一种基于图像处理判断接触升弓高度的受电弓控制方法与流程

本发明属于列车受电弓控制技术领域，具体地说涉及一种基于图像处理判断接触升弓高度的受电弓控制方法。

背景技术：

在电气化铁路系统中，接触网是主要的供电设备，受电弓是获取并传递电流的装置。接触网和受电弓组成的弓网关系是电气化列车安全高速运行的重要组成部分，起到非常关键的作用。

接触网因建设时期、地域等因素的影响，接触网高度不同，所述接触网高度为接触网导电线到轨面的高度。高速铁路和客运专线接触网高度一般设计为5300mm，普速一般是6000mm，最高不大于6500mm，设计规范里面要求站场、区间、隧道还有特殊情况介于5300-6500mm之间。受电弓滑板的上表面是受电弓升起时的最高面，也是与接触网导电线接触的面。受电弓升起时滑板与接触网接触的上表面距受电弓未升弓时滑板的上表面的距离称之为升弓高度。

在列车运行时，尤其是高速运行状态下，不同的升弓高度会对弓网关系产生影响。在不同的升弓高度下，具备主动控制功能的受电弓需要不同的控制参数来保证同接触网的匹配关系，保证受电弓具备良好的受流性能，而受电弓的受流性能同受电弓的接触力有直接的关系，因此，保证受电弓的受流性能需调节好受电弓的接触力。

技术实现要素：

发明人在长期实践中发现：目前判断接触网高度的技术主要包括接触式和非接触式，其中，接触式需要在受电弓上加装传感器，非接触式采用激光扫描仪方式、双目的陷阵相机方式、可见光ccd成像技术方式或基于红外图像处理方式，而受电弓获取不同接触网高度的技术主要为列车通过gps、车次信息等获取接触网高度信息后传递给受电弓控制系统，也就是说，目前的受电弓并不具备主动判断升弓高度的能力。

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种基于图像处理判断接触升弓高度的受电弓控制方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于图像处理判断接触升弓高度的受电弓控制方法，包括以下步骤：

s1：建立标准数据库，所述标准数据库用于表征升弓高度及所述升弓高度对应的标准受电弓模型图像；

s2：在列车运行过程中，采集受电弓图像并进行图像处理，得到实际受电弓模型图像，将实际受电弓模型图像与标准受电弓模型图像进行比对，得到实际升弓高度；

s3：根据升弓高度确定接触网类型并选择控制曲线，实时调节受电弓气囊内压力，以保证受电弓具有良好的接触力。

进一步，所述标准受电弓模型图像和实际受电弓模型图像均由摄像头采集，所述摄像头位于列车顶部，且摄像头位于受电弓正前方或侧方。

进一步，所述列车内部设有控制器，所述控制器内部设有依次通讯连接的图像采集模块、图像处理模块、电控模块和气动模块，所述图像采集模块与摄像头通讯连接，所述电控模块控制气动模块动作以调节受电弓气囊输出的压力值。

进一步，所述步骤s1中，标准数据库的建立方法包括以下步骤：

s11：在受电弓升弓高度范围内，当升弓高度为最小值时，摄像头采集受电弓图像，所述受电弓图像经控制器转化成与最小值对应的标准受电弓模型图像；

s12：升弓高度呈等差递增数列形式变化，分别采集受电弓图像并转化成与升弓高度对应的标准受电弓模型图像；

s13：控制器存储升弓高度及与升弓高度对应的标准受电弓模型图像形成标准数据库。

进一步，所述标准受电弓模型图像与实际受电弓模型图像的获得方法为：

摄像头采集受电弓图像并将图像信息传输至图像采集模块，所述图像采集模块将图像信息转化成数字信息，图像处理模块对数字信息进行分析处理，提取关键要素，形成标准受电弓模型图像或实际受电弓模型图像。

进一步，所述步骤s2中，图像处理模块形成的实际受电弓模型图像传输至电控模块，电控模块将实际受电弓模型图像与标准数据库内的标准受电弓模型图像进行比对，根据缩放比例，计算得到实际升弓高度。

