电气化铁路接触网视觉检测系统及其方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于检测电气化铁路接触网几何参数的系统及其方法。
背景技术
由于电力机车速度快、对环境无污染，因此，电气化铁路成为各国铁路系统的发展方向。电力机车的能源是电力，它是通过如图1所示的接触网获得高压电，从而使电力机车向前高速行驶的。如图所示，目前电气化铁路系统通常沿铁轨的一侧、每间隔一定距离架设一根用于铺设高压导线的支柱1，支柱1上端延伸出一根用于将高压导线2悬挂在电力机车上方的侧臂3。电力机车顶部的受电弓4位于高压导线2的下方。当机车在铁轨上高速运行时，机车顶部的受电弓4相对于悬挂在支柱侧臂3上的高压导线2快速滑行。当受电弓4与高压导线2接触后，受电弓就将高压电传导给电力机车作为动力源，驱动电力机车不断向前行驶。
在实际运行过程中，由于各种原因，如地基塌陷、架设高压导线的支柱倾斜等，就会造成高压导线偏离受电弓的受电范围。如果不能及时发现上述问题，将会造成电力机车停电、铁路系统停运。因此，为了保证供电线路通畅及机车的正常运行，需要对为电力机车提供电力地接触网不断进行检测，特别是对反映接触网状态的接触网几何参数的检测至关重要，需要经常进行检测。如图1所示，反映接触网状态的接触网几何参数包括支柱位置、导线高度和导线拉出值等。所谓导线拉出值是指导线与受电弓的接触点与受电弓的中心的距离。
综观世界各国电气化铁路系统的发展过程，用于检测供电系统中接触网状态的检测设备及方法大致经历了四个阶段：
第一阶段：人工检测阶段
检测工人沿铁轨手举一根悬挂有吊线坠的丁字杆，将丁字杆的横杆与铁轨旁的支柱侧臂平行，然后，通过观察吊线坠的垂直点判断接触网的几何位置。由于这种检测方法需要工人手举检测杆、沿铁轨步行，所以，工作条件差、效率非常低、速度慢，检测结果靠人工记录，需要大量人员参与，占用大量的时间。另外，为了保证检测工人的人身安全，还必须切断铁路接触网的工作电源，停止一切运输。
第二阶段：乘车目测阶段
检测人员乘坐专用检测车，将检测车顶部架设的标尺与电网导线进行比对，通过观察车顶标尺与电网导线的相对位置关系，判断电网即接触网的几何参数是否在规定范围内。这种检测方法改善了检测人员的部分工作条件，与上一种检测方法相比检测速度有所提高，但是，对检测人员的目测水平要求较高，人为因素很强。另外，为了保证检测工人的人身安全仍然需要切断接触网电源，停止一切运输。
第三阶段：接触式传感器检测阶段、
接触式传感器检测法最初是由日本研制的，它是在检测车的顶部安装一个与电力机车顶部一样的受电弓，在受电弓上安装有许多与车内显示灯串联的开关。当下垂的高压导线与受电弓上的开关接触后，由于高压导线很重，它会将与它接触的开关闭合，使与开关串联的显示灯发光。检测人员坐在车内，通过观察不同位置的显示灯的状态，判断、确定高压导线的位置，判断接触网的状态。这种检测方法的优点是：降低了检测人员的劳动强度，提高了检测的自动化水平，提高了检测速度；但是，它的缺点是：在检测的过程中，还是需要切断接触网电源，停止运输；检测设备易损坏、检测精度低、可靠性低，影响检测速度。
第四阶段：非接触检测阶段
这种检测方法是在第三阶段的接触式传感器检测法基础上发展的，它用激光发射、接收装置将接触网的位置参数传送到检测车中。这种方法最大的优点是：在检测过程中，不用切断接触网电源，可以带电检测；但是，它最大的缺点是：1、设备成本高；2、虽然，不用切断接触网电源，但是，需要停止相应线路的运输。3、这种方法和设备的最高检测速度为120公里/小时，无法满足我国铁路运输提速的要求。
【发明内容】
鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种在不影响电力机车正常运行的情况下，可快速、实时检测接触网状态的非接触式电气化铁路接触网视觉检测系统及其方法。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：一种电气化铁路接触网视觉检测系统，其特征在于：它包括实时检测部分和数据处理部分；
