基于观测基准失稳补偿的接触网偏移量检测方法
【专利摘要】一种基于观测基准失稳补偿的接触网偏移量检测方法，包括步骤选定检测跨、设置定位点标靶、设置跨中点标靶、架设数码相机、设置背景标靶、安装风速风向仪、获取数据、数据处理、分析计算和输出结果。所述步骤获取数据：数码相机和风速风向仪同时工作获取的数据在同一时间坐标体系中进行保存；所述步骤数据处理：将时间坐标等分为N段形成N+1个时间点，在时间点处截取的数据构成N+1组输入数据；所述步骤分析计算：对N+1组输入数据进行图像转化识别和计算处理；所述步骤输出结果包括：（1）定位点标靶的位移时程曲线及振动频率；（2）跨中点标靶的位移时程曲线及振动频率；（3）支柱沿垂直于接触网的线路方向的振动曲线及振动频率。
【专利说明】基于观测基准失稳补偿的接触网偏移量检测方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于轨道交通安全【技术领域】，具体涉及一种用于电气化铁路接触网在自然外力影响下偏移量检测和分析的基于观测基准失稳补偿的接触网偏移量检测方法。
【背景技术】
[0002]我国西北地区的电气化铁路全年处于大风频繁的环境中，该地区的风速最高可达每秒64米，是十二级风底限值的近2倍。脉动强横风作用下接触悬挂会产生周期性大摆幅横、垂向振动或舞动，严重时导致弓网离线、刮弓和钻弓等事故，影响列车行车安全。针对风区电气化铁路进行接触网偏移量的实时检测，及时了解接触网的安全状态，已成为保证列车安全运行的重要研究内容。
[0003]目前，接触网几何姿态检测多采用车载式检测方法，具体又分为激光扫描法和线阵CCD视觉检测法，车载探测装置安装于车顶，通过巡检扫描和模式识别，可实现接触导线位移的在线检测。由于随车检测过程中弓网为接触受流工作状态，在出现弓网离线、钻弓等安全事故时，该方法无法对接触导线的风致偏移超限值提前做出预警，因此，亟待提出一种接触网偏移量的地面检测方法。
[0004]中国专利申请号为03259750.9，名称为《基于图像的位移自动读取装置》的实用新型专利公开了以下技术方案:“它是由探测和处理两部分组成。探测部分是由带标记的平板靶面和CCD摄像机构成，处理部分是一台具有图像采集设施的计算机；应用时，平板靶面安装于待测位置，CCD摄像机安装于固定装置上，平板靶面与CCD摄像机的安装位置可根据需要互换”。该专利属于视觉检测法。由于风区气候条件恶劣，强风条件下支柱的风摆振动导致摄像机的观测基准失稳，该方法不能满足基准失稳条件下接触导线待测点的偏移量检测。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对铁路电气化接触网安全监测问题，提供一种能够实现对接触网支柱振动、接触悬挂多目标多参数的位移实时在线检测的基于观测基准失稳补偿的接触网偏移量检测方法。
[0006]本发明的目的通过下述技术方案予以实现:
所述检测方法用于电气化铁路接触网在自然外力影响下偏移量的检测和分析，所述检测方法包括以下步骤:
1)选定检测跨:选定任意两个相邻的定位悬挂之间的接触网为检测跨；
2)设置定位点标靶:在检测跨的一个定位悬挂上设置接触导线定位点标靶；
3)设置跨中点标靶:在检测跨的跨中部位的接触导线和承力索上分别设置接触导线跨中点标靶和承力索跨中点标靶；
4)架设数码相机:在检测跨的另外一个定位悬挂支柱上安装定位点数码相机和跨中点数码相机各一部，两部相机的分辨率和拍摄帧率一致； 定位点数码相机的安装位置高于定位点标祀0.5米以上,定位点标祀在定位点数码相机的取景范围之内；
跨中点数码相机的安装位置高于跨中点标祀0.5米以上,跨中点标祀在跨中点数码相机的取景范围之内；
