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1、毕业设计（论文）题目： 接触网动态检测 专 业： 电气化铁道技术 姓 名： 孙 超 学 号： 100130302 指导教师： 王 力 2013年3月1日电气工程系一、设计题目及内容1.题目：接触网动态检测2.内容：接触网检测技术是高速铁路建设的关键技术之一。随着铁路不断地提速对电气化接触网的要求会更高。不确定因素会更多，对检测设备要求也就更高。因此，不断提高检测技术及设备水平，才能保证电气化接触网的良好状态，才能保证电气化铁路的运输畅通。本文针对目前国内基于图像处理的非接触式检测系统的图像预处理和目标识别计算，在高速检测情况下存在的主要问题进行研究，并运用自适应阀值法和自适应控制技术对其进行了
2、改进。主要是对摄像机采集的图像进行多阀值段划分。另外，该系统还优化了车顶检测设备的设置。二、基本要求1.论点鲜明正确、论据充分准确2.按毕业设计论文任务书及时选题3.按时搜集资料，做好准备4.及时与指导教师进行交流，及时对论文进行修改5.及时上交论文三、重点研究问题1.国内外接触网动态检测系统研究现状2.接触网非接触式检测原理3.接触网非接触式检测系统计算方法4.系统误差分析5.接触网检测设备的要求四、主要技术指标1.我国的电气化铁路采用了目前国际上普遍使用的先进的25kV单相工频交流制；2.电力机车受电弓工作高度范围是5183mm6683mm，受电弓最大工作范围是1250mm，允许工作范围是
3、950mm；3.典型接触式接触网检测装置接触式检测系统实时性好，能够同时测试接触线几何参数和弓网接触的动力学参数：测试得到的弓网接触压力动态曲线，能够详细刻画弓网接触运行的动态过程，较好地反映接触线的受流特性；4.非接触式检测系统无需在受电弓上安装传感器，系统安全性好；检测装置置于车顶，安装调试方便且远离电磁干扰，检测精度较高，有无受电弓均可检测，结构简洁，成本较低。五、应收集的资料及参考文献【1】吉鹏霄接触网北京：化学工业出版社，2011【2】蔡学敬，陈唐龙，牛大鹏基于Onuris线阵列CCD摄像技术的高速电气化铁路接触网动态检测系统北京：中国铁道出版社，2007【3】吴积钦，董昭德铁道部客
4、运专线接触网培训教材成都：西南交通大学出版社，2007【4】张道俊，张韬接触网运营检修和管理北京：中国铁道出版社，2006【5】于万聚高速电气化铁路接触网成都：西南交通大学出版社，2002六、进度计划设计环节日期1探索选题方向及思路2012.9.12收集资料，阅读文献，在不断修改中形成较为具体的研究方法，形成报告初稿2012.9.12012.12.13进行资料收集和整理，最终形成报告；形成写作思路，撰写初稿2012.12.12013.2.284修改后，最后定稿，完成论文2013.3.1七、附注摘要铁路的发展经历了从蒸汽时代、内燃时代到电气时代的过程，提速离不开电气化铁路。接触网是沿铁路线上空架
5、设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路，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。我国现有铁路营业里程达到98000km，我国电气化铁路约48000km，约占全国铁路网的49%，完成铁路总运量的65%70%，其中高速或准高速电气化铁路达到9356km，而且正以每年约500700km的速度建设。为了适应电气化铁路工程运营和发展的需要，研制检测接触网性能的测试技术和数据处理系统，对实现全面质量管理、保证安全运营和加速铁路电气化的进程，具有重要的现实意义。电气化铁路因其运输能力强、运营成本低、能源消耗少和环境污染
6、小等优点，受到世界各国的普遍重视，成为了当今铁路的发展方向。而接触网作为电气化铁路的重要组成部分，其状态的优劣直接影响到电气化铁路的运行安全，因此通过检测接触网状态，及时发现整治存在的问题，对于电气化铁路的安全运行举足轻重。同时，为了不断积累设计、施工和维护经验，提高检修效率，节约运行成本，使得持续提高接触网检测技术水平成为了电气化铁路迅猛发展的必然需求和重要保障。二十世纪末期，接触网的接触式检测技术已日趋成熟，在国内外得到了广泛应用。但由于技术复杂、成本较高且存在一定安全隐患等原因，极大地制约了这种检测技术的普及推广和检测精度的进一步提高。非接触式检测技术是将检测设备安装于车顶，完全与高压设
