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论文12

西安科技大学

毕业设计（论文）任务书

站名

姓名

杨利龙

专业

年级

设计（或论文）题目：

接触网动态检测系统设计与应用

2011年11月20日

完成日期：

1、具体要求：

电气化铁路因其运输能力强、运营成本低、能源消耗少和环境污染小等优点，受到世界各国的普遍重视，成为了当今铁路的发展方向。

而接触网作为电气化铁路的重要组成部分，其状态的优劣直接影响到电气化铁路的运行安全，因此通过检测接触网状态，及时发现整治存在的问题，对于电气化铁路的安全运行举足轻重。

同时，为了不断积累设计、施工和维护经验，提高检修效率，节约运行成本，使得持续提高接触网检测技术水平成为了电气化铁路迅猛发展的必然需求和重要保障。

　　二十世纪末期，接触网的接触式检测技术已日趋成熟，在国内外得到了广泛应用。

但由于技术复杂、成本较高且存在一定安全隐患等原因，极大地制约了这种检测技术的普及推广和检测精度的进一步提高。

非接触式检测技术是将检测设备安装于车项，完全与高压设备脱离接触，使得技术和设备相对简单，安全性能大大提高，成本大幅下降。

2、学生应完成的任务

本文针对目前国内基于图像处理的非接触式检测系统的图像预处理和目标识别计算，在高速检测情况下存在的主要问题进行研究，并运用自适应阀值法和自适应控制技术对其进行了改进。

主要是对摄像机采集的图像进行多阀值段划分，采用自适应阀值和两次二值化处理方法进行图像预处理，然后运用跟踪识别技术将干扰目标排除，最终得到有效目标的几何参数，目标识别质量和技术参数获取效率明显提高。

另外，该系统还优化了车项检测设备的设置，针对阀值段优化划分、多目标识别、照明光源开闭控制、断点接续等问题，提出了改进思路。

3、参考文献

[1]陈唐龙．高速铁路接触网检测若干关键技术研究．西南交通大学博士研究生学位论文，2006

[2]冯金柱．2003年68个国家和地区电气化里程及电气化率．世界轨道交通，2004（6）

[33于万聚．高速电气化铁路接触网．成都：

西南交通大学出版社，2002

[4]于万聚．接触网设计及检测原理．北京：

中国铁道出版社，1993

[5]中华人民共和国铁道部．中长期铁路网规划，2004．1

[6]吴积钦，董昭德等。

铁道部客运专线接触网培训教材．成都：

西南交通大学出版社，2007

[7]张道俊，张韬．接触网运营检修和管理．北京：

中国铁道出版社，2006

[8]张韬．接触网状态修工作的思考．铁道机车车辆，2004

（2）

[9]朱德胜．德国接触网动态检测技术．电气化铁道，2004（3）

[lO]李大为．德国接触网动态接触压力检测及其缺陷判别技术浅析．铁道标准设计，2005（8）

[11]陈唐龙．接触网检测车振动补偿研究．西南交通大学学报，1999（2

[12]于正平，张弘，吴鸿标，昌月朝．高速电气化铁路接触网一受电弓统的研究．中国铁道科学，1999．20

（1）

[13]蔡学敬陈唐龙牛大鹏．基于OnuriS线阵列CCD摄像技术的高速电化铁路接触网动态检测系统．轨道交通，2007（5）

指导教师：

年月日

审批人：

年月日

指导老师：

职称：

年月日

继续教育学院盖章

西安科技大学继续教育学院

毕业设计（论文）评审意见书

评审意见：

评审人：

职称：

年月日

评审成绩：

毕业设计评审小组签字

西安科技大学

毕业设计（论文）说明书

题目

函授站

专业及班级

姓名

指导教师

日期

继续教育学院

诚信承诺

一、本论文是本人独立完成；

二、本论文没有任何抄袭行为；

三、若有不实，一经查出，请答辩委员会取消本人答辩资格。

　　　　　　　　　　　　　　　承诺人（钢笔填写）：

年　　月　　日

摘要

　　电气化铁路因其运输能力强、运营成本低、能源消耗少和环境污染小等优点，受到世界各国的普遍重视，成为了当今铁路的发展方向。

而接触网作为电气化铁路的重要组成部分，其状态的优劣直接影响到电气化铁路的运行安全，因此通过检测接触网状态，及时发现整治存在的问题，对于电气化铁路的安全运行举足轻重。

