城轨列车受电弓在线检测装置与方法与流程

本发明涉及城轨列车在线检测技术领域，特别是一种城轨列车受电弓在线检测装置与方法。

背景技术：

城轨列车受电弓是城轨列车从接触网上受取电流的装置，其滑板与接触网导线直接接触，从接触网导线上受取电流供城轨列车使用。受电弓状态的好坏直接影响到城轨列车的安全运行，受电弓滑板的过度磨耗不仅影响城轨列车的正常供电，由此产生电弧放电还会进一步加剧受电弓滑板和接触线的磨耗；受电弓的中心线过度偏移不仅影响城轨列车的平稳运行，严重时会造成城轨列车故障。随着城轨列车的飞速发展，对受电弓的可靠运行提出了更高的要求，实现对受电弓状态的智能检测具有重大意义。

目前国内外受电弓状态的检测方法主要包括车载设备检测和在线定点式检测两种方式。车载式检测装置由一定的局限性，在实际运作中的投资规模大，成本高。在线定点式检测方式，国内外有基于超声波传感器的检测、基于激光测距的检测、基于图像的检测等多种实现方式。在这些方法中，有的系统机构复杂，可靠性不高；有的系统只能获取受电弓磨耗情况，不能反映受电弓中心线偏移。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种检测精度高、稳定性好的城轨列车受电弓在线检测装置与方法，实现城轨列车受电弓状态的在线自动检测，为受电弓维修提供技术支持。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种城轨列车受电弓在线检测装置，该装置包括在线监测点设备、数据处理中心和三组立柱；其中：

所述在线检测点设备，包括图像采集模块、补光模块、传输模块、光电传感器、车号识别装置、电源控制模块、车轮轴位传感器；图像采集模块对受电弓侧面进行拍摄，补光模块为图像采集模块提供补光功能；光电传感器通过传输模块为图像采集模块、补光模块提供触发信号；车轮轴位传感器感应城轨列车的到来，并为电源控制模块提供触发信号；电源控制模块为光电传感器、车号识别装置提供电源；图像采集模块、车号识别装置分别把获取到的图像信息、城轨列车的车辆信息传输到数据处理中心；

所述数据处理中心，包括图像处理模块、数据处理模块和检测结果显示模块；所述图像处理模块对图像采集模块输入的图像信息进行处理，用于受电弓磨耗检测和受电弓中心线检测，并将检测结果输入至检测结果显示模块；所述数据处理模块对车号识别装置传输过来的所检测城轨列车的车辆信息进行处理，并输入至检测结果显示模块进行显示；

所述三组立柱，第一、第二、第三组立柱沿轨道列车的行车方向等间距排列，每组立柱均包括两个对称设置于轨道两侧的竖直立柱，且第二组立柱的两个竖直立柱顶端通过横梁连接；多个光电传感器分别设置于第一、第三组立柱的顶端；补光模块设置于第二组立柱两侧的竖直立柱顶端、图像采集模块设置在第二组立柱横梁的中间位置；车轮轴位传感器位于行车方向最前方，安装于轨道一侧边缘的内壁；车号识别装置设于轨道中心轴线上，且位于车轮轴位传感器与第一组立柱之间。

一种城轨列车受电弓在线检测方法，包括以下步骤：

步骤a，在线检测点设备进行在线采集

车轮轴位传感器感应城轨列车的到来，并为电源控制模块提供触发信号；电源控制模块为光电传感器、车号识别装置提供电源；光电传感器通过传输模块为图像采集模块、补光模块提供触发信号；图像采集模块对受电弓侧面进行拍摄，补光模块为图像采集模块提供补光功能；图像采集模块、车号识别装置分别把获取到的图像信息、城轨列车的车辆信息传输到数据处理中心；