7、备脱离接触，使得技术和设备相对简单，安全性能大大提高，成本大幅下降。随着客运专线与城际高速铁路的大量建成与投入运营，我国铁路网络日趋完善，运输效能显著提升；与此同时，对表征高速接触网运行质量的动态参数要求日益提高。由于高速动态检测所获得的参数与中低速有较大差别，前者更能反映列车高速运行的实际、也更具参考价值，从而使得不断开发、应用更先进的高速动态接触网检测技术进行铁路运行质量评判研究受到越来越多的重视。影响列车运行速度的主要因素除线路曲线半径、无缝钢轨、牵引机车、列车车辆等外，接触网与电力牵引机车之间的动态弓网关系也是影响列车运行速度的重要因素。如何提高接触网的稳定性、平滑度，减少接触网硬点、
8、火花、碰弓、脱弓，消除接触网事故及行车事故隐患，延长接触网使用寿命，减少接触网维护工作量，降低接触网维护成本，是铁路提速中必须解决的问题。接触网和电力机车的弓网关系是能否运行高速电力机车的关键。接触网和电力机车受电弓的弓网关系不能简单地通过接触线高度、拉出值等几何尺寸和受电弓的抬升力等指标评估，要利用接触网动态检测车模拟受电弓的实际运行，通过接触网动态检测评价接触网和电力机车的弓网关系。在电气化铁道出现的事故中，无备用的接触网发生的事故占了很大比例。接触网状况的好坏直接关系到电气化铁道能否安全运营。接触网参数检测设备可以对反映接触网运行状况的参数进行检测，检测结果能正确反映接触网的运行状态，为
9、接触网的维护、调整提供科学依据。电气化铁道比重较大的国家均在研制适合自己实际情况的接触网检测设备。每个国家的电气化铁道接触悬挂都具有各自的特点，对接触网的运行要求也不尽相同。接触网参数检测设备在功能上也各有侧重。我国的接触网检测技术经过多年不断发展，已经取得了很大进步，为电气化铁道事业做出了一定的贡献。接触网检测设备的应用，避免了许多弓网事故的发生，在接触网的调整与维护过程中，提高了劳动生产率，降低了工人的劳动强度。接触网检测技术是高速铁路建设的关键技术之一。随着铁路不断地提速对电气化接触网的要求会更高，不确定因素会更多，对检测设备要求也就更高。因此，不断提高检测技术及设备水平，才能保证电气化
10、接触网的良好状态，才能保证电气化铁路的运输畅通。本文针对目前国内基于图像处理的非接触式检测系统的图像预处理和目标识别计算，在高速检测情况下存在的主要问题进行研究，并运用自适应阀值法和自适应控制技术对其进行了改进。主要是对摄像机采集的图像进行多阀值段划分，采用自适应阀值和两次二值化处理方法进行图像预处理，然后运用跟踪识别技术将干扰目标排除，最终得到有效目标的几何参数，目标识别质量和技术参数获取效率明显提高。另外，该系统还优化了车顶检测设备的设置，针对阀值段优化划分、多目标识别、照明光源开闭控制、断点接续等问题，提出了改进思路。关键词 接触网 动态检测 误差分析 设备要求目录第一章 国内外接触网动
11、态检测系统研究现状11.1 接触网检测的重要性11.2 接触式动态检测系统21.3 非接触式动态检测系统3第二章 接触网非接触式检测原理52.1 系统结构52.1.1 线阵CCD摄像机52.1.2 照明光源62.1.3 终端处理系统62.2 目标识别72.3 检测方法8第三章 接触网非接触式检测系统计算方法103.1 平行式定位计算方法103.1.1 定位算法103.1.2 检测范围103.2 自适应算法113.2.1 自适应控制113.2.2 自适应识别123.3 检测方法123.3.1 图像采集123.3.2 图像预处理123.3.3 获取目标13第四章 系统误差分析144.1 误差产生原
12、因144.2 两摄像机采样点位置相异引起的误差154.3 CCD摄像机工作环境的影响及分析154.4 机车振动的影响及分析164.4.1 车辆运行振动分析164.4.2 车辆振动影响的补偿17第五章 接触网检测设备的要求185.1 产品多样化185.2 向高速发展185.3 接触与非接触检测并存185.4 先进传感器的应用195.5 检测结果以多种方式输出195.6 检测设备使用方便易维护195.7 图像与检测结果的合成19第六章 结论20参考文献21附录22第一章 国内外接触网动态检测系统研究现状为了适应电气化铁路发展需要，优选接触网和受电弓的结构形式及检查接触网的施工、维修质量，以电力牵引
