跨座式单轨受电弓拉弧检测方法

摘要

一种跨座式单轨受电弓拉弧检测方法，其包括以下步骤：步骤(1)：形状匹配，步骤(2)：确定感兴趣区域，步骤(3)：二值化处理，步骤(4)：面积转换，计算所有的感兴趣区域的实际面积；步骤(5)：实时判断报警，本发明跨座式单轨受电弓检测方法通过对图像进行形状匹配，找出找感兴趣区域，确定完感兴趣区域后，将图像进行二值化处理，再对感兴趣区域进行面积换算，得出拉弧区域的面积，最后再判断得出的面积值是否为安全值并计算单次拉弧时间，把拉弧面积和单次拉弧时长数据通过3G/4G网络上传至后端数据库进行线路运行状态的分析。本发明整个监控过程自动化水平高，及时了解故障详情，为检修人员进行故障的预防和处理提供宝贵的现场数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测方法，具体涉及一种跨座式单轨受电弓拉弧检测方法。

背景技术

列车的高速运动中，采用受电弓的弓头与接触线的接触，通过滑动的弓头 获得电能。输送给电力机车的动态过程，是高速运动的受电弓与接触线之间的 配合振动问题，包括了多种机械运动型式和电气状态变化，如受电弓相对于接 触导线的滑动摩擦、受电弓上下振动、受电弓由于机车横向摆动而形成的横向 振动、接触网上下振动并形成行波沿导线向前传播；当受电弓和接触导线之间 发生的水平和垂直方向撞击时，弓网离线发生带紫外光波段的电弧,受流中电流 发生剧烈变化，随着列车速度的提高,上述各种运动加剧，维持弓网之间的良好 接触性能愈加困难，受流质量也随之下降，严重时，受电弓脱离接触线的瞬间 会出现拉弧现象，灼热的电弧会烧伤接触线和受电弓滑板，严重影响使用寿命， 而且，存在安全隐患，影响行车安全。

然而，对于上述的拉弧现象，目前列车上缺乏一套能够监控单轨车弓网关 系的动态监测系统。弓网在实际的运行过程的配合完全没有监测，只能等到车 回库内进行常规的受电弓表面情况检测和人工在低速的检测车进行沿线检测， 弓网在实际的运行过程中如果不加以监控和故障的统计，将无法了解故障发生 的具体过程，也无法整条线路的情况进行定量的分析其运营情况，无法掌握线 路的情况，就不能预防故障的发生。单轨车弓网动态监测系统能很好捕捉拉弧 故障信息和统计故障信息，为检修人员及时处理和预防故障提供宝贵的数据。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中的不足，提供一种实时监控的跨座式单轨 受电弓拉弧检测方法。

本发明是通过以下方式实现的：一种跨座式单轨受电弓拉弧检测方法，其 特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)：形状匹配，提供一工业相机实时进行拍照，获取受电弓与接触 线滑动摩擦时的图像信息，工业相机将拍摄的图像数据反馈到系统控制器，系 统控制器以工业相机所获取的图像为区配对象S，将匹配的图像S分成N等分 的若干区域，并用(i，j)表示，i、j代表不同区域的坐标，系统控制器采用一 模板T与图像S作形状匹配，计算两个图像的向量误差：

$E(i,j)=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{M}{\Sigma }}|S^{\mathrm{ij}}(m,n)-T(m,n)|$

其中，S(M,N)、T(M,N)分别为像素点转换成空间向量后的表示；

步骤(2)：确定感兴趣区域，将步骤(2)中的E(i,j)值与误值阀值E₀作比 较，当E(i,j)>E₀时就停止该点的计算，返回步骤(1)继续下一点的计算，其中， E_.0的取值为：

$E_0=e_0*\frac{a+1}{2}*\frac{b+1}{2}$

上式中，e₀的取值为40～50，a、b分别为模板T的长和宽，对于E(i,j)<E₀的 区域，系统控制器将其定义为感兴趣区域，即拉弧区域，对于E(i,j)>E₀的区域 定义为非感兴趣区域；

步骤(3)：二值化处理，将图像S的感兴趣区域和非感兴趣区域进行二值 化处理，形成灰度值为0或255的分布图效果，得到二值化图像；

步骤(4)：面积转换，计算所有的感兴趣区域的实际面积；

步骤(5)：实时判断报警，将步骤(5)中得出的感兴趣区域的面积Q与系 统的设定值相比较，当Q值小于设定值时，则认定为安全；当Q值大于设定值 时，系统刚认定存在隐患，进行报警。

进一步地，在步骤(1)中，匹配时，在图像S上隔行隔列取数据，取1/4 的图像S数据，进行隔行隔列匹配。

进一步地，在步骤(3)前，还需对图像进行二次匹配，当步骤(2)筛选 出的不同的感兴趣区域后，系统控制器将感兴趣区域的邻域重复步骤1～2重新 与模板T进行区配。

进一步地，在步骤(4)中，已知图像S的长宽分别分L和W，整个图像S 的像素为R1*R2，所有感兴趣区域的像素为H1*H2，整个图像S上总的感兴趣 区域的面积为：

$Q=\frac{L*H1}{R1}*\frac{W*H2}{R2}$

进一步地，步骤(1)中采用的工业相机为紫外相机。

{综上所述，本发明跨座式单轨受电弓检测方法通过对图像进行形状匹配， 找出找感兴趣区域，确定完感兴趣区域后，将图像进行二值化处理，再对感兴 趣区域进行面积换算，得出拉弧区域的面积，最后再判断得出的面积值是否为 安全值。整个监控过程，自动化水平高，无需人工参与，节省人工，实用性强， 而且可以对列车进行实时监控，对拉弧强度和拉弧时长进行综合分析可以得到 线路的弓网配合情况，为检修提供宝贵的数据，及时了解故障，预防故障的发 生，保证行车安全，对乘客的生命财产提供保障。

