一种通过式受电弓接触压力在线检测系统及方法与流程

1.本发明涉及受电弓压力检测技术领域，尤其涉及一种通过式受电弓接触压力在线检测系统及方法。


背景技术：

2.目前市面上现有的在线式受电弓接触压力检测方法分为两种，一种是利用压力传感器直接测量，但此种方法对传感器要求很高，且需要对行车线路上的接触网做改动，会影响行车安全，对传感器硬件要求很高。第二种是通过图像检测方式实现，通过拍摄检测前接触网高度和过车时接触网高度图像，通过高度差值得到接触网的力，但随着环境温度和湿度等因素影响，接触网高度本身在发生变化，此种检测方法只能在一定时间内测量出准确的接触网压力。
3.专利号：201510495102.x一种弓网分离式受电弓压力检测装置，采用的是接触式压力检测，对接触网进行了改动，安装了框架结构，还设置了对接触网施加预紧力的接触网预紧机构，改变了接触网的原始工作环境。
4.专利号：201710504511.0一种接触网受电弓压力在线检测方法，采用的是图像检测形式，需要在接触网上设置定位标志，根据定位标志有车和无车时的竖直位移量计算压力值，未充分考虑环境温度和湿度对接触网的影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种通过式受电弓接触压力在线检测系统及方法，用于解决检测接触网压力时，采用的安装压力传感器需要改动接触网，影响行车安全；图像检测方式只能在一定时间内测量接触网压力，适用性差的技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：图像采集单元，用于采集无机车进入检修区域时接触网侧面的背光图像，和机车进入检修区域时，受电弓和接触网接触时侧面的背光检测图像；数据处理单元，用于对所述背光图像和所述背光检测图像进行预处理，确定接触网在所述背光图像的初始像素高度；以及：确定所述背光检测图像中受电弓两侧的接触网在受电弓上方的拟合相交点；还用于在所述拟合相交点两侧的接触网上，分别选择与所述拟合相交点预设水平距离的特征点，获取两个特征点与所述拟合相交点的像素高度差，根据像素高度差计算两个特征点与所述拟合相交点间的像素挠度和；根据所述初始像素高度和像素挠度和，计算受电弓与接触网间的压力值。
7.与现有技术相比，本发明提供的通过式受电弓接触压力在线检测系统，具有以下有益效果：本发明提供的通过式受电弓接触压力在线检测系统，会分别采集接触网未与受电
弓接触时的背光图像和接触网与受电弓接触区域的背光检测图像，背光图像和背光检测图像中都包含有以图像左上角为坐标原点的像素坐标系，确定背光图像中接触网上表面像素点在背光图像中的初始像素高度，确定背光检测图像中受电弓两侧的接触网在受电弓上方的拟合相交点，在拟合相交点两侧的接触网上确定特征点，计算拟合相交点与特征点在像素坐标系内的像素高度差，并计算像素挠度和，根据初始像素高度和像素挠度和计算受电弓与接触网间的压力值。上述检测系统，采用在线全自动的形式，有效确定了受电弓和接触网间的压力值，能够在线实时对压力值进行计算，检测结果精度高，效率快，不需要人工干预，更安全，具有很强实用性。
8.本发明还提供了一种通过式受电弓接触压力在线检测方法，包括以下步骤：步骤s10：获取无机车进入检修区域时接触网侧面的背光图像，对所述背光图像进行预处理，确定接触网在所述背光图像的初始像素高度；步骤s20：获取机车进入检修区域时，受电弓和接触网接触时侧面的背光检测图像，确定受电弓两侧的接触网在受电弓上方的拟合相交点；步骤s30：在所述拟合相交点两侧的接触网上，分别选择与所述拟合相交点预设水平距离的特征点，获取两个特征点与所述拟合相交点的像素高度差，根据像素高度差计算两个特征点与所述拟合相交点间的像素挠度和；步骤s40：根据所述初始像素高度和像素挠度和，计算受电弓与接触网间的压力值。
9.与现有技术相比，本发明提供的通过式受电弓接触压力在线检测方法的有益效果与上述技术方案所述通过式受电弓接触压力在线检测系统的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
10.通过以下的说明，其它和更多的目的和优点将变得明显。附图旨在展示本发明的多种形式中的示例。不能将附图看作是展示了本发明可以作出的和可采用的所有方式的限制。毫无疑问，可以对本发明的各种部件进行改变和替换。本发明同样在于所介绍元件的子组合和子系统，并且在于使用它们的方法。
