翟國銳，杜偉，張文靜

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130113）

地鐵在運(yùn)行階段，因為其車輛行駛較為特殊，使其特別容易出現(xiàn)弓網(wǎng)防線或受電弓零件脫節(jié)以及接觸點(diǎn)位置異常等的問題，因此，需要對弓網(wǎng)接觸位置進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，這樣才可以確保地鐵安全穩(wěn)定運(yùn)行，并且提升其運(yùn)行效率。但需要注意的是，弓網(wǎng)監(jiān)測屬于非車載系統(tǒng)，這樣就只能在地鐵通過瞬時進(jìn)行檢測，實時性相對較差。當(dāng)前，針對弓網(wǎng)檢測來講，對受電弓及接觸網(wǎng)的接觸點(diǎn)監(jiān)測探究探索已經(jīng)取得了不錯的進(jìn)展。但因為地鐵運(yùn)行環(huán)境相對復(fù)雜且多變，所以，在非常規(guī)環(huán)境下對弓網(wǎng)接觸點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測十分關(guān)鍵且重要。

1 地鐵車輛弓網(wǎng)系統(tǒng)分析

地鐵車輛弓網(wǎng)系統(tǒng)主要是由接觸網(wǎng)及受電弓共同組成，針對接觸網(wǎng)來講，其通常都是在軌道沿線上空，功能即為將電能直接傳輸?shù)降臓恳酉到y(tǒng)中，進(jìn)而為地鐵車輛牽引動能。依照懸掛式可分為剛性懸掛及柔性懸掛兩類，前者接觸網(wǎng)是由旋轉(zhuǎn)底座、絕緣子、匯流排和接觸線等多個元件共同組織；后者接觸網(wǎng)是由承力索、支柱、接觸線和吊弦等多個元件共同組成。其中受電弓屬于受流設(shè)備，屬于接觸網(wǎng)與地鐵的連接，依照壁桿結(jié)構(gòu)可劃分為單臂受電弓和雙臂受電弓兩種，受電弓借助與接觸線的連接就可以實現(xiàn)電能傳輸。

2 主要子系統(tǒng)功能

受電子接觸網(wǎng)動態(tài)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完善性十分重要，有效構(gòu)建能夠生成完整的系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)需包含報警子系統(tǒng)、攝像子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)等，同時，需要注意的是，每個子系統(tǒng)之間都有著信息傳輸及控制的功能。

2.1 車輛報警子系統(tǒng)

針對車輛報警子系統(tǒng)來講，電磁感應(yīng)傳感器屬于這一系統(tǒng)的關(guān)鍵組成，電磁感應(yīng)傳感器的內(nèi)部核心即為發(fā)射與接收，可以將其安裝鋼軌中，然后就能夠生成磁場效應(yīng)。在地鐵車輛通行階段，借助車輪中磁力線就可以直接發(fā)射出電流，這就說明車輛馬上就會到來，隨之也會發(fā)射出相應(yīng)的報警信號。另外，從安裝維護(hù)層面分析，電磁感應(yīng)器都具有一定的優(yōu)勢，其可以直接安裝到監(jiān)控前方位置，然后在地鐵車輛到達(dá)前就可以立即啟動系統(tǒng)來拍攝，車輛通過后，則可以直接關(guān)閉，其開關(guān)信號原輸出可以這與網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)端口進(jìn)行連接，以便快速觸發(fā)開關(guān)。

2.2 攝像子系統(tǒng)

攝像子系統(tǒng)屬于一種現(xiàn)代化數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備，主要是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來作為輔助，同時系統(tǒng)內(nèi)部還融入了電動云臺與解碼器等。其可以將視頻進(jìn)行壓縮處理，并且集結(jié)到較小體積的設(shè)備內(nèi)部，同時其還可以將模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換成為數(shù)據(jù)包，然后再借助RJ45 接口上傳到網(wǎng)絡(luò)中。其與以往傳統(tǒng)的模擬攝像機(jī)加編碼器相比，具有以下優(yōu)勢：安裝方便、維護(hù)便捷；借助網(wǎng)絡(luò)不僅可以調(diào)整畫面大小和系統(tǒng)容量，還可以調(diào)節(jié)參數(shù)電及進(jìn)行畫面回放，回放畫面也會十分清晰。但需要注意的是，部分回放有可能因為壓縮編解碼導(dǎo)致畫面質(zhì)量下降。

例如，某地鐵弓網(wǎng)接觸位置動態(tài)監(jiān)測就應(yīng)用了攝像子系統(tǒng)這一數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，同時還使用了壓縮格式，其特點(diǎn)和優(yōu)勢則是能夠在不損害畫面的背景下，高清顯示圖面及視頻內(nèi)容，在這一背景下不僅節(jié)約了寬帶，還進(jìn)一步減少了信息傳輸壓力。此外，這一機(jī)器還能夠使晝夜彩色直接轉(zhuǎn)變成為黑白色，即便是在夜間也可以提供高清圖像質(zhì)量。在系統(tǒng)內(nèi)部裝入防護(hù)罩就可以配置到云臺中，云臺能夠承載機(jī)器重量，也是十分重要的承載裝置。解碼器也需要設(shè)置在云臺附近，這樣有利于接收控制器所發(fā)出的指令。

