XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Аннотация:

Автоматизированная оптико-электронная система контроля износа контактного провода. Алгоритм анализа видео-потока и подход к его реализации на высокопроизводительной элементной базе. Описанная автоматизированная система позволяет измерять параметры износа с шагом 10 мм при скорости движения инспекционного вагона 60 км/ч, погрешность измерения высоты и площадки износа составляет 0.15 мм² и 1.5 мм² соответственно, что позволяет принимать уверенно решения по замене изношенных участков контактной сети.

Annotation:

Advanced automated optoelectronic system for contact wire wear inspection . The algorithm of the video stream analysis and approaches to its implementation using high-performance electronic equipment are given. The automated system described has allowed measuring wear parameters with 10 mm interval at the inspection car’s velocity of 60 km per hour. The root-mean–square error for the measurements of the remaining height and contact plot constitutes 0.15 and 1.5 mm 2 correspondently that allows one to make a considered decision about changing a worn section in a contact wire network.

1.Введение
Безопасность эксплуатации железнодорожного транспорта требует беспрерывного контроля геометрических характеристик изнашиваемых конструкций. Одна из актуальных на сегодняшний день задач железной дороги заключается в определении износа КП и определении недостатков основных элементов контактной сети. В мире существует целый ряд внедренных автоматизированных систем [1–3], определяющих износ провода на ходу состава с помощью бесконтактного метода. В настоящее время на железных дорогах РФ износ КП измеряется ручным микрометром, что помимо временных затрат требует временного обесточивания обмеряемых участков сети. Таким образом, задача автоматизированной бесконтактной дефектоскопии является одной из наиболее важных для железных дорог РФ.

В процессе эксплуатации КП подвергается ряду дефектов, которые необходимо своевременно обнаруживать. Основной дефект, приводящий к увеличению удельного сопротивления и вероятности разрыва провода – уменьшение площади поперечного сечения из-за трения о токоприемник.
В данной работе представлено описание усовершенствованной скоростной автоматизированной оптико-электронной системы контроля износа

контактного провода.

2. Провода контактной подвески.

Контактный провод напрямую участвуют в основном моменте механизма передачи электрической энергии: переносе электрической энергии из контактной сети на полоз токоприемника электроподвижного состава. Из всех компонентов контактной подвески именно контактный провод восприимчив наибольшему износу. Это связано как с механическими повреждениями вследствие контакта с пластинами полоза токоприемника, так и с электрическими повреждениями, появляющимися при формировании электрических дуг в местах разрыва токоприёмника. Потому контактный провод должен владеть не только наибольшей электропроводностью, что дозволит уменьшить затраты при передаче электроэнергии, но и хорошей износостойкостью. Большие температуры, которым сопутствует протекание тока, увеличивают предписания к термостойкости применяемого материала, а потребность регулировки натяжения проводов - механическим характеристикам. Оптимальным сочетанием вышеуказанных характеристик владеют медь и бронза, которые и применяются для изготовления контактных проводов. Добавки в низколегированных медных проводах позволяет увеличить их износостойкость и термостойкость. Ёще наиболее высокие параметры по износостойкости у бронзовых медно - кадмиевых проводов: они повышают в 2 - 2, 5 раза параметры медных, впрочем они дороже и имеют достаточно низкую проводимость. В маркировке контактных проводов применяются буквы, означающие материал провода и его профиль и цифры, означающие сечение КП, например МФ - 100 - медный фасоновый сечением 100 мм², БрФО - 120 — бронзовый фасонный овальный сечением 120 мм², НлФ - 150 — низколегированный медный фасонный сечением 150 мм². [9]

3. Износ контактного провода.