5)设置背景标靶:在定位点标靶的后方设置至少一个背景标靶，背景标靶在定位点数码相机和跨中点数码相机的取景范围之内，背景标靶不被定位点标靶或者跨中点标靶所遮挡；
6)安装风速风向仪:在距离检测跨20-50米的位置安装风速风向仪，风速风向仪的高度在电气化铁路轨面以上5-6.5米；
7)获取数据:在设定工作期间内，定位点数码相机、跨中点数码相机和风速风向仪同时工作，获取的数码影像数据和风速风向数据在同一时间坐标体系中分别进行保存；
8)数据处理:将时间坐标的长度划分为N段形成N+1个时间点，在每个时间点处截取的定位点数码照片、跨中点数码照片和风速风向数据为一组输入数据，共有N+1组输入数据；
9)分析计算:包括以下步骤:
(1)将N+1组输入数据中的定位点标靶及其背景标靶的数码照片转化为N+1个定位点二值化图像，按照时间递增的方式，对N+1个定位点二值化图像进行比较，计算出在对应的风速风向条件下定位点标靶、背景标靶的偏移量；
(2)将N+1组输入数据中的跨中点标靶及其背景标靶的数码照片转化为N+1个跨中点二值化图像，按照时间递增的方式，对N+1个跨中点二值化图像进行比较，计算出在对应的风速风向条件下跨中点标靶、背景标靶的偏移量；
(3)基准失稳自由度计算，采用以下方式之一:
A)给N+1个定位点二值化图像设置相同的正交坐标系，根据图像在正交坐标系的位置和背景标靶的偏移量，计算出观测基准失稳的横移值和点头角；
B)给N+1个跨中点二值化图像设置相同的正交坐标系，根据图像在正交坐标系的位置和背景标靶的偏移量，计算出观测基准失稳的横移值和点头角；
(4)计算伪偏移:采用以下方式之一:
C)给N+1个定位点二值化图像设置相同的正交坐标系，确定同一张图像中的定位点标靶和背景标靶的相对位置，对同一数码相机中不同时间坐标位置的图像进行比较，计算出该数码相机观测基准失稳所产生的偏移值为定位点标靶的伪偏移；
D)给N+1个跨中点二值化图像设置相同的正交坐标系，确定同一张图像中的跨中点标靶和背景标靶的相对位置，对同一数码相机中不同时间坐标位置的图像进行比较，计算出该数码相机观测基准失稳所产生的偏移值为跨中点标靶的伪偏移；
(4)计算修正:采用以下方式之一:
E)步骤(I)的计算结果减去步骤C)的计算结果，获得定位点标靶的绝对偏移量；
F)步骤(2)的计算结果减去步骤D)的计算结果，获得跨中点标靶的绝对偏移量。
[0007]10)输出结果:在对应风速风向条件下输出结果包括:
(O定位点标靶的位移时程曲线及振动频率；
(2)跨中点标靶的位移时程曲线及振动频率；
(3)支柱沿垂直于接触网的线路方向的振动曲线及振动频率。[0008]所述定位点数码相机和跨中点数码相机配置能够夜间工作的红外线光源。
[0009]所述定位点数码相机和跨中点数码相机采用高速数码影像设备，其分辨率不低于768X576 像素。
[0010]所述定位点标靶、跨中点标靶和背景标靶的颜色均为红色。
[0011]与现有技术相比，本发明具有以下优点:能够实现大风环境下接触导线和承力索的风致偏移量、接触网支柱沿垂直于线路方向的振动量的实时在线检测，检测结果能对接触网的风致偏移超限值提前做出预警，并进一步为大风或其他外力环境下电气化列车运行和接触网维护提供精确的实时状态数据支撑。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明检测方法的流程框图；
图2为本发明实施例的设备配置示意图；
图3为本发明的用于计算分析的定位点数码相机获取的数码照片；
图4为对图3数码照片进行处理后的二值化图像；
图5-8为本发明检测方法的输出结果步骤所给出的曲线图；
