一种车载式弓网硬点冲击检测系统及其检测方法与流程

本发明属于车体检测技术领域，具体涉及一种车载式弓网硬点冲击检测系统及其检测方法。

背景技术

机车运行时，在受电弓与接触线的接触面上，其接触力突然变化处称为接触网硬点。硬点是影响弓网关系的主要因素之一，主要危害有机械伤害和电弧伤害。机械伤害主要会造成受电弓、接触网的轻微碰伤和刮伤，破坏弓网间的正常接触取流，加大接触网导线和受电弓滑板的磨耗。而电弧伤害表现为弓网离线瞬间产生的高温电弧，将对受电弓弓头造成点蚀和汽化，同时接触网因高温产生较大的内部应力，将引起局部退火，致使容易因张力而拉断。因此，硬点的发生会对受电弓、接触网、机车电器、牵引电机、牵引变压器和整个机车供电系统造成破坏

目前现有检测手段主要为接触式检测，通过压力及加速度传感器安装于受电弓特定位置，在弓网配合过程中实时检测出受电弓的受电情况及不同方向上的加速度。与本发明相比都是通过车载实时动态检测，输出项都是通过受电弓运行状态来间接反映弓网配合时硬点冲击现象，定量分析及硬点冲击加速度。但现有检测手段存在以下缺点：1、存在安全隐患：该检测手段主要为接触式检测，必须把传感器安装于受电弓特定位置，由于受电弓为车载弓网配合过程中关键部件，必然带来安全隐患。2、工作稳定性差：弓网受流过程中，受电弓上会有dc1500v电压，必须做高压绝缘处理以及增加电磁抗干扰能力，增大了安装工艺要求及传感器性能要求。3、检测条件受限：通过以上两点影响，现在检测装置只能安装于实验列车上，涉及安全影响不能安装于运营列车进行全天候实时检测；4、偏离实际工况：现有技术只能安装于实验列车上检测，与实际工况不符，而真正硬点冲击现象发生于实际列车载客运营过程中。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明主要解决现有检测方式所带来的问题点，通过本发明装置能实时动态检测列车在正常运营过程中弓网配合的硬点冲击现象，并定量分析其硬点加速度。指导相关部门及时处理，减少弓网事故。

一种车载式弓网硬点冲击检测系统，包括车顶图像采集模块、车内数据分析模块和终端实时告警模块，车顶图像采集模块与车内数据分析模块和终端实时告警模块之间无线连接或电连接；车顶图像采集模块包括高速摄像机、高光补光装置和特殊感光材料；高速摄像机安装在车体上，高光补光装置安装在高速摄像机的一侧，特殊感光材料安装在受电弓上。

优选的，特殊感光材料通过特定粘贴方式固定于受电弓上；高速摄像机与高光补光装置通过特定固定座与车体刚性连接，高速摄像机与高光补光装置的数量均为2，分别为第一高速摄像机和第二高速摄像机，第一高光补光装置和第二高光补光装置；第一高速摄像机与第一高光补光装置设置在特殊感光材料的一侧，第二高速摄像机与第二高光补光装置设置在感光材料的另一侧。

优选的，车内数据分析模块包括位置追踪模块、专用图像处理模块和车底振动补偿模块；位置追踪模块实时追踪所述受电弓位置，通过专用图像处理模块对比受电弓前后图像位置，计算出各方向上的位移量，结合车底振动补偿模块进行位置补偿，经过多维度数据融合分析，最终计算出硬点冲击加速度。

优选的，高速摄像机、高光补光装置、位置追踪模块、专用图像处理模块和车底振动补偿模块均设置有自检功能，其异常工作状态及检测结果及时传达终端实时告警模块。

一种车载式弓网硬点冲击检测系统的检测方法，包括以下步骤：步骤a：确定所述受电弓在相机坐标系统内各个方向上的位置变化；步骤b：实时追踪所述受电弓位置，通过对比所述受电弓图像的前后位置，计算出所述受电弓在各方向上的位移量，结合车体晃动补偿装置进行位置补偿，经过多维度数据融合分析，最终计算出硬点冲击加速度。步骤c：终端实时告警模块发出警报，及时排查故障。

