王建鋒, 張學(xué)文

(1.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.陜西省道路交通智能檢測與裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710064)

王建鋒, 張學(xué)文.地鐵接觸線磨損動態(tài)非接觸檢測方法[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2022,35(1):51-56.

近年來，地鐵軌道列車運(yùn)行速度不斷提高，軌道運(yùn)營安全越來越重要。接觸網(wǎng)是地鐵軌道交通供電系統(tǒng)的重要組成部分，軌道列車通過受電弓與接觸網(wǎng)不間斷接觸而獲得電能，長期接觸會使接觸線產(chǎn)生磨損，當(dāng)磨損量達(dá)到一定程度就需要進(jìn)行維修否則會產(chǎn)生重大事故。因此，進(jìn)行地鐵接觸線磨損量的高效檢測是地鐵接觸網(wǎng)檢測的重要內(nèi)容之一[1-2]。接觸線磨損的檢測方法主要有人工檢測和檢測設(shè)備檢測兩類。人工檢測最直觀，但其工作強(qiáng)度大，檢測效率低。檢測設(shè)備檢測又分為接觸式檢測和非接觸式檢測。接觸式檢測方法檢測速度慢，設(shè)備要求絕緣；非接觸檢測方法檢測效率較高，是接觸線磨損檢測的發(fā)展方向[3-5]。針對地鐵接觸線磨損的高效檢測問題，研究接觸線磨損檢測原理，從如何提高圖像拍攝質(zhì)量與優(yōu)化圖像處理算法等方面研究地鐵接觸線磨損的動態(tài)非接觸檢測，開發(fā)檢測系統(tǒng)，通過對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所開發(fā)系統(tǒng)的性能。

1 檢測原理

地鐵接觸線磨損動態(tài)非接觸檢測研究的檢測原理及開發(fā)的檢測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 接觸線磨損檢測原理及檢測系統(tǒng)

總體思路為：利用線激光器進(jìn)行輔助照明，雙相機(jī)拍攝地鐵接觸線圖像，通過對圖像進(jìn)行處理，提取出接觸線下邊緣，再按照接觸線磨損計(jì)算方法計(jì)算接觸線磨損量。線激光器發(fā)射的激光束會照亮接觸線及其他部件，由于接觸線是金屬材料并且接觸線離檢測平臺最近，所以所拍攝的圖像中接觸線圖像通常比背景亮而且總是位于圖像的最下方。為了減少環(huán)境光對采集系統(tǒng)的干擾，提高圖像的拍攝質(zhì)量，在相機(jī)上安裝合適的濾波光片去除環(huán)境光干擾。通過這樣的方法，使接觸線更加突出，背景更加弱化，減少圖像處理的難度，提高圖像處理的速度。提取2臺相機(jī)圖像中接觸線的下邊緣，通過雙相機(jī)解算下邊緣的空間位置，按照接觸線磨損量計(jì)算方法計(jì)算磨損量，實(shí)現(xiàn)接觸線磨損量的非接觸在線檢測。

按照檢測原理，開發(fā)地鐵接觸線磨損檢測系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)由軌道檢測車、前相機(jī)、后相機(jī)、線激光器、編碼器、計(jì)算機(jī)和電源模塊組成。2臺相機(jī)分別安裝在軌道檢測車的前后方，相機(jī)上方的鏡片為UV鏡。線激光器向軌道上方垂直照射，線激光器與安裝在相機(jī)前的濾光片結(jié)合使用，可排除環(huán)境光對采集系統(tǒng)的干擾。計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)接觸線圖像的采集、處理與存儲，并利用編碼器信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測系統(tǒng)的定位。電源模塊由2塊鋰電池組成，負(fù)責(zé)給系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)與線激光器供電。檢測過程中，軌道檢測車沿著軌道行駛，編碼器隨車輪轉(zhuǎn)動輸出3.3 V的方波信號，編碼器輸出的脈沖信號由系統(tǒng)分頻后，輸出TTL信號觸發(fā)前后相機(jī)工作。前后相機(jī)按照觸發(fā)信號采集接觸線圖像，圖像由USB3.0數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理計(jì)算接觸線磨損量。編碼器輸出的脈沖信號由軌道檢測車的行駛距離決定，利用脈沖信號個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)軌道檢測車的精確定位。

