發(fā)布時間：2022-03-21所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：接觸網(wǎng)和受電弓是電氣化鐵路供電系統(tǒng)中的重要組成部分，其中弓網(wǎng)之間的動態(tài)接觸又是保證電力機(jī)車良好受流的關(guān)鍵條件，所以尋求良好的弓網(wǎng)關(guān)系是鐵路供電系統(tǒng)設(shè)計的一個重點。考慮到目前弓網(wǎng)接觸力大多采用接觸式檢測手段，對于非接觸檢測的研究方法較少，因此提
摘 要：接觸網(wǎng)和受電弓是電氣化鐵路供電系統(tǒng)中的重要組成部分，其中弓網(wǎng)之間的動態(tài)接觸又是保證電力機(jī)車良好受流的關(guān)鍵條件，所以尋求良好的弓網(wǎng)關(guān)系是鐵路供電系統(tǒng)設(shè)計的一個重點。考慮到目前弓網(wǎng)接觸力大多采用接觸式檢測手段，對于非接觸檢測的研究方法較少，因此提出了一種基于圖像處理算法檢測弓網(wǎng)接觸力的新方法。簡化受電弓弓頭結(jié)構(gòu)，分析了弓網(wǎng)接觸力與弓頭位移之間的關(guān)系，建立弓網(wǎng)接觸力計算模型;并在弓網(wǎng)混合模擬試驗臺進(jìn)行地面驗證實驗：首先，利用圖像處理模塊對采集到的圖像進(jìn)行標(biāo)記點的目標(biāo)跟蹤與特征提取;然后，通過數(shù)據(jù)處理模塊對得到的位移信息進(jìn)一步分析得到弓頭加速度等信息，修正得到加速度信號;最后，對經(jīng)過慣性力和阻尼力修正后的接觸力結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：通過圖像處理檢測得到的弓頭位移最大測量誤差僅為 1.3mm，精度較高;同時檢測得到的弓網(wǎng)動態(tài)接觸力的最大值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的最大相對誤差僅為 5.46%、5.15%和 4.58%，測量誤差較小。結(jié)果證實此方法檢測弓網(wǎng)接觸力是可行的，且檢測精度滿足要求。
關(guān)鍵詞：受電弓;接觸網(wǎng);接觸力;圖像處理;機(jī)器視覺;模板匹配
保障良好的弓網(wǎng)關(guān)系是確保弓網(wǎng)系統(tǒng)安全的最主要的工作，其基礎(chǔ)的工作就是要對弓網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行實時、高效、準(zhǔn)確的檢測。而作為直接反映弓網(wǎng)系統(tǒng)受流質(zhì)量的弓網(wǎng)間的動態(tài)接觸力[1]，又是檢測中的重中之重。為了合理的評估弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)和受流性能，需要實時對弓網(wǎng)間接觸力進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測。
傳統(tǒng)的接觸壓力檢測主要通過安裝在弓頭滑板和支架間的力傳感器和加速度傳感器完成的[2]。以弓頭相關(guān)力平衡方程為基礎(chǔ)，通過力傳感器測得的相互作用力和加速度得到的慣性力，最終得到修正后的弓網(wǎng)接觸力[3,4,5]。這種檢測方式提升了檢測效率，但是用傳感器檢測的缺點在于檢測設(shè)備單一，針對不同的故障需要安裝不同的檢測設(shè)備，而且安裝在受電弓上的傳感器也會影響受電弓的動態(tài)特性。
近年也有許多學(xué)者在傳統(tǒng)傳感器檢測的基礎(chǔ)上提出采用光纖測試的方法，例如文獻(xiàn)[6,7]通過在弓頭滑板安裝光纖應(yīng)變片傳感器，基于應(yīng)變響應(yīng)與弓頭載荷之間的映射關(guān)系測量弓網(wǎng)接觸力。此種檢測方式的缺點在于需要改變受電弓的弓頭結(jié)構(gòu)，而且在弓頭上加裝應(yīng)變片的檢測方式不適應(yīng)車輛的長期狀態(tài)跟蹤;也有如國外學(xué)者M(jìn)AICZ D等人通過將傳統(tǒng)力傳感器替換為光纖式力傳感器測量接觸力[8]。此種檢測方式優(yōu)點在于可以有效克服電磁干擾等問題，但是局限性較大，只能針對某一種特定受電弓，通用性差。