11.在附图中：图1为本发明提供的通过式受电弓接触压力在线检测系统中单个工业相机、背光板和接触网间的空间示意图；图2为本发明提供的通过式受电弓接触压力在线检测系统中两个工业相机、背光板和接触网间的空间示意图；图3为本发明实施例中单弓受电弓与接触网接触时接触网所在直线的拟合示意图；图4为本发明实施例中双弓受电弓与接触网接触时接触网所在直线的拟合示意图；图5为本发明通过式受电弓接触压力在线检测方法的示意性流程图。
12.110-工业相机、120-背光板、130-开关触发装置、200-接触网。
具体实施方式
13.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。
14.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
15.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
16.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
17.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
18.如图1至图4所示，本发明公开的通过式受电弓接触压力在线检测系统，包括：图像采集单元，用于采集无机车进入检修区域时接触网200侧面的背光图像，和机车进入检修区域时，受电弓和接触网200接触时侧面的背光检测图像；数据处理单元，用于对背光图像和背光检测图像进行预处理，确定接触网200在背光图像的初始像素高度；以及：确定背光检测图像中受电弓两侧的接触网200在受电弓上方的拟合相交点；还用于在拟合相交点两侧的接触网200上，分别选择与拟合相交点预设水平距离的特征点，获取两个特征点与拟合相交点的像素高度差，根据像素高度差计算两个特征点与拟合相交点间的像素挠度和；根据初始像素高度和像素挠度和，计算受电弓与接触网200间的压力值。
19.具体实施时：检测系统还包括开关触发装置130，开关触发装置130为两个，第一个开关触发装置130设置在检修区的进车位置，第二个开关触发装置130设置在图像采集单元的外侧，即机车通过检修区域的进车位置时，先触发第一个开关触发装置130，在触发第二个开关触发装置130时，机车进入到图像采集单元采集范围内，图像采集单元采集接触网200和受电弓的图像。
20.在没有机车通过检修区域时，接触网200的背光图像是由图像采集单元自主采集的，可以采用开关触发装置130的形式或其他形式，只要图像采集单元能够采集到背光图像即可，背光图像为接触网200自然状态下的图像。
21.对背光图像进行边缘检测，提取背光图像中接触网200上表面像素点，得到上表面点在背光图像中的空间像素位置，为接触网200初始像素高度。
22.在有机车通过检修区域时，受电弓与接触网200接触，为了保证受电弓与接触网200间电力传输的效果，受电弓会在一定程度上顶升接触网200接触，受电弓顶升接触网200时，受电弓与接触网200间会产生压力。机车进入到检修区域，依次触发两个开关触发装置130，受电弓运动到图像采集单元的采集区域，图像采集单元采集接触网200和受电弓接触位置时的背光检测图像。采集的背光检测图像包含受电弓与接触网200的接触点，以及受电弓和接触网200两侧一定范围空间的图像，包含计算接触网200和受电弓间压力需要的所有数据的图像。
23.数据处理单元会提取背光检测图像中，受电弓与接触网200接触点位置两侧接触网200上表面像素点，将提取的像素点拟合成一条直线，前后两条拟合的直线交于一最高点（拟合相交点）。背光检测图像拟合出的图像如图3所示，分别提取拟合相交点前后800mm处特征点与拟合相交点的像素高度差h1和h2，h1和h2之和代表像素挠度和。
24.根据压力公式y=a*x1 b*x2 c，计算接触网的压力值。
