一种城轨列车受电弓羊角监测装置及方法与流程

本发明涉及交通安全工程监测技术领域，特别是一种城轨列车受电弓羊角监测装置及方法。

背景技术

近些年，城轨列车凭借其快速、舒适、节能、高效的优点，在我国得到了飞速的发展。同时，列车在线运行的安全问题也日益显著。城轨列车受电弓是将电能从接触网上传输至城轨列车以驱动其正常运行的电气装置。受电弓滑板的好坏直接影响城轨列车的安全运行，受电弓羊角的缺失，将会导致列车在运行过程中离线率增加，影响城轨列车的正常供电造成安全事故，由此产生的电弧放电还会进一步加剧受电弓滑板和接触线的磨损。随着国家对城轨列车建设的重视不断提高，对受电弓的可靠性、安全性提出了更高的要求，因此对受电弓羊角的监测具有重要意义。

目前国内受电弓状态的监测方法主要包括人工监测法。人工监测需要城轨列车回库停车、接触网断电，不仅降低了城轨列车的运行效率，而且工作人员需要登上车顶监测，工作量大，存在一定的安全隐患。国内高校及各公司也开始了对受电弓监测的研究，主要有图像监测法、激光监测法等，其研究成果大多处于试验阶段，监测结果易受外部环境的影响，而且多是对受电弓滑板进行监测，对受电弓羊角的监测研究则相对较少。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种简单高效、成本低的城轨列车受电弓羊角监测装置及方法，为受电弓羊角的监测和维修提供技术支持。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种城轨列车受电弓羊角监测装置，包括现场控制单元、现场数据采集单元、远程传输单元、数据分析单元、数据存储与发布单元、客户端访问单元，其中：

现场控制单元，检测列车的到来并获取列车车号信息；

现场数据采集单元，用于受电弓原始图像的采集；

远程传输单元，用于现场与设备房间的数据传输；

数据分析单元，对接收到的图像进行处理；

数据存储与发布单元，用于数据的存储与发布；

客户端访问单元，用于远程访问。

进一步地，所述的现场控制单元包括plc、车轮轴位传感器d、车号识别装置aei，其中：

所述车轮轴位传感器d安装在轨道最前方内侧，用于检测城轨列车的到来并产生相应信号；

plc用于接收车轮轴位传感器d传送的信号以控制车号识别装置aei；

车号识别装置aei通过车号识别天线获取城轨列车的车号。

进一步地，所述的现场数据采集单元包括第一工业闪光灯组l1-1、第二工业闪光灯组l1-2、第三工业闪光灯组l2-1、第四工业闪光灯组l2-2、第一光电传感器p1-1、第二光电传感器p1-2、第三光电传感器p2-1、第四光电传感器p2-2、第一工业相机c1、第二工业相机c2；

所述第一光电传感器p1-1与第二光电传感器p1-2对称安装于两侧轨道的上方，第三光电传感器p2-1与第四光电传感器p2-2对称安装于两侧轨道的上方，且各光电传感器高度与受电弓升弓时的滑板所在高度一致，用于外部触发第一～二工业相机c1、c2和第一～四工业闪光灯组l1-1、l1-2、l2-1、l2-2；第一工业闪光灯组l1-1与第二工业闪光灯组l1-2分别安装于两侧轨道的上方，第三工业闪光灯组l2-1与第四工业闪光灯组l2-2分别安装于两侧轨道的上方，工业闪光灯组为第一工业相机c1、第二工业相机c2的拍摄提供补光；第一工业相机c1、第二工业相机c2为中心线相机，安装于轨道中心线正上方，用于采集图像。

进一步地，所述的现场控制单元和现场数据采集单元的采集流程为：当车轮轴位传感器d检测到列车到来时，开启车号识别装置aei；当列车车标经过车号识别装置aei时，车号识别装置aei读取该列车的车号信息，并通过远程传输单元传输至数据分析单元；当第一光电传感器p1-1与第二光电传感器p1-2检测到受电弓时，发送外部触发信号给第一工业相机c1和第一工业闪光灯组l1-1、第二工业闪光灯组l1-2，使二者同时工作；当第二光电传感器p2检测到受电弓时，发送外部触发信号给第二工业相机c2和第三工业闪光灯组l2-1、第四工业闪光灯组l2-2，使二者同时工作，并关闭车号识别装置aei。