步骤b，数据处理中心对采集的数据进行处理

图像处理模块对图像采集模块输入的图像信息进行处理，将受电弓图像分为用于磨耗检测的受电弓半弓图像和用于中心线偏移检测的受电弓全弓图像，同时进行受电弓磨耗检测和受电弓中心线偏移检测；数据处理模块对车号识别装置传输过来的所检测城轨列车的车辆信息进行处理，并与图像处理模块中的磨耗检测结果和中心线检测结果一起打包传送至检测结果显示模块进行显示。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过光电传感器触发工业相机组的拍摄和补光组的补光，能够对城轨列车受电弓实现精确定位，减少了由于定位不够精确而产生的误差；(2)采用千兆以太网来传输光电传感器的触发信号和车轮轴位传感器的触发信号，减少了高压电网对触发信号的干扰，大大地提高了触发的准确性和实时性，从而使得城轨列车不需要在静止或低速状态下进行检测；(3)系统可以连续工作，不需要在工作状态和检测状态之间切换，并且不受受电弓具体位置的影响，只要受电弓在工业相机组的视场范围以内，而且补光组能对受电弓进行有效的补光，就可以实现受电弓的在线检测。

附图说明

图1为城轨列车受电弓在线检测系统的原理框图。

图2为在线检测点设备的现场安装图。

图3为在线检测点设备的俯视图。

图4为城轨列车受电弓滑板厚度在线检测方法的流程图。

具体实施方式

结合图1，本发明城轨列车受电弓在线检测装置，该装置包括在线监测点设备、数据处理中心和三组立柱；其中：

所述在线检测点设备，包括图像采集模块、补光模块、传输模块、光电传感器、车号识别装置、电源控制模块、车轮轴位传感器；图像采集模块对受电弓侧面进行拍摄，补光模块为图像采集模块提供补光功能；光电传感器通过传输模块为图像采集模块、补光模块提供触发信号；车轮轴位传感器感应城轨列车的到来，并为电源控制模块提供触发信号；电源控制模块为光电传感器、车号识别装置提供电源；图像采集模块、车号识别装置分别把获取到的图像信息、城轨列车的车辆信息传输到数据处理中心；

所述数据处理中心，包括图像处理模块、数据处理模块和检测结果显示模块；所述图像处理模块对图像采集模块输入的图像信息进行处理，用于受电弓磨耗检测和受电弓中心线检测，并将检测结果输入至检测结果显示模块；所述数据处理模块对车号识别装置传输过来的所检测城轨列车的车辆信息进行处理，并输入至检测结果显示模块进行显示；

所述三组立柱，第一、第二、第三组立柱沿轨道列车的行车方向等间距排列，每组立柱均包括两个对称设置于轨道两侧的竖直立柱，且第二组立柱的两个竖直立柱顶端通过横梁连接；多个光电传感器分别设置于第一、第三组立柱的顶端；补光模块设置于第二组立柱两侧的竖直立柱顶端、图像采集模块设置在第二组立柱横梁的中间位置；车轮轴位传感器位于行车方向最前方，安装于轨道一侧边缘的内壁；车号识别装置设于轨道中心轴线上，且位于车轮轴位传感器与第一组立柱之间。

结合图2～3，作为一种具体示例，所述第一组立柱包括对称设置于轨道两侧的第一立柱a1、第二立柱a2；第二组立柱包括对称设置于轨道两侧的第三立柱b1、第四立柱b2，以及连接第三～四立柱的横梁即第五立柱b3；第三组立柱包括对称设置于轨道两侧的第六立柱c1、第七立柱c2；

所述图像采集模块包括第一工业相机组601和第二工业相机组602，每个工业相机组包括三个工业相机，工业相机对受电弓侧面进行拍摄，其中中间一台工业相机用于中心线偏移检测的全弓图像采集，两侧的两台工业相机用于磨耗检测的半弓图像采集；所述补光模块包括第一补光组501、第二补光组502、第三补光组503和第四补光组504，每组补光组包含多个闪光灯；所述第一工业相机组601和第二工业相机组602分别固定于第五立柱b3中点，且布设于沿列车行进方向的两侧；第一补光组501、第三补光组503分别设置于第三立柱b1、第四立柱b2，且位于第五立柱b3同一侧；第二补光组502、第四补光组504分别设置于第三立柱b1、第四立柱b2，且位于第五立柱b3另一侧；

所述光电传感器的数量为4个，包括第一光电传感器301-1、第二光电传感器301-2、第三光电传感器302-1和第四光电传感器302-2，且分别安装在第一立柱a1、第二立柱a2、第六立柱c1、第七立柱c2，为工业相机和闪光灯提供触发信号；