隨著計算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，非接觸式弓網(wǎng)檢測技術(shù)快速發(fā)展。國外學(xué)者Ebru Karakose 等人通過邊緣檢測和直線檢測等方法提取弓網(wǎng)接觸點位置，從而得到車輛的拉出值信息，可以進(jìn)行列車狀態(tài)檢測和故障預(yù)警[9];文獻(xiàn)[10,11]中采用CCDP 變換方法分析滑板圖像特征，通過曲波變換檢測出滑板裂紋;Kyung‑Min Na等人通過對弓網(wǎng)圖像進(jìn)行模板匹配和霍夫變換檢測用來判斷受電弓與頂部接觸線之間的接觸狀態(tài)[12]。上述傳統(tǒng)的圖像檢測方法主要集中在邊緣檢測和直線檢測，但對于弓網(wǎng)復(fù)雜的組件及故障信息并不能有效的識別。針對復(fù)雜情況的檢測，Hyungchul Kim等人通過R-CNN提取滑板的ROI，基于最小二乘法和激光線檢測滑板的磨損尺寸[13];Aydin, I等人基于圖像處理和模式識別的方法將獲得的特征提供給D-Markov的狀態(tài)機(jī)，可以識別受電弓滑板的過熱和電弧等故障[14];Shen Yuan 等人利用KCF跟蹤結(jié)合梯度直方圖方法定位框架，使用改進(jìn)的RefineDet網(wǎng)絡(luò)檢測弓角和火花，通過圖像特征重建受電弓主體的三維軌跡[15]。
就現(xiàn)有的弓網(wǎng)接觸力檢測方法而言，傳統(tǒng)檢測方法需要改變受電弓結(jié)構(gòu)或傳感器安裝不方便，而對于非接觸式的接觸力檢測方法研究較少。因此，本文提出一種基于圖像處理技術(shù)的弓網(wǎng)動態(tài)接觸力檢測方法，可以避免改變受電弓結(jié)構(gòu)，不影響其動力學(xué)性能，且能實現(xiàn)長期跟蹤服役，檢測精度較高，為高速鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行提供了技術(shù)保障。
1 接觸力檢測原理
1.1 測試原理
為了減少研究變量，方便測量，本文以受電弓滑板及弓頭支架組成的弓頭結(jié)構(gòu)為研究對象，由于試驗加載的振動頻率較低，所以將弓頭結(jié)構(gòu)視為剛體。利用圖像處理技術(shù)識別標(biāo)記點的坐標(biāo)位置信息，獲取弓頭的振動位移，即弓頭彈簧的變形量。進(jìn)一步通過數(shù)據(jù)處理方法得到弓頭的振動加速度，基于弓頭受力平衡方程從而得到弓網(wǎng)間的動態(tài)接觸力。
圖1展示了受電弓的分析模型。其上受力包括接觸力Fc、弓頭滑板和框架間的內(nèi)力Fb、氣動力Fa、阻尼力Fξ和慣性力Fi。因此，弓頭力平衡方程如下：
2 受電弓激勵實驗
2.1 實驗簡介
為了驗證通過圖像處理技術(shù)檢測弓網(wǎng)接觸力方法的可行性和測量精度，本文基于某國家重點實驗室的弓網(wǎng)混合模擬試驗臺進(jìn)行了多組動態(tài)及靜態(tài)受電弓激勵實驗，具體實驗布置見圖2。其中動態(tài)加載實驗時的工況為：激振頻率為2.4Hz，所采用的受電弓為 favelai 單滑板受電弓;在受電弓縱向方向位置，距滑板2030mm處安裝一臺CCD高速工業(yè)相機(jī) (像素：1920×1080，采樣頻率：140fps)用于圖像采集;在受電弓下方左右位置分別安裝了補(bǔ)光燈用于提高采集圖片的質(zhì)量，便于后續(xù)分析。在滑板和受電弓框架的兩側(cè)(支撐彈簧上下)相對于滑板中心對稱位置分別設(shè)置了標(biāo)記點用于圖像識別，標(biāo)記點形狀見圖3。
另外，本試驗分別在弓頭滑板和支撐彈簧上安裝了高精度的力傳感器、拉線位移傳感器和加速度傳感器，將數(shù)采設(shè)備的采集頻率與CCD相機(jī)采集圖片的幀率調(diào)成一致，這樣通過數(shù)采得到的接觸力就可用來作為圖像處理結(jié)果的驗證。
2.2 關(guān)鍵參數(shù)標(biāo)定
采用實驗法對1.2中的等效質(zhì)量m和等效剛度k進(jìn)行標(biāo)定。測量等效質(zhì)量時將框架部分固定，只留出弓頭部分，在弓頭上方采用液壓缸靜態(tài)加載，靜態(tài)實驗加載工況見表1，依次在弓頭上加載力為0、 9.8N、19.6N、29.4N、39.2N、49N，再反向加載回去形成閉環(huán)，記錄下每次加載之后位移傳感器的數(shù)值，繪制成F-X圖像(如圖4a)進(jìn)行直線擬合得到等效剛度k。
測量等效質(zhì)量時采用自由衰減法[16]，將受電弓框架部分固定，在弓頭中心位置施加一個初始位移，讓其自由衰減振動，通過位移傳感器測得振動位移隨時間衰減的變化圖像(圖4b)，由圖像得到系統(tǒng)的振動周期T，帶入式(6)中求出等效質(zhì)量m。
3 圖像檢測接觸力方法
利用圖像處理技術(shù)測量弓網(wǎng)接觸力方法與傳統(tǒng)方法不同之處在于通過算法自動對標(biāo)記點進(jìn)行像素級的跟蹤與定位，獲取標(biāo)記點的振動位移;進(jìn)而通過標(biāo)記點的位移變化確定弓頭的位移、弓頭振動速度和弓頭振動加速度。由于標(biāo)記點在弓頭彈簧的上下位置，所以可根據(jù)每個標(biāo)記點的位移變化得到弓頭彈簧的形變量，然后得到彈簧內(nèi)力;由弓頭振動加速度與弓頭振動速度得到弓頭慣性力和阻尼力;最后基于弓頭力平衡方程得到接觸力。
