CN113504243A - 接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置及成像方法 - Google Patents

接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置及成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置及成像方法，装置包括：置于车顶的触发单元和成像单元，以及置于车内的电气控制单元和检测主机；所述检测主机分别连接触发单元和成像单元；所述触发单元和成像单元连接；所述电气控制单元分别连接检测主机、触发单元和成像单元；方法包括：接触网弹吊与承力索连接点识别、接触网弹吊与承力索连接区域成像。本发明解决了传统接触网悬挂状态巡检设备不具备对接触网弹性吊索与承力索连接区域成像问题，可采集接触网弹性吊索与承力索连接区域的高清成像，可分辨弹性吊索与承力索连接点是否存在断裂、脱开的故障，为接触网悬挂状态维修提供指导依据。

Description

接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置及成像方法
技术领域
本发明涉及电气化铁道接触网检测技术领域，尤其涉及一种接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置及成像方法。
背景技术
随着我国城市轨道交通的快速发展，接触网为电气化城市轨道交通的列车提供电力供应，接触网作为电力机车的动力来源，其安全性是高速列车运营安全的重要保证之一。接触网是沿铁路布设的供电网络，通过接触线与高速动车组上方的受电弓滑动接触传输电能。接触线在空间的静态位置影响着受电弓与接触网的动态受流性能，以及接触网零部件的振动载荷。标准TB10758-2018《高速铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准》对接触线静态空间位置有严格规定，诸如：接触线拉出值允许偏差±30mm，接触线悬挂点距轨面高度允许偏差±30mm，1个跨距内两相邻吊弦处的接触线高度差不得大于10mm等。在接触网设计阶段，需根据接触线静态空间位置设计值，精确计算承力索和弹性吊索几何形状、线长，吊弦长度，***坡度，进行吊弦、弹性吊索、支持与定位结构的预制。
传统接触网状态巡检装置不具备对定位点附近的弹性吊索（简称“弹吊”）与承力索连接区域设备成像功能，而随着运营检修的进行，发现接触网弹性吊索与承力索连接区域线夹存在断裂现象，严重影响接触网安全、威胁列车运营。
在专利申请号CN201910722075.3中公开了一种基于接触线静态空间位置的接触网悬挂三维快速找形方法，该方法考虑接触网悬挂线索的实际受力状态以及弹性形变，简单高效，可精确计算各种线路条件、实际接触线静态空间位置的简单链形、弹性链形悬挂的三维静态形状，直接应用于弓网***设计、接触网施工预配和接触网状态维修。然而该方案通过计算对接触网悬挂三维快速找形，只能形成大量的计算数据，但是并不能形成三维图像，在后续维护、修理过程，需要具有极强专业知识的人员才能看懂数据，不能直观的为维护、修理提供依据。
在专利申请号CN201910831420.7中公开了一种接触网吊弦动态形态的检测装置及方法，其中，该装置包括：成像模块，用于检测接触线与受电弓接触点的吊弦的动态形态，获取吊弦动态形态的图像数据；光源模块，用于对吊弦所在位置进行成像补光；成像模块及光源模块设置在车辆顶部的受电弓底座区域；设备控制模块，用于控制成像模块的快门触发与光源模块的光源开闭的同步性；数据处理模块，用于根据吊弦动态形态的图像数据，识别吊弦的状态，得到吊弦动态形态的检测结果。该装置及方法可以实现吊弦动态形态的高清成像，并对吊弦状态进行准确识别，整个过程中的采集、识别可以自动化完成，处理效率高，全面掌握吊弦在动态载荷下的形态，能为吊弦状态预测提供有效的信息支撑。但是该方法没用对接触网弹吊与承力索区域的成像识别提出有效解决方法。