所述车轮轴位传感器101位于行车方向最前方，安装于轨道一侧边缘的内壁；车号识别装置201设于轨道中心轴线上，且位于车轮轴位传感器101与第一组立柱之间，距离车轮轴位传感器101的3-5米处。

作为一种具体示例，所述第一、第二补光组501、502，第三、第四补光组503、504，第一、第二工业相机组601、602分别对称分布于第五立柱b3两侧，且四个补光组的高度均与受电弓平齐，第一补光组501、第三补光组503以与轨道中心轴线0～45°向前对受电弓补光，第二补光组502、第四补光组504以与轨道中心轴线0～45°向后对受电弓补光；所述第一工业相机组601安装在轨道中心轴线受电弓上方50～70厘米处，以俯角5～15°向前对准轨道中心对受电弓进行拍摄；第二工业相机组602安装在轨道中心轴线受电弓上方50～70厘米处，以俯角5-15°向后对准轨道中心对受电弓进行拍摄。

作为一种具体示例，所述第一光电传感器301-1、第二光电传感器301-2、第三光电传感器302-1和第四光电传感器302-2为对射式光电传感器，安装于轨道两侧并且垂直高度低于接触网10-20厘米。

结合图4，本发明基于所述城轨列车受电弓在线检测装置的城轨列车受电弓在线检测方法，包括以下步骤：

步骤a，在线检测点设备进行在线采集

车轮轴位传感器感应城轨列车的到来，并为电源控制模块提供触发信号；电源控制模块为光电传感器、车号识别装置提供电源；光电传感器通过传输模块为图像采集模块、补光模块提供触发信号；图像采集模块对受电弓侧面进行拍摄，补光模块为图像采集模块提供补光功能；图像采集模块、车号识别装置分别把获取到的图像信息、城轨列车的车辆信息传输到数据处理中心；

步骤b，数据处理中心对采集的数据进行处理

图像处理模块对图像采集模块输入的图像信息进行处理，将受电弓图像分为用于磨耗检测的受电弓半弓图像和用于中心线偏移检测的受电弓全弓图像，同时进行受电弓磨耗检测和受电弓中心线偏移检测；数据处理模块对车号识别装置传输过来的所检测城轨列车的车辆信息进行处理，并与图像处理模块中的磨耗检测结果和中心线检测结果一起打包传送至检测结果显示模块进行显示。

进一步地，步骤a所述在线检测点设备进行在线采集，具体过程为：

当城轨列车经过车轮轴位传感器101时，车号识别装置201和第一光电传感器301-1、第二光电传感器301-2、第三光电传感器302-1、第四光电传感器302-2上电；当城轨列车的车标经过车号识别装置201时，车号识别装置201读取经过城轨列车信息并传输至数据处理中心；第一光电传感器301-1、第二光电传感器301-2检测到第一受电弓滑板401后触发第一工业相机组601进行一次拍摄，同时第一补光组501和第三补光组503进行补光；第三光电传感器302-1和第四光电传感器302-2检测到第二受电弓滑板402后触发第二工业相机组602进行一次拍摄，同时第二补光组502和第四补光组504进行补光；车轮轴位传感器101检测到城轨列车的第二十四个轮子后，车号识别装置201和第一光电传感器301-1、第二光电传感器301-2、第三光电传感器302-1和第四光电传感器302-2下电；最后，第一工业相机组601和第二工业相机组602把信息传输到数据处理中心的图像处理模块。

进一步地，步骤b所述数据处理中心的图像处理模块中，

第一受电弓磨耗检测方法为：首先把第一工业相机组601获取的图像中的受电弓图像从背景图像中提取出来；然后对提取出来的受电弓图像进行边缘提取处理，得到第一受电弓滑板401左右半弓的上下边缘；再通过相机标定得出第一受电弓滑板401左右半弓的边缘厚度曲线；最后通过曲线拼接得到第一受电弓滑板401的厚度曲线，将检测结果和设定的受电弓磨耗标准值进行对比，若检测结果超出标准值则发出报警并提示更换受电弓，否则磨耗检测结束；