本文基于計算機(jī)視覺的位移檢測系統(tǒng)的流程框圖如圖5所示。(1)首先調(diào)試相機(jī)參數(shù)，定義像素坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系，然后利用設(shè)定好的相機(jī)捕捉受電弓振動圖像，對采集得到的受電弓數(shù)據(jù)集進(jìn)行灰度處理和中值濾波的預(yù)處理，可以降低由于光線和噪聲的干擾;(2)由檢測的第一幀圖像作為樣本圖像提取標(biāo)記點的匹配模板，之后根據(jù)受電弓振動圖像粗定位，自動截取出標(biāo)記點振動區(qū)域子圖;(3)再通過模板匹配(Template matching)算法計算模板與子圖間的最大匹配誤差，尋找互相關(guān)性最大的區(qū)域即標(biāo)記點位置;(4)導(dǎo)出每張圖中標(biāo)記點的位置，將圖像中的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)位置即可得到弓頭的相對位移變化曲線。
3.1 系統(tǒng)組成
基于計算機(jī)視覺的位移檢測系統(tǒng)組成如圖6所示。其中主要包括高精度、高分辨率的工業(yè)高速相機(jī)、LED補(bǔ)光燈、弓頭標(biāo)記點和數(shù)據(jù)接收計算機(jī)。首先，通過相機(jī)獲取弓頭標(biāo)記點的圖像數(shù)據(jù);然后將圖像經(jīng)網(wǎng)線傳輸?shù)杰嚿系臄?shù)據(jù)接收計算機(jī)進(jìn)行儲存或由后臺軟件進(jìn)行實時處理。
3.2 相機(jī)標(biāo)定
由于在本次實驗中標(biāo)記點的相對位移測量僅限于垂向方向的位移測量，所以可以簡化相機(jī)標(biāo)定方法，使用尺度因子相機(jī)標(biāo)定法[17]。
3.3 目標(biāo)跟蹤與特征提取
考慮到不同光線強(qiáng)度對圖像灰度值的影響以及標(biāo)記點形狀對特征提取的影響，本文基于模板匹配算法(Template matching)進(jìn)行標(biāo)記點定位。即用預(yù)先分離出的模板與原圖進(jìn)行比較，以快速確定出標(biāo)記點在原圖中的位置并提取該區(qū)域。
4 試驗結(jié)果及分析
4.1 位移測量結(jié)果
在上述的地面試驗驗證過程中，圖像識別的位移結(jié)果與直接用拉線位移傳感器(線性精度： 0.05%FS，采樣頻率：140Hz )測得的位移結(jié)果對比如圖 9 所示，圖像識別位移時間見表 2。
通過比較兩者位移的識別結(jié)果，可以看出通過圖像處理技術(shù)獲得的標(biāo)記點位移結(jié)果與拉線位移傳感器獲得的位移結(jié)果誤差較小，其中最大誤差僅為 1.3mm。基本還原了弓頭在振動時的運動狀態(tài)，可以滿足后續(xù)計算弓頭加速度和接觸力的要求。而且經(jīng)前期圖像粗定位后計算速度提升了近 29 倍，每 0.00939 秒檢測一張照片，大大提升了檢測的實時性。
4.2 加速度修正
由于在圖像的采集和處理過程中，得到的弓頭位置信息并不是連續(xù)的，而是通過不同的采樣頻率得到近似于連續(xù)的離散點。針對如此不適定問題，由離散的位移計算弓頭加速度時用到了數(shù)值微分解法。針對數(shù)值微分過程中出現(xiàn)的誤差放大問題，本文通過進(jìn)行多個頻率下的不同濾波策略的對比，如對第一次微分結(jié)果進(jìn)行濾波(帶通 0.05~0.13，陡度 0.95，阻帶衰減 60dB)，然后對濾波的結(jié)果再進(jìn)行二次微分或者直接對二次微分的結(jié)果進(jìn)行濾波(低通 0.09，陡度 0.95，阻帶衰減 60dB)，濾波后的結(jié)果與加速度傳感器測得的結(jié)果對比見圖 10。可見，直接對二次微分后的加速度信號進(jìn)行濾波效果最好，得到的加速度信號最為準(zhǔn)確。
4.3 阻尼力修正
在受電弓動態(tài)加載實驗中，弓網(wǎng)間接觸壓力的測量會受到阻尼力的影響，為了使測量結(jié)果更加精確，對其進(jìn)行阻尼力修正。由 2.2 節(jié)中的式(8)計算阻尼力，阻尼力修正前后的對比數(shù)據(jù)見圖 11。由圖中可看出經(jīng)阻尼力修正后的接觸力與參考接觸力吻合度更高，更接近實際情況。
4.4 弓網(wǎng)動態(tài)接觸力驗證
