接觸線覆冰在線監(jiān)測(cè)方法研究

高 妍，劉明光

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

接觸線覆冰在線監(jiān)測(cè)方法研究

高 妍，劉明光

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

針對(duì)接觸線覆冰可能造成電力機(jī)車(chē)行車(chē)時(shí)的重大事故，研究通過(guò)在支柱上安裝攝像機(jī)拍攝接觸線覆冰，對(duì)其形狀進(jìn)行計(jì)算分析，以預(yù)報(bào)冰災(zāi)。首先采用攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)在云臺(tái)旋轉(zhuǎn)后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定，通過(guò)對(duì)覆冰圖像進(jìn)行邊緣提取，將邊緣的圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)，擬合出接觸線覆冰厚度分布曲線，應(yīng)用人工智能分析覆冰厚度與冰凌長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)表明，計(jì)算機(jī)顯示結(jié)果的誤差在10%以內(nèi)，能夠滿足監(jiān)控接觸網(wǎng)覆冰的現(xiàn)場(chǎng)需要。

接觸線；覆冰；攝像機(jī)標(biāo)定；云臺(tái)旋轉(zhuǎn)；邊緣檢測(cè)

隨著我國(guó)鐵路向高寒和偏遠(yuǎn)地區(qū)的延伸，伴隨著惡劣天氣的頻繁出現(xiàn)，接觸網(wǎng)覆冰的影響日益凸顯。接觸網(wǎng)覆冰帶來(lái)的危害主要有：接觸線上附著冰殼，導(dǎo)致受電弓無(wú)法正常取流；接觸線覆冰容易形成冰凌，冰凌刮蹭受電弓，導(dǎo)致受電弓磨耗加??；接觸線覆冰后，由于線密度增大，減小了波動(dòng)傳播速度，影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量；風(fēng)載荷和覆冰值超過(guò)設(shè)計(jì)值，出現(xiàn)覆冰舞動(dòng)現(xiàn)象；弓網(wǎng)之間產(chǎn)生電弧，瞬時(shí)高溫會(huì)燒傷受電弓和導(dǎo)線[1～2]。

目前，對(duì)輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)的研究存在測(cè)量不準(zhǔn)，測(cè)量范圍小等問(wèn)題，且針對(duì)接觸線覆冰的研究少。文獻(xiàn)[3]和[4]描述了通過(guò)測(cè)量導(dǎo)線弧垂變化、導(dǎo)線張力和絕緣子串的傾斜角度來(lái)計(jì)算覆冰厚度。這種方法計(jì)算誤差大，不適用與接觸網(wǎng)上，主要原因是接觸網(wǎng)與電力線的桿塔式結(jié)構(gòu)不同，接觸線上的張力和馳度基本不變，且全線接觸懸掛的彈性一致；文獻(xiàn)[5]和[6]通過(guò)圖像法提取導(dǎo)線覆冰前后的輪廓，并根據(jù)比例估計(jì)出圖像坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的映射關(guān)系，這種方法精度差，要求攝像機(jī)與目標(biāo)的相對(duì)位置不能變動(dòng)，限制了攝像機(jī)的監(jiān)測(cè)范圍；文獻(xiàn)[7]利用雙目立體視覺(jué)架設(shè)兩臺(tái)攝像機(jī)進(jìn)行三維重建，特征點(diǎn)提取與匹配算法計(jì)算量大，獲取的數(shù)據(jù)少，且同樣要求兩臺(tái)攝像機(jī)相對(duì)位置不變。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)提高測(cè)量的精確度，并利用云臺(tái)和云臺(tái)控制裝置改變相機(jī)的位置和角度，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，針對(duì)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)后攝像機(jī)外參數(shù)無(wú)法確定的問(wèn)題，提出自動(dòng)標(biāo)定的算法，從而通過(guò)提取覆冰的邊緣圖像來(lái)重建接觸線覆冰厚度和冰凌長(zhǎng)度。

