王雙雙

0 引言

牽引供電系統(tǒng)為電力機(jī)車(chē)提供動(dòng)力，接觸網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)中的重要一環(huán)，承擔(dān)著輸送電力的重要任務(wù)，發(fā)生嚴(yán)重缺陷時(shí)會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)斷線(xiàn)等重大事故，危及列車(chē)運(yùn)行安全[1]。張力補(bǔ)償裝置位于接觸網(wǎng)錨段兩端，用于補(bǔ)償接觸線(xiàn)和承力索的張力變化，使張力保持恒定[2]。受溫度影響，不同時(shí)刻不同溫度下接觸網(wǎng)線(xiàn)索會(huì)出現(xiàn)松弛和拉伸，引起補(bǔ)償裝置的位置變化，導(dǎo)致補(bǔ)償裝置位置超出安全工作范圍，影響接觸網(wǎng)正常工作。如何通過(guò)智能化技術(shù)對(duì)接觸網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是當(dāng)前研究的重要課題。諸多研究者們對(duì)接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[3]研究通過(guò)安裝大量的傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；文獻(xiàn)[4]從自然原因和人為原因分析了接觸網(wǎng)斷線(xiàn)的原因，提出了預(yù)防接觸網(wǎng)斷線(xiàn)的方法；文獻(xiàn)[5]提出一種防斷線(xiàn)預(yù)警指示器實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)斷線(xiàn)的監(jiān)測(cè)，但因接觸網(wǎng)線(xiàn)路較長(zhǎng)，加裝硬件設(shè)備會(huì)大幅增加設(shè)備維護(hù)成本。

針對(duì)接觸網(wǎng)斷線(xiàn)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題，本文提出一種接觸網(wǎng)斷線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用安裝在車(chē)體上的線(xiàn)陣相機(jī)對(duì)不同錨段位置的補(bǔ)償裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基于目標(biāo)檢測(cè)算法[6]對(duì)補(bǔ)償裝置進(jìn)行定位，結(jié)合中值濾波[7]等圖像處理算法對(duì)區(qū)域進(jìn)行處理，并利用邊緣檢測(cè)[8]、連通域提取算法對(duì)補(bǔ)償裝置的輪廓進(jìn)行提取，確定補(bǔ)償裝置位置信息，使用閾值分割與形態(tài)學(xué)濾波對(duì)補(bǔ)償裝置底部關(guān)鍵信息進(jìn)行提取[9]，獲得像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際位移信息；通過(guò)判斷補(bǔ)償裝置位置能夠快速確定接觸網(wǎng)是否異常，為接觸網(wǎng)線(xiàn)路的檢修提供可靠依據(jù)。

1 檢測(cè)設(shè)備及方法

為使接觸線(xiàn)具有必要的張力，接觸網(wǎng)每隔一定長(zhǎng)度設(shè)置一個(gè)錨段，通過(guò)補(bǔ)償裝置對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行張力補(bǔ)償，如圖1 所示。

圖1 接觸網(wǎng)張力補(bǔ)償裝置

線(xiàn)路上的補(bǔ)償裝置通常成對(duì)出現(xiàn)[10]，分別對(duì)接觸線(xiàn)、承力索進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)可知，靠近支柱一側(cè)的為承力索補(bǔ)償裝置，遠(yuǎn)離支柱的為接觸線(xiàn)補(bǔ)償裝置。

1.1 補(bǔ)償裝置檢測(cè)方法

補(bǔ)償裝置檢測(cè)主要包括兩部分，即數(shù)據(jù)處理和補(bǔ)償裝置定位。采用半監(jiān)督學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)算法[11]對(duì)補(bǔ)償裝置進(jìn)行定位，具體流程如圖2所示。

圖2 補(bǔ)償裝置檢測(cè)方法流程

如圖2 所示，補(bǔ)償裝置檢測(cè)的主要流程如下：

（1）通過(guò)線(xiàn)陣相機(jī)采集補(bǔ)償裝置圖像，補(bǔ)償裝置位于錨段兩側(cè)，接觸線(xiàn)和承力索的補(bǔ)償裝置出現(xiàn)在兩張圖像中；

（2）對(duì)補(bǔ)償裝置圖像進(jìn)行人工標(biāo)注，需要標(biāo)注補(bǔ)償裝置、支柱和抱箍；

（3）使用目標(biāo)檢測(cè)模型對(duì)補(bǔ)償裝置進(jìn)行定位，將標(biāo)注的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)模型收斂后，停止訓(xùn)練；