2 接觸線磨損檢測

2.1 磨損量計(jì)算方法

圖2 接觸線磨損前后斷面形狀及磨損直徑計(jì)算方法

我國地鐵軌道接觸線的主要材料為銅及銅合金[6]。如圖2所示，未磨損的接觸線橫截面下部呈圓弧狀，受到不同程度磨損時(shí)，下部呈現(xiàn)直線段即出現(xiàn)不同程度的磨損寬度。圖2中r為接觸線半徑，w為磨損寬度，θ為接觸線磨損面對應(yīng)的半角值。

利用磨損導(dǎo)線底部的直線段寬度w表征接觸線的磨損量。磨損量的最終數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式根據(jù)不同需要有所不同，采用如圖2所示的界面磨損直徑長度d來表示。

從圖2可知，磨損直徑長度

(1)

式中，r為定值，只要檢測w就可以計(jì)算出接觸線的磨損直徑長度d。

2.2 接觸線磨損邊緣提取算法

軌道上方除接觸線外還有其他部件，接觸線檢測系統(tǒng)采集到的圖像中除接觸線外，還有其他部件信息。所開發(fā)的系統(tǒng)通過線激光器和濾光片配合的方式減少了外部光對圖像質(zhì)量的影響，所拍攝的圖像中接觸線較亮并且總是位于圖像的下方，其他背景圖像較暗并且總是位于接觸線的上方，通過該方法使接觸線圖像的分割變簡單。Canny算法被認(rèn)為是較好的灰度邊緣檢測方法，相對于其他算法去噪能力更好、檢測精度更高[7]。為了提高接觸線磨損邊緣的檢測精度，采用自適應(yīng)中值濾波、接觸線圖像初步分割方法和改進(jìn)Canny算法[8]進(jìn)行接觸線的分割。采用的地鐵接觸線磨損寬度計(jì)算方法如下。

第1步，使用自適應(yīng)中值濾波對圖像進(jìn)行平滑處理，具體步驟如下：

(1)設(shè)初始濾波窗口大小為k=3；

(2)計(jì)算該窗口內(nèi)灰度的最小值d0、中值d1和最大值d2；

(3)如果d0

(4)如果增大后的尺寸不超過km(允許的最大窗口尺寸)則轉(zhuǎn)到(2)，否則d(x,y)=d1，即用當(dāng)前像素的灰度值與窗口的中值替換；

(5)如果d0

第2步，利用接觸線圖像初步分割方法分割出接觸線圖像，具體步驟如下：

(1)以中值濾波后的圖像為基礎(chǔ)，從圖像的最后1行開始，從下向上，從左向右搜索圖像，當(dāng)圖像連續(xù)個(gè)像素的灰度值出現(xiàn)突變時(shí)轉(zhuǎn)到(2)，否則繼續(xù)搜索，通過測試a=5；

(2)以搜索到的像素為基礎(chǔ)，向左、向右和向上計(jì)算像素突變的邊沿，并且求取該區(qū)間的最小矩形聯(lián)通區(qū)域，如果矩形對角線大于b,則進(jìn)行第3步，否則轉(zhuǎn)到第2步中的(1)，通過測試b=120。

第3步，使用Canny算法計(jì)算圖像梯度與方向，采用3×3模板。

第4步，使用自適應(yīng)閾值方法，消除由于噪聲和顏色變化引起的一些邊緣像素點(diǎn)，算法如下：

(1)計(jì)算整幅圖像的梯度均值，將圖像分為

(2)

(2)計(jì)算T1和T2的平均值Ta，以Ta-1和Ta+1作為閾值，分別計(jì)算對應(yīng)的類間方差g(Ta-1)、g(Ta)、g(Ta+1)；

(3)如果g(Ta-1)g(Ta)，認(rèn)為最佳閾值處于[T,Ta]，在該區(qū)間進(jìn)行新的搜索，重新定義T1、T2轉(zhuǎn)到(2)繼續(xù)進(jìn)行，如果g(Ta+1)>g(Ta)，認(rèn)為最佳閾值處于[Ta,T2]中，將該區(qū)間作為新的搜索區(qū)間，重新定義T1、T2轉(zhuǎn)到(2)繼續(xù)進(jìn)行；