1 監(jiān)測(cè)裝置、原理和步驟

整個(gè)監(jiān)測(cè)裝置由安裝在支柱上的工業(yè)攝像機(jī)、攝像機(jī)云臺(tái)和控制單元構(gòu)成?？刂茊卧獙⒐I(yè)攝像機(jī)拍攝到的現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，通過(guò) GSM-R發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心，由監(jiān)測(cè)中心計(jì)算覆冰厚度和冰凌長(zhǎng)度；計(jì)算機(jī)通過(guò)控制單元控制攝像機(jī)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍。

圖1 攝像機(jī)模型

結(jié)合攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)的接觸線覆冰厚度監(jiān)測(cè)原理如圖1所示，攝像機(jī)模型為針孔模型，點(diǎn)PW在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(XW、YW、ZW)，其相對(duì)于攝像機(jī)的坐標(biāo)為(XC，YC，ZC)，PW在像平面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為P，根據(jù)攝像機(jī)成像原理，P為PW與攝像機(jī)光心OC的連線和像平面的交點(diǎn)。則空間中任意一點(diǎn)P的世界坐標(biāo)(XW、YW、ZW)與它的像素坐標(biāo)(u，v)之間的關(guān)系為[8]：

式中，αx=f/dx、αy=f/dy（f為焦距，dx、dy為單位像素尺寸）；(u0，v0)為攝像機(jī)鏡頭的主點(diǎn)像素坐標(biāo)；R、t為相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量；γ為u、v兩軸的不垂直因子；M1、M2為攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)。

監(jiān)測(cè)時(shí)，攝像機(jī)與接觸線的安裝距離約為1.4 m，高度與接觸線一致。故改變攝像機(jī)角度時(shí)，被拍攝到的覆冰接觸線可以近似看做是一個(gè)平面，且世界坐標(biāo)為ZW=0，則點(diǎn)的世界坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)的關(guān)系為：

已知覆冰邊緣的世界坐標(biāo)后，就可以重建覆冰邊緣在實(shí)際空間中的分布情況，從而計(jì)算上下兩邊緣之間的實(shí)際距離。本文提出的接觸線覆冰在線監(jiān)測(cè)方法步驟如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)算法步驟

2 攝像機(jī)標(biāo)定

2.1 參數(shù)初始化

攝像機(jī)安裝結(jié)束后，進(jìn)行初始化，用文獻(xiàn)[9]中的張氏標(biāo)定法確定攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)及3個(gè)位置上的外參數(shù)，具體過(guò)程：（1）攝像機(jī)保持初始位置和姿態(tài)，標(biāo)定板變換角度拍攝5張圖像；（2）標(biāo)定板保持與線路平行且垂直于地面，相機(jī)相對(duì)初始位置橫向、縱向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)10°，拍攝2張圖像；（3）使用張氏標(biāo)定算法計(jì)算攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)、3個(gè)位置上的外參數(shù)和畸變系數(shù)；（4）保存標(biāo)定結(jié)果。攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)為：

k1=-0.125565；k2=0.107690

攝像機(jī)外參數(shù)如表1所示。

表1 攝像機(jī)外參數(shù)

2.2 任意位置外參數(shù)的標(biāo)定

為了研究云臺(tái)控制下攝像機(jī)任意位置上外參數(shù)的自動(dòng)標(biāo)定，本文分析了圖3所示的云臺(tái)模型。攝像機(jī)分為兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，即橫向旋轉(zhuǎn)和縱向旋轉(zhuǎn)。相機(jī)在可調(diào)范圍內(nèi)的任意位置和姿態(tài)，可以視為相對(duì)初始位置的一次橫向旋轉(zhuǎn)加縱向旋轉(zhuǎn)，定義橫向旋轉(zhuǎn)下標(biāo)為H，縱向旋轉(zhuǎn)下標(biāo)為V。