优选的，步骤a之前具体包括步骤a0：由于感光材料在相机坐标系内计算的相对位置变化量是像素变化，像素变化量需要转化成受电弓实际位移量，需要在前期对相机进行标定，通过专用标定板，确定相机像素对应的实际位移量。

优选的，步骤a之前具体包括步骤a01：前期调试，对车顶采集模块进行图像链路及成像效果调试，确认各传感器传输链路情况是否正常，正常则启动所述车顶图像采集模块进行弓网硬点检测；异常则通过终端实时告警模块报告异常点，然后检修。

优选的，步骤a具体包括步骤a1：在各模块正常运行情况下，高速摄像机捕捉所述特定感光材料的位置变化，通过对比感光材料在相机坐标系统内的前后位置变化，由于特定感光材料是固定于受电弓支架上，从而可以间接确定受电弓在各个方向上的位置变化。

优选的，步骤b具体包括步骤b1：确定了受电弓在各个方向上的位置变化后，数据上传到车内数据处理模块，位置追踪模块通过位置追踪算法，实时追踪受电弓位置；专用图像处理模块内的专用图像处理软件，通过受电弓前后图像位置对比，计算出各方向上的位移量；再结合安装在列车车底的车底振动补偿模块进行位置补偿，车底振动补偿模块实时监测列车相对于铁轨的偏移量，并把偏移量补偿到受电弓所计算出来的偏移量上。

优选的，步骤c具体包括步骤c1：通过车内数据分析模块计算出受电弓硬点并自动进行信息记录，硬点包括固有硬点、弹性硬点和速度硬点；通过终端实时告警模块发出警报提醒相关部门注意硬点冲击事故点位置，及时响应排查故障。

采用本发明的一种车载式弓网硬点冲击检测系统及其检测方法存在以下优点：1、全天候实时检测，由于本发明装置采用非接触式检测方式，不受特定环境下安装工艺限制。2、检测精度高，本发明装置采用高相机高帧率摄像机，最小分辨率达到0.5mm。3、检测环境贴近实况，本发明装置安装于正常运营载客列车上，在真实运营环境中实时检测，更能真实反映列车运营实况下的硬点冲击现象，分析结果真实可靠。4、安装调试方便，实用性强；由于本发明装置体积小，便车车载安装调试，可大面积推广。

附图说明

图1为本发明较佳实施例所提供的框架示意图。

图2为本发明的受电弓受力示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，一种车载式弓网硬点冲击检测系统，包括车顶图像采集模块、车内数据分析模块和终端实时告警模块，车顶图像采集模块与车内数据分析模块和终端实时告警模块之间无线连接或电连接；车顶图像采集模块包括高速摄像机、高光补光装置和特殊感光材料；高速摄像机安装在车体上，高光补光装置安装在高速摄像机的一侧，可以在受电弓上的特殊感光材料各部分细节能获得恰当的曝光，拍摄更清晰。高速摄像机与高光补光装置通过特定固定座与车体刚性连接，满足车体运行过程中的振动冲击要求；特殊感光材料通过特定粘贴方式固定于受电弓上，满足受电弓运行过程中受冲击力的影响。高速摄像机及高亮补光装置安装位置可根据不同车体项目的需求而特定定制，能适应大多数安装要求。

更优的，特殊感光材料通过特定粘贴方式固定于受电弓上；高速摄像机与高光补光装置通过特定固定座与车体刚性连接，高速摄像机与高光补光装置的数量均为2，分别为第一高速摄像机和第二高速摄像机，第一高光补光装置和第二高光补光装置；第一高速摄像机与第一高光补光装置设置在特殊感光材料的一侧，第二高速摄像机与第二高光补光装置设置在感光材料的另一侧。特殊感光材料的两侧分别设置高速摄像机和高光补光装置，可以从各个方位多角度捕捉到特殊感光材料的变化，根据需要，可以在其他角度增加高速摄像机的数量和高光补光装置的数量，更加全面的捕捉到特殊感光材料的位置变化，从而更加全面的确定受电弓在各个方向上的位置变化。