同时，为了不断积累设计、施工和维护经验，提高检修效率，节约运行成本，使得持续提高接触网检测技术水平成为了电气化铁路迅猛发展的必然需求和重要保障。

　　二十世纪末期，接触网的接触式检测技术已日趋成熟，在国内外得到了广泛应用。

但由于技术复杂、成本较高且存在一定安全隐患等原因，极大地制约了这种检测技术的普及推广和检测精度的进一步提高。

非接触式检测技术是将检测设备安装于车项，完全与高压设备脱离接触，使得技术和设备相对简单，安全性能大大提高，成本大幅下降。

本文针对目前国内基于图像处理的非接触式检测系统的图像预处理和目标识别计算，在高速检测情况下存在的主要问题进行研究，并运用自适应阀值法和自适应控制技术对其进行了改进。

主要是对摄像机采集的图像进行多阀值段划分，采用自适应阀值和两次二值化处理方法进行图像预处理，然后运用跟踪识别技术将干扰目标排除，最终得到有效目标的几何参数，目标识别质量和技术参数获取效率明显提高。

另外，该系统还优化了车项检测设备的设置，针对阀值段优化划分、多目标识别、照明光源开闭控制、断点接续等问题，提出了改进思路。

　　关键词：

接触网；非接触式检测；图像处理；自适应算法

Abstract

Electrifiedrailwaytransportcapacitybecauseofitsstrong,lowoperatingcosts,energyconsumptionandenvironmentalpollutionfeweradvantages,suchasbythegeneralemphasisoncountriesintheworldhasbecometoday'srailwaydevelopment.Thecatenaryelectrificationoftherailwayasanimportantcomponentofthemeritsofitsstatedirectlyaffectsthesafeoperationofelectricrailways,sobydetectingthecatenarystate,thetimelydetectionofcrimeproblems,forthesafeoperationofelectricrailwaysvital.Atthesametime,inordertocontinuetoaccumulatethedesign,constructionandmaintenanceexperience,improvemaintenanceefficiencyandsaveoperatingcosts,makingcontinuedtoimprovethelevelofdetectionofcatenaryelectrifiedrailwayhasbecometheinevitabledemandforrapiddevelopmentandanimportantguarantee.

Theendofthetwentiethcentury,catenarycontact-typedetectiontechniqueshavebecomemoremature,widelyusedathomeandabroad.However,duetotechnicalcomplexity,highcostandthereisacertainsecurityrisksandotherfactors,hasgreatlyrestrictedthespreadofthisdetectiontechnologyanddetectionaccuracyfurtherimproved.Non-contactdetectiontechnologyistodetectitemsofequipmentinstalledinthecar,completewithhigh-pressureequipment,disengagement,enablingtechnologyandequipmentisrelativelysimple,greatlyimprovedsafetyperformance,thecosthasdroppedsignificantly.

Inthispaper,thecurrentdomestic-basedimageprocessing,non-contactdetectionsystemofimagepre-processingandobjectrecognitionterms,inthecaseofhigh-speeddetectionofthemainproblemstostudyanduseadaptivethresholdingmethodanditsadaptivecontroltechniqueswereimprovement.Mainlyformulti-cameraimageacquisitionthresholddividedintoparagraphs,usingadaptivebinarizationthresholdandthetwotreatmentmethodsforimagepreprocessing,andthentheuseoftrackingtechnologywillinterferewithtargetidentificationtoexcludetheultimategoalofaneffectivegeometricparameters,targetidentification,qualityandtechnicalparametersfortheefficiencyhasimprovedsignificantly.Inaddition,thesystemalsooptimizedthecaritemsoftestequipmentsettingsforoptimalclassificationthresholdsegment,multi-targetrecognition,illuminationopeningandclosingcontrol,breakpointcontinuationproblems,suggestionsforimprovementideas.