一种城轨列车受电弓羊角监测方法，包括以下步骤：

步骤1、原始数据获取：第一工业相机c1获取受电弓滑板前侧面图像，第二工业相机c2获取受电弓滑板后侧面图像，车号识别装置aei获取当前所检测列车的车号信息；

步骤2、图像滤波处理：对步骤1获取的受电弓图像采用高斯滤波算法进行滤波处理；

步骤3、羊角粗定位：根据端点模板匹配对步骤2得到的图像提取受电弓滑板左右端点坐标，并根据端点坐标对步骤2得到的图像进行粗定位；

步骤4、羊角精定位：将羊角模板与步骤3得到的粗定位后的羊角图像进行模板匹配，实现羊角精定位；

步骤5、羊角识别依据判别：通过基于边缘方向的羊角识别依据，对步骤4得到的精定位后的羊角图像进行进一步识别，得到受电弓羊角是否缺失损坏的最终结果。

进一步地，步骤3所述的羊角粗定位，具体如下：

步骤3.1、根据受电弓滑板左右端点的特征，通过端点模板匹配得到受电弓滑板的左右端点坐标；

步骤3.2、根据步骤3.1所得的左右端点坐标，结合受电弓在运行时的倾斜角度，设定羊角在图像中所占的区域大小，并从步骤2得到的图像中截取得到粗定位羊角图像。

进一步地，步骤4所述的羊角精定位，具体如下：

步骤4.1、从步骤3得到的粗定位后的羊角图像中，人工选择几对完整的羊角图像，制作成羊角模板；

步骤4.2、将粗定位的左羊角图像和左羊角模板图像二值化，并将左羊角模板在二值化的左羊角图像中平移得到相应位置的响应函数值，响应函数为：

式中：rl(il,jl)为左羊角图像当前位置响应函数值；nl、ml为左羊角模板图像的行数和列数；il≤nl-nl，jl≤ml-ml，nl、ml为左羊角图像的行数和列数；eml(iml,jml)为左羊角模板二值化图像中iml行jml列的值；el(il+iml-1,jl+jml-1)为左羊角图像二值化图像中il+iml-1行jml-1列的值；

通过取响应函数值中最大的行和列，设定为rl(ilmax,jlmax)，即可得到左羊角横坐标平移变量tlx为jlmax-1，纵坐标平移变量tly为ilmax-1；左羊角模板经平移变换得到：

式中，iml1、jml1分别为左羊角模板平移变换后的行位置和列位置；

步骤4.3、对平移后的左羊角模板进行旋转变换得到：

式中：iml2、jml2分别为左羊角模板旋转变换后的行位置和列位置，α为旋转角度；

将转换后的左羊角模板放入与羊角图行列数相同的图像中，并保持相应位置不变，得到旋转后的响应函数rl(α)为：

通过多次改变α的值，得到最大响应函数值对应的角度αmax，并将αmax最终定为羊角精定位所需的旋转角度，最终确定左羊角精定位模板为：

右羊角精定位模板的确定方法同上。

进一步地，步骤5所述的羊角识别依据判别，具体如下：

步骤5.1、设定一个响应函数值rmin，并将其与步骤4.3所求的最大响应函数值比较，若监测出的最大响应函数值rl小于rmin，则判定此左羊角缺失，无需进行后续识别；若监测出的最大响应函数值rl大于rmin，则进入下一步识别；

步骤5.2、分别对左羊角的模板图像和待监测图像进行边缘检测；

步骤5.3、将每个点的方向向量进行归一化处理，然后采用式(6)作为相似度量：

式中：(xmk,ymk)为模板边缘点的方向向量；(xk,yk)为待检测图像边缘点的方向向量；n为模板边缘点的个数；m为待检测图像边缘点的个数；(imk,jmk)为模板边缘点的坐标；(ik,jk)为待检测图像边缘点的坐标；

