深圳地铁接触网磨耗项目评估报告

接触网磨耗自动检测系统成果报告西南交通高校2014年7月名目1.立项背景 12.国内外现状 12.1概述 12.2国外相关产品与技术进呈现状 12.2.1德国磨耗测量 12.2.2日本磨耗测量 32.3国内相关产品与技术进呈现状 43.争辩内容 53.1接触线磨耗测量原理 63.2接触线磨耗测量系统构成 124.技术指标 144.1检测装置工作环境 144.2技术参数及说明 145.实施过程 155.1技术方案制定 155.2试验系统建立及测试 155.3磨耗产品生产 185.4安装调试 185.5装置改进及算法优化 196成果特性 236.1争辩意义 235.2先进性与创新性 245.3经济效益与社会效益 24接触网磨耗自动检测系统成果报告PAGE24/=numpages26-2241.立项背景接触线磨耗达到肯定的程度，将导致导线允许拉力和载流量下降，给铁路运输留下安全隐患，因此需要在接触网日常运营维护过程中，对接触线磨耗进行定期测量，以便于准时发觉磨耗特别点，实行措施，防止事故的发生。目前，国内对接触线磨耗的测量主要有两种方式，一种是利用停电作业时间，用游标卡尺或螺旋测微器人工手动测量接触线残存高度，另一种是接受接触网磨耗测量仪，由高精度的传感器测头采集磨耗后接触线残存高度，测头通过超高压绝缘杆接触各测点，由无线装置将数据无线传给地面手持掌上电脑。这两种方式的不足之处是只能对接触线进行点测量，测量速度慢，不行能完成对整条线路的接触线磨耗进行全面测量。随着国内电气化铁路运营里程的不断增加，需要在提高运营维护人员作业效率的状况下，保证安全运营。研制适合我国运用状况的接触线磨耗测量设备，实现对接触线磨耗进行快速高精确的测量，能填补国内技术空白，并具有宽敞的运用前景。2.国内外现状2.1概述目前对接触线磨耗的测量国内以接受人工手动测量为主，国外以接受车载自动测量为主。2.2国外相关产品与技术进呈现状2.2.1德国磨耗测量德国铁路接触网维护部门格外重视对接触线空间几何位置参数和接触线磨耗的测量，对接触线几何位置和磨耗测量的装置一般安装在检测车辆上，在车辆运行过程中进行快速连续的测量。下图所示为安装在车辆顶部的德国DB公司研制的接触线几何位置和磨耗测量部件。装置由3-4个高聚光度的聚光灯和4个高辨别率的线阵摄像机组成，可检测接触线的位置和厚度。接触线位置的利用三角学原理检测出，如下图所示。相机1和相机2为一组进行测量，相机3和相机4为一组，分别对应不同的接触线高度范围进行测量。对接触线磨耗测量利用线阵相机对接触线底面成像进行测量，通过接触线底面在线阵相机上的成像像素多少计算出接触线底面宽度，进而利用接触线外形计算出接触线残存高度值，如下图所示。这种测量方法对比明要求很高，要求在夜晚白天不同日照条件下能高清楚成像，另外通过接触线底面在线阵相机上的投影来计算底面宽度，当由于安装不当等缘由造成接触线扭曲形成偏磨时，会导致测量误差变大。2.2.2日本磨耗测量日本铁路对接触线磨耗的测量装置也是安装在检测车车辆上，如下图所示。测量接触线高度的摄像机安装在受电弓前方，在受电弓滑板上设置有特殊式样的标志（如下图所示），摄像机通过拍摄此标志的振幅，来计算受电弓（接触线）的高度。对接触线横向偏移（拉出值）和磨耗的测量通过线阵相机拍摄接触线在横向位置上的成像，可计算出接触线的横向位置，通过接触线底面在相机上的成像宽度，计算出接触线底面宽度，进而换算出接触线残存厚度。这种测量方式对接触线高度的测量只能测量与受电弓接触的工作支，对非工作支不能测量。对于接触线磨耗，由于接受线阵相机进行底面宽度测量，在偏磨的状况下测量精度会变差，而且车体振动也会对测量效果造成肯定的不良影响。2.3国内相关产品与技术进呈现状现阶段国内对接触线磨耗的测量主要以人工手动测量为主，测量工具一般接受游标卡尺（或螺旋测微器）以及专用的接触线磨耗测量仪。1）游标卡尺利用游标卡尺或者螺旋测微器进行接触线磨耗测量需要在接触网停电的时候进行，测量人员站在接触网作业提车或接触网作业车作业平台上，手持游标卡尺（或螺旋测微器）对接触线残存厚度进行测量。该测量方式需要在接触网停电的时候进行，且只能对接触线进行逐点测量，测量效率低下。2）接触线磨耗测量仪接触线磨耗测量仪是特地进行接触线磨耗测量的仪器。下图所示为绵阳铁人公司研制的TRMH型接触线磨耗测量仪。TRMH型接触线磨耗测量仪测量接触线厚度的测量头（如下图所示）安装在绝缘杆上，可利用行车间隙在不停电的状况下对接触线磨耗进行测量，测量数据通过无线传输至手持掌上电脑上。