更优的，车内数据分析模块包括位置追踪模块、专用图像处理模块和车底振动补偿模块；位置追踪模块实时追踪所述受电弓位置，通过专用图像处理模块对比受电弓前后图像位置，计算出各方向上的位移量，结合车底振动补偿模块进行位置补偿，经过多维度数据融合分析，最终计算出硬点冲击加速度。正常运行情况下车顶图像采集模块按固定帧率高速采集感光材料在各个方向上的位置变化，通过专用数据线上传到车内数据处理模块，位置追踪模块通过位置追踪算法，实时追踪受电弓位置；专用图像处理模块内的专用图像处理软件，通过前后受电弓图像位置对比，计算出各方向上的位移量；再结合车底振动补偿模块的车体晃动补偿装置进行位置补偿，经过多维度数据融合分析，最终计算出硬点冲击加速度。

更优的，高速摄像机、高光补光装置、位置追踪模块、专用图像处理模块和车底振动补偿模块均设置有自检功能，其异常工作状态及检测结果及时传达终端实时告警模块。该发明装置系统主要采用无人值守设计理念，正常情况下无需人员进行操作，而且该装置各模块都有自检功能，其异常工作状态及检测结果及时上传到终端实时告警模块的警报装置，警报装置通过设置好的数据，针对不同的异常情况发出不同的警报，使得警报接收者能第一时间判断警报类型和异常位置，更快更优的处理好异常情况，使得整个装置和车体更有序的工作。

一种车载式弓网硬点冲击检测系统的检测方法，包括以下步骤：步骤a：确定所述受电弓在相机坐标系统内各个方向上的位置变化；步骤b：实时追踪所述受电弓位置，通过对比所述受电弓图像的前后位置，计算出所述受电弓在各方向上的位移量，结合车体晃动补偿装置进行位置补偿，经过多维度数据融合分析，最终计算出硬点冲击加速度。步骤c：终端实时告警模块发出警报，及时排查故障。

更优的，步骤a之前具体包括步骤a0：由于感光材料在相机坐标系内计算的相对位置变化量是像素变化，像素变化量需要转化成受电弓实际位移量，需要在前期对相机进行标定，通过专用标定板，确定相机像素对应的实际位移量。如一个像素代表0.5mm的位移量；可以根据需要设定像素代表的位移量。

优选的，步骤a之前具体包括步骤a01：前期调试，对车顶采集模块进行图像链路及成像效果调试，确认各传感器传输链路情况是否正常，正常则启动所述车顶图像采集模块进行弓网硬点检测；异常则通过终端实时告警模块报告异常点，然后检修。

优选的，步骤a具体包括步骤a1：在各模块正常运行情况下，高速摄像机捕捉所述特定感光材料的位置变化，通过对比感光材料在相机坐标系统内的前后位置变化，由于特定感光材料是固定于受电弓支架上，从而可以间接确定受电弓在各个方向上的位置变化。

优选的，步骤b具体包括步骤b1：确定了受电弓在各个方向上的位置变化后，数据上传到车内数据处理模块，位置追踪模块通过位置追踪算法，实时追踪受电弓位置；专用图像处理模块内的专用图像处理软件，通过受电弓前后图像位置对比，计算出各方向上的位移量；再结合安装在列车车底的车底振动补偿模块进行位置补偿，车底振动补偿模块实时监测列车相对于铁轨的偏移量，并把偏移量补偿到受电弓所计算出来的偏移量上。由于高速摄像机安装于列车车顶位置，列车在高速运动过程中，会有振动，高速摄像机也会随车体上下左右振动，从而会对感光材料的定位产生影响，为了减少因车体振动对定位的影响，通过在列车车底安装车底振动补偿模块，车底振动补偿模块实时监测列车相对于铁轨的偏移量，并把偏移量补偿到受电弓所计算出来的偏移量上。