將上述測試得到的弓頭相對位移和加速度信息，由弓頭力平衡方程計算得出弓網(wǎng)間的動態(tài)接觸力大小，將由本文提出的圖像處理技術(shù)檢測得到的接觸力與實際接觸力對比，如圖 12 所示。
本文來源于：《西南交通大學(xué)學(xué)報》(雙月刊)創(chuàng)刊于1954年，設(shè)有：理工類理論研究、應(yīng)用研究、實驗研究、學(xué)術(shù)討論等方面的學(xué)術(shù)論文以及科技信息報道等欄目。
根據(jù) GB/T 32592-2016[18]，分別在是否考慮慣性力和是否考慮阻尼力的情況下對圖像檢測的接觸力和實際接觸力做了比較，對比結(jié)果見表 3。
從表 3 可以看到，不考慮慣性力修正時，測量值與實際值的接觸力差別較大，其中最大值、標(biāo)準(zhǔn)差的相對誤差達(dá)到了 15.58%、52.84%，誤差已經(jīng)不容忽視，所以測量接觸壓力時必須考慮慣性力的影響。不考慮阻尼力修正時，從數(shù)據(jù)來看對于弓網(wǎng)接觸壓力的影響相較于慣性力來說較小，最大值和標(biāo)準(zhǔn)差的相對誤差為 4.54%和 5.94%。
對于進(jìn)行了慣性力和阻尼力修正后的數(shù)據(jù)，由圖 12 可以看出通過圖像處理方法檢測出的接觸力與實際值的波形吻合度較好。其中針對圖 12 中局部出現(xiàn)的瞬態(tài)檢測誤差，最大誤差為 5N，由對比圖中看出利用圖像檢測出的接觸力會在局部出現(xiàn)高頻檢測誤差，其誤差是由于通過位移微分得到加速度的過程中產(chǎn)生的高頻信號。從表 3 統(tǒng)計值中可以看到，檢測的動態(tài)接觸壓力的標(biāo)準(zhǔn)差在 16.20 左右，與實際值的誤差僅為 4.58%，而且最大值和平均值的最大相對誤差僅為 5.46%和 5.15%，遠(yuǎn)小于檢測誤差所要求的 10%，由此說明通過非接觸式的圖像處理技術(shù)檢測弓網(wǎng)間接觸壓力的方法是有效的。
這里需要注意的是雖然表 3 中最小值的誤差較大，但是原因在于本次試驗為動態(tài)加載試驗，沒有考慮弓網(wǎng)間的預(yù)加載力，所以測量的最小值比較小，相對來說造成的相對誤差就較大，并不影響此方法 測量的準(zhǔn)確性。
5 結(jié) 論
提出了一種基于非接觸式的圖像處理技術(shù)對弓網(wǎng)間接觸壓力檢測的新方法，與傳統(tǒng)的檢測方法相比，該方法設(shè)備安裝簡單、具有實時性和非接觸性的特點，可以避免檢測時對受電弓弓頭進(jìn)行改造、保證其原始的動態(tài)性能;同時更加自動化、智能化，檢測靈活度高，準(zhǔn)確性高;并且行車干擾小，適用于長距離、長時間和環(huán)境條件惡劣下的連續(xù)跟蹤檢測。通過多組地面動態(tài)實驗，驗證了此方法的有效性和準(zhǔn)確性，在經(jīng)過慣性力和阻尼力的修正之后檢測精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足弓網(wǎng)接觸力的檢測精度，進(jìn)一步豐富了目前在非接觸式測量領(lǐng)域弓網(wǎng)接觸力檢測方法的研究，同時可以為弓網(wǎng)受流質(zhì)量的評估和實時故障監(jiān)測提供準(zhǔn)確的接觸力數(shù)據(jù)。
考慮到弓網(wǎng)在實際運行時復(fù)雜環(huán)境狀況和復(fù)雜背景的干擾，如何保證圖像處理算法在復(fù)雜背景條件下，如長時間曝光和異物遮擋標(biāo)記點時，如何準(zhǔn)確快速的識別弓頭位移，如何考慮受電弓滑板柔性變形和動剛度等因素的影響將是后續(xù)研究的重點。——論文作者:周寧 1 ，王俊東 1 ，劉躍平 1 ，楊軒 1 ，李艷 2 ，吳再新 3 ，張衛(wèi)華 1
參考文獻(xiàn):
[1] 劉志剛,宋洋,韓燁,等. 高速鐵路接觸網(wǎng)研究進(jìn)展[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報, 2016,51(03):495-518. LIU Zhigang, SONG Yang, HAN Ye, et al. Advances of research on high-speed railway catenary[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2016, 51(03): 495-518.