接触线接触线接触线接触线接触线接触线这种测量方式可以在接触网带电状况下进行接触线磨耗的测量，但仍旧只能对接触线进行点测量，测量效率不高，不能对长区段接触线磨耗进行连续测量，无法全面把握一个区段内接触线磨耗状况，只适应于对接触网重点或关键部位磨耗的测量。3.争辩内容接触网磨耗自动测量系统主要争辩内容包括接触线磨耗测量原理争辩和磨耗测量装置的研制。3.1接触线磨耗测量原理接触线直径一般仅为十多毫米，对接触线磨耗的自动测量需要具有格外高的测量精确度，本争辩利用机器视觉技术中用于对物体进行3D轮廓测量的光切法实现对接触线磨耗的高精度牢靠测量。1）光切测量法原理激光光切三维视觉测量是基于光学三角法测量原理的三维测量技术。如上图所示，光学投射器将肯定模式的结构光（均匀分布的线激光）投射于物体表面，在表面上形成由被测物表面外形所调制的光条三维图像。该三维图像通过处于另一个位置的摄像机探测，从而获得光条二维畸变图像（如下图所示）。光条的畸变程度取决于光学投射器与摄像机之间的相对位置及物体表面轮廓（高度）。直观上，沿光条显示出的位移与物体的表面高度成正比，扭结表示了平面的变化，不连续显示了表面的物理间隙。当光学投射器与摄像机之间的相对位置肯定时，通过高精度的标定算法，获得激光平面方程后，就可以简洁的获得光条上任一点在相机坐标系中的三维坐标。简洁的讲就是将二维图像看成是一张很大的二维表格，表格中的每个单元就是对应的三维坐标。移动被测物体或者光切测量系统，使激光线均匀的扫描被测物体表面，就可以得出被测物表面三维轮廓坐标，依据三维轮廓坐标，就可以绘出被测物体表面三维图。下图就是对一个硬币轮廓的扫描图。2）接触线几何位置的测量接触线几何位置的测量装置如下图所示，线激光器垂直向上投射到接触线上，高速工业数字相机与其成肯定的角度，拍摄激光线在接触线上的畸变图像。图像数据通过前兆以太网传输至检测计算机进行分析处理。下图所示为测量用数字相机拍摄出的激光线在接触线上的畸变图像，利用数字图像识别技术，可找出接触线底面光斑位置在图像中的坐标像素位置，横向坐标代表拉出值方向的偏移，纵向方向代表导高方向的偏移，通过肯定的标定算法，将像素坐标换算成实际空间位置坐标，从而计算出线激光所在断面位置处的接触线拉出值导高，双支接触线区段，分别计算出每支接触线位置，即可得出双支接触线水平间距和高度差。3）接触线磨耗的测量接触线磨耗的测量原理与几何参数测量相同，只不过需要加大激光线在接触线底面位置处的成像像素，提高对接触线下表面轮廓的测量精确度，然后依据接触线不同外形，通过计算，换算出接触线残存高度值。激光打在地铁刚性接触网汇流排上所成的畸变图像如下图上半部分所示，下半部分为依据激光光斑上各像素点像素坐标转换成实际空间坐标后所绘出的断面图形。磨损后的铜接触线成像如下图所示。通过对对接触线圆弧部分轮廓坐标进行曲线拟合分析，找出圆心位置，计算圆心至磨耗地平面的距离以及圆半径R，可换算出接触线残存高度h。4）系统标定方法在图像测量过程以及机器视觉应用中，为确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，必需建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数。在大多数条件下这些参数必需通过试验与计算才能得到，这个求解参数的过程就称之为相机标定（或摄像机标定）。光切系统标定主要由两个部分构成，相机内参数标定和激光与相机之间外参数标定。（1）相机内参数标定相机内参数标定主要是得到相机及镜头的焦距、图像中心位置、尺度因子、镜头畸变系数，这部分标定目前已有大量的成熟方法：如张正友标定算法、DLT标定算法。标定过程如下：I．打印一张标准标定模板并贴在一个平板上II．从不同角度拍摄若干张模板图像（大于5张）I．通过图像处理算法检测图像中的各个特征点IX．依据特征点在图像中的位置和其在实际空间中的相对位置关系，求出相机的内参数和外参数。X．求解相机的畸变系数，并对其他参数进行优化求解。（2）光切系统标定光切系统标定内容：线激光器平面与相机CCD平面之间的位置关系。标定原理：通过平面上的两条相交直线可以确定一个平面的方程的思路来进行激光器平面的标定。假设获得了位于激光平面上两条相交直线的空间方程，就可依据这两条直线确定激光平面的空间方程，如下图。算法如下：I.标定相机，获得相机的内部参数；II.将平面靶标置于相机视野内，并将激光打在靶标上，如上图；III.