13、为主的德国、法国、日本等国家都无一例外地在发展电气化铁路的同时，大力研究接触网动态检测技术。接触网检测按照检测设备（传感器）是否接触（近）接触网设备可分为接触式检测和非接触式检测。接触网检测的内容主要有偏移（接触线偏离受电弓中心的位置）、高度（接触线至轨面的距离）、硬点（对受电弓产生冲击）和离线（弓网机械脱离）。由于检测方式不同，检测内容各有侧重。1.1 接触网检测的重要性接触网检测是运用技术手段对接触网参数进行在线检测，根据接触网设备可测得的和外部可辨认的特征对其工作状况进行评价。在高速铁路的建设和发展上，电气化铁路以其显著的优点被许多国家作为大力研究和重点发展的目标，使得接触网设备检测特别
14、是动态检测变得越来越重要。主要体现在以下几个方面：1.高速电气化铁路的建设和发展需要不断地积累经验，通过不同条件、各种项目的检测结果分析，验证预期效果，找出设备运行规律，为今后设计、施工、维修持续改进提供依据。2.接触网作为电气化铁路的大动脉，其质量优劣与电力机车运行安全直接相关。由于接触网设备露天布置且无备用，工作环境恶劣，如不加强设备检测，及时发现整治设备隐患，就会危及行车安全，严重干扰运输秩序。3.以接触网设备运行状态作为依据的状态检修是一种先进、科学、经济的检修体制。它是通过合理安排检测周期，及时获得设备状态；通过对检测结果的分析判断，制定检修计划和检修方案；通过增强检修的针对性，节省
15、检修时间和检修成本，提高人员利用率；再通过检测来检验检修质量，获得设备新的状态。其中的检测环节在状态检修实施过程中举足轻重，直接关系到状态检修的成效。4.在动态情况下，通过模拟受电弓运行环境检测接触网技术参数是最贴近实际运行情况的检测手段。它能够发现静态检测无法发现的设备问题，提高对设备运行规律的认知程度，积累管理经验。5.接触网设备动态检测效率很高，人工检测十公里设备需要几个小时，而动态检测几个小时就能够检测数百甚至上千公里，检测结果可通过计算机进行辅助处理，减轻了劳动强度，工作效率明显提高。1.2 接触式动态检测系统目前世界上，采用接触式检测方式进行接触网检测的国家有很多。德国、日本、法国
16、和瑞士等国家都研制开发了各具特色的检测系统，重点测试弓网动力学参数。其中最具代表性的是德国接触网检测装置。德国研制的接触网检测装置（如图1-1 a所示），是通过在受电弓上安装压力传感器和加速度传感器，测试弓网接触压力、冲击加速度（硬点）和离线等动力学参数，并由受电弓上弓网接触压力的分布情况计算出拉出值，由受电弓框架转轴的角位移计算出接触线高度。我国目前主流的接触网动态检测装置也属于这种方式，是以日本技术为基础，后借鉴德国技术发展起来的。1962年，铁道部科学研究院装备了第一辆接触网检测车，当时仅能检测导线高度和弓网间的大离线。1980年研制出满足80km/h运营的接触网检测装置，实现了离线、偏
17、移、高度等主要项目的检测。1998年12月，西南交通大学电气工程学院研制成功接触网检测车（如图1-1 b所示），基本满足160km/h准高速铁路接触网检测的需要。车顶配置一台受电弓，受电弓滑板上安装有检测接触压力、加速度、拉出值等多种传感器。后来，取消了受电弓上的拉出值传感器，根据受电弓上弓网接触压力的分布情况计算拉出值，实现了检测技术的重大突破。 b 国产JJC-1型接触网检测装置图1-1 典型接触式接触网检测装置a 德国接触网检测装置典型接触式接触网检测装置比接触式检测系统实时性好，能够同时测试接触线几何参数和弓网接触的动力学参数：测试得到的弓网接触压力动态曲线，能够详细刻画弓网接触运行的
18、动态过程，较好地反映接触线的受流特性。但也存在一些问题，如由于放大器存在温度漂移，高压端微弱传感信号放大后受温度影响加剧，动力学测试参数误差较大。由于传感器安装在受电弓上，增大了滑板的附加质量，系统安全性降低，弓网接触滑动的离线增多，电磁干扰严重，检测精度受到较大影响；系统结构复杂，维护保养困难，需要高低压隔离设备，成本较高。1.3 非接触式动态检测系统目前世界上，开展非接触式检测研究实践的主要有德国、意大利、日本、奥地利和韩国等国家，重点测试接触网几何参数。其中最具代表性的是德国基于图像处理的接触网检测装置。德国BB公司于1982年开始进行接触网非接触式检测装置的研制，主要采用伺服跟踪和图像