В местах трогания подвижного состава наблюдается повышенный износ контактного провода. Возрастание тока влечёт к существенному нагреву и в некоторых моментах может привести даже к пережогу контактного провода. Износ контактного провода обуславливается главным образом от материала контактных пластин токоприемников. Максимальный износ контактного провода случается при медных контактных пластинах, меньший — при угольных вставках, а также если пластины сделаны из порошковых и спеченных материалов. Износ провода в основном предопределяется значением тока, снимаемого токоприемником — с возрастанием тока он значительно увеличивается. Износ контактного провода в разных его проекциях — в струновом пролете, в пролете контактной подвески, в анкерном участке, на перегоне — неодинаков. На износ контактного провода существенно воздействует наличие на нем различных сосредоточенных масс — фиксаторов, питающих зажимов электрических соединителей, стыковых зажимов, средних анкеровок, а также стремительное снижение эластичности подвески на сопряжениях анкерных участков и воздушных стрелках. Особенным видом является волнообразный износ контактного провода. Волнообразный износ наблюдается в местах трогания и разгона ЭПС и на подъёмах. Он трактуется активным электрическим износом и тяжкими дуговыми повреждениями контактного провода на последовательно расположенных недлинных участках (100 — 150 мм), разделённых ещё наиболее короткими (10 — 30 мм) участками с неплохо пришлифованной поверхностью. Кроме того, волнообразный износ неминуемо появляется в случае, если внутренние пластины утоплены по отношению к наружным и покрыты слоем высохший смазки, а также при излишнем нанесении этой смазки на полозы. Волнообразный износ не появляется при применении угольных вставок, т.к. они не требуют нанесения сухой смазки. Уменьшению интенсивности изнашивания контактного провода, продлению срока его службы обращают большое внимание. [10]

4. Метод структурного освещения для измерения дефектов.

Существует множество методов и систем контроля геометрических параметров промышленных изделий при их производстве и эксплуатации

[4,5]. Одним из наиболее простых и часто используемых методов контроля является теневой метод [6]. Для контроля КП теневой метод неприменим ввиду особенностей конструкции контактной сети. Поэтому большинство автоматизированных оптических систем используют для определения износа метод измерения контактной площадки [1,2]. Существенным недостатком данного метода является информационная ограниченность получаемого одномерного сигнала. Поэтому В.Э. Каликиным было предложено [8] использовать метод структурного лазерного освещения для диагностирования дефектов контактной сети. Осветителем формируется один или несколько веерных лучей, которые падают на поверхность провода под некоторым углом к его оси. С другого направления с помощью видеокамеры фиксируется излучение, рассеянное поверхностью провода. Более подробно метод и его возможности применительно к дефектоскопии контактного провода описаны в[7,8].

5. Оптическая схема и элементная база.

Изменение конфигурации оптической схемы (рис.1) модуля регистрации и элементной базы позволило снизить неопределенность измерений при большом износе провода и увеличить существенно скорость измерений. Конструктивно система состоит из измерительного модуля, расположенного на крыше инспекционного вагона, и станции накопления и обработки данных, расположенной внутри вагона. Измерительный модуль предназначен для получения первичной видеоинформации, содержащей данные о геометрических параметрах тестируемой контактной линии, и включает в себя осветитель с блоком регистрации изображения. В станции накопления и обработки данных осуществляется сбор информации, полученной с измерительного модуля, ее обработка и вычисление контролируемых параметров.

Лазерный осветитель обеспечивает заданное распределение интенсивности света во всем измерительном объеме, а блок регистрации – контрастное изображение, полученное с постоянным увеличением в любой точке этого объема. Для этого измерительный модуль перемещается перпендикулярно оси пути, синхронно с изменением положения провода, а расстояние от него до провода по высоте поддерживается постоянным.
Существенного повышения быстродействия блока регистрации удалось достичь путем использования высокоскоростной камеры A504k фирмы BASLER (США). Паспортная производительность камеры – 500 полных кадров в секунду.

Импульсный режим работы лазера обеспечивает высокую яркость рассеянного на поверхности КП лазерного излучения, что значительно увеличивает соотношение сигнал/шум на регистрируемом изображении по сравнению с макетом системы. А малое время экспозиции решает проблему фоновой засветки. Т.о., полученные снимки легче поддаются разбитию на связные области, что упрощает первичную фильтрацию снимков. Снимки сечений изношенного и неизношенного участков провода, полученные на частотах ~1000 Гц с помощью структурного освещения.
Производительность новой системы ограничивается частотой импульсов лазера, который связан с фреймграббером видеопроцессора через синхронизующую схему, и более не ограничена элементами самой видеосистемы. В заданном окне съемки 1 280 x 128 видеосистема без синхронизации с лазером позволяет получать до 2 000 снимков в секунду.
С использованием видеопроцессора Matrox Odyssey Xpro+, а также стандартных программно-аппаратных решений в системе стала возможной адаптивная сегментация изображений в реальном времени, что в свою очередь повышает их коэффициент сжатия для последующего хранения. Процессор также позволяет упростить работу со связными областями пикселей (BLOB).