所述实时检测部分由摄像机、速度传感器和安装在车内的用于实时检测的工控PC机构成；该工控PC机内设有图像采集卡、显卡、并行多处理器单元、网卡和大容量的存储器；摄像机的视频信号输出端与工控机的图像采集卡的视频信号输入端相连，图像采集卡的输出端与显卡、并行多处理器单元相连；速度传感器的信号输出端也与并行处理单元相连；并行处理单元的数据总线又与存储器相连，存储器与显示卡、显示器相连；工控PC机通过网卡与数据处理部分进行通讯；
所述数据处理部分包括用于数据处理的主机、显示器和打印机；所述主机主要由数据处理器、显卡、网卡、硬盘构成；该主机通过网卡接收实时检测部分检测到的原始数据，并对该数据进行处理、判断。
所述数据处理部分的主机内存储有大量关于导线、受电弓和支柱的标准位置参数。
所述并行多处理器单元包括一个主处理器和多个与之并联连接的速度处理器、导线高度处理器、支柱位置处理器和导线拉出值处理器，它们通过数据/地址总线与主处理器相连；所述主处理器从各个子处理器读取各个检测项的测量值，然后，按照一定的顺序送往存储器，经存储器送网卡和显示卡输出；
所述速度处理器与速度传感器的输出端相连；
所述主处理器与图像采集卡的数据输出端相连。
一种电气化铁路接触网视觉检测方法，它包括以下步骤：
(1)、用摄像机实时拍摄铁轨旁的支柱及支柱侧壁下垂的导线图像，并将拍摄到的视频图像数据传输至图像采集卡；
(2)、图像采集卡将接收到的视频信号转换成数字信号，并将转换后的数字信号传输至实时检测主机中的主处理器和显示卡；
(3)、速度传感器将检测到的机车速度信号传输到主处理器中，主处理器再将机车速度信号传输至速度处理器中，速度处理器根据机车速度判断出机车是处于停车、慢速、快速、还是高速状态；
(4)、主处理器通过模糊图像处理技术处理接收到的图像数据，根据机车的运行状态分辨出接触网中的背景图像、支柱图像、受电弓图像和导线图像；
(5)、主处理器将分辨出的支柱图像、受电弓图像和导线图像数据分别传输至导线高度处理器、支柱位置处理器和导线拉出值处理器；
(6)、导线高度处理器根据模糊图像处理技术计算出导线的准确高度；
(7)、支柱位置处理器根据模糊图像处理技术计算出支柱的确切位置；
(8)、导线拉出值处理器根据模糊图像处理技术计算出导线的垂直位置偏离受电弓中心点的距离；
(9)、主处理器读取各处理器的测量结果，一方面将结果存储到存储器中，另一方面将测量结果通过网卡传输至用于数据处理的主机中；
(10)、用于数据处理的主机通过网卡接收实时检测主机传输的关于接触网的原始数据；
(11)、数据处理主机将接收的关于接触网几何参数的原始数据与存储在数据处理主机中的关于接触网几何参数的标准数据进行比对，判断关于接触网的支柱位置、导线高度和导线拉出值是否在允许的范围内，并将判断结果存储在存储器中。
由于本发明采用模糊图像处理技术对电气化铁路接触网的几何参数进行非接触、实时检测，所以，它与传统的检测设备和方法完全不同，它可以在不影响电力机车正常运行的情况下，采用非接触的图像拍摄、图像采集、图像处理方式，快速、实时检测接触网的几何参数。另外，本发明将模糊图像处理技术与多处理器并行处理技术有机地结合在一起，具有较高的测量精度和采样频率。又，由于本发明为非接触动态检测，所以，本发明无需切断铁路接触网工作电源，可在高速运行的机车上连续检测。本发明的优点是：可以实时检测接触网的各项几何参数和机车运行速度；可实现完全自动化和智能化，操作简便，可做到无人看守自动检测，并自动生成检测结构报告；工作效率高，适用于高速电力机车，最高运行检测速度可达300公里/小时；检测精度高、可靠性高。本发明安装在北京铁路局茶坞供电段检测车上，试运行20000多公里，实践证明，本发明可及时地检测出供电网上的超限点，为维护部门提供了可靠的数据，实现了该段无责任事故。而，在未使用本发明前，该段事故平均每月一次。
【附图说明】
图1为电气化铁路系统电力机车与接触网的关系图
图2为本发明接触网视觉检测系统组成框图
图3为本发明多处理器间的连接关系
图4为本发明高度处理器测量导线高度的程序流程图
图5为本发明描绘的受电弓曲线图
图6为本发明支柱检测处理器测量支柱位置的程序流程图
图7为本发明导线拉出值检测处理器计算导线拉出值的程序流程图
【具体实施方式】