计算此位置靶标的旋转矩阵R及平移向量T，即获得了靶标平面在相机坐标系下的空间平面方程；IV.在图像上检测光条中心，并拟合直线，获得在图像坐标系下的2D直线方程；V.依据相机内部参数，得到由光心Oc和4)中直线组成的空间平面方程，即光条成像的投影平面；VI.由3)和4)中获得的两个平面，即可得到靶标上光条在相机坐标系下的空间直线方程，如上图中Line1；VII.将靶标如图6所示转过一个角度，重复步骤(3)~(6)，获得空间直线方程Line2；VIII.由Line1和Line2即可得到激光平面在相机坐标系下的方程；IX.获得激光平面方程后，依据内部参数矩阵，就可以简洁的获得光条上任一点在相机坐标系中的三维坐标。从而完成整个系统标定。3.2接触线磨耗测量系统构成接触网磨耗自动测量系统安装在接触网检测车上，在检测车运行过程中实现对接触网磨耗的自动快速连续测量，系统结构框图如下图所示。安装在检测车顶部的接触线磨耗光学测量装置输出激光线在接触线（回流排）上的畸变图像，经千兆以太网传输至检测计算机对图像进行分析计算，得出接触线磨耗检测结果数值，检测计算机通过检测车车载局域网接入接触网检测系统，猎取检测位置等检测结果信息，并可将磨耗检测结果与其它接触网参数检测结果一起保存，分析和处理。磨耗光学测量装置激光器接受加拿大产NL-810型红外线激光器，功率200nW，放射角度60°，波长810nm，相机镜头接受日本COMPUTAR工业镜头，镜头前加装810±10nm窄带滤光片，以保证成像不受阳光和灯光等光线的影响。在地铁接触网中，接触线一般存在±300mm的横向偏移，而为了实现更好的对接触线进行圆曲线拟合计算，需要在接触线上成像的像素尽可能的多，考虑到接触线的横向偏移变化，假如接受单个相机对接触线成像的话，需要相当大的相机辨别率才能满足要求，而相机辨别率过大则采样频率会格外低，因此在最初的方案设计中，接受如下图所示5个130万像素相机并列对不同横向偏移位置的接触线进行拍摄。上图所示方案在现场实际测试过程中，接触线横向偏移较大时，相机不能完成拍摄接触线成像图形，因此对方案进行了肯定的改进，接受200万像素高速工业单个相机和激光器组成光学测量组件，将测量组件安装在可移动线性滑台上，滑台由测量把握装置依据当前拉出值把握其移动行程，使磨耗测量组件始终位于接触线正下方，从而保证接触线磨耗测量精确性。为了保证测量的精确性，一个磨耗光学测量组件只能实现对较小高度变化范围内的接触线磨耗进行测量，而地铁接触网中，一般隧道内接触线高度为4040mm，车辆段接触线高度可达4500mm到5000mm，安装在接触网检测车上的磨耗测量组件可满足3900~4200mm隧道内接触线高度范围内磨耗的测量，对于车辆段等隧道外接触网磨耗的测量，可将磨耗测量装置安装在梯车或接触网固定作业平台等位置，实现对接触线磨耗的自动连续测量。4.技术指标4.1检测装置工作环境1）能在-2℃～45℃2）能在0～100km/h车速下正常工作；3）适用于各种材料的接触导线；4）能够在深圳地铁接触网电压波动范围内正常工作；5）能够在沿海地区的气候特点下使用；6）在强太阳光直射的环境下工作，会对检测精度造成影响。4.2技术参数及说明序号项目范围精度说明1接触线残存高度4~30mm≤0.5mm测量范围可依据不同线型进行设定2采样时间10ms3适用接触线高度范围3900mm~4200mm该范围可适用深圳地铁全部隧道内接触网1)关于采样时间的说明采样时间是指检测装置在运行的过程中，进行一次数据采集及运算所需的时间，当车速运行时间越高，每次检测间的间隔距离越大。序号检测速度(km/h)采样间隔(mm)备注11002782501393308341850592564.512.52)关于适用接触线高度的说明测量装置测量接触线高度范围变化越小，测量精度越高，考虑深圳地铁实际运行接触网基本上都在隧道内，为了保证测量精度，所以将测量范围定为3900~4200mm，既能满足对实际运行线路进行测量，又能保证必要的测量精度。车辆段内的接触网，数量较少，日常人工测量维护较便利，其接触网高度范围变化较大，要对其进行自动测量，需要再安装一套测量设备，但由于检测车车顶空间受限，没有安装位置，要对其进行测量的话，可考虑将检测设备安装在专用梯车上或固定作业平台上等其它位置。5.实施过程5.1技术方案制定2010年9月~2010年10月组织人员制定项目技术方案。接触网磨耗测量接受基于机器视觉技术的测量方法，利用光学三角法测量原理来实现。