持續(xù)追蹤軌頭區(qū)域。

圖4 第三軌廓形

與現(xiàn)有追蹤算法相比，該算法有2 個顯著優(yōu)勢：①執(zhí)行效率高。因為僅選取第三軌軌頭作為目標區(qū)域，避免了全圖遍歷計算過程，追蹤目標置信圖處理時間僅為1.3 ms 左右。②適應(yīng)能力強。該算法對環(huán)境光變化和圖像內(nèi)容變化不敏感，并且可以持續(xù)更新軌頭目標區(qū)域。

2.4 基于最近點迭代的廓形匹配算法

運用最近點迭代算法完成目標區(qū)域追蹤后，還需要提取追蹤區(qū)域內(nèi)的軌頭數(shù)據(jù)計算軌距。由于追蹤區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)較少且第三軌形狀簡單，可快速完成廓形匹配和提取目標特征。使用追蹤目標區(qū)域內(nèi)的激光條紋數(shù)據(jù)，沿著每個數(shù)據(jù)點的法線方向提取激光光帶中心點坐標，并與標準廓形數(shù)據(jù)進行最近點迭代匹配。

城軌車強振動運行過程中，即便軌頭數(shù)據(jù)與標準廓形數(shù)據(jù)差異較大且匹配點距離較遠，軌頭數(shù)據(jù)與標準廓形數(shù)據(jù)仍然可以準確匹配。

3 應(yīng)用驗證

在城軌車強振動運行情況下，采用基于快速追蹤算法的第三軌廓形檢測系統(tǒng)對多條城軌線路第三軌進行現(xiàn)場檢測，并將檢測結(jié)果與現(xiàn)有追蹤算法（均值漂移算法）所得結(jié)果進行對比。

結(jié)果準確率Acc計算方法為

式中：Rg為手工標注的目標位置矩形區(qū)域面積；RL為追蹤方法得到的目標區(qū)域面積。

如果Acc≥0.85，則追蹤結(jié)果正確。

圖5 現(xiàn)場檢測結(jié)果與現(xiàn)有追蹤算法所得結(jié)果對比

現(xiàn)場檢測結(jié)果與現(xiàn)有追蹤算法所得結(jié)果對比見圖5。虛線矩形區(qū)域為現(xiàn)場檢測結(jié)果，紅線矩形區(qū)域為現(xiàn)有追蹤算法計算結(jié)果?？梢钥闯觯F(xiàn)有追蹤算法在城軌車強振動和受陽光干擾情況下，追蹤結(jié)果會出現(xiàn)漂移和追蹤錯誤現(xiàn)象。尤其城軌車經(jīng)過軌道不平順和小半徑曲線段時會產(chǎn)生車體六自由度強振動，攝像機拍攝視野發(fā)生大范圍移動導(dǎo)致所采集的圖像內(nèi)容復(fù)雜多變，無法準確追蹤第三軌。而基于時空上下文信息的快速追蹤算法是依據(jù)貝葉斯概率模型構(gòu)建的目標區(qū)域置信圖，充分考慮了第三軌廓形結(jié)構(gòu)的先驗信息，可以適應(yīng)不同運行條件和外部光照環(huán)境，有效克服強振動和受陽光干擾帶來的復(fù)雜圖像內(nèi)容和圖像噪聲，可以不斷更新追蹤目標置信圖并持續(xù)準確追蹤，不會出現(xiàn)追蹤漂移和追蹤錯誤的現(xiàn)象。

強振動和受陽光干擾2 種情況追蹤結(jié)果對比見表1。

表1 追蹤結(jié)果對比

由表1可以看出：強振動、受陽光干擾情況下追蹤結(jié)果準確率分別為99.9%，99.5%。左右兩側(cè)第三軌廓形追蹤定位時間≤2 ms。每秒最多可采集和處理500 幅圖像，而現(xiàn)有追蹤算法每秒最多可處理350幅圖像，左右兩側(cè)第三軌廓形追蹤定位時間是2.8 ms。執(zhí)行效率提高約30%，可以滿足城軌車第三軌廓形檢測系統(tǒng)最高運行時速160 km 的檢測要求。

4 結(jié)語

采用基于時空上下文信息的快速追蹤算法的第三軌廓形檢測系統(tǒng)在多條城軌線路應(yīng)用。結(jié)果表明，檢測系統(tǒng)可有效克服因車體晃動和外部光照變化帶來的影響，同時兼顧了廓形檢測的實時性要求，準確率≥99.5%。