通过相似度量s即可判别出待识别左羊角的完整程度：当相似度量s小于设定的相似度量阈值smin时，则判定左羊角缺失，并进行报警；当相似度量s大于相似度量阈值smin时，则判定左羊角能够正常使用，并且估测出左羊角的使用期限；

右羊角缺失的判定方法同上。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)能够实现对羊角的非接触式监测，具有监测效率高、对工作人员有安全保障的优点；(2)对受电弓羊角进行粗定位和精定位，提高了受电弓羊角的定位精度；(3)采用基于边缘方向的相似度量作为羊角识别依据，并且在计算相似度量时对边缘点的方向向量进行归一化处理，有效的避免了光照变化对监测结果的影响。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明城轨列车受电弓羊角监测方法的流程图。

图2是本发明中城轨列车受电弓羊角监测系统数据采集示意图，其中(a)为正视图，(b)为俯视图。

图3是本发明实施例中受电弓原始图。

图4是本发明实施例中受电弓左右羊角模板图，其中(a)为左羊角模板图，(b)为右羊角模板图。

图5是本发明实施例中受电弓羊角粗定位结果图。

图6是本发明实施例中受电弓左羊角精定位结果图，其中(a)为左羊角精定位结果图，(b)为右羊角精定位结果图。

具体实施方式

本发明城轨列车受电弓羊角监测装置，包括现场控制单元、现场数据采集单元、远程传输单元、数据分析单元、数据存储与发布单元、客户端访问单元，其中：现场控制单元，检测列车的到来并获取列车车号信息；现场数据采集单元，用于受电弓原始图像的采集；远程传输单元，用于现场与设备房间的数据传输；数据分析单元，对接收到的图像进行处理；数据存储与发布单元，用于数据的存储与发布；客户端访问单元，用于远程访问。

结合图2(a)～(b)，本发明城轨列车受电弓羊角监测装置中的现场控制单元包括plc、车轮轴位传感器d、车号识别装置aei，其中：所述车轮轴位传感器d安装在轨道最前方内侧，用于检测城轨列车的到来并产生相应信号；plc用于接收车轮轴位传感器d传送的信号以控制车号识别装置aei；车号识别装置aei通过车号识别天线获取城轨列车的车号。

现场数据采集单元包括第一工业闪光灯组l1-1、第二工业闪光灯组l1-2、第三工业闪光灯组l2-1、第四工业闪光灯组l2-2、第一光电传感器p1-1、第二光电传感器p1-2、第三光电传感器p2-1、第四光电传感器p2-2、第一工业相机c1、第二工业相机c2；所述第一光电传感器p1-1与第二光电传感器p1-2对称安装于两侧轨道的上方，第三光电传感器p2-1与第四光电传感器p2-2对称安装于两侧轨道的上方，且各光电传感器高度与受电弓升弓时的滑板所在高度一致，用于外部触发第一～二工业相机c1、c2和第一～四工业闪光灯组l1-1、l1-2、l2-1、l2-2；第一工业闪光灯组l1-1与第二工业闪光灯组l1-2分别安装于两侧轨道的上方，第三工业闪光灯组l2-1与第四工业闪光灯组l2-2分别安装于两侧轨道的上方，工业闪光灯组为第一工业相机c1、第二工业相机c2的拍摄提供补光；第一工业相机c1、第二工业相机c2为中心线相机，安装于轨道中心线正上方，用于采集图像。

所述的现场控制单元和现场数据采集单元的采集流程为：当车轮轴位传感器d检测到列车到来时，开启车号识别装置aei；当列车车标经过车号识别装置aei时，车号识别装置aei读取该列车的车号信息，并通过远程传输单元传输至数据分析单元；当第一光电传感器p1-1与第二光电传感器p1-2检测到受电弓时，发送外部触发信号给第一工业相机c1和第一工业闪光灯组l1-1、第二工业闪光灯组l1-2，使二者同时工作；当第二光电传感器p2检测到受电弓时，发送外部触发信号给第二工业相机c2和第三工业闪光灯组l2-1、第四工业闪光灯组l2-2，使二者同时工作，并关闭车号识别装置aei。

