接触网偏移量的检测方法及其检测系统 【技术领域】
本发明属于电气化铁路的电力接触网于自然外力作用下的位移检测和分析技术，具体的涉及一种采用非接触式测量的接触网偏移量的检测方法及其检测系统。
背景技术
电气化铁路接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路。其一般由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。电气化铁路接触网担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务。因此电气化铁路接触网的质量和工作状态将直接影响着电气化铁道的运输能力。由于接触网是露天设置，没有备用，线路上的负荷又是随着电力机车的运行而沿接触线移动和变化的，在高速运行和恶劣的气候条件下，接触网应能保证电力机车正常取流，要求在机械结构上具有稳定性和足够的弹性。
电气化铁路接触网偏移量影响列车的安全运行，大风环境下的接触网偏移量更是引发弓网事故的重要原因。我国西北地区的电气化铁路处于全年大风频繁的环境中，风速最高可达64m/s，是十二级风底限值的近2倍。对接触网进行大风偏移量的检测，以及时了解接触网的安全状态，指导安全行车成为保证列车安全运行的重要课题。
【发明内容】
本发明提供了一种接触网偏移量的检测方法及其检测系统，其能够实时检测大风环境下接触网接触导线、承力索、和附加导线在跨中、悬挂点处的偏移值；实时记录其振幅、频率、扭转角度及相应的时程曲线，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实时状态数据支撑。本发明所采用的检测方法和检测系统完全与地面电隔离，因此具有无需高压防护；以及接触网电噪声对系统影响较小，基本不对检测结果产生干扰的优点。
本发明中接触网偏移量的检测方法所采用的技术方案如下：
一种接触网偏移量的检测方法，用于电气化铁路接触网在自然外力影响下的偏移量检测和分析，其特征在于所述检测方法包括：
在接触网的检测点处设置检测标靶；
采用摄像机捕捉自然外力作用下的检测标靶在三维空间内的位移，于该摄像机上取得检测标靶于摄像机成像平面的二维图像的偏移值，计算得到接触网所述检测点的偏移量。
具体地讲，所述监测方法进一步包括：
将摄像机安装固定于接触网立柱上，在摄像机的远方背景中设置静态地面标靶；采用摄像机取得该静态地面际靶于摄像机成像平面的偏移量；将该静态地面标靶的偏移量引入所述接触网检测点的偏移量进行校正，得到接触网检测点的绝对偏移量。
另一方面，该检测方法进一步包括：
在接触网的接触导线、承力索和吊弦上分别设置检测点，在检测点处利用夹具固定覆有区别于背景环境的反光膜的检测标靶；在接触网的立柱上还设置有全景球机，检测接触网的相邻接触网立柱坠坨、棘轮、隔离开关以及安装于接触网立柱旁的绝缘子和悬挂点；
所述接触导线、承力索和吊弦上分别设置检测点包括位于接触导线、承力索和吊弦的悬挂点处，和接触导线、承力索和吊弦的跨中处。
其中，该检测方法进一步包括：
采用面阵CCD摄像机作为检测标靶的位移检测工具，该面阵CCD摄像机配置设置照明光源，所述照明光源的照明方向与面阵CCD摄像机的取景方向相同。
再一方面，该检测方法进一步包括：
分别采用面阵CCD摄像机对每个检测标靶的位移进行检测图像的采集，将采集到的视频图像信号传送至偏移量计算机处理终端；
同时采用风速仪测试接触网偏移量地实时风速。
本发明中接触网偏移量的检测系统所采用的技术方案如下：
一种接触网偏移量的检测系统，用于电气化铁路接触网在自然外力影响下的偏移量检测和分析，其特征在于所述检测系统包括：