第二受电弓磨耗检测方法为：首先把第二工业相机组602获取的图像中的受电弓图像从背景图像中提取出来；然后对提取出来的受电弓图像进行边缘提取处理，得到第二受电弓滑板402左右半弓的上下边缘；再通过相机标定得出第二受电弓滑板402左右半弓的边缘厚度曲线；最后通过曲线拼接得到第二受电弓滑板402的厚度曲线，将检测结果和设定的受电弓磨耗标准值进行对比，若检测结果超出标准值则发出报警并提示更换受电弓，否则磨耗检测结束。

进一步地，步骤b所述数据处理中心的图像处理模块中，

第一受电弓中心线偏移检测方法为：首先把第一工业相机组601获取的图像信息中的受电弓图像从背景图像中提取出来；然后对提取出来的受电弓图像进行特征提取处理，得到受第一电弓滑板401的中点与接触点，并求取第一受电弓滑板401的中点和接触点的坐标；最后通过相机标定得出受电弓的中心线偏移值，将检测结果与设定的受电弓中心偏移标准值进行对比，若检测结果超出标准值则发出报警并采取处理措施，否则中心线偏移检测过程结束；

第二受电弓中心线偏移值检测方法为：首先把第二工业相机组602获取的图像信息中的受电弓图像从背景图像中提取出来；然后对提取出来的受电弓图像进行特征提取处理，得到受第二电弓滑板402的中点与接触点，并求取第二受电弓滑板402的中点和接触点的坐标；最后通过相机标定得出受电弓的中心线偏移值，将检测结果与设定的受电弓中心偏移标准值进行对比，若检测结果超出标准值则发出报警并采取处理措施，否则中心线偏移检测过程结束。

实施例1

如图1所示，一种城轨列车受电弓在线检测系统，包括在线监测点设备和数据处理中心设备。

图2是在线检测点设备的现场安装示意图。车轮轴位传感器101安装在最前方轨道内侧，车号识别装置201安装在轨道中心轴线上并且在车轮轴位传感器和第一、二立柱a1、a2之间。第一、二立柱a1、a2和第六、七立柱c1、c2的高度相同，比接触网的高度低10～20厘米。第一、二光电传感器301-1、301-2分别安装于第一立柱a1、第二立柱a2顶端，第三、四光电传感器302-1、302-2分别安装于第六立柱c1、第七立柱c2顶端。第三立柱b1、第四立柱b2的高度比受电弓的高度高50～70厘米。第一补光组501、第二补光组502安装在第三立柱b1顶端的两侧，第三补光组503和第四补光组504安装在第四立柱b2顶端的两侧，补光组的高度与受电弓的高度一样。第一工业相机组601和第二工业相机组602安装于轨道中心轴线垂直上方的第五立柱b3上。

图3是在线检测点设备的俯视图。车轮轴位传感器101位于系统最前方，安装于轨道内侧。车号识别装置201位于车轮轴位传感器101后3-5米处，安装于轨道中心轴线上。第一～四补光组501、502、503、504和第一～二工业相机组601、602一起位于车号识别装置201后4-5米处，第一～二光电传感器301-1、301-2和第三～四光电传感器302-1、302-2分别沿轨道位于第一～四补光组501、502、503、504和第一～二工业相机组601、602前后两侧3.4米处。一个受电弓包括第一受电弓滑板401、第二受电弓滑板402。第一工业相机组601以俯角5-15°向前对准轨道中心对受电弓进行拍摄，其中两端的第一、三工业相机e1、e3拍摄受电弓半弓图像用于受电弓磨耗检测，中间的第二工业相机e2拍摄受电弓全弓图像用于受电弓中心线偏移检测。第二工业相机组602以俯角5-15°向后对准轨道中心对受电弓进行拍摄，其中两端的第六、四工业相机e4、e6拍摄受电弓半弓图像以用于受电弓磨耗检测，中间的第五工业相机e5拍摄受电弓全弓图像以用于受电弓中心线偏移检测。第一补光组501、第三补光组503以与轨道中心轴线0-45°水平向前对受电弓补光，以保证第一工业相机组601可以采集到最佳的受电弓图像。第二补光组502、第四补光组504以与轨道中心轴线0-45°水平向后对受电弓补光，以保证第二工业相机组602可以采集到最佳的受电弓图像。