圖3 攝像機(jī)云臺(tái)模型

圖4 攝像機(jī)水平旋轉(zhuǎn)模型

如圖4所示，攝像機(jī)從初始位置1橫向旋轉(zhuǎn)角度θ后到達(dá)位置2，由于保持同一姿態(tài)，光心O到轉(zhuǎn)軸的距離d不變，轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡為圓形。理想情況下，假設(shè)攝像機(jī)坐標(biāo)系的Z軸為光心到轉(zhuǎn)軸的連線，Y軸垂直于運(yùn)動(dòng)平面，X軸為圓的切線，則從O1到O2，X和Z繞Y軸順時(shí)旋轉(zhuǎn)角度θ， （X1，Y1，Z1）和 （X2，Y2，Z2）之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣RH和平移向量tH為：

實(shí)際情況下，通過(guò)標(biāo)定得到的攝像機(jī)坐標(biāo)系為圖中虛線所示，理想坐標(biāo)系可以看做由此坐標(biāo)系經(jīng)過(guò)RH0的旋轉(zhuǎn)得到。(X1，Y1，Z1)和(X1'，Y1'，Z1')、(X2，Y2，Z2)和(X2'，Y2'，Z2')、(X1'，Y1'，Z1')和(X2'，Y2'，Z2')之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量為：

式中，由于理想坐標(biāo)系和實(shí)際坐標(biāo)系的光心位置不變，平移向量相等，tH0=0，將上式聯(lián)立，則兩個(gè)位置實(shí)際中的相對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣R'和平移向量t'與理想情況下的R、t之間的關(guān)系為：

攝像機(jī)縱向旋轉(zhuǎn)時(shí)的推導(dǎo)與橫向旋轉(zhuǎn)一致，其中：

攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)后任意位置上的外參數(shù)可通過(guò)下式獲得：

式中，R初始和t初始由表1可得，剩下的4個(gè)初始值為RH0、RV0、dH、dV，通過(guò)表1的3個(gè)位置的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量帶入式（8）求得，旋轉(zhuǎn)角可通過(guò)監(jiān)控?cái)z像機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間獲取，文采用在云臺(tái)上設(shè)置微動(dòng)開(kāi)關(guān)，使攝像機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ后停止，以此來(lái)記錄相對(duì)初始位置的角度。

3 圖像自動(dòng)處理策略

3.1 圖像預(yù)處理

圖像在采集和傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪聲，且由于光照、背景的不同，使目標(biāo)邊緣難以從圖像中提取出來(lái)。因此在進(jìn)行邊緣檢測(cè)之前，需要對(duì)攝像機(jī)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理。

預(yù)處理過(guò)程：（1）圖像由彩色圖轉(zhuǎn)為灰度圖，減少計(jì)算量。（2）多幀圖像采集求平均來(lái)濾除傳輸過(guò)程中的非周期性噪聲。（3）中值濾波在去除圖像中的電子噪聲的同時(shí)，保持圖像邊緣的清晰度。（3）分別對(duì)圖像進(jìn)行高帽變換和低帽變換，高低帽變換相較直方圖均衡化更具有選擇性，能突顯出細(xì)節(jié)。將高帽變換結(jié)果與原圖相加減去低帽變換結(jié)果，得到圖像的最大對(duì)比度。（4）當(dāng)覆冰圖像的背景簡(jiǎn)單、景深較大，如天空、夜晚，覆冰接觸線與背景的灰度差異不明顯，圖像的灰度直方圖表現(xiàn)為單峰特性，邊緣表現(xiàn)為奇異點(diǎn)，直接使用小波邊緣檢測(cè)可較好地檢測(cè)到覆冰邊緣；當(dāng)圖像背景較為復(fù)雜時(shí)，如草地、高山，而冰的反射率高于背景，此時(shí)覆冰接觸線與背景灰度差異明顯，表現(xiàn)為雙峰特性，且覆冰接觸線灰度值較高，直接進(jìn)行邊緣檢測(cè)會(huì)提取出較多背景上的邊緣，此時(shí)采用直方圖凹面法將背景與目標(biāo)分開(kāi)，并降低背景的對(duì)比度。