检测标靶，设置于接触网的检测点处；
面阵CCD摄像机，设置于接触网立柱上，用于获取检测标靶于自然外力作用下的偏移量；
偏移量计算机处理终端，通讯连接所述面阵CCD摄像机，用于对检测标靶的偏移量进行计算。
具体地讲，所述检测系统进一步包括：
静态地面标靶，相对于地面静态设置，所述静态地面标靶位于面阵CCD摄像机的取像背景内。
所述检测点为设置于在接触网的接触导线、承力索和吊弦上设置的检测点；包括位于接触导线、承力索和吊弦的悬挂点处，和接触导线、承力索和吊弦的跨中处的检测点。
所述检测标靶为分布设置的多个，所述检测标靶覆设有区别于背景环境的反光膜，每个检测标靶配置设置一面阵CCD摄像机，该面阵CCD摄像机配置设置有照明光源，该述照明光源的照明方向与面阵CCD摄像机的取景方向相同。
另一方面，所述检测系统进一步包括：
全景球机，该全景球机固定设置于接触网立柱的顶部，用于监测接触网的相邻接触网立柱坠坨、棘轮、隔离开关以及安装于接触网立柱旁的绝缘子和悬挂点。
本发明主要用于对大风环境等自然外力作用下接触网的接触导线、承力索和附加导线如吊弦在跨中、悬挂点处包括平移、抬升和扭转偏移值的实时检测，并实时记录测点振幅、频率、扭转角及相应的时程曲线，为大风或其他自然外力环境下电气化线路列车安全运行和接触网维护提供在线数据支撑。
进行接触网位移检测的传感器按是否接触于被测物体表面可将测量方法分为接触式测量和非接触式测量。由于现场恶劣的大风环境，本发明采用基于计算机视觉检测和模式识别的非接触式测量方法检测测点风偏量。该检测方法和检测系统完全与地面电相隔离，无需高压防护，且接触网电噪声对系统影响很小，基本不对检测结果产生干扰。
本发明采用不影响受电弓受电的前提下，在被检测接触网断面中的接触线、承力索、吊弦、立柱等被检测对象上附着检测标识的方法，采用视觉检测原理，摄像机安装在接触网支柱上，当装置用于悬挂定位点处接触网断面接触线、吊弦偏移、抬升及扭转检测时，对相邻立柱悬挂点处接触网断面附近成像；当装置用于跨中接触网断面接触线、承力索偏移、抬升及扭转检测时，对跨中接触网断面附近成像。在摄像机所成像幅中包含相邻的立柱和远方背景。同时可采用测风仪实时检测风速和风向。
检测标识具有一定的光亮度，在摄像机像幅中检测标识能显著区别于背景；通过比较摄像机视频相邻像幅中同一检测标识的位置差异计算被检测对象的运动；通过比较摄像机视频相邻像幅中对象的检测标识与立柱上检测标识的位置差异计算被检测对象的绝对位移；通过比较摄像机视频相邻像幅中立柱上检测标识与远方背景的位置差异计算立柱绝对位移。将CCD视频相邻像幅中同一检测标识的形状取向进行比较，可以计算出检测对象的扭转。将上述检测到的位移与运动量以时间为参照保存并绘制成曲线，即为振幅、扭转角度及相应的时程曲线，对时程曲线进行分析即得被检测对象的运动频率。
本发明的有益效果在于，该接触网偏移量的检测方法及其检测系统完全与地面电隔离，无需高压防护；接触网电噪声对系统影响很小，基本不对检测结果产生干扰。能够实时检测大风环境下接触网接触导线、承力索、和附加导线在跨中、悬挂点处的偏移值；实时记录其振幅、频率、扭转角度及相应的时程曲线，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。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。
【附图说明】
图1是本发明具体实施方式中接触网偏移量的检测系统的检测部分示意图。
图2是本发明具体实施方式中摄像机三维空间投影测量原理图；
图3是本发明具体实施方式中，静态地面靶标在摄像机成像平面内位置变化计算原理图。