25.其中，a接触网系数，b像素系数，c常量，可以根据现场测量数据中的x1、x2和人工测量实际压力根据压力公式计算得出。在检测系统应用到新场景或新地区时，需要根据现场检测数据，重新计算a接触网系数，b像素系数，c常量，完成系数的标定。后续的检测系统可以在压力公式的基础上，根据检测到的初始像素高度x1和像素挠度和x2，自行计算当前受电弓的压力值，并输出计算结果。在计算a、b和c时，采用的是三元一次方程组，在检测的多组数据中任选需要计算的多组数据，进行计算。根据下述实施例中数据，计算得到的a=0.0562，b=1.0906，c=14.766。
26.下表为地铁长春2号线的实际测量数据、人工测量实际压力和计算压力值的关系数表：根据数据表可知，计算的压力值与实际测量值间的数据误差在
±
3n内。
27.本发明提供的通过式受电弓接触压力在线检测系统，会分别采集接触网未与受电弓接触时的背光图像和接触网与受电弓接触区域的背光检测图像，背光图像和背光检测图像中都包含有以图像左上角为坐标原点的像素坐标系，确定背光图像中接触网上表面像素点在背光图像中的初始像素高度，确定背光检测图像中受电弓两侧的接触网在受电弓上方的拟合相交点，在拟合相交点两侧的接触网上确定特征点，计算拟合相交点与特征点在像素坐标系内的像素高度差，并计算像素挠度和，根据初始像素高度和像素挠度和计算受电弓与接触网间的压力值。上述检测系统，采用在线全自动的形式，有效确定了受电弓和接触网间的压力值，能够在线实时对压力值进行计算，检测结果精度高，效率快，不需要人工干预，更安全，具有很强实用性。
28.作为一种可实施方式，数据处理单元还用于对背光图像进行边缘检测，提取背光图像中接触网上表面的像素点，在附带有像素坐标系的背光图像中，确定接触网上表面像素点在背光图像中的初始像素高度。
29.数据处理单元第一次获取的接触网的背光图像，背光图像为接触网未与受电弓接触时的图像，背光图像中接触网的图像精细度高，可以直接对背光图像中的接触网进行边缘检测，简化了数据处理流程。背光图像中附带有以左上角为坐标原点的像素坐标系，根据提取的接触网上表面的像素点，可以准确的确定接触网上表面的初始像素高度。
30.作为一种可实施方式，数据处理单元还用于提取背光检测图像中受电弓两侧接触网200的上表面像素点，将提取的像素点拟合成直线，对两条拟合直线进行延伸，将两条拟合直线的交点作为拟合相交点。
31.背光检测图像为受电弓与接触网接触时，采集的受电弓和接触网侧面的图像，该图像中，接触网处于顶升状态，接触网呈现向上弯折的形态。数据处理单元会对受电弓两侧的接触网进行处理，提取受电弓两侧接触网上表面的像素点，将提取的像素点拟合成直线。即在受电弓两侧会分别存在一条倾斜的直线，两条直线延伸后，会相交并确定唯一一个交点，该交点即为拟合相交点。由于受电弓有一定的宽度，确定的拟合相交点存在于受电弓的上方，采用的背光检测图像，保证了拟合相交点的准确，也保证了计算结果的准确。
32.在对图像中接触网进行处理，并拟合成直线时，进行以下操作：从弓网图像中提取rol(region of interest) 区域的图片，并进行高斯滤波，得到roi子图；对roi子图的所有像素数值乘法倍增获得增亮图片放大弓网与背景板之间的图像亮度差距，得到roi增亮图；使用sobel算子计算roi增亮图中的每个像素点分别在x、y方向的梯度值之和，并按照像素点的坐标，将梯度值之和构成梯度图像，将roi梯度图像归一化处理到0-255范围获取到roi梯度图；对roi梯度图进行闻值分割，将梯度较弱的值转换成0，将梯度较强值转换成255，获取到roi轮廓图像；对roi轮廓图像进行hough变换，可筛选出图像中符合长度的直线轮廓。
33.作为一种可实施方式，预设水平距离为800mm。
34.预设水平距离是通过大量实验计算比对后确定的、最优距离值，预设水平距离也可以采用其他数值或范围值700mm-900mm，压力计算结果误差以800mm最优。
35.作为一种可实施方式，图像采集单元包括工业相机110；工业相机110与接触网200位于同一水平高度，用于采集接触网的侧面图像。进一步的，图像采集单元还包括背光板120，背光板120和工业相机110位于同一水平高度，并分别安装在接触网200的两侧。其中，压力相机可以选用890万像素以上的工业相机110。
36.背光板120能够提供均匀的照射亮度，可以使工业相机110拍摄的图像产生的噪点更小，获取的图像精度更好，不需要再对图像进行额外的精度处理，即可作为计算用图像，简化了数据处理的步骤。背光板120面积足够大，能够涵盖工业相机110的拍摄范围。