19、处理技术。在车顶线阵布置了4个CCD（Charged Coupled Device）摄像机和3个聚光灯，通过伺服跟踪移动，使接触线在CCD摄像机中成像，然后通过实时图像处理，计算出接触线高度和拉出值。1996年改进后，实现了全天候检测。2000年，采用高分辨率摄像机实现了接触线磨耗测量。该检测装置如图1-2所示。图1-2 德国非接触式接触网检测装置目前，我国基于图像处理的检测系统主要是在德国技术基础上发展起来的。由车顶安装的两台线阵CCD高速摄像机将接触网的动态图像拍摄下来，经过图像采集设备转换为数字信号，然后通过二值化、模式识别等图像处理手段，分析计算接触线的空间位置，最终得到接触线的高度和
20、拉出值。非接触式检测系统无需在受电弓上安装传感器，系统安全性好；检测装置置于车顶，安装调试方便且远离电磁干扰，检测精度较高，有无受电弓均可检测，结构简洁，成本较低。除电力机车外，还能够安装在内燃机车和各种轨道检修作业车辆上开展设备检测工作，普及应用前景广阔。但因为目标识别准确度和技术参数获取效率还不能很好适应高速检测，故目前尚未普及推广。第二章 接触网非接触式检测原理2.1 系统结构基于图像处理技术的接触网非接触式检测系统是建立在包括模糊图像识别和图像处理等视觉技术基础上的检测系统，主要包括线阵CCD摄像机、照明光源和终端计算机处理3个子系统。检测内容涵盖了接触网的基本几何参数。系统配有功能强
21、大的软件包，可对检测数据按照不同要求进行分析处理，自动生成分析报告，为设备检修工作提供可靠详实的技术数据。2.1.1 线阵CCD摄像机线阵CCD摄像机主要是对接触线进行线扫描成像和简单的信号处理，并将处理结果通过USB高速接口发送到终端计算机处理系统。1.CCD图像传感器CCD又称光电耦合器，是一种以电荷为信号载体的微型图像传感器。自1970年在贝尔实验室诞生以来，随着半导体微电子技术迅速发展，像素集程度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显著增加，很好地满足了对高速运动物体的拍摄。因其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震
22、动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等诸多优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。线阵CCD图像传感器，是由线性排列的光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成，具有光电转换、电荷存储、电荷转移、信号读出功能。通过感受照射在它上面的光的强弱与色彩，将一幅空间分布的光学图像变换成按时间顺序分布的视频电压信号。其工作过程如下：（1）光电转换，当目标图像经过光学物镜成像在CCD传感器光敏面上时，光敏元把入射光量子按比例转换成光生
23、电荷。这个时期称为光积分期，也称为曝光期。（2）电荷存储在光积分期的同时，光敏元下面的势阱收集和存储这些光生电荷并形成电荷包，将被摄景物图像亮度分布转变为光敏区下的电荷分布。（3）电荷转移在光积分结束后，打开转移栅，通过转移脉冲将势阱中的电荷包转移到相应的移位寄存器中去。（4）信号输出在移位脉冲的作用下，移位寄存器中的电荷包被依次移出，进入相应放大电路。每个光生电荷被依次转变成相应信号，再经合成电路得到视频信号。输出信号可接示波器、图像显示器或其它信号存储处理设备，进行信号再现或存储处理。2.线阵摄像机线阵传感器摄像机与其它类型传感器摄像机相比，具有较高分辨率和很好的实时输出特性。高速线阵传感
24、器摄像机扫描一次，可立即将扫描结果进行一次视频输出，很容易做连续处理，非常适合对被测图像信息进行快速采样、存储及数据处理。又由于线阵CCD测量精度和扫描频率很高，对于高速运动物体也能得到高分辨率的图像，所以在高速电气化铁路接触网动态检测中倍受青睐。本次所研究系统中采用的是德国FEITH公司生产的线阵摄像机OnurisSLIS/2048。其最大行扫描率达20kHz，图像采集达14699帧/秒，具有很高的扫描和采集频率。两台摄像机分散倾斜安装于车顶两侧，相对于车顶中心线对称布置，摄像机主光轴所在平面与车顶平面夹角为60。2.1.2 照明光源本次所研究系统的照明光源由两台功率500W聚光灯组成。两台