图中:101-接触网支柱，102-定位点数码相机，103-红外线光源，104-跨中点数码相机，105-承力索，106-接触导线，107-接触导线跨中点标靶，108-承力索跨中点标靶，109-定位点标靶，110-背景标靶，111-轨道，112-风速风向仪。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图，对本发明检测方法的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0014]所述检测方法用于电气化铁路接触网在自然外力影响下偏移量的检测和分析，所述检测方法包括以下步骤:
1)选定检测跨:选定任意两个相邻的定位悬挂之间的接触网为检测跨；
2)设置定位点标靶:在检测跨的一个定位悬挂上设置接触导线定位点标靶；
3)设置跨中点标靶:在检测跨的跨中部位的接触导线和承力索上分别设置接触导线跨中点标靶和承力索跨中点标靶；
4)架设数码相机:在检测跨的另外一个定位悬挂支柱上安装定位点数码相机和跨中点数码相机各一部，两部相机的分辨率和拍摄帧率一致；
定位点数码相机的安装位置高于定位点标祀0.5米以上,定位点标祀在定位点数码相机的取景范围之内；
跨中点数码相机的安装位置高于跨中点标祀0.5米以上,跨中点标祀在跨中点数码相机的取景范围之内；
5)设置背景标靶:在定位点标靶的后方设置至少一个背景标靶，背景标靶在定位点数码相机和跨中点数码相机的取景范围之内，背景标靶不被定位点标靶或者跨中点标靶所遮挡；
6)安装风速风向仪:在距离检测跨20-50米的位置安装风速风向仪，风速风向仪的高度在电气化铁路轨面以上5-6.5米；
7)获取数据:在设定工作期间内，定位点数码相机、跨中点数码相机和风速风向仪同时工作，获取的数码影像数据和风速风向数据在同一时间坐标体系中分别进行保存；
8)数据处理:将时间坐标的长度划分为N段形成N+1个时间点，在每个时间点处截取的定位点数码照片、跨中点数码照片和风速风向数据为一组输入数据，共有N+1组输入数据；
9)分析计算:包括以下步骤:
(1)将N+1组输入数据中的定位点标靶及其背景标靶的数码照片转化为N+1个定位点二值化图像，按照时间递增的方式，对N+1个定位点二值化图像进行比较，计算出在对应的风速风向条件下定位点标靶、背景标靶的偏移量；
(2)将N+1组输入数据中的跨中点标靶及其背景标靶的数码照片转化为N+1个跨中点二值化图像，按照时间递增的方式，对N+1个跨中点二值化图像进行比较，计算出在对应的风速风向条件下跨中点标靶、背景标靶的偏移量；
(3)基准失稳自由度计算，采用以下方式之一:
A)给N+1个定位点二值化图像设置相同的正交坐标系，根据图像在正交坐标系的位置和背景标靶的偏移量，计算出观测基准失稳的横移值和点头角；
B)给N+1个跨中点二值化图像设置相同的正交坐标系，根据图像在正交坐标系的位置和背景标靶的偏移量，计算出观测基准失稳的横移值和点头角；
(4)计算伪偏移:采用以下方式之一:
C)给N+1个定位点二值化图像设置相同的正交坐标系，确定同一张图像中的定位点标靶和背景标靶的相对位置，对同一数码相机中不同时间坐标位置的图像进行比较，计算出该数码相机观测基准失稳所产生的偏移值为定位点标靶的伪偏移；
D)给N+1个跨中点二值化图像设置相同的正交坐标系，确定同一张图像中的跨中点标靶和背景标靶的相对位置，对同一数码相机中不同时间坐标位置的图像进行比较，计算出该数码相机观测基准失稳所产生的偏移值为跨中点标靶的伪偏移；
(4)计算修正:采用以下方式之一:
E)步骤(I)的计算结果减去步骤C)的计算结果，获得定位点标靶的绝对偏移量；
F)步骤(2)的计算结果减去步骤D)的计算结果，获得跨中点标靶的绝对偏移量。
