基于圖像模型的車載弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)研制

申天亮 王玉東

摘 要：為實(shí)現(xiàn)地鐵弓網(wǎng)的狀態(tài)檢修，需要檢測(cè)地鐵列車受電弓與接觸網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行工況。本文研制一種基于圖像模型的車載弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。采集弓網(wǎng)在正常運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)處理后，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行驗(yàn)證與修正，最后對(duì)圖像模型進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。經(jīng)反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)能有效地對(duì)地鐵列車運(yùn)行的弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行監(jiān)控，達(dá)到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：狀態(tài)檢修；圖像模型；弓網(wǎng)關(guān)系

中圖分類號(hào)：U226.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）20-0088-02

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系的測(cè)量有傳統(tǒng)的手工測(cè)量方法[1]、在線式定點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)[2]、利用接觸網(wǎng)綜合檢查車。由于常用的傳統(tǒng)人工測(cè)量維修檢測(cè)效率低，人工成本高，檢測(cè)的不確定性大；接觸網(wǎng)綜合檢查車是專業(yè)的檢測(cè)車，進(jìn)行檢查需要專項(xiàng)采購(gòu)。相比而言本系統(tǒng)是可隨時(shí)安裝于正常列車上的檢測(cè)裝置，利用該系統(tǒng)進(jìn)行診斷和檢測(cè)不僅簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的檢測(cè)步驟，且具有受外界因素影響少，檢測(cè)精度比之前高，成本也很低，結(jié)合圖像模型、圖像處理人工智能算法對(duì)弓網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能滿足在線檢測(cè)的需求。

1 項(xiàng)目總體與工藝設(shè)計(jì)

總體工藝設(shè)計(jì)關(guān)系到粵港共性技術(shù)項(xiàng)目完成的進(jìn)度與質(zhì)量，根據(jù)運(yùn)維作業(yè)性質(zhì)、經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為工藝設(shè)計(jì)制定了安全、簡(jiǎn)約和實(shí)用的三大原則。

1.1 總體設(shè)計(jì)

項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)功能：

（1）弓網(wǎng)作用關(guān)系檢測(cè)：拉弧檢測(cè)、沖擊加速度檢測(cè)；

（2）接觸網(wǎng)檢測(cè)：導(dǎo)高檢測(cè)、拉出值檢測(cè)；

（3）受電弓檢測(cè)：受電弓姿態(tài)檢測(cè)（未來(lái)擴(kuò)展功能）；

（4）導(dǎo)出考核指標(biāo)：放電脈沖幅值、放電時(shí)間、放電積分強(qiáng)度；動(dòng)態(tài)加速度值；接觸網(wǎng)里；

（5）程-導(dǎo)高值關(guān)系圖、里程-接觸網(wǎng)拉出值關(guān)系圖；

（6）報(bào)警設(shè)置：各指標(biāo)對(duì)應(yīng)參數(shù)設(shè)定超限報(bào)警值，并可根據(jù)實(shí)際情況可以調(diào)整；

（7）里程定位：計(jì)量或?qū)С隽熊囆旭倕^(qū)間的行駛時(shí)間-里程信息，并關(guān)聯(lián)各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)值；

（8）裝置的工作模式：該裝置的工作模式分一般工作模式和觸發(fā)工作模式兩種。一般工作模式下，裝置處于連續(xù)信號(hào)檢測(cè)和記錄狀態(tài)，而觸發(fā)工作模式是在三個(gè)觸發(fā)源（拉弧放電、弓網(wǎng)作用關(guān)系、沖擊加速度）發(fā)生觸發(fā)，視頻裝置同時(shí)轉(zhuǎn)為抓拍狀態(tài)，記錄弓網(wǎng)非正常工作狀態(tài)的實(shí)際場(chǎng)景，便于后續(xù)分析。

1.2 工藝設(shè)計(jì)