为此需要研发了一种接触网弹吊与承力索区域成像检测方法（装置），以监视接触网弹性吊索与承力索连接区域状态，及时发现故障保证接触网安全。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置及成像方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置，包括置于车顶的触发单元和成像单元；以及置于车内的电气控制单元和检测主机；所述检测主机分别连接触发单元和成像单元；所述触发单元和成像单元连接；所述电气控制单元分别连接检测主机、触发单元和成像单元，用于供电。
进一步的，所述触发单元包括目标检测识别组件和触发模块；所述目标检测识别组件和触发模块均与检测主机连接，所述触发模块连接成像单元，目标检测识别组件实时高速拍摄接触网弹性吊索与承力索连接区域图像并传输至检测主机，当检测主机识别到目标时，启动触发模块。
进一步的，所述目标检测识别组件为基于机器视觉技术的光切检测组件，包括线光源设备和高速高清相机；所述线光源设备和高速高清相机通过固定装置安装于车顶；所述线光源设备倾斜向上安装，使光源向上投射到承力索上；所述高速高清相机与车内检测主机通过网络连接，倾斜向上安装，拍摄线光源照射的弹性吊索及承力索的图像，并传输至检测主机。
进一步的，所述固定装置在不超过车辆限界的情况下平行线路方向安装在车顶边缘；并通过三个安装座固定于车顶。
进一步的，所述成像单元包括两组呈中心对称安装车顶的成像组件，所述成像组件包括高清成像相机和氙气灯。
进一步的，所述方法包括以下步骤：
接触网弹吊与承力索连接点识别：
用高清高速相机采集接触网弹吊与承力索连接点的位图图像；
对图像进行预处理；
识别图像blob块并计算blob块面积，通过吊弦与承力索连接区域或者仅有承力索的图像blob面积明显小于弹性吊索与承力索区域blob面积的特征，初步筛选出目标图像；
根据制作的多个模板进行特征匹配，识别接触网弹吊与承力索连接点目标；
接触网弹吊与承力索连接区域成像：
接触网弹吊与承力索连接点目标识别软件识别到目标后，立即控制触发模块发送下降沿触发脉冲；
高清成像相机和氙气灯接收到下降沿触发脉冲后瞬间进入采集状态，采集目标区域的高清成像；
高清图像经千兆网络传输至车内检测主机进行处理，压缩为JPG图像，并融入公里标、站区等位置信息存储于硬盘。
进一步的，所述预处理包括图像进行Y方向差分、按合适阀值对图像进行二值化、对二制化后图像进行膨胀和对二制化图像白色区域进行连通处理。
本发明的有益效果：解决了传统接触网状态巡检设备不具备对接触网弹性吊索与承力索连接区域成像问题，可采集接触网弹性吊索与承力索连接区域的高清成像，可分辨弹性吊索与承力索连接点是否存在断裂、脱开的故障，为接触网状态维修提供指导依据。
附图说明
图1是本发明的装置原理框图。
图2是本发明的车顶设备安装示意图。
附图标记说明：1-高速高清相机；2-线光源设备；3-高清成像相机；4-氙气灯。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1，如图1和图2所示，一种接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置，包括置于车顶的触发单元和成像单元；以及置于车内的电气控制单元和检测主机；所述检测主机分别连接触发单元和成像单元；所述触发单元和成像单元连接；所述电气控制单元分别连接检测主机、触发单元和成像单元，用于供电。
其中，所述触发单元包括目标检测识别组件和触发模块；所述目标检测识别组件和触发模块均与检测主机连接，所述触发模块连接成像单元，目标检测识别组件实时高速拍摄接触网弹性吊索与承力索连接区域图像并传输至检测主机，当检测主机识别到目标时，启动触发模块。
其中，所述目标检测识别组件为基于机器视觉技术的光切检测组件，包括线光源设备2和高速高清相机1；所述线光源设备2和高速高清相机1通过固定装置安装于车顶；所述线光源设备2倾斜向上安装，使光源向上投射到承力索上；所述高速高清相机1与车内检测主机通过网络连接，倾斜向上安装，拍摄线光源照射的弹性吊索及承力索的图像，并传输至检测主机。
其中，所述固定装置在不超过车辆限界的情况下平行线路方向安装在车顶边缘；并通过三个安装座固定于车顶。
其中，所述成像单元包括两组呈中心对称安装车顶的成像组件，实现目标区域的正反面成像；所述成像组件包括高清成像相机3和氙气灯4。当弹吊承力索连接点识别触发单元识别到弹吊承力索连接接点后，经触发模块同步触发高清相机及氙气灯对弹吊与承力索连接区域进行高清成像。
实施例2，其中，高速高清相机1、线光源设备2、高清成像相机-3、氙气灯4；的安装位置并不仅限于实施例1的位置。