[0015]10)输出结果:在对应风速风向条件下输出结果包括:
(O定位点标靶的位移时程曲线及振动频率；
(2)跨中点标靶的位移时程曲线及振动频率；
(3)支柱沿垂直于接触网的线路方向的振动曲线及振动频率。
[0016]所述定位点数码相机和跨中点数码相机配置能够夜间工作的红外线光源。
[0017]所述定位点数码相机和跨中点数码相机采用高速数码影像设备，其分辨率不低于768X576 像素。
[0018]所述定位点标靶、跨中点标靶和背景标靶的颜色均为红色。
[0019]实施例:
所述检测方法包括步骤如图1所示，具体步骤如下:
步骤I)选定检测跨，参考图2:选择两个相邻的接触网支柱101之间的接触网作为检测跨。
[0020]步骤2)设置定位点标靶，参考图2:在检测跨一个定位悬挂的定位点、定位点相邻吊弦部位的接触导线106上设置矩形红色结构的定位点标靶109。[0021]步骤3)设置跨中点标靶，参考图2:在检测跨的跨中部位的接触导线106和承力索105上分别设置矩形红色结构的接触导线跨中点标靶107和承力索跨中点标靶108。
[0022]步骤4)架设数码相机，参考图2:在检测跨的另外一个接触网支柱101上安装定位点数码相机102和跨中点数码相机104各一部，定位点数码相机102和跨中点数码相机104均配置能够夜间工作的红外线光源103。，
步骤5)设置背景标靶，参考图2:在定位点标靶109的后方设置为红色矩形结构的背景标靶110，背景标靶110在定位点数码相机102的取景范围之内，且背景标靶110不被跨中点标祀或者定位点标祀109所遮挡。
[0023]步骤6)安装风速风向仪，参考图2:在与检测跨距离20-50米的位置安装风速风向仪112，风速风向仪112的高度在电气化铁路轨面以上5-6.5米。
[0024]步骤7)获取数据，参考图2:在设定工作期间内，定位点数码相机102、跨中点数码相机104和风速风向仪112同时工作，获取的数码影像数据和风速风向数据在同一时间坐标体系中分别进行保存。
[0025]步骤8)数据处理:将时间坐标的长度划分为N段形成N+1个时间点，在每个时间点处截取的定位点数码照片、跨中点数码照片和风速风向数据为一组输入数据，共有N+1组输入数据。
[0026]步骤9)分析计算，以定位点标靶109和背景标靶110为例，参考图3、图4，分以下三个步骤计算: Φ将N+1组输入数据中的定位点标靶109及其背景标靶110的数码照片转化为N+1
个定位点标靶109和背景标靶110的二值化图像，按照时间递增的方式，对N+1个定位点二值化图像进行比较，计算出在对应的风速风向条件下定位点标靶109的偏移量(A&,pix，Λ L—,Jix)和背景标靶 110 的偏移量(Azsjix, pix)。
[0027]?给N+1个定位点二值化图像设置相同的正交坐标系，根据图像在正交坐标系
的位置和背景标靶的偏移量，计算出观测基准失稳的横移值化_3和点头角4>xs如式(I)所示:
【权利要求】
1.一种基于观测基准失稳补偿的接触网偏移量检测方法，所述检测方法用于电气化铁路接触网在自然外力影响下偏移量的检测和分析，其特征在于:所述检测方法包括以下步骤: 1)选定检测跨:选定任意两个相邻的定位悬挂之间的接触网为检测跨； 2)设置定位点标靶:在检测跨的一个定位悬挂上设置接触导线定位点标靶； 3)设置跨中点标靶:在检测跨的跨中部位的接触导线和承力索上分别设置接触导线跨中点标靶和承力索跨中点标靶； 4)架设数码相机:在检测跨的另外一个定位悬挂支柱上安装定位点数码相机和跨中点数码相机各一部，两部相机的分辨率和拍摄帧率一致； 定位点数码相机的安装位置高于定位点标祀0.5米以上,定位点标祀在定位点数码相机的取景范围之内； 