25、聚光灯位于两摄像机中间，相对车顶中心线对称布置。在机车进入隧道、夜晚以及背景亮度较低的情况下，为摄像机工作提供照明光源。光源产生的光柱覆盖车顶两台摄像机视觉重叠部分构成的光幕靶，且在光幕靶的范围内照度均衡。光源的照度由光源控制卡控制，根据背景光的强度，自动调整光源的强度，便于系统适应复杂环境。2.1.3 终端处理系统终端计算机处理系统由一台计算机和相关处理软件组成。软件设计采用Sqlserver数据库操作系统以及Visualc+6.0作为应用程序的开发工具。其作用是：1.配置摄像机属性，满足系统对摄像机图像拍摄速度、曝光时间、图像信息传递同步机制的要求。2.以多媒体技术与模糊图像处理技术为基础
26、，接收前端两台线扫描摄像机发送过来的扫描图像，用图像预处理软件来区分背景和目标，通过计算软件获得接触线的高度和拉出值。3.实时监视并记录检测的整个过程，实现检测结果的回放、检索、生成报告和打印。另外，终端处理系统还具备摄像机控制故障分析、通信以及光源控制等功能。软件系统模块组成如图2-1所示。系统模块图图2-1 软件系统模块组成摄像机控制模块光源控制模块图像解析模块电子快门控制背景图像识别目标图像识别数字图像传递接触线图像边缘接触网图像灰度接触线拉出值接触线高度2.2 目标识别对采集图像进行目标识别的基本前提是对图像进行分割预处理。根据灰度特征把图像划分成若干个互不相交的区域，使得这些特征在同
27、一区域内，表现出一致性或相似性，而在不同区域间表现出明显的不同，进而在一帧图像中，将目标从背景中分离出来，以便于进一步处理。在具体应用中，分割是对图像进一步分析、识别的前提，分割的准确性将直接影响到后续任务的有效性。阀值法是一种传统的图像分割方法，是图像分割中最基本、最简单，同时也是应用最广泛的分割技术。它具有实现简单、计算量小、性能较稳定等显著特点，特别适用于目标和背景占据不同灰度级范围的图像，不仅可以极大的压缩数据量，而且也大大简化了分析和处理步骤，在红外成像、遥感、医学等很多领域得到广泛应用。图像阀值化首先是将像素集合划分为若干阀值段，然后针对每个阀值段对应的灰度图像各像素灰度值通过一定
28、算法得到其特征阀值，以此为标准将图像分割为两个部分，分别用0和1表示。这样就将原始灰度值变换为二值化特征值，完成了图像的预处理，为目标识别打下了基础。本次所研究的系统是采用全局阀值法对图像进行分割预处理，将整个一帧灰度图像划分为一个阀值段，段内各像素灰度值的平均值做为特征阀值，然后进行二值化，完成图像预处理，实现目标与背景的分离。2.3 检测方法当线阵摄像机与被摄物体在纵向相对运动时，每次采集都能得到目标的一帧二维图像数据，然后通过全局阀值法进行图像预处理，区分背景和目标，最终利用相交式几何定位计算方法完成目标定位和几何参数获取。检测主要步骤和功能如下：1.图像采集安装在车顶的两个线阵CCD摄
29、像机同时对接触线目标进行扫描，各自得到背景和目标混合的灰度图像。2.图像预处理对灰度图像利用全局阀值法进行处理，区分背景和目标区域，获取目标。昼间背景明亮，其灰度值较高，目标灰度值较低。采用平均灰度值作为阀值进行图像分割，大于阀值的是背景，二值化为0，小于阀值的是目标，二值化为1。夜间、通过隧道及背景亮度较低时，需开启照明光源，二值化方法相反。3.目标定位根据识别的目标区域，找到目标中心位置，然后将两摄像机采集的目标两两组合，进行空间定位。4.计算几何参数该非接触式检测系统全部项目的检测均采用图像处理的方法，所需信息全部通过摄像机直接获取，具有检测方法简单、检测设备无磨损、不需要高低电压隔离、
30、使用寿命长、易于维护、不必对受电弓进行任何改造。通过试验和结果分析，目前该检测系统能够完成检测任务，但要更好地适应高速检测要求，还存在一些问题需要改进完善。（1）车顶摄像机倾斜安装，与车顶平面存在一定夹角，易产生安装误差。（2）采用光源控制卡控制照明光源开闭。高速检测时，因光源控制卡控制延迟，可能会出现因照明光源开闭不及时而造成目标丢失。（3）当背景灰度不均匀以及一帧图像出现多个目标时，采用全局阀值法进行预处理，不能兼顾图像各处情况而影响分割效果，容易造成目标误识别或丢失目标。（4）当背景中出现乌云、飞鸟、树荫等干扰目标以及一帧图像出现多个目标时，杂乱的目标图像使得获取有效目标几何参数的效率降
