孔龍飛，韓通新，李 卓，田 亮，劉忠彬，戴 晉

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094）

弓網(wǎng)受流性能參數(shù)用于評價受電弓和接觸網(wǎng)系統(tǒng)相互作用。弓網(wǎng)受流性能試驗是動車組整車型式試驗的重要組成部分，同時也是高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)驗收試驗的重要測試項目。自我國發(fā)展高速鐵路和動車組以來，研究人員對高速動車組弓網(wǎng)受流性能開展了大量測試，為高速鐵路弓網(wǎng)耦合、高速受流的弓網(wǎng)系統(tǒng)改進做出了重要貢獻。

評價弓網(wǎng)相互作用的重要指標，主要是弓網(wǎng)動態(tài)接觸力。此外，接觸網(wǎng)動態(tài)抬升量和燃弧監(jiān)測也被采納為評價弓網(wǎng)相互作用的重要指標［1］。

為確保受電弓連續(xù)取流時沒有電壓降或電流損失，必須使受電弓和接觸網(wǎng)保持良好的機械接觸，否則會產(chǎn)生燃弧。燃弧會對周圍環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾、噪聲干擾并加劇弓網(wǎng)間的磨耗。如果空氣間隙持續(xù)增大，取流中斷，車輛就會因為電源切斷而失去牽引動力［2］。引起接觸不良的原因主要包括弓網(wǎng)的機械振動、接觸線損耗、接觸線覆冰、接觸力不足等［3］。弓網(wǎng)燃弧可通過測量弓網(wǎng)接觸電阻、紫外光學傳感器［1］和視頻圖像等方法進行測量［4］。

在運營速度遠低于接觸線橫波傳播速度時，利用受電弓通過接觸線時的抬升量可以得知受電弓運行狀況。支持結構上的最大抬升與受電弓的接觸壓力正相關，因此可以間接的反映出弓網(wǎng)動態(tài)接觸力情況。動態(tài)抬升量測試方法包括2 種，即在接觸網(wǎng)支持裝置處固定測量方法和在車輛上利用光學儀器移動測量方法［2］。

研究運營動車組弓網(wǎng)受流性能變化規(guī)律，需要長時間對服役動車組弓網(wǎng)受流性能數(shù)據(jù)進行跟蹤采集。普通服役動車組沒有車載弓網(wǎng)受流性能監(jiān)測設備，也不便于長期加裝臨時設備。如果為每輛動車組配備設備，勢必是投資高、回報少的。一直以來，利用弓網(wǎng)監(jiān)控視頻人工分析弓網(wǎng)燃弧都是一個重要手段，文中利用復興號動車組配備的弓網(wǎng)監(jiān)控視頻，自主研發(fā)了一套“基于弓網(wǎng)監(jiān)控視頻的弓網(wǎng)受流參數(shù)離線采集分析系統(tǒng)”，實現(xiàn)服役動車組弓網(wǎng)燃弧和受電弓動態(tài)包絡線的跟蹤檢測。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要包括2 部分，第1 部分是弓網(wǎng)視頻采集，第2 部分是弓網(wǎng)受流數(shù)據(jù)采集。弓網(wǎng)視頻采集包括采集車載弓網(wǎng)監(jiān)控視頻和車輛傳感器數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)合并、視頻存儲等。弓網(wǎng)受流數(shù)據(jù)采集包括弓網(wǎng)監(jiān)控視頻圖像壓縮合并處理、弓網(wǎng)燃弧識別和受電弓動態(tài)包絡線參數(shù)測量。因為車載的弓網(wǎng)監(jiān)控視頻需要轉存到車下用于進一步的弓網(wǎng)受流參數(shù)采集，所以這種數(shù)據(jù)采集方式屬于離線采集。系統(tǒng)組成如圖1 所示。動車組每臺受電弓都配有受電弓監(jiān)控系統(tǒng)，主要由高清監(jiān)控攝像機、數(shù)據(jù)線、顯示器、車載數(shù)據(jù)接收計算機、視頻存儲等部分組成。弓網(wǎng)視頻都是以每10 min 為單位進行分段存儲，原始像素2 048×1 536，視頻幀率25 fps，視頻數(shù)據(jù)較大。為了提高圖像識別效率，首先對已存儲的每段視頻按需求進行壓縮合并處理，壓縮后視頻圖像像素為800×600，幀率25 fps，然后合并多段視頻為1 個視頻文件，最后經(jīng)過受流數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)完成弓網(wǎng)燃弧和受電弓動態(tài)包絡線參數(shù)檢測。