跨中点数码相机的安装位置高于跨中点标祀0.5米以上,跨中点标祀在跨中点数码相机的取景范围之内； 5)设置背景标靶:在定位点标靶的后方设置至少一个背景标靶，背景标靶在定位点数码相机和跨中点数码相机的取景范围之内，背景标靶不被定位点标靶或者跨中点标靶所遮挡； 6)安装风速风向仪:在距离检测跨20-50米的位置安装风速风向仪，风速风向仪的高度在电气化铁路轨面以上5-6.5米； 7)获取数据:在设定工作期间内，定位点数码相机、跨中点数码相机和风速风向仪同时工作，获取的数码影像数据和风速风向数据在同一时间坐标体系中分别进行保存； 8)数据处理:将时间坐标的长度划分为N段形成N+1个时间点，在每个时间点处截取的定位点数码照片、跨中点数码照片和风速风向数据为一组输入数据，共有N+1组输入数据； 9)分析计算:包括以下步骤: (1)将N+1组输入数据中的定位点标靶及其背景标靶的数码照片转化为N+1个定位点二值化图像，按照时间递增的方式，对N+1个定位点二值化图像进行比较，计算出在对应的风速风向条件下定位点标靶、背景标靶的偏移量； (2)将N+1组输入数据中的跨中点标靶及其背景标靶的数码照片转化为N+1个跨中点二值化图像，按照时间递增的方式，对N+1个跨中点二值化图像进行比较，计算出在对应的风速风向条件下跨中点标靶、背景标靶的偏移量； (3)基准失稳自由度计算，采用以下方式之一: A)给N+1个定位点二值化图像设置相同的正交坐标系，根据图像在正交坐标系的位置和背景标靶的偏移量，计算出观测基准失稳的横移值和点头角； B)给N+1个跨中点二值化图像设置相同的正交坐标系，根据图像在正交坐标系的位置和背景标靶的偏移量，计算出观测基准失稳的横移值和点头角； (4)计算伪偏移:采用以下方式之一: C)给N+1个定位点二值化图像设置相同的正交坐标系，确定同一张图像中的定位点标靶和背景标靶的相对位置，对同一数码相机中不同时间坐标位置的图像进行比较，计算出该数码相机观测基准失稳所产生的偏移值为定位点标靶的伪偏移； D)给N+1个跨中点二值化图像设置相同的正交坐标系，确定同一张图像中的跨中点标靶和背景标靶的相对位置，对同一数码相机中不同时间坐标位置的图像进行比较，计算出该数码相机观测基准失稳所产生的偏移值为跨中点标靶的伪偏移； (4)计算修正:采用以下方式之一: E)步骤(1)的计算结果减去步骤C)的计算结果，获得定位点标靶的绝对偏移量； F)步骤(2)的计算结果减去步骤D)的计算结果，获得跨中点标靶的绝对偏移量； 10)输出结果: 在对应风速风向条件下输出结果包括: (1)定位点标靶的位移时程曲线及振动频率； (2)跨中点标靶的位移时程曲线及振动频率； (3)支柱沿垂直于接触网的线路方向的振动曲线及振动频率。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于:所述定位点数码相机和跨中点数码相机配置能够夜间工作的红外线光源。
3.根据权利要求1或2所述的检测方法，其特征在于:所述定位点数码相机和跨中点数码相机采用高速数码影像设备，其分辨率不低于768X576像素。
4.根据权利要求1或2所述的检测方法，其特征在于:所述定位点标靶、跨中点标靶和背景标靶的颜色均为红色。
5.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于:所述定位点标靶、跨中点标靶和背景标靶的颜色均为红色。
【文档编号】G01C11/02GK104006804SQ201410261167
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】田红旗, 梁习锋, 鲁寨军, 周伟, 高广军, 熊小慧, 李鹏 申请人:中南大学