所述补光模块由四个补光组即第一补光组501、第二补光组502、第三补光组503和第四补光组504组成，其中第一补光组501包括第一闪光灯l1、第二闪光灯l2，第二补光组502包括第三闪光灯l3、第四闪光灯l4，第三补光组503包括第五闪光灯l5、第六闪光灯l6，第四补光组504包括第七闪光灯l7、第八闪光灯l8。所述图像采集模块由第一工业相机组601和第二工业相机组602组成，其中第一工业相机组601包括第一～三工业相机e1、e2、e3，第二工业相机组602包括第四～六工业相机e4、e5、e6。

所述第一组立柱包括对称设置于轨道两侧的第一立柱a1、第二立柱a2；第二组立柱包括对称设置于轨道两侧的第三立柱b1、第四立柱b2，以及连接第三～四立柱的横梁即第五立柱b3；第三组立柱包括对称设置于轨道两侧的第六立柱c1、第七立柱c2；该三组立柱之间的间隔为3～4米；所述第一、二光电传感器301-1、301-2分别安装于第一、二立柱a1、a2，所述第三、四光电传感器302-1、302-2分别安装于第六、七立柱c1、c2。所述第一、二补光组501、502分别安装在第五立柱b3一端的两侧，所述第三、第四补光组503、504分部安装在第五立柱b3另一端的两侧，其中第一、三补光组501、503以与轨道中心轴线0-45°向前对受电弓补光，第二、四补光组502、504以与轨道中心轴线0-45°向后对受电弓补光。所述第一、二工业相机组601、602安装于第五立柱b3中点的两侧，其中，第一工业相机组601安装在轨道中心轴线受电弓上方50-70厘米处并以俯角5-15°向前对准轨道中心对受电弓进行拍摄；第二工业相机组602安装在轨道中心轴线受电弓上方50-70厘米处并以俯角5-15°向后对准轨道中心对受电弓进行拍摄。

所述在线采集过程为：当城轨列车经过车轮轴位传感器101时，车轮轴位传感器101的触发信号经过电源控制模块控制车号识别装置201和第一～四光电传感器301-1、301-2、302-1、302-2上电。当城轨列车的车标经过车号识别装置201时，车号识别装置201读取经过城轨列车信息并传输至数据处理模块。当第一、二光电传感器301-1、301-2检测到第一受电弓滑板401时，第一、二光电传感器301-1、301-2发出的触发信号触发第一工业相机组601和第一、三补光组501、503工作，第一工业相机组601拍摄的同时第一、三补光组501、503补光，每次检测时第一工业相机组601中的每台工业相机只拍摄一张图像。当第三、四光电传感器302-1、302-2检测到第二受电弓滑板402时，第三、四光电传感器302-1、302-2发出的触发信号触发第二工业相机组602和第二、四补光组502、504工作，第二工业相机组602拍摄的同时第二、四补光组502、504补光，每次检测时第二工业相机组602中的每台工业相机只拍摄一张图像。当车轮轴位传感器101检测到城轨列车的第二十四个轮子时，车轮轴位传感器101发出的触发信号经过电源控制模块控制车号识别装置201和第一～四光电传感器301-1、301-2、302-1、302-2的电源关闭。最后，第一、二工业相机组601、602把获取到的图像信息通过千兆以太网传输到所述数据处理中心设备中的图像处理模块。

所述受电弓数据处理中图像处理模块的磨耗检测方法为：对第一、二受电弓滑板401、402采用相同的方法进行单独处理，首先从第一由工业相机组601获取的图像信息中把受电弓图像从背景图像中提取出来；然后对来自第一工业相机组601中第一、三工业相机e1、e3采集到的受电弓半弓图像进行图像预处理、边缘提取处理提取第一受电弓滑板401左右半弓的上下边缘；再通过相机标定得出第一受电弓滑板401左右半弓的边缘厚度曲线；最后通过曲线拼接得到第一受电弓滑板401的厚度曲线，通过设定受电弓磨耗标准，与检测结果进行对比，若判断受测受电弓磨损超出标准，则发出报警并提示更换受电弓，若受电弓磨耗未超出标准，磨耗检测过程结束。