【具体实施方式】
该接触网偏移量的检测方法系用于电气化铁路接触网在自然外力影响下，例如大风环境对接触网形成的偏移量的检测和分析，其主要实现如下功能：
1.接触网接触导线、承力索和吊弦处各测点在大风作用下的平移、抬升和扭转；
2.大风环境下接触网立柱的振动幅值及频率；
3.实时监测挡风墙内侧接触导线处的风速、风向；
4.实时监控包括坠坨、滑轮、平衡板、绝缘子、隔离开关和附加导线等接触网关键部件的运动状态；
5.分析不同风速下的检测点振动主频和各检测点振幅与风速的统计对应关系。
该检测方法采用在接触网的检测点处设置检测标靶；并利用面阵CCD摄像机捕捉自然外力作用下的检测标靶在三维空间内的位移，于该摄像机上取得检测标靶于摄像机成像平面的二维图像的偏移值，计算得到接触网所述检测点的偏移量。面阵CCD摄像机配置设置照明光源，照明光源的照明方向与面阵CCD摄像机的取景方向相同。摄像机安装固定于接触网立柱上，在接触网的接触导线、承力索和吊弦上分别设置检测点，在检测点处利用夹具固定覆有区别于背景环境的反光膜的检测标靶；在接触网的立柱上还设置有全景球机，检测接触网的相邻接触网立柱坠坨、棘轮、隔离开关以及安装于接触网立柱旁的绝缘子和悬挂点；在摄像机的远方背景中设置静态地面标靶；采用摄像机取得该静态地面标靶于摄像机成像平面的偏移量；将该静态地面标靶的偏移量引入所述接触网检测点的偏移量进行校正，得到接触网检测点的绝对偏移量。
其中，分别采用面阵CCD摄像机对每个检测标靶的位移进行检测图像的采集，可将采集到的视频图像信号传送至偏移量计算机处理终端；同时还可采用风速仪测试接触网偏移量的实时风速。
该接触网偏移量的检测系统系用于电气化铁路接触网在自然外力影响下的偏移量检测和分析，下面结合附图对该检测系统作进一步的实施说明。
如图1所示，该检测系统的检测部分设置于电气化铁路的接触网上，接触网架设在接触网立柱110、120之间，该检测系统对该段接触网的在大风影响下的偏移量进行实时检测。其主要包括检测标靶150和160，检测标靶150为接触网的接触导线173、承力索172、吊弦174和附加导线171的跨中处的检测点；160检测标靶为接触网的接触导线173、承力索172、吊弦174的悬挂点处的检测点。检测标靶150和160上设置有红色反光膜，可使检测标靶在白天成像特性为红色，在夜间成像特性为白色，能显著区别于环境背景。测点靶标可通过夹具安装于测试点位置。两部面阵CCD摄像机140则设置于接触网立柱110上，用于获取检测标靶150盒160于大风作用下的偏移量；每个面阵CCD摄像机分别配置照明光源130，该述照明光源的照明方向与该面阵CCD摄像机的取景方向相同。面阵CCD摄像机140通过光纤190通讯连接偏移量计算机处理终端，用于对检测标靶的偏移量进行计算和分析。在面阵CCD摄像机的取像背景内还设置有静态地面标靶180，其相对于地面静态设置，可固定设置于接触网立柱120旁，如此可通过面阵CCD摄像机取得该静态地面标靶于摄像机成像平面的偏移量；将该静态地面标靶的偏移量引入接触网检测点的偏移量进行校正，得到接触网检测点的绝对偏移量。
另外，在接触网立柱120的顶部，还可安装设置全景球机，用以监控相邻柱坠坨、棘轮、隔离开关以及安装立柱旁的绝缘子和悬挂点等。全景球机的监控可采用定时巡点方式。
上述监测系统的检测部分的视频信号与控制信号经光纤传输至中心机房，中心机房的偏移量计算机处理终端对视频信号进行图像采集和录像采集，并将生成的监测图像序列交由风偏量计算程序处理，得到各测点的风偏移量。
如图2，面阵CCD摄像机检测偏移量的原理如下：