附图说明

图1为本发明跨座式单轨受电弓检测方法的流程图。

图2为本发明的受电弓与弓网(接触线)配合时的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进行 进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。

一种跨座式单轨受电弓检测方法，用于检测列车在行车过程中的产生的拉 弧是否超出安全范围，对列车的行车安全进行监控，跨座式单轨受电弓拉弧检 测方法包括如下步骤：

步骤(1)：形状匹配，提供一工业相机30实时进行拍照，获取受电弓20 与弓网10接触线滑动摩擦时的图像信息，工业相机30将拍摄的图像数据反馈 到系统控制器，系统控制器以工业相机30所获取的图像为区配对象S，将匹配 的图像S分成N等分的若干区域，并用(i，j)表示，i、j代表不同区域的坐标。 同时，系统控制器采用一模板T与图像S作形状匹配，计算两个图像的向量误 差：

$E(i,j)=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{M}{\Sigma }}|S^{\mathrm{ij}}(m,n)-T(m,n)|$

其中，S(M,N)、T(M,N)分别为像素点转换成空间向量后的表示；

较佳地，匹配时，在图像S上隔行隔列取数据，取1/4的图像S数据，进行 隔行隔列匹配，即i＝1+2X，j＝1+2Y。由于数据量大幅减少，匹配速度显著提高， 减轻机器负荷；另外，由于电弧发出的光谱带有紫外光波段，为了消除环境光 的影响，本步骤中采用的工业相机30为紫外相机，紫外相机配备紫外镜头和紫 外滤光片可以将环境光滤除掉，只有330nm以下的紫外光能在相机成像，避免 环境光的影响，提高系统的稳定性；

更优地，受电弓10的一侧还设有定位模板40，由于受电弓支架相对于相机 位置有位移，为保证更好的取像效果，所以需要定位模板40对其位置进行实施 定位，定位到定位模块40，根据定位模块40与拉弧区域的几何关系，实时定位。 使用实时跟踪定位方法，消除列车行进过程的震动、转弯等影响，保证检测区 域的正确性。

步骤(2)：确定感兴趣区域，将步骤(2)中的E(i,j)值与误值阀值E₀作比 较，当E(i,j)>E₀时就停止该点的计算，返回步骤(1)继续下一点的计算。其中， E_.0的取值为：

$E_0=e_0*\frac{a+1}{2}*\frac{b+1}{2}$

上式中，e₀为各点平均的最大误差，一般取40～50即可，a、b分别为模板 T的长和宽，本实施例中，e₀的取值为50，对于E(i,j)<E₀的区域，系统控制器 将其定义为感兴趣区域，即拉弧区域，对于E(i,j)>E₀的区域定义为非感兴趣区 域。

另外，相机以200帧的速度进行采集图像，可以捕捉到大于5ms的连续拉 弧，并且计算单次拉弧时间与某区段的拉弧时间总长，结合受电弓电流传感器 检测到的电流可以计算出燃弧率，燃弧率可作为考量弓网系统性能的重要指标。

步骤(3)：二次匹配，由于在步骤(1)中，在图像S上隔行隔列进行匹配， 因此，图像S的部分区域并没有参与匹配，当步骤(2)筛选出的不同的感兴趣 区域后，系统控制器将感兴趣区域的邻域重复步骤1～2重新与模板T进行区配， 例如，在步骤(2)时，得到其中一个拉弧区域的坐标为(K，H)，在步骤(4)， 将坐标值为(K+1，H+1)、(K-1，H-1)、(K，H±1)、(K±1，H)的邻域与模 板T作匹配，完善总的感兴趣区域。

步骤(4)：二值化处理，将图像S的感兴趣区域和非感兴趣区域进行二值 化处理，形成灰度值为0或255的分布图效果，得到二值化图像。

步骤(5)：面积转换，计算所有的感兴趣区域的实际面积，已知图像S的 长宽分别分L和W，整个图像S的像素为R1*R2，所有的感兴趣区域的像素为 H1*H2，那么整个图像S上总的感兴趣区域的面积为：

$Q=\frac{L*H1}{R1}*\frac{W*H2}{R2}$

步骤(6)：实时判断报警，把拉弧面积和单次拉弧时长数据通过3G/4G网 络上传至后端数据库进行线路运行状态的分析，并将步骤(5)中得出的感兴趣 区域(即拉弧区域)的面积Q与系统的设定值相比较，当Q值小于设定值时， 则认定为安全；当Q值大于设定值时，系统刚认定存在隐患，进行报警，及时 通知工作人员。另外，当单次拉弧时长超过设定值时，同样采取报警处理。

综上所述，本发明跨座式单轨受电弓检测方法通过对图像进行形状匹配， 找出找感兴趣区域，确定完感兴趣区域后，将图像进行二值化处理，再对感兴 趣区域进行面积换算，得出拉弧区域的面积，最后再判断得出的面积值是否为 安全值。整个监控过程，自动化水平高，无需人工参与，节省人工，实用性强， 而且可以对列车进行实时监控，对拉弧强度和拉弧时长进行综合分析可以得到 线路的弓网配合情况，为检修提供宝贵的数据，及时了解故障，预防故障的发 生，保证行车安全，对乘客的生命财产提供保障。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。