本发明接触网视觉检测系统主要是检测和处理接触网的几何参数，判断接触网的位置是否符合电气化铁路系统安全运行的要求。接触网几何参数包括导线高度、导线拉出值和支柱位置。
如图2所示，本发明接触网视觉检测系统包括实时检测部分I和数据处理部分II。
实时检测部分I由摄像机5、速度传感器6和安装在车内的用于实时检测的工控PC机7构成；该工控PC机7内设有图像采集卡71、显卡72、并行多处理器单元73、网卡74和大容量的存储器75。摄像机5安装在机车顶部，用于实时拍摄铁轨旁的支柱及从支柱侧臂垂下的导线图像；速度传感器6安装在机车底部，用于实时检测机车的速度；摄像机的视频信号输出端与工控机的图像采集卡71的视频信号输入端相连，图像采集卡71的输出端与显卡72、并行多处理器单元73相连；速度传感器6的信号输出端也与并行处理单元73相连；并行处理单元73的数据总线又与存储75器相连，存储器75又与显示卡72相连。为了进行数据的传输，工控PC机7通过网卡74与数据处理部分II进行通讯。为了显示实时检测部分I检测的结果，实时检测部分I还包括有显示器I76、TV转换器77和录橡机78，显示卡72的视频信号输出端通过TV转换器77与显示器76和录橡机78相连。
为了在不影响电力机车正常运行的情况下，快速、准确、实时地检测接触网的几何参数，本发明实时检测部分采用模糊图像处理技术和多处理器并行处理相结合的技术，每一个处理器只完成一个检测项的检测，以提高检测速度。如图3所示，上述的并行多处理器单元73包括一个主处理器731和与之并联连接的速度处理器732、导线高度处理器733、支柱位置处理器734、导线拉出值处理器735，它们通过数据总线与主处理器731相连；同时，速度处理器732与速度传感器6的输出端相连，主处理器731与图像采集卡71的数据输出端相连。主处理器主要是协调与之并行的各处理器的工作；主处理器接收图像采集卡采集到的图像，经模糊图像处理算法对当前机车运行状态和背景环境作出判断，并将不同的状态参数送给导线高度处理器733、支柱位置处理器734、导线拉出值处理器735，各子处理器通过针对不同的检测内容使用模糊图像处理算法只测量一项检测值；主处理器从各个子处理器读取各个检测相的测量值，然后，按照一定的顺序送往存储器，经存储器送网卡和显示卡输出。
数据处理部分II采用多媒体与网络相结合的技术，它包括用于数据处理的主机8、显示器II9和打印机10；用于数据处理的主机8主要由数据处理器81、显卡82、网卡83、硬盘84构成。用于数据处理的主机8通过网卡83接收到实时检测部分I检测到的原始数据后，数据处理器81通过滤波将检测结果中的噪声干扰去除，然后通过大型数据软件包将检测的原始数据与数据处理主机内存储的关于导线和支柱的标准位置参数进行比对，并计算导线在受电弓上的拉出值，从而判断接触网的几何参数是否符合要求，将判断结果存储到硬盘中，同时，将结果打印出来。
本发明实现检测接触网几何参数的原理是：在电力机车的车头上安装一摄像机，摄像机随着机车一起高速运动，拍摄铁轨旁的支柱和支柱侧壁下悬的导线；然后，摄像机将视频信号传给工控PC机内的图像采集卡，图像采集卡将模拟信号转换成数字图像传送给PC机内相应的各并行处理器，各处理器用模糊图像处理算法从图像中识别出受电弓、导线和支柱等目标，并计算出这些目标在图像中的位置坐标，再通过比例变换换算成实际的测量值，所有这些检测相都是并行计算的；同时，安装在机车底部的速度传感器实时检测电力机车的速度，并将检测结果传输至PC机内的速度处理器，由速度处理器记录机车运行速度；各并行处理器将处理后的数据传输至主处理器，主处理器将这些处理后的数据存储到存储器中，存储器中的数据一路通过网卡传输到数据处理机中，另一路经显示卡与视频图像叠加后送入TV转换器，由TV转换器输出到显示器I显示或转录到录像带上，以便将来回放、检索用。用于数据处理的主机通过网卡接收到实时检测部分检测到的原始数据后，数据处理器通过滤波将检测结果中的噪声干扰去除，然后通过大型数据软件包将检测的原始数据与数据处理主机内存储的关于导线和支柱的标准位置参数进行比对，并计算导线在受电弓上的拉出值，从而判断接触网的几何参数是否符合要求，将判断结果存储到硬盘中，同时，将结果打印出来。