进一步，所述步骤s3中，电控模块中预设接触网类型对应的升弓高度范围、接触网类型对应的多条控制曲线，电控模块根据实际升弓高度输出接触网类型，根据接触网类型和接触力-列车速度控制曲线，结合受电弓其他条件，所述条件包含但不限于受电弓在列车中的位置信息，选择对应的控制曲线，所述控制曲线为列车速度-气囊压力控制曲线，反之，当实际升弓高度超出接触网类型对应的升弓高度范围时，电控模块提示列车采取紧急措施，所述紧急措施包括但不限于发出紧急降弓指令。

进一步，列车上设置与电控模块通讯连接的速度传感器，用于实时检测列车速度并形成速度信号传输至电控模块，所述电控模块根据速度信号和接触力-列车速度控制曲线读取预设的接触力值，在预设的接触力值已知的条件下，电控模块根据列车速度-气囊压力控制曲线读取预设的气囊压力值，在同等条件下，通过改变受电弓的气囊压力值改变接触力值，所述同等条件包含但不限于相同的接触网类型、受电弓在列车中的位置信息、列车速度。

进一步，电控模块将预设的气囊压力值传输至气动模块，气动模块将受电弓气囊输出的压力值调节至预设的气囊压力值，以调节受电弓输出的接触力值。

进一步，所述图像采集模块用于实时监测受电弓滑板与接触网之间的火花状态并转化成火花率传输至电控模块，所述电控模块预设火花率超限值，当火花率大于火花率超限值时，电控模块提示列车采取紧急措施，所述紧急措施包括但不限于发出紧急降弓指令。

本发明的有益效果是：

基于图像识别处理判断受电弓升弓高度，受电弓根据升弓高度调节受电弓气囊的压力值，进而调节受电弓输出的接触力值，促使受电弓具备在不同工况下主动调节自身控制参数的能力，解决了列车在不同接触网高度运行下存在的受电弓接触力不稳定问题，保证受电弓在不同的速度等级下具备良好的受流性能，保证列车正常运营，极大的简化了列车在跨网运行时受电弓的状态调整过程，避免了过多的接口设置和列车整体设计，降低了成本，提高了效率，同时，只需对旧平台的列车经过简单的改造即可具备跨网运行的能力，经济效益高。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是接触力-列车速度控制曲线和列车速度-气囊压力控制曲线；

图3是实施例二中弓头轮廓对角线示意图；

图4是实施例三中受电弓上下臂角度示意图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1所示，一种基于图像处理判断接触升弓高度的受电弓控制方法，包括以下步骤：

首先，建立标准数据库，所述标准数据库用于表征升弓高度及所述升弓高度对应的标准受电弓模型图像，受电弓正前方或侧方设置摄像头，所述列车内部设有控制器，所述控制器内部设有依次通讯连接的图像采集模块、图像处理模块、电控模块和气动模块，所述图像采集模块与摄像头通讯连接，所述电控模块控制气动模块动作以调节受电弓气囊输出的压力值，具体的：

在受电弓升弓高度范围内，当升弓高度为最小值时，摄像头采集受电弓图像将图像信息传输至图像采集模块，所述图像采集模块将图像信息转化成数字信息，图像处理模块对数字信息进行分析处理，进行降噪、轮廓线条的提取，形成与最小值对应的标准受电弓模型图像，升弓高度呈等差递增数列形式变化，分别采集受电弓图像并转化成与升弓高度对应的标准受电弓模型图像，此处标准受电弓模型图像的形成过程不再赘述，控制器存储升弓高度及与升弓高度对应的标准受电弓模型图像形成标准数据库。

其次，在列车运行过程中，采集受电弓图像并进行图像处理，得到实际受电弓模型图像，此处实际受电弓模型图像的形成过程不再赘述，图像处理模块形成的实际受电弓模型图像传输至电控模块，电控模块将实际受电弓模型图像与标准数据库内的标准受电弓模型图像进行比对，根据缩放比例，计算得到实际升弓高度。