圖1 弓網(wǎng)監(jiān)控視頻弓網(wǎng)受流參數(shù)離線采集系統(tǒng)組成示意圖

2 實現(xiàn)方法流程圖

算法流程如圖2 所示。在采集前，首先在動車所內(nèi)利用標定靶對已知受電弓滑板運動區(qū)域平面進行標定，得到圖像坐標與世界坐標轉換矩陣H并儲存。然后再利用從動車組上轉存下來并且做了壓縮合并處理的視頻完成數(shù)據(jù)采集。取每一幀當前圖像，檢測跟蹤接觸線和受電弓的接觸點，從而確定燃弧可能發(fā)生的區(qū)域，利用燃弧前景輪廓特征來識別燃弧，并且保存發(fā)生燃弧的當前幀圖像。由于受電弓動態(tài)包絡線的測量重點部位往往位于若干個支柱處［5］，所以需要智能識別接觸點上方區(qū)域接觸網(wǎng)定位裝置，并且保存當前幀圖像。為了提高識別和測量的準確性，需要人工復核保存的圖像，在經(jīng)過復核的圖像上，利用鼠標拾取受電弓抬升距離和擺動量距離，即受電弓動態(tài)抬升量及橫向擺動量參數(shù)。

圖2 實現(xiàn)方法總體流程圖

3 接觸點連續(xù)定位

受電弓與接觸網(wǎng)的接觸點識別是非常重要的，大量弓網(wǎng)問題的發(fā)生是由于這個點的受電弓與接觸網(wǎng)的不可靠接觸造成的［2］。

因此通過圖像識別定位燃弧，首先要做到弓網(wǎng)接觸點準確連續(xù)的定位。

建立復興號動車組的單臂受電弓弓頭垂向運動和橫向運動平面坐標系，采用文獻［6］提出的基于二維圖像直線的受電弓滑板運動區(qū)域標定方法對車載的弓網(wǎng)監(jiān)控視頻圖像進行標定，確定受電弓滑板圖像每個像素點圖像坐標與世界坐標的變換關系。

利用基于Sobel 算子的邊緣檢測算法，檢測受電弓滑板和接觸線邊緣，采用概率Hough 變換的直線檢測方法來識別受電弓滑板和接觸線［7］，通過滑板直線和接觸線數(shù)學公式可以準確計算并定位滑板與接觸線的接觸點坐標，再用Kalman 濾波跟蹤方法來識別滑板和工作支接觸線的接觸點。接觸點檢測過程如圖3 所示。

圖3 弓網(wǎng)接觸點連續(xù)定位過程

4 燃弧識別與圖像存儲

準確檢測和跟蹤弓網(wǎng)接觸點后，可以由接觸點來確定一個燃弧感興趣區(qū)域，如圖4（a）所示。檢測感興趣區(qū)域內(nèi)的前景圖像，如圖4（b）所示。燃弧的識別判斷方法主要包括燃弧前景檢測，輪廓矩判斷識別，滑板區(qū)域燃弧判斷。

（1）前景檢測

對燃弧感興趣區(qū)域圖像二值化處理，可以獲得前景圖像。設farc（x，y）表示輸入燃弧感興趣區(qū)域視頻序列的原始圖像，F(xiàn)arc（x，y）表示前景二值化圖像，則二值化圖像可以表示為式（1）：

式中：255 為前景區(qū) 域；0 為背景區(qū)域；Th為二值化閾值。

燃弧區(qū)域圖像像素值大于Th的像素點認為是前景區(qū)域，反之為背景區(qū)域。獲得前景二值化圖像后，為了消除圖像噪聲、不連續(xù)區(qū)域和空洞，對其采用連續(xù)的標準開運算和閉運算。