Keywords:

Catenary;non-contactdetection;imageprocessing;adaptivealgorithm

第1章绪论

1.1引言

1879年5月31日，在德国柏林举办的世界博览会上，德国西门子公司和哈尔斯克公司展出了世界上第一条电气化铁路。

随着科学技术发展、铁路运量增长和对能源利用率的重视，电气化铁路运输能力强、运营成本低、能源消耗少、环境污染小的优点受到了世界各国的青睐。

一些工业发达国家大规模的电气化铁路建设，使它从工矿线路和一些大城市的近郊线路，迅速发展到城市之间和繁忙的铁路干线。

二十世纪七十年代末，欧洲各国、日本以及前苏联的铁路主要干线均已实现了电气化。

截止2003年底，世界电气化铁路已达到26．4万公里，约占世界铁路总营业里程（约121万公里）的21.8％。

　　我国第一条电气化铁路宝成线宝鸡至凤州段始建于1958年6月，于1961年8月15日建成，由此揭开了我国电气化铁路建设的序幕。

虽然起步较晚，但经过50年的飞速发展，己跻身于世界电气化铁路大国行列。

2006年9月，我国电气化铁路总里程突破2.4万公里，成为继俄罗斯之后世界第二大电气化铁路国家，铁路电气化率达到27％，初步形成了布局合理、标准统一的电气化铁路运营网络。

预计到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，电气化率达到50％。

届时，我国的电气化铁路不论里程长度和技术装备，还是所承担的客货运输量都将跨入世界先进行列。

　　接触网检测是运用技术手段对接触网参数进行在线检测，根据接触网设备可测得的和外部可辨认的特征对其工作状况进行评价。

在高速铁路的建设和发展上，电气化铁路以其显著的优点被许多国家作为大力研究和重点发展的目标，使得接触网设备检测特别是动态检测变得越来越重要。

主要体现在以下几个方面。

（1）高速电气化铁路的建设和发展需要不断地积累经验，通过不同条件、各种项目的检测结果分析，验证预期效果，找出设备运行规律，为今后设计、施工、维修持续改进提供依据。

（2）接触网作为电气化铁路的大动脉，其质量优劣与电力机车运行安全直接相关。

由于接触网设备露天布置且无备用，工作环境恶劣，如不加强设备检测，及时发现整治设备隐患，就会危及行车安全，严重干扰运输秩序。

　　（3）以接触网设备运行状态作为依据的状态检修是一种先进、科学、经济的检修体制。

它是通过合理安排检测周期，及时获得设备状态；通过对检测结果的分析判断，制定检修计划和检修方案；通过增强检修的针对性，节省检修时间和检修成本，提高人员利用率；再通过检测来检验检修质量，获得设备新的状态。

其中的检测环节在状态检修实施过程中举足轻重，直接关系到状态检修的成效。

　　（4）在动态情况下，通过模拟受电弓运行环境检测接触网技术参数是最贴近实际运行情况的检测手段。

它能够发现静态检测无法发现的设备问题，提高对设备运行规律的认知程度，积累管理经验。

　　（5）接触网设备动态检测效率很高，人工检测十公里设备需要几个小时，而动态检测几个小时就能够检测数百甚至上千公里，检测结果可通过计算机进行辅助处理，减轻了劳动强度，工作效率明显提高。

1.2国内外接触网动态检测系统研究现状

为了适应电气化铁路发展需要，优选接触网和受电弓的结构形式及检查接触网的施工、维修质量，以电力牵引为主的德国、法国、日本、前苏联等国家都无一例外地在发展电气化铁路的同时，大力研究接触网动态检测技术。

　　接触网检测按照检测设备（传感器）是否接触（近）接触网设备可分为接触式检测和非接触式检测。

接触网检测的内容主要有偏移（接触线偏离受电弓中心的位置）、高度（接触线至轨面的距离）、硬点（对受电弓产生冲击）和离线（弓网机械脱离）。

由于检测方式不同，检测内容各有侧重。

1.2.1接触式动态检测系统

目前世界上，采用接触式检测方式进行接触网检测的国家有很多。

德国、日本、法国和瑞士等国家都研制开发了各具特色的检测系统，重点测试弓网动力学参数。

其中最具代表性的是德国接触网检测装置。

德国研制的接触网检测装置如图所示。

它是通过在受电弓上安装压力传感器和加速度传感器，测试弓网接触压力、冲击加速度（硬点）和离线等动力学参数，并由受电弓上弓网接触压力的分布情况计算出拉出值，由受电弓框架转轴的角位移计算出接触线高度。