（4）確定模型是否滿(mǎn)足定位精度要求，劃分部分未參與訓(xùn)練的數(shù)據(jù)集進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證模型是否滿(mǎn)足使用精度要求；

（5）當(dāng)模型滿(mǎn)足使用精度要求時(shí)，使用定位模型完成對(duì)補(bǔ)償裝置的定位。

1.2 接觸網(wǎng)異常監(jiān)測(cè)判斷方法

接觸網(wǎng)異常監(jiān)測(cè)判斷主要通過(guò)判斷補(bǔ)償裝置是否超過(guò)安全距離范圍；補(bǔ)償裝置超出安全距離范圍表明接觸網(wǎng)存在危險(xiǎn)或已經(jīng)出現(xiàn)斷線(xiàn)情況。

根據(jù)支柱位置信息，確定接觸線(xiàn)和承力索對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償裝置位置信息，輸出對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償值。主要步驟包括：

（1）提取支柱，目的是確認(rèn)是接觸線(xiàn)補(bǔ)償裝置還是承力索補(bǔ)償裝置。根據(jù)模型識(shí)別結(jié)果，以支柱位置獲得補(bǔ)償裝置位置信息，通過(guò)提取支柱的最大連通區(qū)域[12]，使用形態(tài)學(xué)濾波[13]完成對(duì)支柱的提取。

（2）確定補(bǔ)償裝置對(duì)應(yīng)關(guān)系。在圖3 中，根據(jù)接觸網(wǎng)的安裝結(jié)構(gòu)，靠近支柱一側(cè)為承力索補(bǔ)償裝置，遠(yuǎn)離支柱一側(cè)為接觸線(xiàn)補(bǔ)償裝置。

圖3 關(guān)鍵部件定位

（3）提取補(bǔ)償裝置最低點(diǎn)。補(bǔ)償裝置最低點(diǎn)位置可用于計(jì)算地面到最低點(diǎn)的距離，通過(guò)該距離值可以判斷出補(bǔ)償裝置是否正常工作。提取最低點(diǎn)主要通過(guò)定位模型定位得到的補(bǔ)償裝置區(qū)域，提取補(bǔ)償裝置底部關(guān)鍵信息，計(jì)算兩個(gè)補(bǔ)償裝置的最低點(diǎn)，如圖4 所示。

圖4 補(bǔ)償裝置最低點(diǎn)提取

通過(guò)定位模型定位補(bǔ)償裝置后，其最底部區(qū)域由于相機(jī)畸變和拍攝角度等問(wèn)題，導(dǎo)致拍攝得到的補(bǔ)償裝置底部最低點(diǎn)提取不準(zhǔn)確。本文采用閾值分割和形態(tài)學(xué)濾波算法，完成對(duì)補(bǔ)償裝置底部信息的提取，獲取底部區(qū)域最低點(diǎn)的坐標(biāo)信息p(x,y)。

（4）抱箍定位與物理距離計(jì)算。在提取到補(bǔ)償裝置的底部最低點(diǎn)后，需要將圖像坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系下，獲取實(shí)際補(bǔ)償裝置最低點(diǎn)到地面的實(shí)際距離，主要步驟：

a.抱箍定位和寬度提取。通過(guò)定位模型定位抱箍，從而可測(cè)得抱箍的實(shí)際寬度（圖5）。

圖5 形態(tài)學(xué)操作提取抱箍

b.坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。通過(guò)提取抱箍的寬度，完成圖像坐標(biāo)與世界坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；采用閾值分割[14]、形態(tài)學(xué)操作提取抱箍區(qū)域，并提取抱箍的最小外接矩形[15]，獲得抱箍的像素寬度，通過(guò)像素寬度和抱箍實(shí)際寬度，獲得世界坐標(biāo)系下的距離轉(zhuǎn)換關(guān)系s：

式中：wn為抱箍實(shí)際寬度；wp為抱箍的像素寬度。

（5）補(bǔ)償值計(jì)算。通常情況下，支柱底部存在大量的雜草等干擾，影響最終的計(jì)算結(jié)果。因此通過(guò)在支柱底部添加標(biāo)志或?qū)ふ覅⒄瘴?，將該?biāo)志記作底部關(guān)鍵特征點(diǎn)，該關(guān)鍵特征點(diǎn)到地面為一個(gè)定值，再通過(guò)計(jì)算補(bǔ)償裝置底部到該標(biāo)志的距離，可以提高計(jì)算精度。

