接触网动态检测系统设计与应用毕业论文

1、西 安 科 技 大 学毕 业 设 计（论文）任 务 书站名姓名杨利龙专业年级设计（或论文）题目：接触网动态检测系统设计与应用 2011 年 11 月 20 日完成日期：1、 具体要求： 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

2、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项，完全与高压设备脱离接触，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。 2、 学生应完成的任务 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

3、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，该系统还优化了车项检测设备的设置，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。3、 参考文献1陈唐龙高速铁路接触网检测若干关键技术研究西南交通大学博士研究生学位论文，20062冯金柱2003年68个国家和地区电气化里程及电气化率世界轨道交通，2004(6)33于万聚高速电气化铁路接触网成都：西南交通大学出版社，20024于万聚接触网设计及检测原理北京：中国铁道出版社，19935中华人民共和国铁道部中长期铁路网规划，200416吴积钦，董昭德等。铁道部客运

4、专线接触网培训教材成都：西南交通大学出版社，20077张道俊，张韬接触网运营检修和管理北京：中国铁道出版社，20068张韬接触网状态修工作的思考铁道机车车辆，2004(2)9朱德胜德国接触网动态检测技术电气化铁道，2004(3)lo李大为德国接触网动态接触压力检测及其缺陷判别技术浅析铁道标准设计，2005(8)11陈唐龙接触网检测车振动补偿研究西南交通大学学报，1999(212于正平，张弘，吴鸿标，昌月朝高速电气化铁路接触网一受电弓统的研究中国铁道科学，199920(1)13蔡学敬陈唐龙牛大鹏基于onuris线阵列ccd摄像技术的高速电化铁路接触网动态检测系统轨道交通，2007(5)指导教师：

5、 年 月 日审 批 人： 年 月 日指导老师： 职称： 年 月 日继续教育学院 盖章毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要

6、求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文

7、作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格

8、4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内

9、画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日西安科

10、技大学继续教育学院 29教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良

11、 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日摘 要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

12、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项，完全与高压设备脱离接触，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。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

13、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，该系统还优化了车项检测设备的设置，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；非接触式检测；图像处理；自适应算法abstractelectrified railway transport capacity because of its strong, low operating costs, energy consumption and environmental pollution fewer advanta

14、ges, such as by the general emphasis on countries in the world has become todays railway development. the catenary electrification of the railway as an important component of the merits of its state directly affects the safe operation of electric railways, so by detecting the catenary state, the tim

15、ely detection of crime problems, for the safe operation of electric railways vital. at the same time, in order to continue to accumulate the design, construction and maintenance experience, improve maintenance efficiency and save operating costs, making continued to improve the level of detection of

16、 catenary electrified railway has become the inevitable demand for rapid development and an important guarantee. the end of the twentieth century, catenary contact-type detection techniques have become more mature, widely used at home and abroad. however, due to technical complexity, high cost and t

17、here is a certain security risks and other factors, has greatly restricted the spread of this detection technology and detection accuracy further improved. non-contact detection technology is to detect items of equipment installed in the car, complete with high-pressure equipment, disengagement, ena

18、bling technology and equipment is relatively simple, greatly improved safety performance, the cost has dropped significantly. in this paper, the current domestic-based image processing, non-contact detection system of image pre-processing and object recognition terms, in the case of high-speed detec

19、tion of the main problems to study and use adaptive thresholding method and its adaptive control techniques were improvement. mainly for multi-camera image acquisition threshold divided into paragraphs, using adaptive binarization threshold and the two treatment methods for image preprocessing, and

20、then the use of tracking technology will interfere with target identification to exclude the ultimate goal of an effective geometric parameters, target identification, quality and technical parameters for the efficiency has improved significantly. in addition, the system also optimized the car items

21、 of test equipment settings for optimal classification threshold segment, multi-target recognition, illumination opening and closing control, breakpoint continuation problems, suggestions for improvement ideas. keywords: catenary; non-contact detection; image processing; adaptive algorithm第1章 绪论1.1引

22、言1879年5月31日，在德国柏林举办的世界博览会上，德国西门子公司和哈尔斯克公司展出了世界上第一条电气化铁路。随着科学技术发展、铁路运量增长和对能源利用率的重视，电气化铁路运输能力强、运营成本低、能源消耗少、环境污染小的优点受到了世界各国的青睐。一些工业发达国家大规模的电气化铁路建设，使它从工矿线路和一些大城市的近郊线路，迅速发展到城市之间和繁忙的铁路干线。二十世纪七十年代末，欧洲各国、日本以及前苏联的铁路主要干线均已实现了电气化。截止2003年底，世界电气化铁路已达到264万公里，约占世界铁路总营业里程(约121万公里)的21.8。我国第一条电气化铁路宝成线宝鸡至凤州段始建于1958年6月

