基于图像处理的列车受电弓燃弧特性监测方法研究

摘要

随着我国电气化铁路里程的增加和列车运行速度的提高，稳定可靠的受流环境是保证列车安全运行的重要前提。在列车运行过程中，对弓网接触系统中多项参数进行监测尤为重要。本文基于OpenCV数字图像处理技术对弓网故障中常见的燃弧现象进行检测分析，对电气化铁路的发展具有重要意义。
　　燃弧发生的位置特殊，为接触导线和受电弓碳板的接触部位。根据受电弓碳板的横向特性及接触导线的直线特性自动识别出弓网接触部位即为燃弧发生区域。首先将视频图像分割为帧图像，对帧图像进行预处理，并结合边缘提取算法，Hough直线提取，数学形态学运算，Radon变换等数字图像处理技术提取出受电弓碳板所在位置。最小二乘拟合接触导线直线所在位置。根据受电弓和接触导线相交位置提取燃弧发生区域，减小图像处理运算量和降低图像干扰，加快图像处理速度。
　　在燃弧位置图像的基础上，对图像进行灰度化、滤波等预处理后，分别采用不同的二值化方法对燃弧图像进行二值化处理。通过比较分析，得到迭代的Otsu算法适用于燃弧检测系统。对视频图像进行分析，得出较长时间段燃弧强度与离线率、燃弧发生次数有关，短时间内燃弧强度与单次燃弧持续时间及燃弧像素比有关。
　　从相机自身误差、列车振动误差以及路灯干扰误差等多方向对燃弧检测系统可能存在的误差进行分析，并给出相应的处理措施和建议，通过误差补偿和算法优化等方法减小误差。
　　在Visual Studio2013开发平台基础上，运用OpenCV数字图像处理技术在MFC程序框架的基础上设计高速列车燃弧检测系统软件界面。通过读入视频图像，可实时显示处理结果，包括原始帧图像、燃弧发生位置图像、二值化后的图像、燃弧检测强度曲线以及相关的数值，并保存相关处理结果图像和数据供核查和验证。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的目的和意义

1．2 弓网系统常见故障

1．3 弓网燃弧产生的原因、特征及危害

1．3．1 弓网燃弧产生的原因

1．3．2 弓网燃弧的特征

1．3．3 弓网燃弧的危害

1．4 国内外燃弧检测的研究进展

1．5 弓网系统受流质量评价标准

1．6 本文研究的主要内容

第二章 检测系统的构架及原理

2．1 弓网结构关系

2．2 燃弧检测相机选择

2．3 弓网燃弧检测原理

2．3．1 紫外相机的安装

2．3．2 视频图像的采集

第三章 燃弧检测运用的数字图像原理

3．1 图像的预处理

3．1．1 图像的灰度化

3．1．2 图像的滤波

3．1．3 图像的二值化

3．2 图像的边缘检测

3．2．1 Canny算子边缘提取

3．2．2 图像的方向滤波

3．2．3 数学形态学运算

3．3 图像变换及分析

3．3．1 图像Hough直线提取

3．3．2 图像Radon变换

第四章 受电弓燃弧离线图像处理

4．1 视频源处理

4．2 现场图像燃弧位置提取

4．2．1 正常光照图像的燃弧位置提取

4．2．2 光照较弱时图像的燃弧位置提取

4．2．3 过度曝光时图像的燃弧位置提取

4．2．4 燃弧发生位置的批量提取

4．3 现场图像燃弧识别与强度分析

4．3．1 图像的中值滤波

4．3．2 灰度图像的二值化

4．3．3 图像的燃弧强度分析

4．4 本章小结

第五章 检测系统的软件实现

5．1 软件开发平台介绍

5．2 软件结构设计

5．2．1 视频读取及初始化模块

5．2．2 弓网接触位置提取模块

5．2．3 图像自动阈值二值化及燃弧判断模块

5．2．4 数据及结果保存模块

5．3 燃弧检测系统的软件界面实现

第六章 系统误差分析

6．1 视频采集相机带来的误差

6．1．1 摄像机选型误差

6．1．2 成像的几何失真

6．1．3 摄像机安装误差

6．1．4 相机帧率误差

6．2 列车振动带来的误差

6．3 路灯干扰带来的误差

6．4 本章小节

结论与展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士期间发表论文情况