[2] 周寧,蔚超,譚夢穎,等. 弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)及受流性能測試技術(shù)研究及應(yīng)用[J]. 鐵道學(xué)報, 2020,42(03):47-54. ZHOU Ning, WEI Chao, TAN Mengying, et al. Investigation on and Application of Measurement Technology of Dynamic Performance and Current Collection of Pantograph-catenary System[J]. Journal of the China Railway Society, 2020, 42(03): 47-54.
[3] 張曉林,高曉蓉,王黎,等. 弓網(wǎng)接觸力檢測方法介紹[J]. 鐵道技術(shù)監(jiān)督, 2010,38(08):11-13+16. ZHANG Xiaolin, GAO Xiaorong, WANG Li, et al. Introduction on the Detection of Pantograph Catenary Contact Force[J]. Railway Quality Control, 2010, 38(08): 11-13+16.
[4] 劉芳,王黎,高曉蓉,等. 受電弓與接觸網(wǎng)間的接觸壓力檢測研究 [J]. 電力機(jī)車與城軌車輛 , 2006(06): 19-21+54. LIU Fang, WANG Li, GAO Xiaorong, et al. Study of Measuring the Contact Force Between Pantograph and Catenary[J]. Electric Locomotives & Mass Transit Vehicles, 2006(06): 19-21+54.
[5] 王亞春,徐超,楊才智. 弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力測量方法研究[J]. 鐵道技術(shù)監(jiān)督, 2014,42(12):41-43. WANG Yachun, XU Chao, YANG Caizhi. Research on the Measurement Method of Pantograph-Catenary Dynamic Contant Force[J]. Railway Quality Control, 2014, 42(12): 41-43.
[6] 譚夢穎,鄒棟,李瑞平,等. 基于應(yīng)變響應(yīng)測量弓網(wǎng)接觸力的新方法 [J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報 , 2017,52(06): 1208-1215. TAN Mengying, ZOU Dong, LI Ruiping, et al. New Contact Force Measuring Method for Overhead Catenary Systems Based on Strain[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2017, 52(06): 1208-1215.
[7] SCHRÖDER K, ECKE W, KAUTZ M, et al. An Approach to Continuous On-site Monitoring of Contact Forces in Current Collectors by a Fiber Optic Sensing System[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2013, 51(2): 172-179.
[8] WAGNER R, MAICZ D, VIEL W, et al. A Fibre Optic Sensor Instrumented Pantograph As Part of a Continuous Structural Health Monitoring System for Railway Overhead Lines[C]//EWSHM-7th European Workshop on Structural Health Monitoring. France: HAL CCSD, 2014.
[9] KARAKOSE E, GENCOGLU M T, KARAKOSE M, et al. A New Experimental Approach Using Image Processing Based Tracking for an Efficient Fault Diagnosis in Pantograph-Catenary Systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2016: 1-1.