2.3 傳輸子系統(tǒng)

傳輸子系統(tǒng)主要是將攝像機(jī)圖像內(nèi)容傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，之后控制系統(tǒng)則可以傳遞出命令來對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制。在這一基礎(chǔ)上，傳輸子系統(tǒng)也可依照實際情況來選擇自己需要的路徑，例如，網(wǎng)線或微波等。

2.4 中心控制子系統(tǒng)

中心控制子系統(tǒng)其能夠?qū)︿浵駥嵤╊A(yù)處理。從監(jiān)控器中能夠直接看到監(jiān)控點(diǎn)弓網(wǎng)接觸點(diǎn)的實際情況，一旦出現(xiàn)故障，那么工作人員就可采取緊急措施來規(guī)避事故的發(fā)生。同時，這一子系統(tǒng)的錄像功能也十分完善，能夠?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)信息循環(huán)保存，最重要的是可以將之前錄制的視頻文件進(jìn)行覆蓋。同時系統(tǒng)還具有檢索功能，使用人員可依照多種方式來對視頻開展檢索，例如，時間信息檢索、報警信息檢索等。此外，系統(tǒng)內(nèi)部還可以依照使用人的實際需求來對制定數(shù)據(jù)信息進(jìn)行永久保存，避免出現(xiàn)惡意破壞的現(xiàn)象。中心控制系統(tǒng)還能夠在遠(yuǎn)端來對云臺加以控制，使攝像機(jī)進(jìn)行靈活移動，也能夠控制攝像機(jī)鏡頭的調(diào)焦及變倍等功能。

3 闡述非常規(guī)環(huán)境下地鐵弓網(wǎng)接觸位置的動態(tài)監(jiān)測策略

3.1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)監(jiān)測技術(shù)

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)監(jiān)測即為測量弓網(wǎng)接觸的位置的拉出值、導(dǎo)高、坡度以及高度差等多項幾何參數(shù)，檢測設(shè)備的主要是由幾何參數(shù)測量模塊及車體振動補(bǔ)償模塊共同組成。

（1）幾何參數(shù)檢測。其主要是使用兩組工業(yè)相機(jī)及一組線狀激光器來作為檢測設(shè)備，然后再通過激光三角測量法來對接觸網(wǎng)開展追蹤，并隨之測量接觸線拉出值及高度值。在地鐵列車行進(jìn)階段，激光器發(fā)射線性激光會直接照射在接觸線上，然后就會生成光斑，接觸線空間位置不同，則光斑位置也會發(fā)生改變，整個過程只要對光斑定位進(jìn)行計算，就可以得出接觸線高度及拉出值。另外，在不考量軌面高度變化的背景下，光斑距離圖像的低端距離既可以體現(xiàn)出導(dǎo)高值。

（2）車體振動補(bǔ)償。地鐵車體來振動時，其也會對拉出值及導(dǎo)高值的幾何參數(shù)檢測帶來影響，因此，應(yīng)對檢測開展修正處理。地鐵車體振動補(bǔ)償測量可借助機(jī)器視覺原理來在車體底部安裝相應(yīng)的補(bǔ)償模塊，通常兩個即可。線激光呈現(xiàn)出角度時，其從側(cè)面就可以直接照射到鋼軌輪廓上，相機(jī)則可以直接對鋼軌的激光畸變圖像開展采集，使弓網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測的主機(jī)來對進(jìn)行分析，然后測算出地鐵車體與軌道面的偏移情況。最后，將偏移量隨之補(bǔ)償?shù)杰図斎菧y距模塊中，這樣就可以得出導(dǎo)高值及拉出值。

3.2 視頻圖像中弓網(wǎng)接觸位置的識別

（1）YOLO v3-tiny 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。YOLO v3-tiny 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與YOLO v3 相同，兩者都是運(yùn)用了多尺度檢測機(jī)制，但需要注意的是，前者僅用了13×13、26×26兩個尺度的像素，其他則大致相同。主要因素即為YOLO v3-tiny 是由卷積層及池化層共同的組成的，整體都相對簡便。另外，YOLO v3-tiny 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征即為參數(shù)少且計算量小，對計算機(jī)的要求相對偏低，最重要的是可以很好地輸入信息進(jìn)行推理及計算。但需要注意的是，其也具有一定的缺陷，即為了提升計算速度，就容易降低檢測的精準(zhǔn)度。因為YOLO v3-tiny網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為便捷，特征提取階段存在不充分的現(xiàn)象。因此，為進(jìn)一步強(qiáng)化和提升其檢測的準(zhǔn)確度，可以借助YOLO v3-tiny 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來對ROIcanny 開展訓(xùn)練，通過這一算法處理來對視頻進(jìn)行跟蹤是被，以此得出弓網(wǎng)接觸位置。