（2）輪廓矩判斷識別

通過大量觀察燃弧前景圖像樣本，掌握燃弧形態(tài)特征，可以準確識別燃弧及排除夜間補光燈的干擾。

圖像矩可以用來計算輪廓形狀的重心、面積、主軸和其他特征表示為式（2）：

式中：I（x，y）表示像素點（x，y）的亮度值。

一階矩和零階矩可以計算輪廓的重心為式（3）：

二 階 矩M20、M11、M02可 以 計 算 輪 廓 的 方 向為式（4）：

觀察燃弧前景圖像輪廓，將重心十分接近接觸點、角度接近于0、輪廓最小外接矩形的長寬比例等作為先驗知識，可以有效地識別出燃弧并且避免各種環(huán)境干擾。

（3）滑板區(qū)域判斷

通過觀察燃弧前景會侵入滑板區(qū)域，因此判斷滑板區(qū)域是否有燃弧像素，也可以一定程度上排除干擾結果。如圖4（c）所示。

圖4 弓網(wǎng)燃弧識別

燃弧被識別后，系統(tǒng)會自動輸出并保存燃弧圖像，并以幀號命名，供試驗人員復核結果及做分析。部分燃弧識別結果如圖5 所示。

圖5 燃弧識別結果

5 受電弓動態(tài)包絡線測量

監(jiān)控滑板上方區(qū)域的異常物，異常物輪廓連通面積大于一定閾值以區(qū)別接觸線的輪廓，從而識別出定位裝置，并保存當前圖像。拾取靜態(tài)下受電弓高度和拾取通過定位器時受電弓高度分別如圖6、圖7 所示。

圖6 拾取靜態(tài)下受電弓高度

圖7 拾取通過定位器時受電弓高度

受電弓動態(tài)包絡線參數(shù)測量是在受電弓滑過定位器時的圖片中進行的，具體方法如下：

（1）抬升量測量方法

為了測量結果準確，首先人工復核圖像中定位器是否接近受電弓滑板，然后利用鼠標手動拾取接觸點坐標，自動測量出接觸點高度值h1。鼠標手動拾取站臺靜止受電弓接觸點高度h0。

則受電弓動態(tài)抬升量表示為式（5）：

通過圖6 和圖7 的對比，可以看出受電弓在運行過程中有明顯的抬升，運行速度341 km/h，受電弓抬升量為61 mm。

（2）橫向擺動量測量方法

接觸線動態(tài)拉出值測量曲線可以清晰地展示出接觸線橫向運行軌跡［8］，而且也表明了受電弓滑過支柱的序號。對接觸網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)表查表可以很快查找當前圖片支柱定位點的靜態(tài)拉出值S。因為接觸網(wǎng)定位點處靜態(tài)拉出值幾乎是一個定值，幾乎不隨環(huán)境變化或受電弓動態(tài)作用而改變，所以定位點是一個理想的參照物，定位點靜態(tài)拉出值是確定靜態(tài)下受電弓中心線的關鍵。通過鼠標拾取弓網(wǎng)接觸點，采用“橡皮筋技術”沿滑板中心方向繪制直線段，線段終點顯示世界坐標距離，當距離等于靜態(tài)拉出值|S|時，此終點被確定為靜態(tài)下受電弓中心線的一點。最后利用同樣的線段拾取方法，從靜態(tài)下受電弓中心線這一點為起點鼠標拾取到受電弓滑板中心點（動態(tài)下受電弓中心線上一點）的距離ΔS，ΔS可以看作受電弓橫向擺動量測量值。測量方法示意圖如圖8 所示，實測結果如圖9 所示。定位點處接觸線靜態(tài)拉出值為237 mm，從接觸點沿滑板中心繪制237 mm 直線，如黑色線段，然后拾取黑色線段終點到受電弓中心的距離，如紅色線段。圖中白線表示運動中受電弓的中心線。從圖9 中可以看出受電弓橫向擺動量為32 mm。