針對(duì)總體設(shè)計(jì)要求，確定項(xiàng)目設(shè)備如下配置：

（1）車頂傳感器：線激光2只；圖像傳感器1臺(tái)；視頻攝像機(jī)1臺(tái)；

（2）檢測(cè)箱：圖像采集分析工控機(jī)；硬盤(pán)錄像機(jī)；通訊報(bào)警設(shè)備；

（3）數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)軟件。

針對(duì)總體設(shè)計(jì)要求，設(shè)定以下工藝予以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)要求：由相距400mm的兩線激光器發(fā)出的兩束光打在受電弓上形成光斑作為檢測(cè)參照，列車行駛過(guò)程中，由相機(jī)對(duì)受電弓、接觸網(wǎng)及參照光斑進(jìn)行攝像錄制，由專門的檢測(cè)裝置（特制）對(duì)視頻文件進(jìn)行收集、儲(chǔ)存，列車完成行駛里程后由檢測(cè)裝置中的專門軟件（專編）對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)間分割、并進(jìn)一步分析、輸出各指標(biāo)檢測(cè)值和特性曲線。

1.3 硬件配置設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備安裝空間、視頻視場(chǎng)以及分辨率要求、設(shè)備運(yùn)行和數(shù)據(jù)采集要求，通過(guò)計(jì)算確定采用200萬(wàn)像素帶紅外線光源的視頻一體機(jī)作為視頻采集相機(jī)，5w的線激光發(fā)射器作為線激光器，控制端采用11吋的led觸摸屏作為顯示設(shè)備，對(duì)應(yīng)確定主板等主要部件，組成專門的受電弓檢測(cè)系統(tǒng)裝置。如圖1。

1.4 設(shè)備安裝工藝設(shè)計(jì)

利用3D設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維安裝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中除重點(diǎn)考慮設(shè)備安裝的功能現(xiàn)實(shí)、安裝牢固外，還充分考慮了這些因素：如設(shè)備安裝不能對(duì)載車車體進(jìn)行改動(dòng)、不能影響載車的正常行駛，更重要的是設(shè)備安裝后的占有空間不能侵犯車輛限界，如圖2。

2 測(cè)量模型

2.1 視像區(qū)

在具體實(shí)施中，考慮視像區(qū)要包含接觸網(wǎng)導(dǎo)高和拉出變化范圍，ROI區(qū)域選X±400，Y±1500mm。

2.2 輸出

視頻變量——以連續(xù)曲線輸出及對(duì)報(bào)警值進(jìn)行標(biāo)記

拉出值——以線激光光跡作為參考（或弓中心點(diǎn)），用直線分析法求得網(wǎng)每次之字形的最大左右偏離值。報(bào)警閥值比如超過(guò)±200，標(biāo)記；

弓高——指以相機(jī)（車頂參考），用直線分析法記錄過(guò)車的連續(xù)弓高；

拉弧分析——拉弧強(qiáng)度（灰度換算閥值205可根據(jù)圖片亮度設(shè)置），拉弧面積（ROI區(qū)域超閥值灰度像素積分換算mm*mm），拉弧連續(xù)長(zhǎng)度（連續(xù)幀識(shí)別）換算為m；

弓頭加速度——閥值>2g幀y位移大于3.2mm，每秒25幀錄相速度，計(jì)算y=a*t^2。用弓頭質(zhì)量即F=m*a換算為壓力，標(biāo)記。

2.3 定位

距離定位——采用先車站區(qū)間分段成區(qū)間視頻，各區(qū)間特征參數(shù)里程定位按列車自動(dòng)駕駛模式的定式由時(shí)間對(duì)區(qū)間定式速度積分確定出對(duì)應(yīng)距離S。如圖3。

3 實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本項(xiàng)目設(shè)備于2017年4月26號(hào)廣州地鐵西塱車輛段安裝于A11257車上，27號(hào)下午實(shí)驗(yàn)線車速分別以30/40/50/60/80公里每小時(shí)進(jìn)行跑車試驗(yàn)，于夜間22：40安排正線運(yùn)行。

