基于双目视觉技术的机车出入库受电弓动态检测系统研究.pdf

2023 年 7 月（总第 441 期）30第 51 卷Vol.51第 7 期No.7铁 道 技 术 监 督RAILWAY QUALITY CONTROL检验与认证INSPECTION AND CERTIFICATION收稿日期：2022-12-07作者简介：张文曜，正高级工程师；陈德君，正高级工程师；王雅军，工程师；张 岩，工程师；马培松，助理工程师1概述电力机车在高速运行过程中，受电弓碳滑板与接触网处于接触摩擦状态。机车长时间运行，以及受电弓与接触网压力的变化，会导致碳滑板产生偏磨、拉槽、裂纹、剥离掉块等各种缺陷1。当接触网与受电弓接触压力过大时，会加速受电弓碳滑板的磨耗速率，影响使用寿命；当接触网与受电弓接触压力太小时，会产生拉弧现象，严重影响行车安全。受电弓羊角形态异常会导致机车受电异常，影响机车正常运行。因此，必须定期检测受电弓碳滑板厚度、升弓压力、羊角形态等，以保障行车安全。目前，检测受电弓主要依靠人工方式。通常在机车进入整备厂或检修库后，工作人员登上机车车顶，利用游标卡尺、卷尺等检查，测量受电弓碳滑板状态3。人工检测存在一定局限性：一是车顶环境复杂，检测人员高空作业存在安全隐患；二是测量准确度不高，存在漏查等现象；三是采用纸质形式填报、记录，手段较传统，建档、追溯困难；四是效率低下。因此，研究一种受电弓动态检测系统，在机车出入库时，对受电弓碳滑板磨耗、升弓压力、羊角形态实现非接触式在线检测。2结构设计2.1逻辑结构设计受电弓动态检测系统逻辑结构分为呈现逻辑层、数据处理层、模型控制逻辑层、基础控制逻辑层和接口逻辑层。受电弓动态检测系统逻辑结构如图 1 所示。（1）呈现逻辑层包括受电弓状态呈现逻辑和受电弓品质报告生成逻辑，用于总结数据处理层得到的结果并显示给检测人员。基于双目视觉技术的机车出入库受电弓动态检测系统研究张文曜1，陈德君2，王雅军2，张岩2，马培松2（1.中国铁路南昌局集团有限公司南昌机务段，江西 南昌 330001；2.唐山百川智能机器股份有限公司，河北 唐山 063010）摘要：传统的受电弓检测由人工完成，检测效率和准确度较低。运用双目视觉技术，设计一种受电弓动态检测系统，对受电弓碳滑板磨耗、升弓压力、羊角形态实现非接触式动态检测。受电弓动态检测系统由车号识别装置、压力检测模块、碳滑板检测模块、羊角形态检测模块、分布式工控机和显示工控机组成，突出主体框架及核心硬件构成。详细阐述受电弓动态检测系统逻辑结构和模型算法设计。经现场试验验证，利用该系统可以显著提高受电弓检测效率和检测过程的安全性。关键词：受电弓；双目视觉技术；动态检测；检测系统中图分类号：U264.34文献标识码：B文章编号：1006-9178（2023）07-0030-06Abstract：The traditional pantograph inspection is done manually,and there are drawbacks in both inspection efficiency and inspection accuracy.Using binocular vision technology,a pantograph dynamic inspection system is designed to achieve non-contact dynamic inspection of pantograph carbon skid wear,rising bow pressure,and pantographhorn morphology.The pantograph dynamic inspection system consists of a car number identification device,a pressuredetection module,a carbon skid plate detection module,a horn morphology detection module,a distributed IPC and adisplay IPC,highlighting the main framework and the core hardware composition.The logical structure and model algorithm design of the pantograph dynamic