一种城轨列车受电弓羊角监测方法，包括以下步骤：

步骤1、原始数据获取：第一工业相机c1获取受电弓滑板前侧面图像，第二工业相机c2获取受电弓滑板后侧面图像，车号识别装置aei获取当前所检测列车的车号信息；

步骤2、图像滤波处理：对步骤1获取的受电弓图像采用高斯滤波算法进行滤波处理；

步骤3、羊角粗定位：根据端点模板匹配对步骤2得到的图像提取受电弓滑板左右端点坐标，并根据端点坐标对步骤2得到的图像进行粗定位；

步骤4、羊角精定位：将羊角模板与步骤3得到的粗定位后的羊角图像进行模板匹配，实现羊角精定位；

步骤5、羊角识别依据判别：通过基于边缘方向的羊角识别依据，对步骤4得到的精定位后的羊角图像进行进一步识别，得到受电弓羊角是否缺失损坏的最终结果。

进一步的，步骤3所述的羊角粗定位，对步骤2得到的图像根据滑板左右端点羊角的实际大小进行羊角截取，得到粗定位羊角图像，具体如下：

步骤3.1、根据受电弓滑板左右端点的特征，通过端点模板匹配得到受电弓滑板的左右端点坐标；

步骤3.2、根据步骤3.1所得的左右端点坐标，结合受电弓在运行时的倾斜角度，设定羊角在图像中所占的区域大小，并从步骤2得到的图像中截取得到粗定位羊角图像。

进一步的，步骤4所述的羊角精定位，从粗定位的羊角图像中获取更精确的羊角位置，以左羊角的精定位为例进行说明，具体如下：

步骤4.1、从步骤3得到的粗定位后的羊角图像中，人工选择几对完整的羊角图像，制作成羊角模板；

步骤4.2、将粗定位的左羊角图像和左羊角模板图像二值化，并将左羊角模板在二值化的左羊角图像中平移得到相应位置的响应函数值，响应函数为：

式中：rl(il,jl)为左羊角图像当前位置响应函数值；nl、ml为左羊角模板图像的行数和列数；il≤nl-nl，jl≤ml-ml，nl、ml为左羊角图像的行数和列数；eml(iml,jml)为左羊角模板二值化图像中iml行jml列的值；el(il+iml-1,jl+jml-1)为左羊角图像二值化图像中il+iml-1行jml-1列的值；

通过取响应函数值中最大的行和列，设定为rl(ilmax,jlmax)，即可得到左羊角横坐标平移变量tlx为jlmax-1，纵坐标平移变量tly为ilmax-1；左羊角模板经平移变换得到：

式中，iml1、jml1分别为左羊角模板平移变换后的行位置和列位置；

步骤4.3、对平移后的左羊角模板进行旋转变换得到：

式中：iml2、jml2分别为左羊角模板旋转变换后的行位置和列位置，α为旋转角度；

将转换后的左羊角模板放入与羊角图行列数相同的图像中，并保持相应位置不变，得到旋转后的响应函数rl(α)为：

通过多次改变α的值，得到最大响应函数值对应的角度αmax，并将αmax最终定为羊角精定位所需的旋转角度，最终确定左羊角精定位模板为：

右羊角精定位模板的确定方法同上。

进一步的，步骤5所述的羊角识别依据判别，是一种基于边缘方向相似度量的依据，该方法不受外界环境的影响，以左羊角为例进行说明，具体方法如下：

步骤5.1、设定一个响应函数值rmin，并将其与步骤4.3所求的最大响应函数值比较，若监测出的最大响应函数值rl小于rmin，则此左羊角一定缺失，无需进行后续识别；若监测出的最大响应函数值rl大于rmin，则进入下一步识别；

步骤5.2、分别对左羊角的模板图像和待监测图像进行边缘检测。

步骤5.3、将每个点的方向向量进行归一化处理，然后采用式(6)作为相似度量。

式中：(xmk,ymk)为模板边缘点的方向向量；(xk,yk)为待检测图像边缘点的方向向量；n为模板边缘点的个数；m为待检测图像边缘点的个数；(imk,jmk)为模板边缘点的坐标；(ik,jk)为待检测图像边缘点的坐标。

