一种轻量化单体式成像的接触网安全巡检仪

1.本发明涉及电气化铁路中接触网系统及周围环境的安全巡检技术领域，尤其涉及一种轻 量化单体式成像的接触网安全巡检仪。


背景技术：

2.随着我国高速铁路的快速发展，牵引供电系统中接触网的铺设已经超过7.5万公里，装 配零部件超30亿个，高铁系统大规模电力供给基础设施网基本形成。接触网是铁路电气化 工程的主构架，高速列车的提速会加剧弓网间复杂的机械和电气作用，极易诱发接触网零部 件产生松脱断裂等故障；此外，伴随着我国铁路向边疆高寒区域的布局发展，列车运行沿线 将会面临恶劣多变的地质及气候条件，从而对牵引供电接触网系统造成异物侵入以及周界异 况等威胁，严重危及高铁运行安全。接触网安全巡检装置是一种临时安装在运营列车驾驶室 内的装置，其采用便携式高清图像采集设备对沿线接触网的状态进行高清图像采集检测，能 够辅助监测人员对接触悬挂部件运行状态、接触网线路周边环境情况、有无威胁列车牵引供 电安全的侵限异物等状况进行事后统计分析。然而现有接触网安全巡检装置均包含两个相机， 同时需要配备主动照明光源，不便于进一步实现设备自身的轻量化及便携化设计，而且其智 能化程度不高，针对鸟巢等异物侵界识别很大程度上还需要人工后期进行判别标记。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提出一种轻量化单体式成像的接 触网安全巡检仪，仅使用广域高清相机进行单体式成像采集，无需采用两个相机成像，同时 不使用主动照明光源，实现设备的进一步轻量化及便携式设计，提升设备自身智能化水平。
4.本发明采用如下技术方案：一种轻量化单体式成像的接触网安全巡检仪，包括图像采集 单元、图像处理单元、图像存储单元、图像数据显示单元、供电单元、外设辅助单元和无线 触控单元；其中，
5.所述图像采集单元为一具备宽视场范围高分辨率的广域高清相机，可在高铁列车高速运 行下对沿线较宽视场范围内的接触网支柱及周围环境进行图像高清采集；
6.所述图像处理单元为基于gpu及fpga架构的强实时嵌入式gpu处理板卡，可针对广 域高清相机中拍摄的图像进行压缩、传输、处理，所述强实时嵌入式gpu处理板卡中包括 图像采集控制软件，图像采集控制软件用于控制广域高清相机进行图像采集，具体包括开始 采集、暂停采集、结束采集、相机参数设置；所述强实时嵌入式gpu处理板卡中基于夜间 弱光成像图像处理算法可实现高铁列车行车车灯微弱光照条件下所采集接触网支柱图像的 可视化处理；所述强实时嵌入式gpu处理板卡中还基于杆号及鸟巢检测识别算法可自动检 测识别广域高清相机所采集接触网支柱图片中的杆号及鸟巢；
7.所述图像存储单元为大容量移动硬盘，用于存储强实时嵌入式gpu处理板卡处理
后的 图片数据；
8.所述数据显示单元为触摸显示屏，用于强实时嵌入式gpu处理板卡中图像采集控制软 件gui界面的显示，能够实现人机交互功能，通过触摸屏幕的功能按键，将控制信号传输到 强实时嵌入式gpu处理板，控制巡检仪的运行，同时实时显示广域高清相机采集的高铁列 车沿线接触网图像；
9.所述供电单元为交流220v、50hz转12v直流供电的电源适配器，可为巡检仪中其他各 个单元供电，其中220v交流电取自高铁列车电源系统；
10.所述外设辅助单元包括gps模块及wifi无线收发模块：gps模块可实时记录当前采集 接触网图像的位置、时间信息并实时发送给强实时嵌入式gpu处理板卡；wifi无线收发模 块用于生本接触网安全巡检仪的专属局域网；
11.所述无线触控单元为触控平板电脑，通过外设辅助单元中的wifi无线收发模块与巡检 仪进行无线连接，触控平板电脑可控制广域高清相机进行图像采集，同时开发了接触网图像 操作软件，可实现接触网图像的筛选、查看、裁剪、标记、另存为、接触网异常信息报表生 成功能。
12.进一步地，除无线触控单元外，其他所有单元均集成于由前挡板、箱体包络板和后挡板 组成的主体结构中；所述前挡板后端的外表面与箱体包络板的内表面相互配合并通过螺丝进 行固定；所述箱体包络板内部包含一个广域高清相机、强实时嵌入式gpu处理板卡、大容 量移动硬盘以及底板，所述箱体包络板顶部安装有把手，两侧开有散热孔，内侧的底部通过 螺丝与底板连接；所述广域高清相机、大容量移动硬盘以及强实时嵌入式gpu处理板卡都 通过螺丝安装在底板上；所述后面板后端的外表面与箱体包络板后端的内表面相互配合并通 过螺丝进行固定，所述后面板包含电源开关、usb调试接口、触摸显示屏以及电源接口。