detection system are elaborated.Through field tests,it is verified that the system can significantly improve the efficiency of pantograph inspection and the safety of the inspection process.Keywords：Pantograph;Binocular Vision Technology;Dynamic Inspection;Inspection Systm31铁道技术监督第 51 卷第 7 期（2）数据处理层包括基础数据处理和智能数据处理。基础数据处理用于对得到的数据进行运算，生成机车车号信息、碳滑板磨耗程度、升弓压力大小、羊角状态详细图片等基本信息；智能数据处理，结合受电弓历史情况数据，采用深度学习算法，完成受电弓生命周期预测，并能预测受电弓可能产生的病害。（3）模型控制逻辑层用于在机车进入检测棚后，启动动态检测系统。（4）基础控制逻辑层包括车号识别装置控制逻辑、碳滑板磨耗检测控制逻辑、升弓压力检测控制逻辑、羊角形态检测控制逻辑。车号识别装置控制逻辑用于控制车号识别装置，采集机车车号图像信息；碳滑板磨耗检测控制逻辑用于操作 2 组双目相机，采集碳滑板图像信息；升弓压力检测控制逻辑用于操作 2 个面阵相机，采集接触网图像信息；羊角形态检测控制逻辑用于控制 2 个面阵相机，采集羊角图像信息。依靠单片机，基础控制逻辑层可以精准控制所有检测装置的工作时序。当被检测机车接近检测区域时，轨道上的车轮传感器先接收到信号。单片机接收到车轮传感器传来的信号后，通知系统处于待命状态。当受电弓分别进入各个功能检测区域时，单片机控制相应的检测模块抓拍受电弓数据。（5）接口逻辑层包含车牌识别装置接口逻辑和双目视觉相机接口逻辑，用于驱动车号识别装置和所有双目视觉相机工作，以及交换数据。在受电弓进入检测区域前，上位机通过接口逻辑层，驱动车号识别装置和双目相机进入待命状态。当受电弓通过检测区域后，上位机通过接口逻辑层取回检测数据。2.2物理架构设计受电弓动态检测系统物理架构设计的目标是，通过选择、组合和关联合适硬件，构建物理装置、模块或子系统，实现受电弓动态检测系统功能需求。物理架构突出主体框架及核心硬件构成逻辑，不专门描述单一独立的硬件。总体上，物理架构主要由升弓压力检测模块、碳滑板磨耗检测模块、羊角形态检测模块、分布式工控机、车号识别装置和显示工控机组成。受电弓动态检测系统物理架构如图 2 所示。车号识别装置显示工控机分布式工控机升弓压力检测模块（面阵相机和背光板）碳滑板磨耗检测模块（双目相机和高速结构光闪光灯）羊角形态检测模块（面阵相机和闪光灯）D 型数据接口连接器控制信息碳滑板图像信息羊角图像信息控制信息接触网图像信息车号图像信息控制信息控制信息图 2受电弓动态检测系统物理架构物理架构各部分组成及功能如下。（1）升弓压力检测模块由 2 个面阵相机和背光板组成。受电弓经过检测区域时，面阵相机采集接触网与受电弓接触部分变形和抬升的背光图像信息，并将图像传输到分布式工控机，为计算接触网压力提供数据。（2）碳滑板磨耗检测模块由 2 个检测单元组成。每个检测单元由 1 组双目相机和 1 个高速结构光闪光灯组成。每组双目相机包括 2 个面阵相机。2 个检测单元分别安装在受电弓升弓位置的上方和下方，用来采集受电弓碳滑板上部和底部图像。高受电弓状态呈现逻辑受电弓品质报告生成逻辑呈现逻辑层基础数据处理智能数据处理数据处理层模型控制逻辑模型控制逻辑层双目视觉相机接口逻辑车号识别装置接口逻辑接口逻辑层升弓压力检测控制逻辑车号识别装置控制逻辑碳滑板磨耗检测控制逻辑羊角形态检测控制逻辑基础控制逻辑层图 1受电弓动态检测系统逻辑结构32基于双目视觉技术的机车出入库受电弓动态检测系统研究检验与认证速结构光闪光灯为双目相机拍摄图像提供特征信息，双目相机将图像处理为深度图，为计算碳滑板剩余厚度算法提供数据。双目相机和高速结构光闪光灯如图 3 所示。（a）双目相机（b）高速结构光闪光灯图 3双目相机和高速结构光闪光灯高速结构光闪光灯主要由氙气灯、凸透镜、菲涅尔透镜、随机散斑遮光片和成像镜头组成。高速结构光闪光灯内部结构如图 4 所示。后菲涅尔透镜前菲涅尔透镜随机散斑遮光片成像镜头凸透镜氙气灯图 4高速结构光闪光灯内部结构（3）羊角形态检测模块由 2 个检测单元组成。每个检测单元由 1 个面阵相机和 1 个闪光灯组成。