23、，于1961年8月15日建成，由此揭开了我国电气化铁路建设的序幕。虽然起步较晚，但经过50年的飞速发展，己跻身于世界电气化铁路大国行列。2006年9月，我国电气化铁路总里程突破2.4万公里，成为继俄罗斯之后世界第二大电气化铁路国家，铁路电气化率达到27，初步形成了布局合理、标准统一的电气化铁路运营网络。预计到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，电气化率达到50。届时，我国的电气化铁路不论里程长度和技术装备，还是所承担的客货运输量都将跨入世界先进行列。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，

24、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

25、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.

26、2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，以电力牵引为主的德国、法国、日本、前苏联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。1.2.1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、法国和瑞士等国

27、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所示。它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、偏移、高度等主要项目的检

28、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，受电弓滑板卜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。 a)德国接触网检测姨置 b)国产jjc一1型接触网检测装置图11典型接触式接触网榆测装置图11典型接触式接触网榆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

29、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，同刊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。1.2.2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处理技术。在车顶线阵布置

30、了4个ccd(chargedcoupleddevice)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德围非接触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拉出值。非接触式检测系统无需在受

31、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2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三个子系统。检测内容涵盖了接触网的基本几何参数。系统配有功能强大的软件包，可对检测数据按照不同要

32、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cod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。1cod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，像素集成度、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、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长

33、、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图像传感器如图2-1所示，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电荷。这个时期称为光积分期

34、，也称为曝光期。(2)电荷存储在光积分期同时，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。 a)ccd芯片 b)内部结构示意图图2-1线阵ccd芯片及其结构示意图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

35、有较高分辨率和很好的实时输出特性。高速线阵传感器摄像机扫描一次，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备受青睐。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onuris-slis2048(如图2-2)。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项两侧，相对于车顶中心线对称布置，摄象机主光轴所在平面与车顶平面夹角为60。 a)外观图 b)内部

36、结构图22 onuris线阵ccd高速摄像机212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。两台聚光灯位于两摄像机中间，相对车项中心线对称布置。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。213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+60做为应用程序的开发工具。其作用是：(1)配置摄像机属性

37、，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，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2-3所示。图2-3 软件系统模块组成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，使得这些特征在同一区域内，表现出一致性或相似性，而

38、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算法得到其特征阀值，以此为标准将图

39、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摄像机同时对接触线目标进行扫描，各自

40、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)计算几何参数根据(2-1)、(2-2)、(2-6)、(29)式计算，获得接触线目标的高度和拉出值。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

41、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、使用寿命长、易于维护、不必对受电弓进行任何改造以及安全系数大等一系列优点n引。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、

42、树阴等干扰目标以及一帧图像出现多个目标时，杂乱的目标图使得获取有效目标几何参数的效率降低。(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3章 接触网非接触式检测系统计算方法针对目前非接触式检测系统需要改进和完善的一些问题，本文通过对自适应控制和自适应识别技术的研究，提出一系列改进算法。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90o。，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

43、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。312检测范围由于电力机车受电弓工作高度范围是5183mm-6683mm，受电弓工度为1250mmm，。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 矩形区域3.2自适应算法在日常生活中，自适应是指生物能改变自己的习性以适应新环境的一种特征。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。下面从白适应控制和自适应识别技术两方

44、面入手，阐述对原检测系统基于自适应算法的改进思路。(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

45、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，

46、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测系统，采取自适应控制是合适的。(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

47、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

48、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

49、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。为避免做为多个目标去识别，就需要对有效阀值段进行优化。333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

50、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

51、似确定目标中心位置，进而获得断点的几何参数。3.4系统实现改进后的接触网非接触式检测系统仍由线阵ccd摄像机、照明光源和终端计算机处理三个子系统组成。检测系统架构略有变化，如图3-2所示。图3-2 检测系统架构 上图3集中水平布置的系统架构硬件选型与原系统保持一致。对其中的图像解析和光源控制两个模块进行了自适应算法改进。系统开始工作后，经过图像采集，图像预处理、获取目标以及去除干扰等步骤后，得到基于自适应算法的目标图，然后通过定位计算，得到目标的几何参数。第4章 系统误差分析在实际测量中，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

52、量结果与被测真值之间存在一定差异，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

53、增加，随机误差平均值愈来愈小。因此，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。由于系统误差具有一定的规律性，可以预测并加以控制，所以下面重点针对系统误差进行分析。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包和相对误差巨两种，分别表示为被测真值4是一个理想的概念，在实际中测量过程中