3.2 改進(jìn)的邊緣檢測(cè)算法

預(yù)處理后采用文獻(xiàn)[10]中的小波模極大值算法檢測(cè)邊緣，小波及其多尺度分析理論能很好的反映圖像中的灰度變化，極大值算法不僅能確定圖像中突變和緩變的位置，還能檢測(cè)出圖像中的奇異點(diǎn)，更能檢測(cè)出邊緣和細(xì)節(jié)。算法采用二維高斯函數(shù)作為小波函數(shù)，長(zhǎng)度N為10，分解層數(shù)為2。

傳統(tǒng)模極大值算法通過(guò)將符合閾值的模極大值保留并賦值為1得到邊緣的二值圖像，選取過(guò)高的閾值會(huì)丟失目標(biāo)的細(xì)小邊緣，使邊緣極不連續(xù)，而選擇較小的閾值會(huì)得到過(guò)多的偽邊緣。文獻(xiàn)[11]提出采用浮動(dòng)閾值法逐漸降低閾值來(lái)尋找可以與大閾值下輪廓相連的邊緣點(diǎn)，由于采用逐點(diǎn)尋找的方法，該算法的時(shí)間復(fù)雜度較高。本文提出一種新的多閾值檢測(cè)算法，該算法原理簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，可以應(yīng)對(duì)不同環(huán)境和覆冰情況，檢測(cè)到的邊緣連續(xù)且唯一。

（1）分別定義兩個(gè)閾值T1、T2。T1為大閾值，在此閾值下，覆冰接觸線輪廓較為清晰，背景中沒(méi)有偽邊緣和噪聲邊緣；T2為小閾值，在此閾值下，雖然有很多偽邊緣和噪聲邊緣，但覆冰接觸線輪廓連續(xù)。（2）判斷T1中的每個(gè)像素點(diǎn)是否為1，為1則說(shuō)明該像素是覆冰接觸線上的一點(diǎn)，將T2中對(duì)應(yīng)此點(diǎn)半徑d內(nèi)的鄰點(diǎn)全部疊加在T1上，生成一個(gè)新的覆冰邊緣圖像I。圖I中的邊緣圖像是T1疊加目標(biāo)半徑d內(nèi)的細(xì)小邊緣點(diǎn)構(gòu)成，d的大小要能有效的連接斷裂的目標(biāo)邊緣，而將非目標(biāo)的輪廓去除。（3）經(jīng)歷步驟（2）后，覆冰邊緣周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生瑣碎邊緣，為了消除瑣碎邊緣，使目標(biāo)邊緣平滑，使用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法對(duì)I進(jìn)行膨脹、填充、腐蝕操作，模板選取各向同性的圓盤(pán)形結(jié)構(gòu)元素，標(biāo)出輪廓線，得到連續(xù)單一像素的覆冰接觸線邊緣。

4 覆冰參數(shù)計(jì)算

傳統(tǒng)電力線覆冰厚度計(jì)算中，使用橫向線型結(jié)構(gòu)元素腐蝕圖像中的冰凌，以去除冰凌對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[11]，經(jīng)過(guò)腐蝕后，圖像中的覆冰厚度明顯減小。針對(duì)接觸線覆冰，冰凌過(guò)長(zhǎng)會(huì)刮蹭受電弓，影響融冰的時(shí)間，需要另外測(cè)量。

在得到接觸線上下覆冰邊緣的圖像坐標(biāo)后，通過(guò)式（2）轉(zhuǎn)換為邊緣的世界坐標(biāo)，遍歷下邊緣點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)下邊緣點(diǎn)與上邊緣點(diǎn)的最短距離，減去接觸導(dǎo)線直徑，使用二維數(shù)組保存下邊緣點(diǎn)的橫坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)距離，構(gòu)建接觸線覆冰厚度分布曲線。