我国目前主流的接触网动态检测装置也属于这种方式，是以日本技术为基础，后借鉴德国技术发展起来的。

1962年，铁道部科学研究院装备了第一辆接触网检测车，当时仅能检测导线高度和弓网间的大离线。

1980年研制出满足80km/h运营的接触网检测装置，实现了离线、偏移、高度等主要项目的检测。

1998年12月，西南交通大学电气工程学院研制成功接触网检测车（如图所示），基本满足160km/h准高速铁路接触网检测的需要。

车顶配置一台受电弓，受电弓滑板卜安装有检测接触压力、加速度、拉出值等多种传感器。

后来，取消了受电弓上的拉出值传感器，根据受电弓上弓网接触压力的分布情况计算拉出值，实现了检测技术的重大突破。

a）德国接触网检测姨置b）国产JJC一1型接触网检测装置

图1—1典型接触式接触网榆测装置

图1—1典型接触式接触网榆测装置接触式检测系统实时性好，能够同时测试接触线几何参数和弓网接触的动力学参数：

测试得到的弓网接触压力动态曲线，能够详细刻画弓网接触运行的动态过程，较好地反映接触线的受流特性。

但也存在一些问题，如由于放大器存在温度漂移，高压端微弱传感信号放大后受温度影响加剧，动力学测试参数误差较大：

由于传感器安装在受电弓上，增大了滑板的附加质量，系统安全性降低，同刊．弓网接触滑动的离线增多，电磁干扰严重，检测精度受到较大影响；系统结构复杂，维护保养困难，需要高低压隔离设备，成本较高。

1.2.2非接触式动态检测系统

目前世界上，开展非接触式检测研究实践的主要有德国、意大利、日本、奥地利和韩国等国家，重点测试接触网几何参数。

其中最具代表性的是德国基于图像处理的接触网检测装置。

　　德国BB公司于1982年开始进行接触网非接触式检测装置的研制，主要采用伺服跟踪和图像处理技术。

在车顶线阵布置了4个CCD（ChargedCoupledDevice）摄像机和3个聚光灯，通过伺服跟踪移动，使接触线在CCD摄像机中成像，然后通过实时图像处理，计算出接触线高度和拉出值。

1996年改进后，实现了全天候检测。

2000年，采用高分辨率摄像机实现了接触线磨耗测量。

该检测装置如图1-2所示。

图1-2德围非接触接触网检测装置

目前，我国基于图像处理的检测系统主要是在德国技术基础上发展起来的。

由车顶安装的两台线阵CCD高速摄像机将接触网的动态图像拍摄下来，经过图像采集设备转换为数字信号，然后通过二值化、模式识别等图像处理手段，分析计算接触线的空间位置，最终得到接触线的高度和拉出值。

非接触式检测系统无需在受电弓上安装传感器，系统安全性好；检测装置置于车顶，安装调试方便且远离电磁干扰，检测精度较高：

有无受电弓均可检测，结构简洁、成本较低，除电力机车外，还能够安装在内燃机车和各种轨道检修作业车辆上开展设备检测工作，普及应用前景广阔。

但因为目标识别准确度和技术参数获取效率还不能很好适应高速检测，故目前尚未普及推广。

第2章接触网非接触式检测原理

2.1系统结构

基于图像处理技术的接触网非接触式检测系统是建立在包括模糊图像识别和图像处理等视觉技术基础上的检测系统，主要包括线阵CCD摄像机、照明光源和终端计算机处理三个子系统。

检测内容涵盖了接触网的基本几何参数。

系统配有功能强大的软件包，可对检测数据按照不同要求进行分析处理，自动生成分析报告，为设备检修工作提供可靠详实的技术数据。

2.1.1线阵COD摄像机

线阵CCD摄像机主要是对接触线进行线扫描成像和简单的信号处理，并将处理结果通过USB高速接口发送到终端计算机处理系统。

1．COD图像传感器

CCD又称光电耦合器，是一种以电荷为信号载体的微型图像传感器。

自1970年在贝尔实验室诞生以来，随着半导体微电子技术迅速发展，像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显著增加，很好地满足了对高速运动物体的拍摄。