31、低。（5）特殊情况目标图像出现断点时，无法获得该处接触线的几何参数。第三章 接触网非接触式检测系统计算方法3.1 平行式定位计算方法本次设计将检测系统中车顶两摄像机的安装方式改为集中水平安装，对称布置于车顶中心线两侧。摄像机主光轴所在平面与车顶平面夹角为90，不易产生角度安装误差。由于两摄像机水平安装，其主光轴必平行，故此种安装方式对应的定位计算方法称为平行式定位计算方法。3.1.1 定位算法根据接触线位置相对于摄像机镜头主光轴位置的不同，其定位计算可分为接触线位于1和2两摄像机主光轴中间、位于1摄像机主光轴左侧和位于2摄像机主光轴右侧三种情况。3.1.2 检测范围由于电力机车受电弓工作高度范
32、围是5183mm6683mm，受电弓最大工作范围是1250mm，即在受电弓工作高度范围内，均应能够检测其中心线左右至少625mm范围的接触线位置，见图3-1中的矩形区域。图3-1 检测范围示意图3.2 自适应算法自适应算法是指系统能够根据不同的情况，自动快速调节自身原有的行为特性以适应对象和扰动的变化。下面从自适应控制和自适应识别技术两方面入手，阐述对原检测系统基于自适应算法的改进思路。3.2.1 自适应控制任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性。自适应控制的研究对象就是具有一定程度不确定性的系统。描述被控对象及其环境的数学模型不完全确定，其中包含一些未知因素和随机因素。从系统内部来讲，描述
33、被控对象的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一定能准确知道；从系统外部来讲，外部环境影响是不可预测的，可以等效地用扰动来表示。此外，还有一些与测量设备以及被测目标相关的不确定因素进入系统。面对这些客观存在的、各种各样的不确定性，如何进行适当的控制，使得输出结果达到并保持最优或者近似最优，就是自适应控制所要研究解决的问题。自适应控制是一种基于数学模型的控制方法，它所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中不断提取有关信息，依据对象的输入输出数据，不断地在线辨识模型参数，使模型逐步完善。随着过程的延续，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际，控制系统也就具有了适
34、应能力。常规的反馈控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响也具有一定的抑制能力，但是由于控制器参数是固定的，所以当系统内部特性变化或者外部扰动变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至不稳定。接触线作为被检测的目标，是一个具有许多不确定因素的对象。从系统内部来讲，描述接触线的数学模型的结构和参数，我们事先并不一定能准确知道。同时，跨线桥、隧道、飞鸟、乌云等外部环境以及接触网定位支撑装置都会对检测造成影响，其中许多是不可预测的。在测量时还会产生照明光源延迟开闭、多目标出现、目标断续等不确定因素随时进入检测系统。所以，对接触线这种特性或扰动特性变化范围很大，同时又要求保持高性能指标的检
35、测系统，采取自适应控制是合适的。3.2.2 自适应识别根据对摄像机采集的一帧灰度图像使用统一阀值还是对图像不同区域使用不同阀值进行预处理，可以分为全局阀值法和自适应阀值法（也称为局部阀值法）。当图像中存在背景与目标灰度差值不大，多目标共存，有阴影，照度不均匀，背景灰度变化等情况时，只用一个固定的全局阀值对一帧灰度图像进行分割，会由于不能兼顾图像各处的情况而影响分割效果，造成目标误识别或丢失目标。自适应阀值法是用一定数量的像素组成阀值段，对一帧灰度图像进行分割，然后每个阀值段分别以特定算法提取阀值进行图像预处理方法。自适应阀值法相对于全局阀值法稍显复杂，但是它能够较好地解决全局阀值法不能很好解决