采用人工智能計(jì)算覆冰參數(shù)，流程為：遍歷二維數(shù)組的每個(gè)點(diǎn)，計(jì)算與下一個(gè)點(diǎn)的斜率；比較該斜率的大小，若大于tan60。記為1，小于–tan60。記為–1，兩者之間記為0；由每點(diǎn)的斜率特征構(gòu)成的數(shù)組有兩種情況，-101或10-1，其中，0的個(gè)數(shù)不定，分別對(duì)此兩種情況下斜率特征為0的點(diǎn)相加求平均，求得的值分別為普通覆冰D和冰凌L；則平均冰凌長(zhǎng)度l=D-L，平均覆冰厚度d=D/2。

5 實(shí)驗(yàn)及分析

應(yīng)用本文監(jiān)測(cè)方法在西南某鐵路區(qū)間拍攝到的覆冰圖像及其邊緣圖像如圖5所示。重建圖5覆冰邊緣的世界坐標(biāo)，構(gòu)建出如圖6所示的接觸線覆冰厚度分布曲線，對(duì)圖中箭頭所指的4點(diǎn)做定點(diǎn)測(cè)量，并計(jì)算該段線路的平均覆冰厚度、最長(zhǎng)冰凌和平均冰凌長(zhǎng)度與人工測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，所得結(jié)果如表2所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)覆冰圖像及其邊緣

圖6 接觸線覆冰厚度分布曲線

表2 測(cè)量結(jié)果

圖像測(cè)量A、B、C、D各個(gè)點(diǎn)的誤差分別為6.13%、8.55%、6.59%、4.75%；平均覆冰厚度和平均冰凌長(zhǎng)度的測(cè)量誤差為7.9%和9.2%，可以滿足冰災(zāi)預(yù)報(bào)的需求；通過(guò)接觸線覆冰厚度曲線能夠直觀精確地監(jiān)測(cè)覆冰狀況，為預(yù)防冰災(zāi)提供有效方法。

6 結(jié)束語(yǔ)

工程上實(shí)現(xiàn)這一方法關(guān)鍵技術(shù)在于：

（1）采用攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)，為擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，攝像機(jī)通過(guò)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)后，任意位置外參數(shù)的自動(dòng)標(biāo)定按照式(11)計(jì)算。（2）新的多閾值邊緣檢測(cè)算法提取接觸線覆冰邊緣，為下一步的覆冰參數(shù)計(jì)算提供單一連續(xù)的覆冰邊緣。（3）接觸線覆冰厚度分布曲線的擬合與處理，采用的人工智能主要策略是：使用式（2）計(jì)算上下邊緣的實(shí)際距離，計(jì)算分布曲線的斜率特征，用以分析覆冰厚度與冰凌長(zhǎng)度。（4）實(shí)驗(yàn)表明，計(jì)算機(jī)顯示的覆冰厚度與實(shí)際相對(duì)誤差為7.9%，冰凌長(zhǎng)度與實(shí)際相對(duì)誤差為9.2%。這一結(jié)果完全能夠滿足監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)覆冰及時(shí)預(yù)報(bào)冰災(zāi)的需要。

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責(zé)任編輯 徐侃春

Online monitoring method for catenary icing

GAO Yan, LIU Mingguang
( School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

Catenary icing could cause major accidents while electric locomotive driving. The paper studied on the method of calculation and analysis for the icing shape to forecast the ice disaster by camera attached on the pillar of catenary. The camera calibration technology was used to implement automatic calibration after pantilt rotation. Through extracting the icing edge, converting its coordinates to world coordinates, the distribution curve of the icing thickness on catenary was fi t out. The artif i cial intelligent technology was used to analyze the icing thickness and length. Experimental results showed that the result error was within 10%, which could meet the needs of monitoring icing on catenary.

catenary; icing; camera calibration; pan-tilt rotation; edge detection

U225∶TP39

A

1005-8451（2014）09-0005-05

2014-03-11

高 妍，在讀碩士研究生；劉明光，教授 。