13.进一步地，所述的广域高清相机，只利用单个相机就可以实现宽范围视场下接触网及周 围环境的高分辨率成像。
14.进一步地，强实时嵌入式gpu处理板卡中集成了夜间弱光成像图像处理算法，可实现 高铁列车行车车灯微弱光照条件下所采集的接触网支柱图像的可视化处理，无需增加辅助照 明即可进行隧道及夜间接触网支柱图像的采集。
15.进一步地，强实时嵌入式gpu处理板卡中集成了杆号及鸟巢检测识别算法，可自动检 测识别广域高清相机所采集的接触网支柱图片中的杆号及鸟巢，提升了接触网巡检的智能化 水平。
16.综上所述，与现有技术相比，由于采用了上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
17.1、本发明采用单个广域高清相机，即可实现对宽范围视场下接触网及周围环境的高分 辨率成像采集，相较于传统采用两个高清相机的方式而言，本装置结构更为精简，更加轻量 化；
18.2、本发明装置在其强实时嵌入式gpu处理板中开发了夜间弱光成像图像处理算法、图 像采集控制软件、图像操作批注模块，省去了传统装置中的辅助照明光源，具备更佳的集成 性、便携性及功能全面性；
19.3、本发明在强实时嵌入式gpu处理板中综合开发集成了杆号及鸟巢检测识别算
法，利 用gpu在图像处理中的性能优势，可在线实时进行图像杆号定位和鸟巢识别，本发明提升 了接触网巡检的智能化水平，减轻了人工记录的工作量。
附图说明
20.图1为本发明一种轻量化单体式成像的接触网安全巡检仪的各功能单元整体架构及整体 结构设计图，图中：1-后挡板，2-箱体包络板，3-硬盘，4-强实时嵌入式gpu处理板，5-广 域高清相机，6-前挡板，7-光圈调整环，8-底板，9-散热孔，10-把手，11-开关，12-usb调 试接口，13-触摸显示屏，14-电源接口。
具体实施方式
21.为了更好的理解本发明装置的实施方案，以下结合附图做进一步的详细描述。
22.本发明一种轻量化单体式成像的接触网安全巡检仪，包括图像采集单元、图像处理单元、 图像存储单元、图像数据显示单元、供电单元、外设辅助单元、无线触控单元。其中，
23.所述图像采集单元用于接触网图像采集；
24.所述图像处理单元负责对图像采集单元进行采集控制、图像数据处理及传输；
25.所述数据显示单元用于显示图像处理单元处理后的图像及采集软件的交互界面；
26.所述供电单元负责将高铁列车220v电源转换为本装置所需工作电源；
27.所述外设辅助单元用于确定当前采集图像的位置及时间信息；
28.所述无线触控单元用于工作人员远程操作本装置；
29.除无线触控单元外，其他所有模块均集成于由前挡板、箱体包络板及后挡板组成的主体 结构中，形成一个功能性整体装置，相较于使用两个相机的传统接触网安全巡检装置，本发 明装置仅使用了单个相机就满足宽范围视场和高分辨率的需求，保证了装置的轻量化和便携 性，并且在图像处理单元中开发了夜间弱光成像图像处理算法、图像采集控制软件、图像操 作批注模块，省去了传统装置中的辅助照明光源，具备更佳的集成性及便携性。
30.其中，图像采集单元为一具备宽视场范围高分辨率的广域高清相机，广域高清相机上安 装有光圈调整环，通过微调光圈调整环从而保证在不同光照环境下，巡检仪都能够清晰成像。
31.其中，图像处理单元为基于gpu及fpga架构的强实时嵌入式gpu处理板卡，所述强 实时嵌入式gpu处理板卡与供电单元具有电连接，与其他单元都具有信号连接。所述强实 时嵌入式gpu处理板卡中开发了图像采集控制软件、夜间弱光成像图像处理算法、杆号及 鸟巢检测识别算法，通过控制所述广域高清相机进行图像采集，对拍摄的图像进行压缩和数 据增强处理，完成高铁列车行车车灯微弱光照条件下所采集的接触网支柱图像的可视化处理， 实现鸟巢和杆号进行识别，最后将处理好的数据传输至图像存储单元。
32.其中，图像存储单元为大容量移动硬盘，用于存储强实时嵌入式gpu处理板卡处理后 的图片数据。
33.其中，数据显示单元为触摸显示屏，所述触摸显示屏能够显示强实时嵌入式gpu处理 板传输的图像数据信息，同时能够实现人机交互功能，通过触摸屏幕的功能按键，将控
制信 号传输到强实时嵌入式gpu处理板，控制巡检仪的运行。
34.其中，供电单元为交流220v、50hz转12v直流供电的电源适配器，可为装置中其他各 个单元供电，并通过开关决定电路的通断，其中220v交流电取自高铁列车电源系统。