圖8 受電弓橫向擺動量測量方法示意圖

圖9 受電弓橫向擺動量圖像測量結果

如果車輛平穩(wěn)放置時，考慮受電弓中心線與線路中心線有安裝公差ε，則受電弓橫向擺動量為ΔS+ε。

6 試驗數(shù)據(jù)分析

利用文中方法對復興號動車組弓網(wǎng)受流參數(shù)進行跟蹤采集，如圖10～圖13 所示。具體試驗過程如下：

圖1 3 CR400 動車組11 車受電弓2 次燃弧測量結果

圖1 2 CR400 動車組11 車受電弓2 次燃弧測量結果

圖1 1 CR400 動車組3 車受電弓2 次燃弧測量結果

圖1 0 CR400 動車組3 車受電弓2 次燃弧測量結果

試驗要求：對運營里程在80 萬km 以上的動車組弓網(wǎng)受流性能進行追蹤測試

試驗對象：17 輛編組CR400 動車組的2 臺工作受電弓

試驗地點：某高速鐵路線路A 站～B 站區(qū)段上下行線

接觸網(wǎng)高度：5 300 mm

其他要求：追蹤測試數(shù)據(jù)期間，受電弓靜態(tài)工作壓力均在規(guī)定范圍內(nèi)。動車組2 次往返運行交路相同，通過弓網(wǎng)監(jiān)測視頻采集受流數(shù)據(jù)。

一列CR400 動車組2 臺工作受電弓2 次跟蹤測量的數(shù)據(jù)結果見表1。表中還給出了當天的受電弓靜態(tài)壓力和滑板最小剩余厚度數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)對比分析。

表1 CR400 服役動車組的受流數(shù)據(jù)跟蹤測試結果

從表1 中燃弧數(shù)據(jù)對比可以得到以下幾個特點：

（1）通過觀察對比表中數(shù)據(jù)，檢測到的受電弓動態(tài)參數(shù)均屬于正常值，靜態(tài)數(shù)據(jù)如受電弓靜態(tài)壓力、滑板最小剩余厚度均在規(guī)定值范圍內(nèi)，而且差距極小。

（2）對比弓網(wǎng)燃弧數(shù)據(jù)

被跟蹤的動車組每臺受電弓不同運行方式比較表明，3 車受電弓后弓開口運行優(yōu)于前弓閉口運行，11 車受電弓前弓開口運行優(yōu)于后弓閉口運行。

2 臺同時工作受電弓比較表明，前弓優(yōu)于后弓。

2 臺受電弓不同運行方式下測量結果表明，11車受電弓作為后弓時的燃弧次數(shù)明顯較多。

（3）圖10～圖13 給出了相同受電弓2 次跟蹤測試結果的燃弧分布對比圖。從圖中可以看出：

3 車受電弓5 月份測量結果優(yōu)于1 月份。

11 車受電弓作為前弓時，5 月份測量結果優(yōu)于1 月份。作為后弓時，5 月份的測量結果不如1 月份。而且1 月份11 車受電弓滑板厚度已超過最小24 mm 的限值，因此滑板磨耗不是影響弓網(wǎng)燃弧變化的主因。

從目前跟蹤測試結果和測試數(shù)據(jù)來看，造成被跟蹤動車組的11 車受電弓后弓閉口運行時受流性能較差，這值得更深入研究。

7 結 論

為了填補國內(nèi)對服役動車組弓網(wǎng)受流性能變化規(guī)律研究的空白，解答車輛部門關心的動車組受電弓服役性能變化情況，開發(fā)了一套實用的服役動車組弓網(wǎng)受流性能跟蹤測試系統(tǒng)，通過車載弓網(wǎng)監(jiān)控視頻離線實測弓網(wǎng)燃弧、受電弓橫向擺動和動態(tài)抬升量參數(shù)。為服役動車組弓網(wǎng)受流性能跟蹤測試提供了技術支持。該方法具備以下優(yōu)勢：

（1）利用圖像測量參數(shù)，數(shù)據(jù)準確，信息豐富，輸出結果直觀。

（2）通過先驗知識和計算機視覺算法，可以準確地采集燃弧圖像和受電弓動態(tài)包絡線參數(shù)。

（3）充分利用了車載的弓網(wǎng)監(jiān)控視頻，測量手段安全、經(jīng)濟、實用，大大降低長期跟蹤試驗成本。