36、的一些问题。3.3 检测方法由上节分析可知，将自适应控制和自适应阀值引入检测系统是十分必要的。具体的算法是采用自适应阀值法进行灰度值图像预处理，通过目标的灰度值和成像宽度区分工作支接触线和其它线索，按照透镜成像规律来判断目标空间位置，依据有效目标点的延续性去除干扰目标，从而使检测系统具备自适应功能，根据系统内部和外部的情况变化，改变工作方式或硬件设备状态，保持工况切换及时准确，优化图像识别技术，获得高质量的目标图，最终精确高效地计算出目标的几何参数。检测主要包括图像采集、图像预处理、获取目标、干扰目标排除、目标定位和计算几何参数等步骤。3.3.1 图像采集安装在车顶的两个线阵CCD摄像机同时对
37、接触线目标进行扫描，各自采集灰度图像。3.3.2 图像预处理采用自适应阀值法进行图像预处理，并通过两次二值化处理方案实现目标与背景的分离。其中，第一次二值化是将当前帧图像进行等长划分，对当前帧像素点灰度值全部进行二值化处理，得到有效阀值段及其阀值；第二次二值化是在有效阀值段内，将对应的图像再次进行二值化处理，找出目标区域。另外，在第一次二值化过程中，采取了固定长度为F的多阀值段划分方法，虽然能够较好地解决单阀值段在误识别和丢失目标的问题，但常会将一个目标划分在多个有效阀值段内。为避免作为多个目标去识别，就需要对有效阀值段进行优化。3.3.3 获取目标根据所识别目标在摄像机焦平面上的起止位置，确
38、定目标的宽度和中心位置。实际检测中，有时会因为照明光源开闭延时、目标图局部出现断点、存在无效目标等原因，影响目标的定位计算。所以要提高识别目标的质量，就应当在开展获取目标工作步骤之前，对照明光源开闭、断点接续和多目标识别进行有效控制。1.照明光源的自适应控制昼间检测通过隧道、桥梁时，由于光源开启延时，往往会造成检测目标丢失，而始终开启照明光源进行检测，则会在背景亮度较高的情况下，降低背景和目标的灰度差值，造成目标丢失。这个问题可以通过软件方法来解决。事先根据检测区段的隧道、桥梁等跨线建筑物的起止公里标建立数据库，在即将进入隧道、桥梁前的一定距离时（由延迟时间和列车速度确定），通过光源控制卡自动
39、开启照明光源，逐步增加光源的照度，在进入隧道、桥梁的瞬间，将光源的照度增大到规定值。在离开隧道、桥梁这些建筑物前一定距离，逐步降低光源的照度，在离开隧道、桥梁的瞬间，将照明光源关闭，实现照明光源的开闭和光源照度的自适应控制，确保照明光源的及时开闭。2.目标断点的自适应接续当目标图出现断点时，接触线的中心位置无法确定，但是通过事后补偿的方法来进行断点的接续，可以近似确定目标中心位置，进而获得断点的几何参数。第四章 系统误差分析4.1 误差产生原因在实际测量中，人们对客观事物认识的局限性、测量器具不准确、测量手段不完善、测量环境条件变化以及测量工作中的失误，都会使测量结果与被测真值之间存在一定差异
40、，形成测量误差。误差按性质和来源可分为系统误差、偶然误差和疏失误差。1.系统误差由于测量仪器不完善、有缺陷以及没有按规定条件使用，试验理论、试验方法或试验条件不符合要求，观测者个人习惯等因素所引起的误差。这类误差在一系列测量中，大小和符号不变或有固定的规律，可根据具体试验条件、系统误差特点，找出误差产生原因，采取适当措施，降低误差影响。2.随机误差（偶然误差）由一些不易控制的因素引起，如测量值的波动、试验人员熟练程度、感官误差及外界条件的变动等一系列问题。这类误差在一系列测量中的数值和符号是不确定的，而且是无法消除的，统计特性大多服从正态分布。随着测量次数的增加，随机误差平均值愈来愈小。因此，
41、通常采用增加测量次数的方法来减小此类误差的影响。3.疏失误差（过失误差）主要是由试验人员粗心大意，如读数错误或操作失误所致，这类误差往往与正常值相差很大，也明显地超过正常条件下的系统误差和随机误差。这类误差可通过提高检测系统自动化控制程度，减少人工参与的方法予以消除。在误差理论中用准确度来表示系统误差大小的程度。测量结果的准确度是指测量结果与被测真值以相接近的程度。准确度的高低用误差来衡量。误差可分为绝对误差和相对误差两种。在实际接触网几何参数检测过程中，系统的测量误差由静态误差和振动误差合成。静态误差是在车体中心线与线路中心一致的情况下，由于对拉出值和高度做间接测量引入的运算误差和设备误差，