3.1 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

數(shù)據(jù)的預(yù)處理是針對(duì)視頻的海量數(shù)據(jù)，即必須解決物象在圖片的位置搜索速度。其方法是基于深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)大量數(shù)據(jù)樣本得到各類經(jīng)驗(yàn)參數(shù)與權(quán)重：

（1）用一批包含正負(fù)樣本訓(xùn)練一個(gè)SVM分類器，正樣本表示有弓網(wǎng)的圖片區(qū)域，負(fù)樣本表示其他非弓網(wǎng)的圖片區(qū)域；

（2）用訓(xùn)練好的分類器在行車視頻的每一幀圖片中滑動(dòng)搜索，每次搜索都能得到一個(gè)反映區(qū)域?qū)儆谡惖母怕剩阉鞑介L(zhǎng)固定；

（3）第二步之后在一張圖片中可以得到N個(gè)概率，將最大的m個(gè)保留，代表目標(biāo)最有可能出現(xiàn)的區(qū)域；

（4）利用一些經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，比如目標(biāo)位置附近的概率都會(huì)比較大，如果只有一個(gè)搜索位置得到大概率，其周圍概率都很小，則判定為野點(diǎn)（異常點(diǎn)）并剔除；

（5）定位好位置之后尋找弓網(wǎng)接觸點(diǎn)、弓上下邊界、中心位置等具體弓網(wǎng)關(guān)系指標(biāo)。

3.2 結(jié)果匯總

本項(xiàng)目上車時(shí)間48小時(shí)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)線試跑及按照正常運(yùn)營(yíng)正線運(yùn)行，試驗(yàn)線運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)240min，正線時(shí)長(zhǎng)90min，雨淋120min。運(yùn)行結(jié)果如下：

（1）形成的預(yù)警表（預(yù)警值部分待定）（全程）見(jiàn)表1。

（2）上下行全程視頻后分段形成區(qū)間文件33個(gè)，上下行各15個(gè)（對(duì)應(yīng)16個(gè)站15個(gè)區(qū)間），出、入庫(kù)及東站折返線各1個(gè)。

4 研制結(jié)論

（1）經(jīng)驗(yàn)證使用本方案實(shí)施的車載受電弓檢測(cè)裝置可以滿足《地鐵行車關(guān)鍵裝備在線監(jiān)測(cè)裝置與集成系統(tǒng)》中有關(guān)車載弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)裝置的要求，能進(jìn)行所述各指標(biāo)的檢測(cè)和記錄；

（2）經(jīng)驗(yàn)證設(shè)備安裝拆卸簡(jiǎn)單、可靠、固定和使用安全，有防雨性能；

（3）經(jīng)驗(yàn)證運(yùn)行中各設(shè)備連接、運(yùn)轉(zhuǎn)正常，不影響列車正常行駛；

（4）使用本文所述的受電弓車載檢測(cè)裝置檢測(cè)弓網(wǎng)關(guān)系、狀態(tài)就檢測(cè)效率、準(zhǔn)確率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工的檢測(cè)數(shù)值。

5 研制成果

（1）形成車載受電弓檢測(cè)裝置及配套安裝設(shè)備一套；

（2）形成對(duì)弓網(wǎng)視頻中的特征點(diǎn)進(jìn)行跟蹤、提取、分析的軟件一套；軟件用圖模型一套；

（3）形成簡(jiǎn)易里程定位方法和對(duì)里程視頻數(shù)據(jù)人工智能的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法；

（4）形成廣州一號(hào)線地鐵上下行全線接觸網(wǎng)-受電弓視頻文件33個(gè)（以區(qū)間分段）；

（5）形成對(duì)廣州地鐵其它各線（含一號(hào)線）接觸網(wǎng)定期檢測(cè)和本次接觸網(wǎng)維護(hù)的建議一份。

參考文獻(xiàn)

[1]張巖，錢韋吉，陳光雄.接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)摩擦振動(dòng)的初步研究[J].潤(rùn)滑與密封，2012，（8）：21-26.

[2]胡亮.弓網(wǎng)受流中出現(xiàn)拉弧原因及預(yù)防措施的探討[J].工程技術(shù)，2016，（10）：262.