所述受电弓数据处理中图像处理模块的中心线偏移值检测方法为：对第一、二受电弓受电弓滑板401、402采用相同的方法进行单独处理，首先从由第一工业相机组601获取的图像信息中把受电弓图像从背景图像中提取出来；然后对来自第一工业相机组601中第二工业相机e2采集到的受电弓全弓图像进行图像预处理、特征提取处理提取受电弓滑板中点与接触点，并求取受电弓滑板中点和接触点的坐标；最后通过相机标定得出受电弓的中心线偏移值，通过设定受电弓中心线偏移值标准，与检测结果进行对比，若判断受测受电弓中心线偏移值超出标准，则发出报警并采取处理措施，若受电弓中心线偏移值未超出标准，中心线偏移检测过程结束。

在实际检测中，城轨列车以高速通过车轮轴位传感器101，车轮轴位传感器101发出信号通过电源控制模块控制车号识别装置201和第一～四光电传感器301-1、301-2、302-1、302-2的电源。城轨列车以高速通过第一、二立柱a1、a2，在受电弓通过第一、二立柱a1、a2的瞬间，第一、二光电传感器301-1、301-2被触发并发出触发信号。当第一工业相机组601和第一、三补光组501、503接收到第一、二光电传感器301-1、301-2的触发信号时，第一、三补光组501、503对受电弓补光，同时第一工业相机组601进行拍摄。城轨列车以高速通过第六、七立柱c1、c2，在受电弓通过第六、七立柱c1、c2的瞬间，第三、四光电传感器302-1、302-2被触发并发出触发信号。当第二工业相机组602和第二、四补光组502、504接收到第三、四光电传感器302-1、302-2的触发信号时，第二、四补光组502、504对受电弓补光，同时第二工业相机组602进行拍摄。工业相机组拍摄完成以后，图像信息通过千兆以太网传输至所述数据处理中心设备中的图像处理模块，并通过一定的软件流程对受电弓状态进行判断。

在线检测点设备和数据处理中心设备组装完成后，还应编写相应的软件实现流程才能工作。图4为数据处理中心设备中图像处理模块的方法流程图。由于第一工业相机组601获取的是第一受电弓滑板401的图像信息，第二工业相机组602获取的是第二受电弓滑板402的图像信息，所以对第一、二受电弓滑板401、402采用同样的处理方法单独处理。数据处理中心设备中图像处理模块的软件流程为：首先调用从检测点设备接收到的现场图像，然后用过图像预处理和图像分割把受电弓图像从背景图像中提取出来，并将受电弓图像分为用于磨耗检测的受电弓半弓图像和用于中心线偏移检测的受电弓全弓图像，最后同时进行磨耗检测和中心线偏移检测。磨耗检测过程为：对受电弓半弓图像进行边缘提取处理提取受电弓滑板左右半弓的上下边缘；再通过相机标定得出受电弓滑板左右半弓的边缘厚度曲线；最后通过曲线拼接得到受电弓滑板的厚度曲线，通过设定受电弓磨耗标准，与检测结果进行对比，若判断受测受电弓磨损超出标准，则发出报警并提示更换受电弓，若受电弓磨耗未超出标准，磨耗检测过程结束。中心线偏移检测过程为：受电弓全弓图像进行特征提取处理提取受电弓滑板中点与接触点，并求取受电弓滑板中点和接触点的坐标；最后通过相机标定得出受电弓的中心线偏移值，通过设定受电弓中心线偏移值标准，与检测结果进行对比，若判断受测受电弓中心线偏移值超出标准，则发出报警并采取处理措施，若受电弓中心线偏移值未超出标准，中心线偏移检测过程结束。由于所述数据处理模块只是对在线采集系统中车号识别装置传输过来的所检测城轨列车的车辆信息进行处理，并与图像处理模块中的磨耗检测结果和中心线检测结果一起打包传送至检测结果显示模块，所以在此不一一赘述。

本发明使用了与传统受电弓状态车辆的不同方法，使用两台台工业相机对受电弓半弓进行拍摄，并进行磨耗检测使检测结果满足误差要求；使用一台工业相机对受电弓全弓进行拍摄，并进行中心线偏移检测使检测结果满足误差要求。具有安装方便、可测范围大、精度高、结构简单、成本低廉的优点，可以广泛地应用于各种城轨列车的受电弓在线检测的系统设计中。