42、从引起静态误差的角度上看，影响检测数据有效性的主要因素有以下两个方面：第一，测量过程中采样点位置相异；第二，摄像机在测量过程中，其工作背景造成的影响。震动误差是在运动中测量时，由于振动使车体中心线偏离线路中心造成的，是随机误差。4.2 两摄像机采样点位置相异引起的误差列车高速运行时，输入数据处理子系统中供运算的图像数据，可能不是接触线同一位置点的图像信息，而是相距一定距离的不同点图像信息。如图4-1所示，摄像机C，将采样点A的数据送入数据处理子系统，而摄像机C，则将B点的图像数据输入数据处理子系统，A、B两点在摄像机中的成像特征会发生一些改变，此时，应用A、B映象目标参数，进行接触线几何参数检
43、测，不可避免的会产生测量误差。图4-1 采样点位置相异引起误差分析图b 接触线拉出值误差分析图a 接触线高度误差分析图受接触线实际布局的影响，当两摄像机采样点之间的位置差较大时，摄像机C，在B点采样时所得到的图像数据，与摄像机C，在A点采样时所得到的图像数据相比，接触线目标点在摄像机中成像的起始位置和图像宽度均会发生一些变化。4.3 CCD摄像机工作环境的影响及分析在进行接触线几何参数检测时，由于摄像机视场中可能包含整个接触悬挂的各种部件，所以接触网系统中的吊弦、承力索、腕臂、中心锚节、定位管、定位器、软硬横跨和桥梁的上部结构等成为了检测系统的干扰目标，从而给整个检测工作带来了很大的干扰，并且
44、在一定程度上还降低了系统的稳定性。为了有效地保留检测目标的信号，有必要分析接触网的结构及其各成像部件的特征。吊弦纵向安装，对目标成像影响小，承力索与接触线布局形式相似，是识别接触线目标的主要干扰因素。承力索表面比较污浊，底面呈柱状弧形，对光的反射性较弱，所以承力索目标成像宽度小且边缘过度平滑；列车在运行过程中，由于接触线与受电弓摩擦作用，磨耗面光亮，发射性能较其它物体高很多，并且磨耗面边缘几何过度陡峭，在摄像机中成像信号电平较高，所以接触线目标成像边缘明显，斜率大。从尺寸来看，接触线最大宽度相对背景中的腕臂、软硬横跨、桥梁上部结构等几何尺寸较大的干扰目标来说都比较小，只有承力索与接触线相近，但
45、承力索在接触线上方，离摄像机较远，由几何光学可知，照度与距离成反比，所以目标图像信号幅度比较平滑。在接触网系统的支持部分，能成像的主要有腕臂、定位器、定位管以及软硬横跨，但由于它们大都垂直轨道方向，在接触线方向只是零星出现，对光的反射性能差，并且成像很宽，所以对接触线目标的识别和跟踪可以忽略。对锚段关节处的目标识别，三跨段关节处，影响的干扰目标除有工作支承力索外，还有非工作支接触线以及承力索；对于四锚段关节还有电分段，结构更复杂，但成像分析与三跨段类似。在线岔的情况和锚段关节处的检测也很相近，都可利用工作支和非工作支的区别来进行目标识别和跟踪。若检测系统在启动时恰好位于锚段关节处，则成像就可能
46、有工作支和非工作支，在接触悬挂的部件中，工作支接触线离摄像机最近，在锚段关节工作和非工作支交换前一定范围外，可较容易利用获得的目标信息判断出接触线的位置。在接触线工作支和非工作支转换处，由于工作支和非工作支平行且高度相近，无法判断目标接触线，这时可进行锚段关节处的双线检测，即认为两根接触线目标都有效。4.4 机车振动的影响及分析4.4.1 车辆运行振动分析运行中的列车车辆是具有弹簧悬挂装置的多自由度的振动系统，在实际线路上运行时，会产生复杂的振动现象，但振动理论的研究和实践表明，这种复杂的振动是若干基本形式振动的组合结果。车体的振动形式有：沉浮振动、横摆振动、伸缩振动、摇头振动、仰伏振动、侧滚
47、振动等。安装在机车顶部的检测装置，在正常检测过程中会随车体一起振动，故而收集到的检测数据受到了车辆振动的影响。车辆振动是一个非常复杂的课题，同一辆车，不同的线路等级和线路状态，振动情况不同：同一车辆、同一线路，不同的运动速度，振动也不一样；不同的车辆情况也不同。所以，车辆振动是一个难以预测的随机变量，在最后的数据处理必须考虑车辆振动的影响。经过理论分析和运营实践表明，在影响拉出值的振动横向位移的众多因素中，起决定性影响的是车体侧滚振动，其中最为严重的是发生下侧振动，其次才是横向振动。4.4.2 车辆振动影响的补偿若接触线的正常工作高度按5700mm计算，车体以盘中心为转动中心，则车体即侧滚一个很小的角度，受电弓中心也将随各侧滚方向产生较大的位移。若心盘距轨面按5000mm计算。当车体倾斜1时，受电弓中心水平横向偏移：d5000tan 150000.0174587.25mm当车体倾斜2时，受电弓中心水平横向偏移：d5000