将高速工业数字相机和作为光源的激光器安装车顶，激光投射到接触线上，在接触线上产生导线轮廓，由相机捕获图像经空间作标转化生成导线数据结构模型，再经统计分析数据模型计算出磨耗。5.2试验系统建立及测试2010年11月~2011年2月织织人员对磨耗试验平台搭建。在试验室中使用一段刚性悬挂接触导线作为测试对象。激光器与相机搭建如下图所示。导线导线相机激光器人为对导线磨损，以模拟现场导线的磨损，通过试验数据与游标卡尺手工测量以验证系统精度及合理的选择算法。最终达到优化检测方案能满足指标要求。相机通过滤光片捕获图片如下图所示。使用图像处理技术提取导线特征，依据坐标定出的空间方向，位置参数，利用三角法测量原理计算图像中每个光点所对应空间坐标如下表所示。横坐标1纵坐标1横坐标2纵坐标2横坐标3纵坐标3横坐标4纵坐标472.98956136.326778.35947134.816483.67286140.14188.72067132.263273.15249136.253678.52473135.013383.83693140.139188.87312131.883173.31548136.20278.69072135.263484.00134140.154889.02479131.478873.47815136.08978.8565135.486884.16607140.187189.1779131.136173.64103136.027379.02263135.730684.33012140.183689.33009130.764373.80388135.963779.18809135.913384.49439140.191589.48216130.394673.96627135.825779.35442136.156984.65833140.182889.63345130.001574.12907135.76879.52008136.341984.82289140.205389.78397129.58774.29172135.687379.68655136.580884.98682140.196289.93527129.207374.45416135.580579.853136.810485.15066140.182590.08678128.841474.61682135.515680.01912137.00985.31448140.168690.23818128.477274.77922135.414980.18575137.237285.47726140.105590.38779128.054974.94153135.30880.35269137.480885.63773139.936290.53896127.694775.10406135.238980.51983137.729685.79761139.743490.689127.300275.26663135.17980.68647137.937885.95266139.333390.84007126.94775.42863135.048180.85397138.196886.10869138.97690.99394126.695775.59119134.995881.02128138.436286.26297138.54791.15149126.573575.75365134.933581.18779138.616786.41657138.096391.30785126.41375.91557134.809281.35561138.875786.57124137.701791.46747126.364276.07786134.736381.52345139.128686.72672137.349291.62669126.302876.24003134.652381.69164139.396386.88097136.950991.78385126.174276.40182134.530381.85863139.583487.03497136.549791.94323126.120476.56397134.452882.02615139.797687.18895136.154792.10215126.052376.72617134.384882.19338139.988687.34309135.773992.25909125.921276.88769134.249782.35872140.063587