如圖6 所示，圖像中存在欄桿，該欄桿到地面高度固定，可將該欄桿的高度值作為地面距離關(guān)鍵特征點(diǎn)的距離，在其他情況下，可以選擇在支柱底部張貼反光條，在保證相機(jī)能夠正常成像該反光條的情況下，可以將該反光條作為底部關(guān)鍵特征點(diǎn)。反光條的寬度可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，該寬度值用于矯正抱箍在相機(jī)成像時(shí)的畸變情況。

圖6 補(bǔ)償裝置最低點(diǎn)到底部區(qū)域范圍

通過(guò)提取補(bǔ)償裝置最低點(diǎn)到標(biāo)志參考點(diǎn)的距離位置信息，提高了補(bǔ)償值的計(jì)算精度?？紤]到在線(xiàn)陣相機(jī)在拍攝過(guò)程中由于安裝角度和觸發(fā)問(wèn)題導(dǎo)致拍攝的補(bǔ)償裝置區(qū)域不完整，因此，底部實(shí)際距離無(wú)法直接獲得。通過(guò)測(cè)量補(bǔ)償裝置底部到相機(jī)拍攝底部關(guān)鍵特征點(diǎn)的距離mi，再加上關(guān)鍵區(qū)域到地面的距離（為一個(gè)定值d），即可求得補(bǔ)償裝置到地面的距離。

通過(guò)輸出的補(bǔ)償值，設(shè)置安全閾值范圍，判斷補(bǔ)償值b是否在安全范圍內(nèi)，如式（2）、式（3）所示。

式中：i∈{1, 2}為承力索或接觸線(xiàn)；bi為對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償值；pi為最低點(diǎn)縱坐標(biāo)；mi為底部區(qū)域參考點(diǎn)；s為像素與實(shí)際物理距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可由式（1）求得；d為參考點(diǎn)到地面的距離；t為安全閾值。

2 接觸網(wǎng)斷線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于上述接觸網(wǎng)異常監(jiān)測(cè)方法，研發(fā)了接觸網(wǎng)斷線(xiàn)智能檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示，以圖形化、表格化生成報(bào)表。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 接觸網(wǎng)斷線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

接觸網(wǎng)斷線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能包括相機(jī)采集的補(bǔ)償裝置圖像界面展示、智能硬件、監(jiān)控預(yù)警、斷線(xiàn)預(yù)警和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊。

（1）界面展示：記錄不同時(shí)刻的補(bǔ)償值，并通過(guò)曲線(xiàn)進(jìn)行展示。

（2）智能硬件：連接溫濕度傳感器，根據(jù)接觸線(xiàn)、承力索的熱脹冷縮特性，傳感器的值應(yīng)與計(jì)算的補(bǔ)償值具有變化趨勢(shì)的一致性。

（3）監(jiān)控預(yù)警：對(duì)線(xiàn)路上的缺陷進(jìn)行預(yù)警，并給出預(yù)警的實(shí)時(shí)畫(huà)面。

（4）斷線(xiàn)預(yù)警：接觸網(wǎng)斷線(xiàn)是嚴(yán)重的事故，系統(tǒng)中對(duì)接觸網(wǎng)斷線(xiàn)進(jìn)行了單獨(dú)顯示并給出預(yù)警信息。

（5）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：連接相機(jī)實(shí)時(shí)畫(huà)面，對(duì)每一幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，判斷接觸網(wǎng)是否斷線(xiàn)。

接觸網(wǎng)斷線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面如圖8 所示，可通過(guò)該系統(tǒng)完成對(duì)補(bǔ)償裝置補(bǔ)償值的記錄，并將不同時(shí)刻的補(bǔ)償值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，形成報(bào)表和曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)的斷線(xiàn)預(yù)警。

圖8 接觸網(wǎng)斷線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)智能牽引供電系統(tǒng)中的接觸網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)接觸網(wǎng)斷線(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行研究和探討，結(jié)合深度學(xué)習(xí)理論和圖像處理算法設(shè)計(jì)了接觸網(wǎng)斷線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該方法快速準(zhǔn)確，后期設(shè)備維護(hù)成本小，可將該方案進(jìn)一步拓展接觸網(wǎng)張力補(bǔ)償裝置異常監(jiān)測(cè)，對(duì)補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償繩進(jìn)行斷散股的缺陷判斷，為智能化牽引供電系統(tǒng)提供更全面、準(zhǔn)確的技術(shù)支持。