2 个检测单元分别安装在检测区域两侧，在受电弓通过检测区域时，抓拍受电弓羊角图像。（4）分布式工控机是完成数据整合、运算和分发的核心硬件，用于接受各模块的图像信息。通过检测算法软件，得到车号信息、碳滑板剩余厚度、升弓压力和羊角形态信息并保存。受电弓动态检测系统收到进车触发信号后，机车识别装置和双目相机进入工作状态。当机车通过时，工控机将控制信息通过网线传输到车号识别装置、碳滑板磨耗检测模块、升弓压力检测模块和羊角形态检测模块。车号识别装置采集车号图像数据，各检测模块采集相应的图像信息。采集到的数据，通过网线传输到工控机存储和处理。工控机和显示器采用 D 型数据接口连接器连接。工控机将处理的机车信息（车号）和机车受电弓状态通过显示器显示，供检修人员查看。（5）车号识别装置用于拍摄机车车号图像信息，识别图像，输出被检测机车车号。3检测模块工作原理3.1碳滑板磨耗检测模块3.1.1双目相机成像原理双目视觉技术是计算机视觉的一种重要形式。它基于视差原理，利用成像设备，从不同的位置获取被测物体的 2 幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，获取物体三维几何信息。碳滑板磨耗检测模块利用双目视觉技术，通过高速结构光闪光灯和双目相机组成的检测单元，完成碳滑板检测。（1）高速结构光闪光灯在被拍摄物体上的成像由很多排布无规则的小点组成，保证被拍摄物体成像区域每个位置的点排布方式均不同，为双目相机拍摄物体提供纹理信息；高速结构光闪光灯具有高亮度和高频率，配合双目相机，可以得到快速、清晰、亮度合适、特征丰富的移动受电弓图像信息。高速结构光闪光灯的随机散斑遮光片材质为石英玻璃镀铬膜，透光率在 95%以上。随机散斑遮光片上的随机散斑由算法自动生成，由于每 2 个斑点的间距随机生成，可以保证每部分的斑点分布均不相同。斑点通过激光，被刻到石英玻璃镀铬膜上。氙气灯照度 40 万 lux，为随机散斑图案照明，使双目相机能拍摄到高速运动物体的高质量纹理图像，形成被测物体高精度点云数据。随机散斑遮光片上的随机散斑如图 5 所示。33铁道技术监督第 51 卷第 7 期图 5随机散斑遮光片上的随机散斑（2）每个双目相机中的 2 个面阵相机分别用于拍摄被检测物体上部和底部。通过内部的双目立体成像算法，将每个面阵相机拍摄的图像合成为 1 幅深度图像。双目相机成像流程如下：对双目相机标定；根据标定结果矫正原始图像，使双目相机得到的 2 张图像位于同一平面，并且互相平行；对校正后的 2 张图像立体匹配；根据匹配结果，计算每个像素的深度，得到深度图。双目相机拍摄的图像如图 6 所示。3.1.2布置方式碳滑板磨耗检测模块布置方式（沿轨道方向正视）如图 7 所示。双目相机 1双目相机 2主动结构光闪光灯 2主动结构光闪光灯 1碳滑板图 7碳滑板磨耗检测模块布置方式（沿轨道方向正视）当机车通过时，同时触发上下双目相机拍摄。双目相机拍摄时，配套使用主动结构光闪光灯。闪光灯瞬时功率高达 150 W，曝光亮度近似盛夏午后直射光照的四分之一，在大多数极端天气、更高车速下，均可完成碳滑板高清图像的采集。闪光灯内附直径为微米级的点云片，点斑数量达到 30 万个，极大地提高了测量准确度。3.1.3图像处理双目相机拍摄的深度图经工控机处理后，得到碳滑板三维点云数据。将三维点云数据和数据库中已有理想模型比对，搭配深度学习优化算法，可以提高模型对比精度，精确分析碳滑板状态，并分类记录。碳滑板三维点云图像如图 8 所示。图 8 中，灰色点云数据由上双目检测单元采集，红色点云数据由下双目检测单元采集。上下 2 组点云数据合成整个受电弓上部、下部模型。通过模型数据得到整个碳滑板在长度方向任意位置的厚度信息，使系统能更全面、准确地得到碳滑板异常磨耗信息。切割出的受电弓碳滑板厚度 3D 点云图如图 9 所示。3.2升弓压力检测模块升弓压力检测模块布置方式（俯视）如图 10所示。（a）受电弓原始图（b）受电弓深度图图 6双目相机拍摄的图像34基于双目视觉技术的机车出入库受电弓动态检测系统研究检验与认证面阵相机 1面阵相机 2背光板图 10升弓压力检测模块布置方式（俯视）升弓压力检测模块中，采用 2 个面阵相机作为压力检测相机，配合背光板，提取接触网轮廓和位置关系。同时，采集到的所有数据以一定的格式归集到分布式工控机。分布式工控机依据这些数据，计算受电弓升弓压力，完成对升弓压力的非接触式检测。