因其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等诸多优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。

　　线阵CCD图像传感器如图2-1所示，是由线性排列的光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成，具有光电转换、电荷存储、电荷转移、信号读出功能。

通过感受照射在它上面的光的强弱与色彩，将一幅空间分布的光学图像变换成按时间顺序分布的视频电压信号。

其工作过程如下：

（1）光电转换当目标图像经过光学物镜成像在CCD传感器光敏面上时，光敏元把入射光量子按比例转换成光生电荷。

这个时期称为光积分期，也称为曝光期。

（2）电荷存储在光积分期同时，光敏元下面的势阱收集和存储这些光生电荷并形成电荷包，将被摄景物图像亮度分布转变为光敏区下的电荷分布。

（3）电荷转移在光积分结束后，打开转移栅，通过转移脉冲将势阱中的电荷包转移到相应的移位寄存器中去。

（4）信号输出在移位脉冲的作用下，移位寄存器中的电荷包被依次移出，进入相应放大电路。

每个光生电荷被依次转变成相应信号，再经合成电路得到视频信号。

输出信号可接示波器、图像显示器或其它信号存储处理设备，进行信号再现或存储处理。

a）CCD芯片b）内部结构示意图

图2-1线阵CCD芯片及其结构示意图

2．线阵摄像机

线阵传感器摄像机与其它类型传感器摄像机相比，具有较高分辨率和很好的实时输出特性。

高速线阵传感器摄像机扫描一次，可立即将扫描结果进行一次视频输出，很容易做连续处理，非常适合对被测图像信息进行快速采样、存储及数据处理。

又由于线阵CCD测量精度和扫描频率很高，对于高速运动物体也能得到高分辨率的图像，所以在高速电气化铁路接触网动态检测中备受青睐。

本次所研究系统中采用的是德国FEITH公司生产的线阵摄像机Onuris--SLIS／2048（如图2-2）。

其最大行扫描率达20kHz．图像采集达14699帧／秒，具有很高的扫描和采集频率。

两台摄像机分散倾斜安装于车项两侧，相对于车顶中心线对称布置，摄象机主光轴所在平面与车顶平面夹角为60。

a）外观图b）内部结构

图2—2Onuris线阵CCD高速摄像机

2．1．2照明光源

本次所研究系统的照明光源由两台功率500W聚光灯组成。

两台聚光灯位于两摄像机中间，相对车项中心线对称布置。

在机车进入隧道、夜晚以及背景亮度较低的情况下，为摄像机工作提供照明光源。

光源产生的光柱覆盖车顶两台摄像机视觉重叠部分构成的光幕靶，且在光幕靶的范围内照度均衡。

光源的照度由光源控制卡控制，根据背景光的强度，自动调整光源的强度，便于系统适应复杂环境。

2．1．3终端处理系统

终端计算机处理系统由一台计算机和相关处理软件组成。

软件设计采用SQLServer数据库操作系统以及Visualc+6．0做为应用程序的开发工具。

其作用是：

（1）配置摄像机属性，满足系统对摄像机图像拍摄速度、曝光时间、图像信息传递同步机制的要求。

（2）以多媒体技术与模糊图像处理技术为基础，接收前端两台线扫描摄像机发送过来的扫描图像，用图像预处理软件来区分背景和目标，通过计算软件获得接触线的高度和拉出值。

（3）实时监视

并记录检测的整个过程，实现检测结果的回放、检索、生成报告和打印。

另外，终端处理系统还具备摄像机控制故障分析、通信以及光源控制等功能。

软件系统模块组成如图2-3所示。

图2-3软件系统模块组成

2..2目标识别

对采集图像进行目标识别的基本前提是对图像进行分割预处理。

根据灰度特征把图像划分成若干个互不相交的区域，使得这些特征在同一区域内，表现出一致性或相似性，而在不同区域间表现出明显的不同，进而在一帧图像中，将目标从背景中分离出来，以便于进一步处理。

在具体应用中，分割是对图像进一步分析、识别的前提，分割的准确性将直接影响到后续任务的有效性。

　　阀值法是一种传统的图像分割方法，是图像分割中最基本、最简单，同时也是应用最广泛的分割技术。

它具有实现简单、计算量小、性能较稳定等