（2）YOLO v3-tiny-strong 結(jié)構(gòu)。YOLO v3-tinystrong 結(jié)構(gòu)十分適合運(yùn)用在受電弓圖識別中，這一結(jié)構(gòu)是YOLO v3-tiny 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級。主要體現(xiàn)即為以下幾點(diǎn)：其一，則是對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面拓展和擴(kuò)充。在深層次學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中，淺層次網(wǎng)絡(luò)提取也十分關(guān)鍵，需要對物體的剛性結(jié)構(gòu)及紋理結(jié)構(gòu)來進(jìn)行提取，因為這些結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)都較為明顯。在過程中，可以使用大特征圖像來豐富和優(yōu)化細(xì)節(jié)。針對YOLO v3-tiny 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來講，其在第二層就進(jìn)行了特征采集，通過這種方式可以全面減少網(wǎng)絡(luò)計算量。因此，可以在網(wǎng)絡(luò)第一、二層中間再加入1×1 卷積層和3×3 卷積層2 層網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以強(qiáng)化對淺層特征的提取。在1×1 卷積層的加入中，其作用體現(xiàn)為以下兩點(diǎn)：①可以實現(xiàn)平滑過度，即為確保第一層所提取到的特征直接添加到3×3 的卷積層中，這樣的方式在傳遞視頻時也不會出現(xiàn)損壞現(xiàn)象；②充分降低了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量的體現(xiàn)。如果直接在網(wǎng)絡(luò)第一層中就加入了3×3 網(wǎng)絡(luò)，則參數(shù)量體現(xiàn)則會較多，長時間卷積層計算量就增加，且降低檢測速度。因此，需要在這之前就加入1×1 卷積層，這樣就可以很好地減少網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并且在特征提取時確保檢測速度的加快。

其二，則是在26×26 像素尺度檢測工作開展前，加入相應(yīng)的卷積層，全部完成以后提取特征。這種的操作模式雖然使用了route 合并功能，并且還融合了深淺層特征，但需要注意的是，由于后者僅有1 層3X3 卷層實施了特征提取，所提取到的抽象特征則會有所減少。因此，可以使用YOLO v3 多尺度檢測層的功能，并且在深層網(wǎng)絡(luò)中加入2 個3×3 的卷積層，這樣的方式可以有效對深層特征進(jìn)行提取，進(jìn)而完善模型，完善后的模型則是YOLO v3-tiny-strong，其與YOLO v3-tiny 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比雖然有一定的區(qū)別，但能夠進(jìn)一步提升YOLO v3-tiny-strong 檢測的準(zhǔn)確度。在這一基礎(chǔ)上，還可以開展多種模型的橫向?qū)Ρ龋缓笥嬎闫骄?，進(jìn)而全面強(qiáng)化輸出的準(zhǔn)確度。

另外，F(xiàn)ast R-CNN 網(wǎng)絡(luò)由于其固有的二階網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其檢測的準(zhǔn)確度較高，特別是在候選窗推薦階段，其與其他網(wǎng)絡(luò)相比都有明顯的優(yōu)勢，同時還能進(jìn)一步提升目標(biāo)檢測效能。YOLO v3 網(wǎng)絡(luò)所運(yùn)用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即為darknet-53，可以通過強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)層數(shù)來提升特征的提取能力，并且也使用了多元化的檢測方式對目標(biāo)進(jìn)行檢測，能夠促進(jìn)檢測精準(zhǔn)度的提升。同時，YOLO v3 網(wǎng)絡(luò)中的下采樣操作使用了步長2 的卷積層，能夠有效規(guī)避采樣階段一些細(xì)節(jié)問題的出現(xiàn)，借助技術(shù)的完善就能夠促進(jìn)YOLO v3 網(wǎng)絡(luò)檢測精準(zhǔn)度的提高，并且輸出的平均準(zhǔn)確性也較強(qiáng)。通過對比能夠發(fā)現(xiàn)YOLO v3-tiny-srong 與YOLO v3-tiny 相比，前者的準(zhǔn)確度有明顯提升，提升幅度大約為15%。此外，也可以在帶有NVIDIAGTX980GPU的情況下，對多個算法的檢測速度進(jìn)行測試，通過傳輸速度來對模型處理速度進(jìn)行對比，在這一背景下，雖然修改后的YOLO v3-tiny-srong 其檢測速度有所下降，但準(zhǔn)確度卻得到了全面提升，可以充分滿足實時檢測的要求。

4 結(jié)語

結(jié)合全文，地鐵弓網(wǎng)接觸位置的動態(tài)監(jiān)測十分關(guān)鍵，有效監(jiān)測不僅可以降低弓網(wǎng)事故的發(fā)生，并且還可以確保地鐵車輛安全穩(wěn)定地運(yùn)行。另外，弓網(wǎng)接觸位置動態(tài)監(jiān)測也可以為地鐵列車提速及降低噪聲等有一定的幫助。