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佘朝富 摘 要：阐述了一种地铁接触线磨耗动态检测方法，采用2路线阵相机拍摄接触线磨耗截面，通过软件系统整理分析计算磨耗数据。该装置经线上实测并与人工检测数据对比验证，数据采集精度较高，实现了快速自动检测的目标。 关键词：接触线；磨耗；动态检测 0 引言随着近几年全国各城市对轨道交通需求不断增大，城市轨道交通得到迅速发展。截至2018年底，我国在建城市轨道交通线路达202条，总里程达5 520.904 km。预计到2020年，全国建成城市轨道交通规模将达到6 000 km左右，轨道交通建设及维护投资规模将达到4万亿。 影响信号去噪的另一个关键因素是小波分解层次的选取,在选用同一小波基的前提下,不同的分解层次,信号的去噪效果也不同。表2列出了sym7和bior2.2两种不同小波基在不同分解层次下对模拟的加噪微流控芯片信号去噪效果数据。分析表2数据可知,选用4层分解可提高微流控芯片信号去噪效果。 目前，我国各城市地铁轨道交通牵引供电系统多采用由接触网所组成的供电网络。电力机车从接触网获取电能主要是依靠安装在机车顶部的受电弓滑板与接触网之间的滑动接触来实现。在受电弓与接触网的接触中，接触压力过大，会增加受电弓与接触网的异常磨损，缩短其使用寿命；接触压力过小，会使受电弓与接触网之间供电时断时续，增大电气磨损量，甚至引起电弧以致烧损接触网[2]。基于以上现状，实现接触网导线磨耗的监测测量将具有非常广泛的实际意义和商业价值。 传统磨耗监测方法通过人工巡检的方式进行，不但效率低，而且该方式仅能依靠巡检人员个人经验排查磨损程度较严重情况。接触网导线磨损监测测量设备，完全采用非接触式机器视觉原理，能够实现实时在线状态监测，相较之下，可节约大量人力资源，降低人工成本，同时监测的可靠性、稳定性也更高[3]。 1 检测原理介绍目前国内城市轨道交通接触网主要采用刚性接触网[4]，其2大核心部件是汇流排和接触线，如图1所示。列车在运行过程中，通过车顶受电弓滑板与接触线之间滑动接触实现取流，同一条线路的接触网导线经过长时间不同列车受电弓滑板的滑动摩擦，将逐渐出现导线磨损情况；同时由于不同受电弓与接触线之间的接触压力不同，导致不同接触线位置的磨损状态不一致，因此有必要对接触网导线磨损状态进行测量监测[5]，实现对接触线状态的评估，及时进行检修维护。  图1 刚性接触网横截面示意图 1.1 系统基本组成接触线磨耗检测系统由接触线磨耗采集系统、数据处理系统以及里程定位系统组成。为满足拉出值范围±250 mm的接触网导线磨耗测量，确保在较大拉出值时的测量精度，方案采用2路线阵相机同时对导线进行图像采集。2路相机的成像范围将出现约100 mm的重叠区间，该区间的磨耗测量通过图像分析算法判别输出较高精度的1路相机检测结果。其结构如图2、图3所示。  图2 接触线磨耗检测系统结构  图3 采集相机安装示意图 磨耗采集系统由2组线阵相机和1台线激光器组成，线激光器发射线结构光，与接触线相交后形成包含接触线轮廓信息的激光光条。2台高速摄像机平行放置，获取光条图像并送至数据处理系统进行处理。通过2台相机的视差与内外参数，基于三角测距原理，可获取接触网导线高度。 磨耗测量装置硬件部分主要由车顶设备、车内设备2部分构成。车顶设备部分是2路线阵相机组成的接触网导线实时采集前端；车内设备主要包括检测主机系统、机柜等相关设备，主机系统主要由数据处理系统和数据存储系统2部分构成。整个磨耗测量装置结构如图4所示。 老福觉得这次的造访该结束了，识趣地站起来，刚要告辞，大门开了，进来一个戴着眼镜的男人，他看到老福好像很意外。罗云简短地介绍了一下：“姑妈的朋友。”又转身对老福说：“我先生。”那人不太友好地对老福点了点头算是打招呼，就上楼去了。  图4 磨耗测量装置结构 装置采用高速CMOS线阵摄像机，对接触线轮廓图像（激光成像）进行实时、动态数据采集，并将采集数据通过千兆以太网传输至车内设备端数据处理系统，进行数据分析、处理，并对标准高度的接触线进行成像，利用相关算法实时显示接触线模型图像以及实时给出接触线的磨损程度。 其中，车顶相机采集设备采用一体化结构组件，主要由高感光的线阵扫描相机及成熟的大功率激光光源组成，以实现高速实时动态采集接触线磨损状态图像。组件的基本设计原理如图5所示。 何谓统计量？它是指抽样统计中观察频数与期望频率之间可能存在着差异，统计量的基本想法是对每一个差取平方，然后除以期望频率再取和，就得到一个统计量，该统计量就称为统计量，即  图5 采集组件基本设计原理 1.2 磨耗算法原理如图6（a）所示，全新未磨损导线与磨损导线的切面示图区分明显，新导线的下半部分呈完整圆弧状，而磨损导线底端呈直线状，宽度为w。