优选的，步骤c具体包括步骤c1：通过车内数据分析模块计算出受电弓硬点并自动进行信息记录，硬点包括固有硬点、弹性硬点和速度硬点；通过终端实时告警模块发出警报提醒相关部门注意硬点冲击事故点位置，及时响应排查故障。

本发明的检测原理：硬点主要分为三种，分别是“固有硬点”、“弹性硬点”、“速度硬点”；产生的原因分别为：

固有硬点：在接触网接点、区分绝缘器、定位装置以及中心锚结等处，接触线柔韧性变差或形成集中质量而产生固有硬点。

弹性硬点：受电弓或接触线受到某种激扰，使二者的协调关系被破坏，进而受电弓与接触线之间即产生冲撞而产生冲击力，从而形成弹性硬点。

速度硬点：机车速度达到一定值(如速度大于160km/h时)，在每个定位点处将产生对受电弓的冲击，进而形成速度硬点。

但无论是哪种硬点，他们的集中表现是接触线与受电弓之间的接触力产生大的突变，进而根据牛顿第二定律，受电弓的瞬时加速度也将产生大的突变，而受电弓的初始速度要远小于这一冲击加速度，所以受电弓的空间位置也将在很短的时间内产生很大的变化。硬点出现时的直接表现形式是弓网接触力的突变，也即受电弓所受合力大小的突然增加，这会导致受电弓在垂直方向上在很短的时间内产生很大的位移，进而可以在视觉上进行识别。这也是基于视觉的硬点检测的基本依据。

请参阅图2，下面对硬点的视觉检测作一下可行性分析其中，p为受电弓接触压力，q为受电弓自身重力，f1和f2为受电弓支撑结构对受电弓的支撑力，上面的量满足如下关系：

p＝f1+f2+ma-q，其中m为受电弓质量，a为受电弓加速度。

方程移项得p-(f1+f2)+q＝ma，其中，支撑力f1+f2的大小由受电弓的缓冲装置提供，该装置类似弹簧，而非刚体，所以它不可能随接触压力p同步变化，而q为受电弓自身重力，为常量。当由于某种原因接触压力p产生突变，而支撑力f1+f2来不及变化，则受电弓所受合力的大小将突然增加，进而产生加速度大小的突然增加，传统的检测方法即依据此加速度大小的突变来判别硬点；而加速度大小的突然增大必然会使受电弓在垂直方向上的位移在很短时间内产生很大变化。我们的视觉检测方法即以此为依据。

请参阅图1-2，本发明主要采用机器视觉非接触式检测方式，在地铁运营载客列车车顶上安装高速摄像机，实时监视弓网状态，在机车受电弓上安装特定感光材料，通过特定补光系统把感光材料位置漫反射到高速摄像机内，通过定位感光材料来实时追踪受电弓位置状态，当受电弓受到硬点冲击时，通过高速摄像机光电信号传输和数据处理，实时图像分析出受电弓硬点冲击前后位置变化量，从而计算出硬点冲击加速度，并进行自动记录超限信息，提醒相关部门注意硬点冲击事故点位置，及时响应排查故障。本发明装置的优点在于：1、全天候实时检测：由于本发明装置采用非接触式检测方式，不受特定环境下安装工艺限制。2、检测精度高：本发明装置采用高相机高帧率摄像机，最小分辨率达到0.5mm。3、检测环境贴近实况：本发明装置安装于正常运营载客列车上，在真实运营环境中实时检测，更能真实反映列车运营实况下的硬点冲击现象，分析结果真实可靠。4、安装调试方便，实用性强：由于本发明装置体积小，便车车载安装调试，可大面积推广。

本文所述的仅为运用本发明的一个实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。