在检测过程中检测结果通过两台显示器实时地以不同的方式显示出来。显示器I结合多媒体“画中画”技术，在屏幕上同步显示运动画面和直接来自实时检测主机的检测结果。显示器II显示的是经数据处理主机处理后的数据。
本发明采用这种结构的好处是分工明确。由于数据的检测与处理分开运行，大大提高了运算速度，即保证了检测的实时性，同时，又可以将检测结果实时显示出来；另外，如果用于数据处理的主机出现故障，用于检测的主机仍然可以照常工作，并将测量值存储下来，待检测完成后再进行回放处理，大大提高了系统的可靠性。
基于上述硬件系统，本发明检测接触网几何参数的具体方法是：
1、用摄像机实时拍摄铁轨旁的支柱及支柱侧壁下垂的导线图像，并将拍摄到的视频图像数据传输至图像采集卡；
2、图像采集卡将接收到的视频信号转换成数字信号，并将转换后的数字信号传输至实时检测主机中的主处理器和显示卡；
3、速度传感器将检测到的机车速度信号传输至速度处理器中，速度处理器根据机车速度判断出机车是处于停车、慢速、快速、还是高速状态，并通知主处理器；
4、主处理器通过模糊图像处理技术处理接收到的图像数据，根据机车的运行状态分辨出接触网中的背景图像、支柱图像、受电弓图像和导线图像；
5、主处理器将分辨出的支柱图像、受电弓图像和导线图像数据分别传输至导线高度处理器、支柱位置处理器和导线拉出值处理器；
6、导线高度处理器根据模糊图像处理技术计算出导线的准确高度；
7、支柱位置处理器根据模糊图像处理技术计算出支柱的确切位置；
8、导线拉出值处理器根据模糊图像处理技术计算出导线的垂直位置偏离受电弓中心点的距离；
9、主处理器读取各处理器的测量结果，一方面将结果存储到存储器中，另一方面将测量结果通过网卡传输至用于数据处理的主机中；
10、用于数据处理的主机通过网卡接收实时检测主机传输的关于接触网的原始数据；
11、数据处理主机将接收的关于接触网几何参数的原始数据与存储在数据处理主机中的关于接触网几何参数的标准数据进行比对，判断关于接触网的支柱位置、导线高度和导线拉出值是否在允许的范围内，并将判断结果存储在存储器中。
为了更好地观察实时检测部分和数据处理部分的检测、判断结果，上述方法还可以包括以下步骤：
1、实时检测主机中的主处理器将存储在存储器中数据传输至显示卡中，再通过TV转换器、显示器I显示出来或录制到录像带中；
2、数据处理主机将处理后的数据通过显示器II显示出来，或通过打印机将判断结果打印出来。
高度检测处理器是用于测量导线高度的子处理器，如图4所示，高度检测处理器测量导线高度的具体步骤如下：
1、高度检测处理器接收从主处理器下传的、已转换成数字量的视频信号；
2、高度检测处理器对视频信号进行积分变换，将图像信号模糊化，提高图像信息的集成度；
3、将步骤2得到的图像进行背景滤波，突出受电弓的轮廓；再经A/D转换得到受电弓的曲线，如图5所示；
4、用特征提取算法求出步骤3所得到的曲线的峰值的位置；
5、根据光照、背景、车速、隧道状态等参数调整阀值，用阀值截取出受电弓的位置坐标；
5、经比例变换计算出受电弓相对地面的高度值，从而求出导线的高度值；
6、高度检测处理器按照一定的采样频率将测量值传送到主处理器。
支柱检测处理器是用于检测支柱位置的子处理器。如图6所示，处理器采用粗判断和细判断两步来判断支柱位置，具体步骤如下：
1、支柱检测处理器接收从主处理器下传的、已转换成数字量的视频信号；
2、对相邻两幅图像进行比较；
3、粗判断是否有类似支柱的物体出现在图像中；如果没有，则返回步骤1；
4、如果有，则根据光照、背景、车速、隧道状态等参数对图像进行背景滤波，得到更加清晰的图像；
5、提取图像中的特征，描绘出支柱的外形轮廓图；
6、用模糊模式将描绘的支柱外轮廓图与数据库中支柱的模型进行匹配；
7、进一步判断图像中是否包含支柱；如果没有，返回步骤1；
8、如果有，标出支柱的位置，同时，支柱检测处理器发出一个脉冲给主处理器。
拉出值检测处理器是测量导线与受电弓的接触点距离受电弓中心点的相对距离。其具体步骤如图7所示：
1、拉出值检测处理器接收主处理器下传的视频信号；
2、绘出受电弓曲线，并在受电弓曲线上沿附近确定一个观察窗口；