磨耗测量即需要完成w宽度磨损导线的状态表示，磨耗的最终数据呈现方式根据不同的需求而定。本方案最终磨耗测量数据值以图6（b）中的切面磨损直径长度d的数据形式呈现。  图6 接触线横截面磨耗示意图 接触网导线的磨耗测量主要通过非接触方式完成，利用图像处理对相机采集图像中的接触网导线进行定位，并分析导线灰度分布特性。首先2路线阵相机完成有效拉出值范围内导线成像图像采集；然后利用图像处理算法对图像中导线进行识别定位[6]，以此判别磨耗测量的相机图像采集有效性[7]；最后在有效的相机采集图像中，通过对导线灰度成像的灰度特性和边缘梯度特性分析识别[8]，实现导线磨损检测。算法基本流程如图7所示。  图7 磨耗测量基本流程 如图8所示，正常导线的磨损均匀，导线的灰度分布也较均衡；而局部磨损导线会在磨损严重处呈现出区域性灰度凸起。  图8 正常导线与局部磨损导线对比 车顶相机采用8K分辨率高速CMOS线阵相机，对接触网导线的轮廓图像进行实时采集，在确保相机与激光线共面条件下，导线轮廓成像如图9（a）所示，图像完整呈现了导线的磨损细节。为便于肉眼确认磨损细节的可信度，图9（b）给出图像增强还原细节后接触线的磨损区域和原始完整导线的位置示图，从图中可以完整观察到导线不同位置及其磨损变化情况。  图9 磨损导线图像增强前后对比 2 检测算法流程2.1 接触线定位模块该模块的功能是完成完整接触网导线的识别定位。由于采用线阵相机采集导线图像，随着车体的水平振动，拍摄到的接触线形状会发生变化，可能为直线形状，也可能为曲线形状。导线定位模块的图像处理基本流程如图7（b）所示，导线识别定位的核心是提取梯度图像。 式中，S（r）是噪声源的分布强度，F（ω）是功率谱。假设所有噪声源都具有共性，那么通过以上讨论可得出： Step 1：垂直边缘梯度提取。接触网导线的成像图像具备图像灰度变化连通性，与背景区域分割相对明显，同时相机安装方向特定，保证导线在相机采集图像中处于垂直方向分布。因此，在导线的定位处理中，首先提取图像中的垂直边缘梯度，既可以使导线在图像中表现更为突出，又可以极大程度滤除横向分布的各种噪声信息，便于后续定位处理。采用的梯度算子模板为 Im表示的是虚数部分，右边再次将震源和观测点进行替换。右边的格林函数与其复共轭的积，是与位置r的脉冲震源观测点r1，r2处波动场互相关的计算结果相对应的。由公式可知，为使地震波干涉法成立（从互相关提取格林函数），在取得右边互相关的同时，也要考虑对速度和衰减依存程度。也就是说，噪声源的分布为2κ（r）／v（r），就是对衰减影响进行的适度补偿。这在Snieder（2007）中最早被提出来。但是，在实际操作中，这种绝佳的平衡是很难达到的。特别在介质构造不均匀的情况下，复杂的噪声源分布客观存在，地震波干涉法能否严密地成立，还应认真慎重地研究。 研究组患者的治疗有效率显著高于对照组，两组患者的并发症出现率比较，差异无统计学意义（P＞0.05），见表1。  设原相机图像I(x, y)，则梯度图像为 E(x, y) = E[I(x, y)] （1） Step 2：图像阈值化提取导线前景目标。在经过Step 1处理后，图像中基本只存在垂直方向分布的图像信息，通过图像阈值化处理，即可获得所有近似接触网导线的垂直分布区域。设阈值化后图像为T(x, y)，梯度图像阈值化的阈值t为  （2）其中，
Step 3：基于导线几何特性滤除伪导线。基于Step 2处理得到包含接触网导线在内的所有候选前景区域，根据导线的几何特性，如导线宽度、长度以及在图像中的角度等信息，滤除伪导线等其他噪声区域，得到候选导线前景区域集合。 后来，他又与三任妻子分了手，原因自然是她们太固执，不懂得鸡蛋的惟一正确的吃法。有人对他说：“她们固执你不固执，那就好了。”他说：“我不是固执，我是相信科学，坚持原则。我要对自己对对方对后代负责。” Step 4：直线检测算子拟合导线。在所有候选导线前景区域集合中，通过直线拟合的方式识别符合直线特性的连通区域，同时以直线的形式表达该连通区域。 Step 5：基于边缘梯度特性跟踪导线曲线轮廓。得到所有导线候选曲线的直线表达后，跟踪各直线的首尾，以得到整条导线在图像中的完整表达（图像各行均找到有效位置）。 Step 6：输出导线完整轮廓位置。经过以上步骤的处理，最后以点集的形式输出整条导线在完整图像中的位置序列点集，作为该导线的位置信息。 刚入职的准空姐程凤萍被安排在长沙市大托铺机场进行岗前培训。