.4965135.369592.41799125.854877.04989134.189382.52374140.117987.65134135.031492.57693125.790577.21225134.147982.68806140.130387.80341134.586392.73364125.656577.37483134.129282.85306140.181187.95666134.197292.89265125.596877.5377134.138483.01633140.13488.10996133.816893.0515125.533177.70078134.166983.18175140.207288.26405133.47493.20771125.388377.86424134.228583.34484140.151188.41534133.027893.36645125.32378.02928134.429283.50984140.199588.56906132.683493.52599125.2834依据坐标数据建立导线的数据模型,通过拟合算法求出导线中心，数据统计计算出导线磨耗高度h，导线残存高度=导线直径-h，如下图所示。5.3磨耗产品生产2011年3月~2011年4月组织人员对产品硬件与软件设计生产。样机以试验主要器材为主。对系统进行防震，防水，散热等处理。保证在车辆运行过程中安全牢靠。单独设计系统供电箱，联接使用防水插座，以便利检修。软件设计以功能完全，高效运算，耦合性低，界面简洁，操作简洁，降低人为干涉为动身点。保证产品的健壮性。产品生产过程遵循严格质量体系运作，每个环节产品严格执行每道工艺流程并有专业检测人员对产品检验，并以报告方式记录在案。确保整个系统运行牢靠。5.4安装调试2011年5月组织人员安装调试接触线磨耗测量装置。安装调试人员遵守深圳地铁管理条例,全部人员都经过安全培训并取得证件才可施工。施工前请点,施工过程中都有安全监督人员伴随,每次施工后都对现场检查并清理。调试每个功能都经多次验证才于确认，珍惜每次现场机会,每次调试前做具体调试方案。合理利用时间,调试过程中按调试方案进行。对现场环境进行数据采集记录。调试结束后总结本次调试以报告方试记录在案,下图为现场磨耗装置。5.5装置改进及算法优化上述方案经过2012年在深圳地铁2号线正线多次调试后发觉：在拉出值较大区间（[-300mm,-200mm]和[200mm,300mm]）的检测精度不如拉出值较小区间（[-200mm,0mm]和[0mm,200mm]）。经认真对比不同的拉出值区间内的检测图像后发觉：当接触线处在图像边缘时(及接触线在拉出值较大区域内时),因镜头畸变及大角度投影成像（下图所示）,接触线在拉出值较大区间内的磨耗检测效果不是很抱负,其检测精度约为0.4mm-0.7mm，不满足本项目估计的检测精度。抱负成像（在拉出值零点及零点四周帮助激光线在刚性接触线上的完整成像）畸变成像（在拉出值较大区间帮助激光线在刚性接触线上的残缺成像）在2013年，通过改进原检测装置结构，使用AC伺服电机及螺杆传动式精密线性模组来（如下图所示）动态跟随接触线位置，保证在接触线拉出值范围内任意位置的检测成像都是接近抱负成像状态。密封螺杆式高精度线性模组日本PanasonicMINASAC沟通伺服电机(用于驱动线性模组运动)磨耗装置实物图（装置结构改进） 结构改进后的磨耗检测装置经过多次线路运行，能在检测过程中精确     跟踪接触线位置，实现对接触线磨耗精确     地测量。下表所示为在14年3月5日在深圳地铁蛇口西车辆段进行静态精度验证结果表，接触线实际磨耗为接受游标卡尺人工手动测量值。序号游标卡尺测量值程序拟合接触线半径程序输出磨耗值汇流排整体高度（含接触线）实际磨耗差值1.

118.617.0830.562119.1720.6-0.0382.

118.586.9570.486119.0660.5-0.0143.

118.587.080.047118.62700.0474.

118.587.0980.476119.05600.4765.

118.277.0620.854119.1240.20.6546.

118.427.0970.189118.6090.2-0.0117.

117.967.0551.489119.4491.5-0.0118.

117.967.0020.904118.8640.50.4049.

117.957.