37.图像采集单元获取背光图像和背光检测图像获取时，可以采用以下方案：采用单个工业相机110和背光板120配套使用，要求背光板120的面积和工业相机110的采集区域足够大。工业相机110采集未有机车通过检修区域的背光图像时，没有特殊要求，要求采集的背光图像中存在接触网200图像，且接触网200图像清晰。
38.机车进入检修区域时，升起可能是单个受电弓，也可能是两个受电弓，与具体的车型和检测的项目相关。
39.当为单个受电弓时：工业相机110采集有机车通过检修区域受电弓和接触网200的图像，接触网200和受电弓的接触区域位于工业相机110采集范围的中间区域。拍摄的背光
检测图像中，包含受电弓本身图像和确定的虚拟相交点两侧至少800mm以上的水平距离区域的接触网200图像，以实现对接触网200上虚拟相交点两侧水平距离800mm位置特征点的确定，根据特征点确定与虚拟相交点间的像素高度差。受电弓会采用两个碳滑板或四个碳滑板的形式，碳滑板间有间隔，接触网200与受电弓接触的区域为水平直线状态，碳滑板间间隔（受电弓宽度），对虚拟特征点和压力值的检测无影响。
40.当为两个受电弓时：两个受电弓间具有一定的间隔，该间隔以具体车型为准（受电弓安装在单节车厢靠近前后两侧的位置，间隔距离达几十米甚至上百米）。两个受电弓中间区域的接触网200呈向下的弯折状态，横跨两个受电弓区域的接触网200呈m型状态。按照相交点的确定方法，会在每个受电弓上方分别确定一个拟合相交点，在确定的两个拟合相交点两侧滑触线上分别选取水平距离800mm的特征点，分别计算与每个拟合相交点与对应特征点间的像素挠度和，分别计算对应受电弓与接触网200间的压力值。由于是对双弓受电弓压力的检测，需要分别拍摄每个受电弓与接触网200的图像，需要触发两次开关触发装置130来实现。
41.图像采集单元获取背光图像和背光检测图像获取时，还可以采用以下方案：采用两个工业相机110和背光板120配套使用，两个工业相机110并排水平设置，间隔一定距离，背光板120放置在工业相机110对侧，且背光板120能够覆盖两个工业相机110的采集区域，或者每个工业相机110对应一个背光板120。工业相机110采集未有机车通过检修区域的背光图像时，采用哪个工业相机110采集图像，没有特殊要求，要求采集的背光图像中存在接触网200图像，且接触网200图像清晰。
42.机车进入检修区域时，升起可能是单个受电弓，也可能是两个受电弓，与具体的车型和检测的项目相关。
43.当为单个受电弓时：在受电弓经过两个工业相机110中间区域时，同时采集受电弓和接触网200的图像，两个工业相机110拍摄的拍摄范围部分重叠。工业相机110拍摄图像的时机，以第二个开关触发装置130触发为准。
44.以受电弓经过工业相机110区域的先后顺序区分，两个工业相机110可以分为第一工业相机110和第二工业相机110，也可以理解为，两个工业相机110以水平方向布置，左侧为第一工业相机110，右侧为第二工业相机110。第一工业相机110和第二工业相机110在两个工业相机110中间区域同时拍摄受电弓和接触网200的图像，第一工业相机110侧重受电弓左侧区域的第一图像，第二工业相机110侧重受电弓右侧区域的第二图像，第一图像和第二图像在受电弓区域重叠，并都包含受电弓对侧部分接触网200图像。
45.按照拟合相交点的确定方法，分别确定第一图像和第二图像中的拟合相交点，并分别向第一图像左侧和第二图像右侧水平距离800mm处的接触网200上确定特征点，分别确定第一图像中拟合相交点与特征点的像素高度差h1，和第二图像中拟合相交点与特征点的像素高度差h2，对h1和h2进行求和，确定像素挠度和。根据初始像素高度和像素挠度和计算压力值。
46.还可以根据图像拟合方法将第一图像和第二图像根据图像特征拟合成一张图像，以第一图像或第二图像中的像素坐标系为基准，在拟合后的图像确定像素挠度和。
47.当为两个受电弓时：会根据第二个开关触发装置130的触发时间，确定第一相机和第二相机的拍摄时刻。当第一受电弓经过图像采集区域时，第一相机和第二相机同时采集
第一受电弓的图像，对采集的图像进行拟合，拟合出拟合相交点前后800mm的弓网抬升图像。第二个弓过检测区域时，第一相机和第二相机同时拍摄第二受电弓的图像，再根据确定的拟合相交点拟合出前后800mm的抬升量图形。