(4)重復(fù)(2)和(3)，直到搜索到最佳閾值，把該閾值定位高閾值，低閾值為高閾值的0.6倍。

第5步，亞像素邊緣檢測，采用最小二乘法原理，使用雙曲正弦函數(shù)模型求解目標(biāo)特征的位置、方向、形狀等參數(shù)信息，從而實(shí)現(xiàn)圖像邊緣的亞像素定位。

第6步，磨損寬度計(jì)算，利用滑動平移最小二乘直線擬合方法計(jì)算磨損寬度。具體方法如下：

(1)以圖像最下面的數(shù)據(jù)點(diǎn)為開始搜索點(diǎn)，查找該點(diǎn)一個(gè)半徑為δ的圓形鄰域，如果該鄰域內(nèi)都為數(shù)據(jù)點(diǎn)，則將該點(diǎn)計(jì)入計(jì)算數(shù)組X，否則繼續(xù)向上、向左和向右搜索；

(2)當(dāng)該數(shù)組X的長度為l時(shí)，將數(shù)組X進(jìn)行直線擬合，計(jì)算直線的斜率和偏差，如果斜率小于c并且與擬合直線的最大偏差小于d時(shí)，繼續(xù)將數(shù)據(jù)加入數(shù)組X，當(dāng)斜率大于c或者與擬合直線的最大偏差大于d時(shí)停止搜索；

(3)將數(shù)組X進(jìn)行直線擬合，該直線長度即為磨損寬度。

按照以上方法計(jì)算接觸線磨損寬度過程如圖3所示。其中，圖3(a)中z方向?yàn)榇怪狈较?，向上為正，x方向?yàn)榻佑|線的縱向方向，前進(jìn)方向?yàn)檎?；y方向?yàn)闄M向方向，垂直xoz平面，沿前進(jìn)方向的左側(cè)為正方向。

圖3 磨損寬度計(jì)算過程

從圖3(a)可知，在某一瞬間前后相機(jī)拍攝的是被激光束照亮的同一位置處的接觸線表面，檢測平臺每移動一個(gè)距離采集一次圖像。將圖3(b)所示的原始圖像通過初步分割方法，分割出接觸線圖像如圖3(c)所示。為了說明磨損寬度的計(jì)算過程，將初步分割出的接觸線圖像放大，如圖3(d)、圖3(e)、圖3(f)所示。以上方法計(jì)算的接觸線磨損寬度是像素坐標(biāo)內(nèi)的值，為了得到磨損寬度的實(shí)際值，需要通過相機(jī)標(biāo)定得到標(biāo)定參數(shù)，利用該參數(shù)計(jì)算磨損寬度進(jìn)而計(jì)算磨損直徑。

2.3 雙相機(jī)標(biāo)定方法

圖4 雙相機(jī)標(biāo)定原理

雙相機(jī)標(biāo)定是獲得相機(jī)圖像空間與距離空間之間的映射關(guān)系。由于接觸線磨損檢測中相機(jī)的檢測距離較大，所拍攝的圖像必然會有畸變，因此在標(biāo)定中要充分考慮畸變等對標(biāo)定精度的影響?？v向位移由編碼器精確檢測，相機(jī)主要進(jìn)行橫向和垂直位置檢測。根據(jù)檢測要求和檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，雙相機(jī)標(biāo)定原理如圖4所示。

圖4中的系統(tǒng)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系原點(diǎn)o為檢測平臺的中心，z軸豎直向上，y軸正方向指向檢測車行駛方向的左側(cè)。Q(y,z)為接觸線坐標(biāo)，P1(yF0,zF0)、P2(yR0,zR0)分別為前后相機(jī)的光心坐標(biāo)；lF、lR分別為過前后相機(jī)光心的直線，與檢測平臺的夾角分別為αF與αR。OF(yoF,zoF)、OR(yoR,zoR)分別為前后相機(jī)成像中心的坐標(biāo)；QF(yqf,zqf)、QR(yqr,zqr)分別為前后相機(jī)在成像面上的理想成像坐標(biāo)，由于相機(jī)畸變導(dǎo)致成像偏移，實(shí)際成像點(diǎn)的坐標(biāo)為QF′(yqf′,zqf′)與QR′(yqr′,zqr′)，實(shí)際成像位置與理想成像位置之間的偏差分別為ΔF、ΔR，在相機(jī)安裝平臺上的投影分別為Δf、Δr。通過成像關(guān)系并且引入徑向畸變量和切向畸變量，最后得到標(biāo)定公式(3)。由于篇幅限制，只給出標(biāo)定公式結(jié)果,推導(dǎo)過程可參考文獻(xiàn)[9]。