1985年8月1日，是程凤萍最难忘的一天，因为这一天，她正式飞上蓝天。当时的机场地面服务主任张湘青告诉程凤萍，有一名空姐病了，由她顶班登机，当时执飞的航线是长沙经桂林到广州，再返回。下机的时候，程凤萍感觉全身都在飘，当天晚上她又失眠了。 电视专题片的创作过程是以主题为基础的，是电视专题片的核心内容。在创作电视主题片之前，电视导演必须第一步确定专题片的主题内容，因为主题的质量体现了作品的价值。针对电视专题片而言，它可以呈现社会中发生的事实，呈现社会发展状态，培养某种思想文化精神或阐述一个故事情节。当观众通过欣赏专题片时，他们的思想和意见随着电视专题片的发展而受到影响。因此，电视导演在创作电视专题片的过程中，必须定好合适并且正确的主题思想，这是确保电视专题片创作和发展的关键因素。 2.2 接触线磨耗计算模块Step 1：提取导线邻域梯度信息。在导线定位模块处理完成，输出导线位置序列点集的基础上，采用类似定位模块Step 1的方法，计算提取导线位置邻域的垂直梯度信息，用于计算导线磨耗宽度。 Step 2：基于梯度信息计算导线磨耗区域。在Step1处理的结果图像中，根据导线左右两侧梯度分布极大值以及灰度分布的变化特性，分别计算各行的磨损起止位置，并同时计算其磨耗的导线底部截面宽度。 Step 3：导线磨损值转换。该模块负责利用导线的定位信息，根据导线图像的灰度变化特性，采用图像处理的原理实现计算导线磨耗值（图6（a）切面示意图中的w值），根据圆的几何关系转换，设定导线半径为r。于是，可计算得到图6（b）切面示意图中的d： d = G(w, r) （4） 其中，G为导线磨耗d与w、r之间的几何转换关系。 3 系统创新点该动态磨耗检测系统具有以下创新点： （1）采用线阵相机实现接触网导线磨损图像采集，使导线的磨损情况更易直观监测； （2）该方法可扩展性强，易于满足大拉出值区间范围的磨耗测量； （3）接触网导线的核心定位方法基于梯度图像，可很大程度上克服线路环境复杂多样带来的各种干扰。 4 数据分析4.1 测试试验检测装置调试试验主要在XX线YY—ZZ区段进行，对整条线路检测数据抽样分析，对磨耗数据作分组统计，如表1、图10所示（由于数据分布较集中，纵轴采用对数坐标）。 表1 YY—ZZ区段接触网磨耗d统计 导线磨损截面高度d/mm监测线路数据量数据百分比/% 0≤d＜0.11 62088.815 79 0.1≤d＜0.31377.510 96 0.3≤d＜0.5170.932 02 0.5≤d＜0.7180.986 84 0.7≤d＜0.9100.548 25 0.9≤d＜1.160.328 95 1.1≤d＜1.360.328 94 1.3≤d＜1.530.164 48 1.5≤d＜1.720.109 65 1.7≤d＜1.920.109 65 1.9≤d＜2.100 2.1≤d＜2.320.109 65 2.3≤d＜2.500 2.5≤d＜2.710.054 82 2.7≤d＜2.900 图10 YY—ZZ区段上线试验接触线磨耗分布统计 从统计结果及分布可以看出，XX线YY—ZZ区段的磨耗分布曲线很陡峭，反映出接触线磨损很小，99.61%分布于[0 mm, 1.5 mm]区间内，接触压力位于合理区间；整条线路的导线磨损分布占比最高的状态分布于0～0.25 mm附近，也有个别点导线磨损值超过2 mm，需要监管人员注意。 从采集数据的分析结果看，本装置实现了快速、自动采集数据，精确的数据采集大大减轻了维护人员工作量。此外，本装置可以实现对接触网完全覆盖检测。通过软件采集数据，既能够从整体上评估当前接触网磨耗情况，又可以对个别磨耗严重的位置提前预警，提高系统运营安全性。 4.2 检测设备精度验证为验证设备精度，对检测装置的磨耗分析结果进行人工校验，现场相关技术人员采集13组数据进行校验对比，同时计算出磨耗相对于接触线半径的占比。 服务主体单一，服务能力低下，是当前制约新农保更好更快发展的一个重要现实因素，必须尽快得到解决。相关工作人员的管理能力、服务能力、业务能力应随着新型农村社会养老保险政策的推行而不断得到提升，新型农村社会养老保险政策的综合配套要及时跟进，确保相关工作有条不紊地开展。要加快新农保运行平台的建设，如办公场所、办公设备等基础设施建设要落实到位。要打破新农保缴费服务金融机构的垄断地位，允许不同的金融服务机构参与到新农保中来，同时要增加更多的服务网点和服务窗口。要加强新农保相关金融业务的培训，提高农村地区金融机构工作人员的业务水平和服务态度，提高配套的金融服务质量。 