一种接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置，包括置于车顶的触发单元和成像单元；以及置于车内的电气控制单元和检测主机。
其中，所述检测主机分别连接触发单元和成像单元；所述触发单元和成像单元连接；所述电气控制单元分别连接检测主机、触发单元和成像单元，用于供电。
其中，所述触发单元包括目标检测识别组件和触发模块；所述目标检测识别组件和触发模块均与检测主机连接，所述触发模块连接成像单元，目标检测识别组件实时高速拍摄接触网弹性吊索与承力索连接区域图像并传输至检测主机，当检测主机识别到目标时，启动触发模块。
其中，所述目标检测识别组件为基于机器视觉技术的光切检测组件，包括线光源设备2和高速高清相机1；所述线光源设备2和高速高清相机1通过固定装置安装于车顶。
所述线光源设备2倾斜向上安装，使光源向上投射到承力索上；所述高速高清相机1与车内检测主机通过网络连接，倾斜向上安装，拍摄线光源照射的弹性吊索及承力索的图像，并传输至检测主机。
其中，所述固定装置在不超过车辆限界的情况下平行线路方向安装在车顶边缘；并通过三个安装座固定于车顶。
其中，固定装置可以安装在可以安装与两边边缘的任意一边，只需保证，高速高清相机1和线光源设备2能正对投射在承力索位置，小车延铁路运行时，识别承力索全程的索线。
其中，所述成像单元包括两组呈中心对称安装车顶的成像组件，实现目标区域的正反面成像；所述成像组件包括高清成像相机3和氙气灯4。当弹吊承力索连接点识别触发单元识别到弹吊承力索连接接点后，经触发模块同步触发高清相机及氙气灯对弹吊与承力索连接区域进行高清成像。
本装置适用于接触网作业车、工程车、检测车等工程车。
接触网弹性吊索与承力索连接区域成像方法，包括以下步骤：
接触网弹吊与承力索连接点识别：
1.用高清高速相机1采集接触网弹吊与承力索连接点的位图图像；
2.对图像进行预处理；过滤掉一些干扰信号。
3.识别图像blob块；
4.计算blob块面积，通过吊弦与承力索连接区域或者仅有承力索的图像blob面积明显小于弹性吊索与承力索区域blob面积的特征，初步筛选出目标图像；
5.为进一步确认此图确定有弹性吊索与承力索的连接件，需要对上面筛选出的目标图像进行进一步地确认，这时根据制作的多个模板进行特征匹配，当匹配度达到90%以上时，即可确认该图像包含“接触网弹吊与承力索连接点”目标；
接触网弹吊与承力索连接区域成像：
接触网弹吊与承力索连接点目标识别软件识别到目标后，立即控制触发模块发送下降沿触发脉冲；
高清成像相机3和氙气灯4接收到下降沿触发脉冲后瞬间进入采集状态，采集目标区域的高清成像；
高清图像经千兆网络的方式传输至车内检测主机进行处理，压缩为JPG图像，并融入公里标、站区等位置信息存储于硬盘。
其中，所述预处理包括图像进行Y方向差分、按合适阀值对图像进行二值化、对二制化后图像进行膨胀和对二制化图像白色区域进行连通处理。
计算机视觉中的Blob是指图像中的一块连通区域，Blob分析就是对前景/背景分离后的二值图像，进行连通域。
提取和标记。标记完成的每一个Blob都代表一个前景目标，然后就可以计算Blob的一些相关特征。Blob算法的核心思想，就是在一块区域内，将出现”灰度突变”的范围找出来。确定其大小、形状及面积等。算法从边缘寻找中的”卷积算法”，例如”卷积算法”的矩阵设定为2*4扫描从左向右从上至下进行的。矩阵每移动一步，算法计算矩阵中前半部(列1及列2)的灰度值总和，与矩阵中后半部(列3及列4)的灰度值总和的差。假如矩阵中这块图像的颜色为相同，也就是说矩阵中的8个像素的灰度极接近的话，那么，这个矩阵前部与后部灰度值总和差应该是趋近0的。程序一步步运行，矩阵前部与后部的灰度值总和差一直接近0。如果矩阵扫描到了一块前景的边缘，这时矩阵前部与后部灰度值总和差突变了，灰度值不再接近，则是到了一个Blob。当算法扫描完整的时候，***就记录了全部发生这种突变情况的点的坐标。之后再对这些边缘点进行一系列的分析，便可以得到这个Blob的大小、形状及面积等信息。
本装置采用目标识别触发单元采集接触网弹吊与承力索区域图像，并利用边缘匹配图像处理算法进行识别，当识别到弹吊与承力索连接接点时，通过触发模块迅速触发成像单元各设备高清成像，并对采集到的高清图像采用深度学习的方式进行自动缺陷识别。