Рис.1. Оптическая схема прототипа системы дефектоскопии контактного провода

6. Высокоскоростная обработка изображений

Первым шагом анализа изображения является нахождение информативных участков видеоизображения. Такие участки ищутся как связные пиксельные области с достаточно большим числом пикселей. Для упрощения поиска эти связные компоненты отслеживаются на последовательности кадров во время проведения процедуры измерений.
Вместо тонкой линии сечения провода лучом лазера, видно распределение интенсивности излучения лазера с некоторой протяженностью вдоль провода. Предполагается, что сечение вдоль длины КП слабо меняется на достаточно большом расстоянии, и поэтому можно найти центры масс по яркости для каждого вертикального столбца пикселей изображения, тем самым преобразовав распределение интенсивности в линию. Также необходимо учесть геометрическое искажение, обусловленное разными углами облучения и съемки провода [8].
После этого, путем обработки кривой, представленной найденными центрами масс, определяется профиль сечения провода. Для этого из всех найденных центров алгоритмически выделяются центры, принадлежащие неизношенной части провода. В этих областях поверхность провода в рассматриваемом сечении имеет форму круга, что позволяет статистическими методами вычислить центр контура сечения как центр круга, наиболее близкого к исходному набору точек.
Предполагается, что размер сечения и критическая высота износа определяются маркой провода и заданы изначально.
Использование высокопроизводительной камеры и видеопроцессора потребовало новой программной реализации приведенного алгоритма. Основные шаги алгоритма анализа видеопотока были переформулированы в терминах библиотеки MIL 8.0 фирмы Matrox Imaging с использованием готовых алгоритмических решений, лежащих в ее основе. Делегирование задач адаптивной отсечки и последующей сегментации на большие связные двоичные области, сокращенно BLOB, видеопроцессору позволило разгрузить CPU от операций по фильтрации первичного видеопотока [8].
По завершении сессии на основе сохраненных данных создается файл отчета, содержащий исчерпывающую информацию о состоянии исследуемого участка.

7. Заключение

В данной работе представлено описание усовершенствованной автоматизированной оптико-электронной системы контроля износа контактного провода. Приведен алгоритм анализа видео-потока и подход к его реализации на высокопроизводительной элементной базе. Автоматизированная скоростная система позволяет измерять параметры износа с шагом 10мм при скорости движения инспекционного вагона 60км/ч, погрешность (СКО) измерения высоты и площадки износа составляет 0.15 мм² и 1.5 мм², соответственно, что позволяет принимать уверенно решения по замене изношенных участков контактной сети.

Источники информации :

1. S. Kusumi et al. Quarterly Report of RTRI, 2000, № 4, p. 169-172.

2. U. Richter, R. Schneider. Eisenbahningenieur, 2001, № 6, p. 18-23.

3. H. Nagasawa et al. Quarterly Report of RTRI, 2000, № 3, p. 117-119.

4. Galiulin Rav M et al. 2002 Optoelectronic computer aided systems for inspection of

gas-turbine engine complex objects Proc. SPIE vol. 4900 ed Yu V Chugui, S N Bagaev, A

Weckenmann, P H Osanna pp 178-184.

5. Weckenmann A and Nalbantic K, 2002 Measurement of conformity and wear of

cutting tool inserts Proc. SPIE vol. 4900 ed Yu V Chugui, S N Bagaev, A Weckenmann, P H

Osanna pp 541-547.

6. Gromilin O G, Kuchinskii K I, Ladygin V I, Yunoshev S P. 1999 J. Pattern

Recognition and Image Analysis 9 (1), p. 141-142.

7. Skotheim O and Couweleers F, 2004 Structured light projection for accurate 3D shape

determination Proc. 12th Int. Conf. on Experimental Mechanics (Bari, Italy, August, 2004)

(McGraw-Hill).

8. V S Bazin et al., 2007 Optical remote inspection of live contact wire cross-sections in

a train's electro-supply network. Proc. SPIE vol. 6280 ed Kuang-Chao Fan, Wei Gao, Xiaofen

Yu, Wenhao Huang, Penghao Hu/

9. Ухина С.В. Электроснабжение электроподвижного состава: учеб. пособие. - М.: ФГБОУ "Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте", 2016. - 187 с.

10. Бондарев Н.А. Чекулаев В.Е. Контактная сеть: Учебник для студентов техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2006. - 590 с.