表2所示为YY—ZZ区段试验中接触网检测车从YY开往ZZ方向，现场相关技术人员采集的13组校验对比数据。鉴于大部分磨耗较轻、磨耗数据很小的特点，表中分别计算出了装置检测数据和人工检测数据相对于接触线半径的占比，计算结果如图11曲线所示。 从图11可以看出，装置检测数据与人工检测数据误差很小，曲线走势完全吻合，验证了装置检测数据的精确可靠。 表2 YY—ZZ区段接触网磨损数据统计 检测数据/mm磨耗/半径/%人工数据/mm磨耗/半径/% 0.092 181.429 150.101.550 39 0.109 231.693 490.101.550 39 0.038 750.600 780.050.775 19 0.159 532.473 330.152.325 58 0.140 492.178 140.152.325 58 0.030 980.480 310.050.775 19 0.004 060.062 9500 0.004 70.072 8700 0.061 950.960 470.050.775 19 0.031 470.487 910.050.775 19 0.103 331.602 020.101.550 39 0.484 247.507 60.507.751 94 0.019 380.300 470.00 图11 YY—ZZ区段接触网磨耗数据采样对比 此外，用户还可以在软件中设置预警值，当某个点的检测数据超过该预警值时，系统向用户发出预警，确保磨耗严重的位置得到及时处理。 5 结语针对目前接触线张力增大、接触线局部磨损加剧的现状，根据接触线的几何特性，采用双线阵相机与结构光结合的视觉测量装置，对接触线的磨耗进行测量。经过上线测试，并进行相应的人工复核试验，试验结果证明了该检测方法切实可行，检测装置精度较高。 参考文献： [1] 焦蕊，刘忻述. 刚性接触网弓网燃弧现象特性分析[J]. 盐科学与化工，2018，47（5）：38-41. [2] 王延华，李腾. 基于双目视觉的接触网磨耗在线监测研究[J]. 计算机工程与应用，2018，54（5）：242-246. [3] 韩孟. 刚性接触网悬挂施工工艺[J]. 中国科技信息，2018（3）：74. [4] 喻展. 刚性接触网磨耗分析[J]. 都市快轨交通，2009，22（5）：84-87. [5] 刘艳，李腾飞. 对张正友相机标定法的改进研究[J]. 光学技术，2014，40（6）：565-570. [6] 廖书红，武静，张海军，等. 双目数字图像实时预畸变校正技术研究[J]. 电光与控制，2018，25（5）：109-114. [7] 秦雨萍，张萍，张双. 基于傅里叶变换的灰度成像扩展目标跟踪帧间图像配准方法[J]. 舰船电子工程，2018，38（3）：33-35+71. Abstract: The paper illustrates a type of dynamic inspection method for wear of subway contact wire, by adopting two sets of line scan digital cameras to shoot the cross section area of worn contact wire and by application of software system to sort, analyze and calculate the data of contact wire wear. The online test of the device has been made and the collected data shows higher accuracy after comparison with the data obtained by manual inspection, and is able to realize the target of rapid automatic inspection. Key words: Contact wire; wear; dynamic inspection 中图分类号：U226.5+4 文献标识码：B 文章编号：1007-936X(2019)03-0082-05 DOI：10.19587/j.cnki.1007-936x.2019.03.021 收稿日期：2019-04-03 作者简介：佘朝富.成都唐源电气股份有限公司，高级工程师。 |
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