非接触式检测受电弓升弓压力的原理基于胡克定律，即接触网在受到来自受电弓的压力后，发生弹性形变，形变量和升弓压力成正比。升弓压力检测装置采集过弓时的接触网图像与接触网初始图像，然后由分布式工控机上的数据处理模块归集处理。根据接触网竖直方向的位移量，计算得出受电弓升弓压力。由于测量时不与接触网接触，因此这种检测方法在任何天气环境下均有极高的安全性和可靠性。但是，在实际环境中，接触网位置会受到其他因素的影响。例如，气温、接触网材料一致性、接触悬挂部分安装工艺一致性、不同气候条件下接触网表面附着物的重力、接触网通电状态下因周围环境和电磁力引发的形变，以及不同纬度地区的重力加速度等。因此，工控机上的智能数据处理逻辑在运行中持续不断地收集可能影响接触网初始位置、过弓时接触网变形因素，以及静态升弓压力的数值，并通过深度学习逻辑的学习结果，持续自动调整升弓压力算法相关参数，优化升弓压力运算结果。在南昌机务段中，依靠深度学习，通过线性拟合得到升弓压力计算公式，为F=-0.326h0+4.628h1-110.56。（1）式（1）中：F 为升弓压力，N；h0为初始接触网位置，m；h1为过弓时接触网变形量，mm。3.3羊角形态检测模块羊角形态检测模块布置方式（俯视）如图 11所示。面阵相机及闪光灯 2#面阵相机及闪光灯 1#触发开关图 11羊角形态检测模块布置方式（俯视）羊角形态检测模块采用 2 个高分辨率面阵相机，采集车顶受电弓羊角图像。检修人员通过采集图 8碳滑板三维点云图像（a）正视图碳滑板剩余厚度图 9切割出的受电弓碳滑板厚度 3D 点云图（b）侧视图35铁道技术监督第 51 卷第 7 期的图像，判断受电弓羊角形态。分布式工控机中的检测算法软件接收到采集的羊角形态图像后，与正常的羊角形态图像对比，筛选出羊角异常的受电弓，并作出提示，提醒检测人员注意并及时维护。4现场试验受电弓动态检测系统安装在入库线路上的检测棚内，6 组相机在高度方向上分 3 层布置。（1）上层为 1 组碳滑板磨耗检测双目相机，用于采集碳滑板上表面图像。（2）中层为 2 组升弓压力检测面阵相机和 2组受电弓羊角形态检测面阵相机。（3）底层为 1 组碳滑板磨耗检测双目相机，用于采集碳滑板下表面图像。受电弓动态检测系统布置如图 12 所示。车号识别装置进车方向受电弓羊角形态检测面阵相机背光板升弓压力检测面阵相机碳滑板磨耗检测双目相机升弓压力检测面阵相机受电弓羊角形态检测面阵相机高速结构光闪光灯（a）平面布置碳滑板磨耗检测双目相机升弓压力检测面阵相机羊角形态检测面阵相机羊角形态检测面阵相机碳滑板磨耗检测双目相机（b）现场布置图 12受电弓动态检测系统布置机车进入检测棚内后，首先经过车号识别装置，完成车号识别。然后进入检测区域，沿机车进车方向，依次采集受电弓羊角形态、碳滑板、接触网轮廓和位置图像。在南昌机务段，采用如下方式开展对比试验：不同型号的机车以 15 km/h 的速度经过检测区域，由 2 位检测人员和动态检测系统，分别检测 18 辆机车总计 36 只受电弓。2 种检测方法均检测出 11只相同的受电弓需更换。人工检测和动态检测系统检测数据见表 1。表 1人工检测和动态检测系统检测数据检测方法人工检测动态检测系统准备阶段54331耗时/min检测阶段52613结束阶段35611准确率/%100100在准确率相同的情况下，动态检测系统检测效率约是人工检测效率的 25.9 倍。动态检测系统可以有效提高受电弓检测效率，显著提高检测过程的安全性。5结语受电弓动态检测系统，运用双目视觉技术，可以准确检测受电弓碳滑板磨耗、升弓压力和羊角形态。可以替代传统的人工检测，实现受电弓检测的无人化、智能化、高精度化。参考文献1 江思阳基于计算机视觉的城市轨道交通弓网磨耗病害检测技术研究D 北京：北京交通大学，20202 赵磊受电弓及车顶动态检测系统应用分析J 铁道机车车辆，2020，40（1）：94-973 王克受电弓及车顶状态动态检测系统的研究应用J 铁道机车与动车，2019（7）：46-48，74 陈双基于图像处理的受电弓故障检测算法研究 D 南京：南京理工大学，20175 张艳辉 立体双目视觉原理及其在手势识别中的应用研究D 北京：北京化工大学，20166 唐春蓬基于超声波的受电弓滑板磨耗测量实验装置研究D 成都：西南交通大学，2007.7 罗鹏，王泽勇，高晓蓉，等电力机车入库受电弓滑板磨耗检测J 光电工程，2004（S1）：88-908 香坂秀一，安孝廉受电弓自动监视装置的研制J 变流技术与电力牵引，2000（3）：36-38（编辑牛建利）