通过相似度量s即可判别出待识别左羊角的完整程度。当相似度量s小于人为设定的相似度量阈值smin时，则判定左羊角缺失，并进行报警；当相似度量s大于相似度量阈值smin时，则判定左羊角可正常使用，并且可以估测出左羊角的使用期限；

右羊角缺失的判定方法同上。

实施例1

本实施例中城轨列车受电弓羊角监测装置，包括现场控制单元、现场数据采集单元、远程传输单元、数据分析单元、数据存储与发布单元、客户端访问单元。其中，现场控制单元检测列车的到来并获取列车车号信息；现场数据采集单元用于受电弓原始图像的采集；远程传输单元用于现场与设备房间的数据传输；数据分析单元对接收到的图像进行处理；数据存储与发布单元用于数据的存储与发布；客户端访问单元用于远程访问。

结合图2(a)～(b)，现场控制单元包括plc、车轮轴位传感器d、车号识别装置aei，其中：

所述车轮轴位传感器d安装在轨道最前方内侧，用于检测城轨列车的到来并产生相应信号；plc用于接收车轮轴位传感器d传送的信号以控制车号识别装置aei；车号识别装置aei通过车号识别天线获取城轨列车的车号。

现场数据采集单元包括第一工业闪光灯组l1-1、第二工业闪光灯组l1-2、第三工业闪光灯组l2-1、第四工业闪光灯组l2-2、第一光电传感器p1-1、第二光电传感器p1-2、第三光电传感器p2-1、第四光电传感器p2-2、第一工业相机c1、第二工业相机c2；所述第一光电传感器p1-1与第二光电传感器p1-2对称安装于两侧轨道的上方，第三光电传感器p2-1与第四光电传感器p2-2对称安装于两侧轨道的上方，且各光电传感器高度与受电弓升弓时的滑板所在高度一致，用于外部触发第一～二工业相机c1、c2和第一～四工业闪光灯组l1-1、l1-2、l2-1、l2-2；第一工业闪光灯组l1-1与第二工业闪光灯组l1-2分别安装于两侧轨道的上方，第三工业闪光灯组l2-1与第四工业闪光灯组l2-2分别安装于两侧轨道的上方，工业闪光灯组为第一工业相机c1、第二工业相机c2的拍摄提供补光；第一工业相机c1、第二工业相机c2为中心线相机，安装于轨道中心线正上方，用于采集图像。

所述的采集系统的采集流程为：当车轮轴位传感器d检测到列车到来时，开启车号识别装置aei；当列车车标经过车号识别装置aei时，车号识别装置aei读取该列车的车号信息，并通过远程传输单元传输至数据分析单元；当第一光电传感器p1-1与第二光电传感器p1-2检测到受电弓时，发送外部触发信号给第一工业相机c1和第一工业闪光灯组l1-1、第二工业闪光灯组l1-2，使二者同时工作；当第二光电传感器p2检测到受电弓时，发送外部触发信号给第二工业相机c2和第三工业闪光灯组l2-1、第四工业闪光灯组l2-2，使二者同时工作，并关闭车号识别装置aei。

本实施例中城轨列车受电弓羊角监测方法，包括以下步骤：

步骤1、原始数据获取：原始数据由正反工业相机和车号识别装置采集获取。第一工业相机c1获取受电弓滑板前侧面图像，第二工业相机c2获取受电弓滑板后侧面图像，车号识别装置aei获取当前所检测列车的车号信息。