在检测标靶上取三个点A、B、C形成三维空间测点目标，三维空间测点靶面目标在摄像机的二维投影平面上形成二维图像a、b、c。如图2所示，呈空间分布的三个等大小标识矩形A、B、C经成像透镜O投影在CCD靶面上形成a、b、c三个投影像。标识矩形A、C所在平面与B所在平面平行并垂直于投影光轴。设镜头焦距为F；A、C所在平面与成像透镜O的光学主面的距离为D1；B所在平面距离透镜O的光学主面距离为D2；标识矩形的线度为L，投影矩形的大小分别为La、Lb、Lc。以任意标识A为例，定义Ka如下：
Ka=LLa]]>
则Ka为常数，此常数可由实时标定方程求得。
假设标识A的面内实际移量为ΔA，对应的CCD面内位移为Δa，则：
ΔA＝Ka·Δa
标识的空间面内扭转角度与标识在CCD靶面内投影像的旋转角度相同，只要检测到CCD靶面内标识投影像的旋转角度即为标识对象的扭转角度。
由于大风环境下接触网立柱产生的振动，直接计算得到的检测点风偏移量并不是检测点的绝对风偏移量，可在每根接触网立柱的远方背景中设置有地面静态靶标，用于校正检测点风偏移量。
如图3所示，若地面靶标在CCD摄像机成像平面内初始时刻位置为(x0，y0，α1)，下一时刻位置为(x1，y1，α2)，可将地面靶标在成像平面内的运动分解为两部分：
1.摄像机绕成像平面中心点旋转θ(θ＝α2-α1)角(摄像机旋转角与静态靶标旋转角相同)，地面靶标成像中心位置偏移到(x0′，y0′，α2)，则由摄像机转动引起的靶标位置变化为：
x0′y0′=cosθ-sinθsinθcosθ·x0y0]]>
2.靶标中心点由(x0′，y0′，α2)平移到(x1，y1，α2)，此时成像平面内地面靶标的平移偏量即为摄像机沿两个坐标轴方向平动(即接触网立柱沿成像平面坐标轴的振动)而引起的平移偏量。
ΔxΔy=x1y1-x0′y0′=x1y1-cosθ-sinθsinθcosθ·x0y0]]>
因此根据地面靶标在成像平面内的位置变化可得出立柱的振动偏移量为：
ΔϵΔη=usFΔxΔy]]>
其中F——摄像机焦距
us——地面靶标物距，且us＝Ka×F
若检测点靶标在成像平面内初始时刻位置为(xc0，yc0，αc0)，下一时刻靶标检测点位置为(xc1，yc1，αc1)，则检测点靶标的实际偏移(Δxc，Δyc，Δαc)应排除掉摄像机晃动引起的检测点靶标偏移(Δxc′，Δyc′，Δαc′)。
由于
Δxc′=FucΔϵ,]]>Δyc′=FucΔη]]>
其中uc为测点靶标物距；
Δxc′Δyc′Δαc′=FucΔϵΔη0+cosθ-1-sinθ0-sinθcosθ-10001·xc0yc0θ]]>
则测点靶标的绝对偏移为：
ΔxcΔycΔαc=xc1-xc0yc1-yc0αc1-αc0-Δxc′Δyc′Δαc′]]>
如此，采用偏移量计算机处理终端可以比较摄像机视频相邻像幅中同一检测标识的位置差异计算被检测对象的运动；通过比较摄像机视频相邻像幅中对象的检测标识与立柱上检测标识的位置差异计算被检测对象的绝对位移；通过比较摄像机视频相邻像幅中立柱上检测标识与远方背景的位置差异计算立柱绝对位移。将CCD视频相邻像幅中同一检测标识的形状取向进行比较，可以计算出检测对象的扭转。将上述检测到的位移与运动量以时间为参照保存并绘制成曲线，即为振幅、扭转角度及相应的时程曲线，对时程曲线进行分析即得被检测对象的运动频率。
该检测系统和检测方法完全与地面电隔离，无需高压防护；接触网电噪声对系统影响很小，基本不对检测结果产生干扰。能够实时检测大风环境下接触网的偏移值；实时记录其振幅、频率、扭转角度及相应的时程曲线，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。