最后，电控模块中预设接触网类型对应的升弓高度范围、接触网类型对应的多条控制曲线，电控模块根据实际升弓高度输出接触网类型，根据接触网类型和接触力-列车速度控制曲线，结合受电弓其他条件，所述条件包含但不限于受电弓在列车中的位置信息，选择对应的控制曲线，所述控制曲线为列车速度-气囊压力控制曲线，反之，当实际升弓高度超出接触网类型对应的升弓高度范围时，电控模块提示列车采取紧急措施，所述紧急措施包括但不限于发出紧急降弓指令，如图2所示。

同时，列车上设置与电控模块通讯连接的速度传感器，用于实时检测列车速度并形成速度信号传输至电控模块，所述电控模块根据速度信号和接触力-列车速度控制曲线读取预设的接触力值，在预设的接触力值已知的条件下，电控模块根据列车速度-气囊压力控制曲线读取预设的气囊压力值，在同等条件下，为保证受电弓具备良好的受流性能，受电弓同接触网的接触力值随着列车速度的变化而变化，接触力值和列车速度符合函数关系f＝f1(v)，其中，f为接触力值，v为速度，f1表示函数关系，同时，函数关系可参考标准eu/ec2008/284/ce-2008中关于接触力的规定。也就是说，通过改变受电弓的气囊压力值改变接触力值，所述同等条件包含但不限于相同的接触网类型、受电弓在列车中的位置信息、列车速度。电控模块将预设的气囊压力值传输至气动模块，气动模块将受电弓气囊的压力值调节至预设的气囊压力值，进而调节受电弓输出的接触力值，以保证受电弓具有良好的接触力。

此外，所述图像采集模块还可用于实时监测受电弓滑板与接触网之间的火花状态并转化成火花率传输至电控模块，所述电控模块预设火花率超限值，当火花率大于火花率超限值时，电控模块提示列车采取紧急措施，所述紧急措施包括但不限于发出紧急降弓指令。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

摄像头安装在受电弓正前方，摄像头斜向上采集受电弓弓头的图像，受电弓升弓高度范围为500至2500mm。

受电弓从升弓高度500mm开始，每升弓200mm采集一次受电弓图像，图像处理模块将采集到的受电弓图像做降噪、二值化处理，提取弓头轮廓，并测量弓头轮廓对角线(即斜线ab)的长度，如图3所示，其中，对角线长度标记为yi，升弓高度标记为xi，将最终测量得到的yi和xi以矩阵[xi,yi](i＝1,2,3…10,11)的形式存入控制器形成标准数据库。

列车开始运行时，不断采集受电弓图像，处理得到对角线长度y，将数据y逐一与yi进行对比，具体为：如果y＜y1(500mm)，则数据无效，认为升弓高度不足或者，不作判断；如果yi≤y＜y(i+1)，则输出升弓高度xi；如果y＞y11(2500mm)，作异常报警处理，认为升弓高度过高。根据升弓高度xi，输出以下4种接触网类型信息(记为”type”)：如果i＝1、2或3，则输出接触网类型type＝0(转化后接触网高度5300mm)；如果i＝4、5或6，则输出接触网类型type＝1(转化后接触网高度5500mm)；如果i＝7或8，则输出接触网类型type＝2(转化后接触网高度6000mm)；如果i＝9、10或11，则输出接触网类型type＝3(转化后接触网高度6400mm)。根据接触网类型“type”及受电弓位置信息(记为“loc”，选定控制曲线(其中，8编组列车组受电弓位置信息有2种，即loc＝1、2，所以控制曲线总共有8条，16编组列车组受电弓位置信息有4种，即loc＝1、2、3、4，所以控制曲线总共有16条)，选定控制曲线后，根据列车速度，读取预设的气囊压力值，气动模块根据预设的气囊压力值调整受电弓气囊输出气囊压力，进而调节受电弓输出的接触力值。

实施例三：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

如图4所示，采集受电弓上下臂角度ɑ并标记为ɑi，即将实施例二中的对角线长度yi替换为上下臂角度ɑi，将矩阵[xi,yi]替换为矩阵[xi,ɑi]。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。