步骤2、图像滤波处理：对正反相机采集的受电弓图像采用高斯滤波算法进行滤波处理；

步骤3、羊角粗定位：根据端点模板匹配对步骤2得到的图像提取受电弓滑板左右端点坐标，并根据端点坐标对步骤2得到的图像进行粗定位，具体步骤如下：

(3.1)根据受电弓滑板左右端点的特征，通过端点模板匹配得到受电弓滑板的左右端点坐标。

(3.2)根据步骤(3.1)所得的左右端点坐标，结合受电弓在运行时的倾斜角度，设定羊角在图像中所占的区域大小，并从步骤2得到的图像中截取得到粗定位羊角图像。

步骤4、羊角精定位：通过人工设计的羊角模板与步骤3得到的羊角图像进行模板匹配，实现羊角精定位。具体步骤如下：

(4.1)从步骤3得到的粗定位后的羊角图像中，人工选择几对完整的羊角图像，制作成羊角模板；

(4.2)将粗定位的左羊角图像和左羊角模板图像二值化，并将左羊角模板在二值化的左羊角图像中平移得到相应位置的响应函数值，响应函数为：

式中：rl(il,jl)为左羊角图像当前位置响应函数值；nl、ml为左羊角模板图像的行数和列数；il≤nl-nl，jl≤ml-ml，nl、ml为左羊角图像的行数和列数；eml(iml,jml)为左羊角模板二值化图像中iml行jml列的值；el(il+iml-1,jl+jml-1)为左羊角图像二值化图像中il+iml-1行jml-1列的值；

通过取响应函数值中最大的行和列，设定为rl(ilmax,jlmax)，即可得到左羊角横坐标平移变量tlx为jlmax-1，纵坐标平移变量tly为ilmax-1；左羊角模板经平移变换得到：

式中，iml1、jml1分别为左羊角模板平移变换后的行位置和列位置；

(4.3)对平移后的左羊角模板进行旋转变换得到：

式中：iml2、jml2分别为左羊角模板旋转变换后的行位置和列位置，α为旋转角度；

将转换后的左羊角模板放入与羊角图行列数相同的图像中，并保持相应位置不变，得到旋转后的响应函数rl(α)为：

通过多次改变α的值，得到最大响应函数值对应的角度αmax，并将αmax最终定为羊角精定位所需的旋转角度，最终确定左羊角精定位模板为：

右羊角精定位模板的确定方法同上。

步骤5、羊角识别依据判别：通过基于边缘方向的羊角识别依据对步骤4得到的羊角图像进行进一步识别，得到受电弓羊角是否缺失损坏的最终结果。以左羊角为例进行说明，具体方法如下：

(5.1)设定一个响应函数值rmin，并将其与步骤4.3所求的最大响应函数值比较，若监测出的最大响应函数值rl小于rmin，则判定此左羊角缺失，无需进行后续识别；若监测出的最大响应函数值rl大于rmin，则进入下一步识别；

(5.2)分别对左羊角的模板图像和待监测图像进行边缘检测。

(5.3)将每个点的方向向量进行归一化处理，然后采用式(6)作为相似度量：

式中：(xmk,ymk)为模板边缘点的方向向量；(xk,yk)为待检测图像边缘点的方向向量；n为模板边缘点的个数；m为待检测图像边缘点的个数；(imk,jmk)为模板边缘点的坐标；(ik,jk)为待检测图像边缘点的坐标。

通过相似度量s即可判别出待识别左羊角的完整程度：当相似度量s小于设定的相似度量阈值smin时，则判定左羊角缺失，并进行报警；当相似度量s大于相似度量阈值smin时，则判定左羊角能够正常使用，并且估测出左羊角的使用期限。

右羊角缺失的判定方法同上。

根据步骤1的数据获取方法，得到如图3所示的受电弓原始图像。通过步骤2对图像进行高斯滤波预处理，得到滤除部分噪声的图像。

根据步骤3中的方法，利用如图4(a)～(b)羊角模板图像，根据端点模板匹配获取受电弓滑板左右端点坐标，并根据端点坐标对预处理得到的图像进行粗定位得到如图5所示。

根据步骤4中的方法，得到左羊角图像和左羊角模板图像二值化值el(il+iml-1,jl+jml-1)、eml(iml,jml)、图像响应函数值rl(il,jl)和经过平移旋转后的响应函数rl(α)。通过多次改变α的值可得到最大响应函数值对应的角度αmax，最终确定左羊角精定位图像如图6(a)～(b)所示。

根据步骤5中的方法，在经过大量数据实验后，人为设定的响应函数值阈值rmin为7000，人为设定的相似度量阈值smin为0.6。通过基于边缘方向的羊角识别依据对步骤4得到的羊角图像进行进一步识别得到相似度量s，并根据s对受电弓羊角是否缺失进行判别得到最终结果。

综上可知，本发明能够实现对羊角的非接触式监测，具有监测效率高、精度高、对工作人员有安全保障的优点。同时，有效的避免了光照变化对监测结果的影响。