35.其中，外设辅助单元包括gps模块及wifi无线收发模块，所述gps模块记录当前采集 接触网图像的位置、时间信息，并将其传输至强实时嵌入式gpu处理板；所述wifi无线收 发模块用于生本巡检仪的专属局域网。
36.其中，无线触控单元为触控平板电脑，通过外设辅助单元中的wifi无线收发模块与巡 检仪进行无线连接，触控平板电脑可控制广域高清相机进行图像采集，同时开发了接触网图 像操作软件，可实现接触网图像的筛选、查看、裁剪、标记、另存为、接触网异常信息报表 生成功能。
37.其中，由前挡板、箱体包络板及后挡板所组成的主体结构中，前挡板后端的外表面与箱 体包络板的内表面相互配合并通过螺丝进行固定；所述箱体包络板内部包含一个广域高清相 机、强实时嵌入式gpu处理板、大容量移动硬盘以及底板，所述箱体包络板顶部安装有把 手，两侧开有散热孔，内侧的底部通过螺丝与底板连接；所述广域高清相机、硬盘以及强实 时嵌入式gpu处理板都通过螺丝安装在底板上；所述后面板后端的外表面与箱体后端的内 表面相互配合并通过螺丝进行固定，所述后面板包含触摸屏、usb调试接口、电源开关以及 电源接口，usb调试接口与强实时嵌入式gpu处理板具有信号连接，并能与个人电脑机连 接，可以对所述强实时嵌入式gpu处理板中的算法模型进行维护和升级，还可以传输巡检 仪中记录的图像，用于离线检测。
38.实施例
39.如图1所示，本发明一种轻量化单体式成像的接触网安全巡检仪，包括的模块单元主要 有图像采集单元、图像处理单元、图像存储单元、图像数据显示单元、供电单元、外设辅助 单元、无线触控单元；所述图像采集单元为一广域高清相机，可在列车高速行驶状态下对接 触网及周围环境图像进行高清采集；所述图像处理单元为一强实时嵌入式gpu处理板卡， 可对图像进行压缩、处理、传输，并且集成了图像采集控制软件，杆号及鸟巢检测识别算， 夜间弱光成像图像处理算法，可控制广域高清相机进行图像采集，对拍摄的图像进行压缩和 数据增强处理，完成高铁列车行车车灯微弱光照条件下所采集的接触网支柱图像的可视化处 理，实现鸟巢和杆号进行识别，最后将处理好的数据传输至图像存储单元；所述图像存储单 元用于对图像处理后数据进行存储；所述图像数据显示单元用于强实时嵌入式gpu处理板 中传输数据的显示输出，并且能够实现人机交互功能，输入图像采集控制信息；所述供电单 元可为装置中其他各个单元供电；所述外设辅助单元包括gps模块及wifi无线收发模块， 所述gps模块记录当前时间和位置信息，并将其传输至强实时嵌入式gpu处理板；所述 wifi无线收发模块用于生成本巡检仪的专属局域网；所述无线触控单元为触控平板电脑，可 控制广域高清相机进行图像采集，同时开发了接触网图像操作软件，可实现对各图像的批注、 修改、标记操作。
40.如图1所示，本发明装置整体结构包括前挡板6、箱体包络板2、和后挡板1；所述前挡 板6后端的外表面与箱体包络板2的内表面相互配合并通过螺丝进行固定；所述箱体包络板 2内部包含一个广域高清相机5、强实时嵌入式gpu处理板4、硬盘3以及底板8，所述箱 体包络板2顶部安装有把手10，两侧开有散热孔9，内侧的底部通过螺丝与底板8连接；所 述
广域高清相机5、硬盘3以及强实时嵌入式gpu处理板4都通过螺丝安装在底板8上； 所述后面板1后端的外表面与箱体包络板2后端的内表面相互配合并通过螺丝进行固定，所 述后面板1包含电源开关11、usb调试接口12、触摸显示屏13以及电源接口14。
41.本发明的工作原理是：
42.交流220v、50hz转12v直流供电的电源适配器为巡检仪整体供电单元，可为巡检仪中 其他各个单元供电，其中220v交流电取自高铁列车电源系统。通过电源开关使得本巡检仪 开机后，点击触摸屏上图像采集控制软件中的开始采集示意按钮，广域高清相机和gps模 块会将获取到的数据传输到强实时嵌入式gpu处理板中，由处理板对数据进行压缩，随后 由处理板中的图像处理模块对压缩后的图像数据进行图像处理，并利用杆号及鸟巢检测识别 模块对图像中的杆号和鸟巢进行识别，最后强实时嵌入式gpu处理板卡将处理后的图像、 杆号识别结果、鸟巢识别结果以及gps获取的时间和位置信息传输至触摸屏进行显示，与 此同时还会将这些信息存储于移动硬盘当中。在列车行驶过程中，可以通过无线触控单元的 触控平板电脑对所采集图片的标记、批注、修改、保存操作。当巡检仪随车记录完成后，使 用usb调试接口将存储于移动硬盘中的数据拷贝至服务器，可进一步利用缺陷检测算法或 人工判读的方式实现对接触网几何参数畸变、零部件松脱断裂等故障的识别和异物侵入、周 界异况等环境威胁的检测。