通过本发明可以实现接触网弹吊与承力索连接点缺陷的智能识别，其流程为：
1、图像采集；
2、图像标注及训练数据集、测试数据集清洗；
3、弹吊与承力索连接点检测神经网络、损失函数选择；
目标检测网络一般选用YOLO或SSD；
损失函数选择SoftMax分类损失函数；
4、目标检测神经网络训练与效果测试；
5、缺陷识别神经网络及损失函数选择；
缺陷识别网络一般选用GAN网络；
6、缺陷检测神经网络训练及测试；
7、实际应用，实时识别出是否有缺陷。
本发明解决了传统接触网状态巡检设备不具备对接触网弹性吊索与承力索连接区域成像问题，可采集接触网弹性吊索与承力索连接区域的高清成像，可分辨弹性吊索与承力索连接点是否存在断裂、脱开的故障，为接触网状态维修提供指导依据。
本发明揭露的结构、功能和连接形式，可以通过其它方式实现。例如，以上所描述的实施例仅是示意性的；另外，在本文各个实施例中的各功能组件可以集成在一个功能组件中，也可以是各个功能组件单独物理存在，也可以两个或两个以上功能组件集成为一个功能组件。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置，其特征在于，包括置于车顶的触发单元和成像单元，以及置于车内的电气控制单元和检测主机；所述检测主机分别连接触发单元和成像单元；所述触发单元和成像单元连接；所述电气控制单元分别连接检测主机、触发单元和成像单元。
2.根据权利要求1所述的接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置，其特征在于，所述触发单元包括目标检测识别组件和触发模块；所述目标检测识别组件和触发模块均与检测主机连接，所述触发模块连接成像单元，目标检测识别组件实时高速拍摄接触网弹性吊索与承力索连接区域图像并传输至检测主机，当检测主机识别到目标时，启动触发模块。
3.根据权利要求2所述的接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置，其特征在于，所述目标检测识别组件为基于机器视觉技术的光切检测组件，包括线光源设备和高速高清相机；所述线光源设备和高速高清相机通过固定装置安装于车顶；所述线光源设备倾斜向上安装，使光源向上投射到承力索上；所述高速高清相机与车内检测主机通过网络连接，倾斜向上安装，拍摄线光源照射的弹性吊索及承力索的图像，并传输至检测主机。
4.根据权利要求3所述的接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置，其特征在于，所述固定装置在不超过车辆限界的情况下平行线路方向安装在车顶边缘；并通过三个安装座固定于车顶。
5.根据权利要求1所述的接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置，其特征在于，所述成像单元包括两组呈中心对称安装车顶的成像组件，所述成像组件包括高清成像相机和氙气灯。
6.根据权利要求1-5任一所述的接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置的成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
接触网弹吊与承力索连接点识别：
用高清高速相机采集接触网弹吊与承力索连接点的位图图像；
对图像进行预处理；
识别图像blob块并计算blob块面积，通过吊弦与承力索连接区域或者仅有承力索的图像blob面积明显小于弹性吊索与承力索区域blob面积的特征，初步筛选出目标图像；
根据制作的多个模板进行特征匹配，识别接触网弹吊与承力索连接点目标；
接触网弹吊与承力索连接区域成像：
接触网弹吊与承力索连接点目标识别软件识别到目标后，立即控制触发模块发送下降沿触发脉冲；
高清成像相机和氙气灯接收到下降沿触发脉冲后瞬间进入采集状态，采集目标区域的高清成像；
高清图像经千兆网络传输至车内检测主机进行处理，压缩为JPG图像，并融入公里标、站区的位置信息，然后存储于硬盘。
7.根据权利要求6所述的接触网弹性吊索与承力索连接区域成像装置的成像方法，所述预处理包括图像进行Y方向差分、按合适阀值对图像进行二值化、对二制化后图像进行膨胀和对二制化图像白色区域进行连通处理。
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