48.确定的第一受电弓图像中拟合相交点与两侧特征点间的像素高度差h1’和h2’，以及第二受电弓图像中拟合相交点与两侧特征点间的像素高度差h1和h2，分别计算新拍摄第一图像和新拍摄第二图像的像素挠度和，分别计算新拍摄第一图像和新拍摄第二图像中接触网200与受电弓间的压力值。
49.还可以根据图像拟合方法将第一受电弓的图像和第二受电弓的图像根据图像特征拟合成一张图像，以新拍摄第一图像或新拍摄第二图像中的像素坐标系为基准，在拟合后的图像确定像素挠度和。双弓受电弓拟合后的示意图如图4所示。
实施例二
50.详见图5所示，在实施例一的基础上，本发明还提供了一种通过式受电弓接触压力在线检测方法，包括以下步骤：步骤s10：获取无机车进入检修区域时接触网侧面的背光图像，对背光图像进行预处理，确定接触网在背光图像的初始像素高度；步骤s20：获取机车进入检修区域时，受电弓和接触网接触时侧面的背光检测图像，确定受电弓两侧的接触网在受电弓上方的拟合相交点；步骤s30：在拟合相交点两侧的接触网上，分别选择与拟合相交点预设水平距离的特征点，获取两个特征点与拟合相交点的像素高度差，根据像素高度差计算两个特征点与拟合相交点间的像素挠度和；步骤s40：根据初始像素高度和像素挠度和，计算受电弓与接触网间的压力值。
51.本发明提供的通过式受电弓接触压力在线检测方法，会分别采集接触网未与受电弓接触时的背光图像和接触网与受电弓接触区域的背光检测图像，背光图像和背光检测图像中都包含有以图像左上角为坐标原点的像素坐标系，确定背光图像中接触网上表面像素点在背光图像中的初始像素高度，确定背光检测图像中受电弓两侧的接触网在受电弓上方的拟合相交点，在拟合相交点两侧的接触网上确定特征点，计算拟合相交点与特征点在像素坐标系内的像素高度差，并计算像素挠度和，根据初始像素高度和像素挠度和计算受电弓与接触网间的压力值。上述检测方法，采用在线全自动的形式，有效确定了受电弓和接触网间的压力值，能够在线实时对压力值进行计算，检测结果精度高，效率快，不需要人工干预，更安全，具有很强实用性。
52.作为一种可实施方式，对背光图像进行预处理，计算接触网的初始像素高度，包括以下步骤：对背光图像进行边缘检测，提取背光图像中接触网上表面的像素点，在附带有像素坐标系的背光图像中，确定接触网上表面像素点在背光图像中的初始像素高度。
53.第一次获取的接触网的背光图像，背光图像为接触网未与受电弓接触时的图像，背光图像中接触网的图像精细度高，可以直接对背光图像中的接触网进行边缘检测，不需要进行去噪等处理，简化了数据处理流程。背光图像中附带有以左上角为坐标原点的像素坐标系，横向往右增加，竖向往下增加。根据提取的接触网上表面的像素点，可以准确的确
定接触网上表面的初始像素高度。
54.作为一种可实施方式，确定受电弓两侧的接触网在受电弓上方的拟合相交点，包括以下步骤：提取背光检测图像中受电弓两侧接触网的上表面像素点，将提取的像素点拟合成直线，对两条拟合直线进行延伸，将两条拟合直线的交点作为拟合相交点。
55.背光检测图像为受电弓与接触网接触时，采集的受电弓和接触网侧面的图像，该图像中，接触网处于顶升状态，接触网呈现向上弯折的形态。数据处理单元会对受电弓两侧的接触网进行处理，提取受电弓两侧接触网上表面的像素点，将提取的像素点拟合成直线。即在受电弓两侧会分别存在一条倾斜的直线，两条直线延伸后，会相交并确定唯一一个交点，该交点即为拟合相交点。由于受电弓有一定的宽度，确定的拟合相交点存在于受电弓的上方，采用的背光检测图像，保证了拟合相交点的准确，也保证了计算结果的准确。
56.作为一种可实施方式，计算受电弓与接触网间的压力值，包括以下步骤：根据压力公式计算受电弓与接触网间的压力值：y=a*x1 b*x2 c；其中：y为计算压力值，x1为接触网初始像素高度，x2为像素挠度和，a为接触网系数，b为像素系数，c为常量。在上述实施例中，根据测量结果计算出的a=0.0562，b=1.0906，c=14.766。
57.常量公式中的固定系数根据大量的实验检测数据可以计算确定。
58.在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
59.当然，可以对上述说明进行各种改变和替换， 而所有这些改变和替换都在本发明的精神和范围内。因此，除了附加的权利要求及其等同物之外，本发明不应受到限制。