为了提高测量速度、减少计算量，本发明在受电弓的上沿附近开设一个窗口，只在窗口内识别导线与受电弓的接触点。由于窗口在图像中的位置是可变的，其纵坐标由受电弓的高度决定，其横坐标由上一个拉出值的位置决定。
3、通过边缘提取法将导线从背景中分离出来
在窗口中利用导线与背景的灰度差，通过边缘提取法将导线从背景中分离出来。
4、通过模糊推理算法确定导线
由于导线与悬挂导线的悬挂索形状比较接近，所以按照步骤3提取出来的导线是两条，需要用其它的算法将其区分开来。本发明采用跟踪算法和模糊推理算法来区分导线和悬挂索。所谓模糊推理算法是指用模糊集描述概念，将人的经验总结成一些规则，用规则进行真值的推理，得出结论。通过现场观察实验，发明人得出如下一些经验：
经验1：导线比悬挂索的运动速度快；
经验2：导线比悬挂索的运动范围大；
经验3：导线在图像上的投影比悬挂索略宽，颜色略深。
根据这些经验，发明人总结出如下推理规则，并用模糊集合来描述：
规则1：两条线中运动快的是导线；
规则2：两条线中运动范围大的是导线；
规则3：两条线中投影略宽、颜色略深的是导线的可能性最大。
根据上述用模糊集合描述的判断规则，通过模糊推理算法就可以确定导线的位置，进而计算出导线的拉出值，具体步骤如下：
(1)、首先判断通过步骤3提取的导线是否是两条线；
如果否，则说明摄像机拍摄的图像中出现了两组导线和悬挂索；这是由于铁路线路比较长，为了延续导线和悬挂索，一根新的导线与前一根导线搭接重合，另一根新的悬挂索和前一根悬挂索搭接重合，这是铁路上俗称的“锚段关节”；所以，如果出现了两组导线和悬挂索，则用锚段关节图像处理算法求出最新出现的一组导线和悬挂索图像。
(2)、如果是，参考机车速度，应用跟踪算法计算两根线的宽度(即导线的运动范围)和速度；
(3)、应用图像处理算法计算导线的宽度和颜色；
(4)、结合规则用模糊推理算法，用最大贴近度原则确定哪一根是导线。
5、确定出导线后，计算导线的拉出值；
导线的横坐标就是导线的拉出值，经比例换算可以得到导线相对于受电弓中心点的实际测量值，也就是拉出值的实际测量值。
6、输出导线拉出值。
本发明与传统的接触网检测设备和方法相比具有以下特点：
1、本发明将已经成熟的模糊图像处理技术和并行处理技术有机地结合起来，实现快速、实时检测的目的。
模糊数学是20世纪60年代新兴起的一门学科，它研究事物的模糊性。利用人的实践经验，使人的大脑在不需要经过精确的计算情况下，进行快速推理和判断。在短短的30年内，模糊数学不仅在模糊控制、模糊系统、模糊信息论、模糊决策等领域取得显著成果，而且模糊技术还与图像处理技术结合，产生了新的分支-----模糊图像处理技术。本发明就是利用模糊图像处理技术，将图像进行信息压缩，通过将次要的特征模糊化把主要的特征突出出来，同时将人的经验归纳成规则，经模糊推理和模糊模式匹配，这样就可以快速地识别出被识别对象。
为了能快速地处理被识别对象，本发明采用了并行处理技术。它是将一项复杂的任务划分成多个简单独立的任务，由多个处理器并行处理，每个处理器只完成各自独立的一部分工作，而每个处理器之间又可以进行数据交换；另外，当一个子处理器出现故障不能工作时不会影响其它处理器的正常运行，其它处理器可以照常完成各自的检测任务，从而提高系统的检测速度、系统的可靠性。
由于本发明采用了模糊图像处理技术和并行处理技术，大大提高了系统运算速度，采样频率，测量精度，缩短了运算周期，实现真正意义上的动态实时检测，同时，提高了系统的可靠性。
2、本发明采用非接触式检测方式，故对正常的铁路运输无影响。
由于本发明是通过摄像机直接获取全部被检测信息，与带电部分无直接接触，所以，在检测过程中无需切断接触网电源，对正常的铁路运输无影响。它与传统的人工测量方法和通过安装传感器进行测量的方法相比有了显著的进步。
3、本发明安装简便、操作灵活、使用寿命长。
本发明整个检测系统只包括摄像镜头、工控机和显示设备，整个检测系统实现了自动化、智能化；而且，安装、操作非常简单。由于检测部分采用非接触的检测方法，所以，检测设备没有磨损，使用寿命长，易于维护。
以上所述是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换，均属于本发明保护范围之内。