(3)

式中，ti為標(biāo)定參數(shù)。

通過對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，就可以得到式(3)中的參數(shù)，從而計(jì)算獲得接觸線的空間坐標(biāo),進(jìn)而計(jì)算接觸線的磨損寬度。相機(jī)的標(biāo)定方法如圖5所示。標(biāo)定臺在縱向與橫向2個(gè)方向上移動，2個(gè)方向分別代表接觸網(wǎng)的導(dǎo)高與拉出方向。

圖5 雙相機(jī)標(biāo)定方法

標(biāo)定時(shí)，前后相機(jī)光軸所在的平面與標(biāo)定滑臺所在平面相互平行。為了實(shí)現(xiàn)對實(shí)際軌道接觸線空間參數(shù)的全范圍檢測，標(biāo)定滑臺在相機(jī)視場范圍內(nèi)從最近端到最遠(yuǎn)端均勻移動，使前后相機(jī)能夠比較均勻地采集目標(biāo)區(qū)域不同空間點(diǎn)的圖像，提高整個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)定精度。按照標(biāo)定方法得到的參數(shù)如表1所示。

表1 雙相機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)

3 接觸線磨損檢測實(shí)驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證所開發(fā)的地鐵接觸線磨損檢測系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，在西安地鐵二號線上進(jìn)行了現(xiàn)場動態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場

圖7 磨損量檢測結(jié)果

選取1 km路段進(jìn)行試驗(yàn)，共測量4 000個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)間隔0.25 m，距離由光電編碼器精確確定，檢測得到的接觸線磨損量如圖7所示。

為了驗(yàn)證接觸線磨損量檢測的精度，在檢測路段上選取36個(gè)點(diǎn)進(jìn)行對比測量。具體方法為在該路段上選擇36個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)利用人工方法檢測接觸線磨損量；按照檢測系統(tǒng)距離定位參數(shù)查找對應(yīng)位置處檢測系統(tǒng)的檢測值，將人工值與檢測值進(jìn)行對比，驗(yàn)證系統(tǒng)的檢測精度。檢測系統(tǒng)檢測值與人工測量之間的對比如圖8所示。

圖8 接觸線磨損檢測精度對比

從圖8可知，所開發(fā)系統(tǒng)的接觸線磨損量檢測數(shù)據(jù)與人工檢測數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性，兩者的最大絕對誤差為0.15 mm，最大相對誤差為2.36%。

4 結(jié)論

針對地鐵接觸線磨損高效檢測的問題，開發(fā)了一套地鐵接觸線磨損檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)由前后2臺相機(jī)、相機(jī)搭載平臺、線激光器、軌道檢測車等組成，由安裝在檢測車車輪上的編碼器觸發(fā)脈沖控制相機(jī)拍攝接觸線圖像，采用線激光器與濾光片配合的方式避免外部光對接觸線圖像的影響，拍攝的圖像中接觸線較亮并且總是位于圖像的下方，其他背景圖像較暗且總是位于接觸線上方，通過該方法使接觸線圖像分割簡單。

提出了接觸線圖像分割和磨損寬度計(jì)算方法，通過標(biāo)定試驗(yàn)得出了系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)。利用所開發(fā)的系統(tǒng)在西安地鐵二號線上進(jìn)行了現(xiàn)場動態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，研發(fā)的地鐵接觸線磨損檢測系統(tǒng)檢測速度快，與人工檢測數(shù)據(jù)對比，最大絕對誤差為0.15 mm，最大相對誤差為2.36%，能夠應(yīng)用于地鐵接觸線磨損檢測實(shí)際工程。