1、立项背景

成都地铁供电方式采用刚性接触网和柔性接触网结合的方式，施工工艺、设备结构复杂，因其工作环境恶劣，使用条件苛刻，长期工作在振动环境中，其定位装置、支持装置、接触悬挂、附加悬挂、吊柱座等零部件易于出现脱落、缺失等缺陷，如果不及时处理，将引发严重的弓网故障，造成行车事故并带来极大的经济损失。目前成都地铁对接触网悬挂的检查主要依赖于天窗期内梯车定期巡视，由于市域快线线路长，若采取该方法进行周期修，效率低，强度大，且故障隐患不易发现。

我公司地铁接触网悬挂状态智能巡检系统项目，是针对成都地铁设备结构和实际需求而进行的研发，能帮助成都地铁解决智能巡检系统的拍摄范围、智能识别、技术参数等问题，实现对地铁刚性、柔性接触网关键零部件高清成像，通过接触网高清成像检测模块高清晰拍摄其悬挂设备，并通过图像智能分析软件实现对关键零部件的脱落、缺失、破损等缺陷智能识别。本项目的实施，将为今后调整接触网专业修程修制提供帮助。

2、检测系统方法

地铁接触网悬挂状态智能巡检系统是具有在线检测、自动分析、缺陷分类、历史结果对比等功能的巡查装置，基于图像精确拍摄及自动识别、多参数同步精准定位的技术，实现对城市轨道交通刚性接触网悬挂区域、柔性接触网悬挂区域进行高清成像，并通过图像智能分析软件实现关键零部件的脱落、缺失、破损等缺陷智能识别，为城市轨道交通供电悬挂设备的日常维护提供客观依据。

3、检测系统组成及主要技术

本系统硬件结构由柔性接触网成像模块（包括定位装置及支持装置成像模块、附加悬挂成像模块、杆号成像模块、接触悬挂成像模块）、刚性接触网成像模块（包括定位点刚性悬挂成像模块、刚性悬挂高位吊柱座成像模块、连续视频录像模块）、补偿光源模块、支吊柱\定位点识别模块、嵌入式触发控制模块、车地传输模块、时空同步定位模块、数据处理分析模块、显示与操作模块等组成，如图3-1所示。

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图3-1 系统硬件主要部件组成框图

柔性及刚性接触网悬挂定位点区域相机布局及柔性接触网接触悬挂区域相机布局示意图如图3-2所示。

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图3-2 柔性、刚性接触网悬挂定位点区域相机布局

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图3-3 柔性接触网接触悬挂区域相机布局

（1）定位装置及支持装置成像模块由18个大分辨率工业相机组成，其中8个2500万大分辨率工业相机从正反面对沿线平腕臂、斜腕臂绝缘子及其底座区域进行高清拍摄；6个2500万大分辨率工业相机从正反面对沿线承力索座、定位支座进行高清拍摄；2个2500万大分辨率工业相机对定位线夹区域正反面进行高清拍摄；2个2500万大分辨率工业相机用于对线路两侧的支持装置整体进行正反面全景拍摄。考虑到线路上接触网附加悬挂的复杂性与多样性，因此，本装置采用4个2500万大分辨率工业相机用于对附加悬挂进行正反面拍摄。

（2）杆号成像模块由2个分辨率为1280×960的130万像素工业相机组成。这2个相机分别安装于车体的靠近外边缘的两侧，用于在对线路检测时，对杆号及外部环境(兼顾对坠砣拍摄)进行成像。

（3）接触悬挂成像模块由4个2500万大分辨率工业相机组成，用于对接触悬挂（吊弦、线夹等）区域进行上下及左右侧拍摄，成像范围为轨顶连线以上4000mm至8100mm范围区域，单幅画面幅宽2000mm。

（4）定位点刚性悬挂成像模块由6个大分辨率工业相机组成，为实现高效利用，节约器件成本及空间大小，特采用柔性接触网定位支座区域的4个2500万大分辨率工业相机、柔性接触网定位线夹区域的2个2500万大分辨率工业相机从正反面实施对刚性接触网定位点刚性悬挂抓拍其各组成零部件高清图像，同时也实现了相机的复用。

针对地铁接触网结构的差异性，隧道内有部分高净空区，部分刚性接触网吊柱座处于高位，则采用4个2500万大分辨率工业相机对吊柱座进行正反面拍摄。

（5）连续视频录像模块采用2个400万像素高清录像相机分布于车辆左右侧对刚性悬挂区域连续拍摄。主要记录刚性悬挂汇流排、定位线夹、紧固螺栓、连接件等关键部件的运行状态。

（6）补偿光源模块：由于高速抓拍中，相机的快门时间设置很小，在隧道和夜间外界光线无法达到照亮目标清晰成像的效果，必须外加补偿光光源。本装置采用进口频闪技术的HID高强光源及氙气大灯光源，在相机快门的瞬间动作，实现拍摄目标的高亮照明。

（7）支吊柱/定位点识别模块通过在车顶相应位置布置三套目标物智能识别模块组成，实现对支持装置、接触悬挂目标、刚性悬挂的定位。目标物智能识别模块由激光发射器、线阵相机构成，能将线阵相机成像数据传递到车内服务器进行处理，利用激光测距、图像目标识别、线路数据库查询技术综合判定关键悬挂目标的出现，并给出其相关定位信息。采用两套目标物智能识别模块即可满足对柔性接触网的触发又能实现对刚性接触网触发。另外采用一套目标物识别模块对柔性接触网的接触悬挂进行触发。

（8）嵌入式触发控制模块实现功能：接收服务器发出的串口命令，按要求发出触发相机的各路触发信号，主要功能：接收服务器传送的行车定位信息，触发相应的相机进行抓拍，发出相应的频闪控制信号，协助完成里程记录功能。由于杆位识别到触发相机的过程要求延时很小并且确定，采用自行研制功能电路高可靠实现。其核心处理芯片采用FPGA，外设主要是多个串口、相机触发信号及闪频控制信号转换电路，能够将识别目标到触发发出的延时控制在1ms内。

（9）时空同步定位模块由速度传感器、定位修正设备、服务器等组成，实时发送出经过修正后的里程信息。启动检测软件并调用含杆位信息的数据库进行运行，以便于对杆位确定与跨距参数运算。

（10）车地传输模块主要由车载无线终端、地面无线终端、地面中转服务器、防火墙、用户终端等设备组成，通过海量数据车地无线传输技术，实现车载检测数据的无线自动传输并存储至用户终端，无需工作人员现场拷贝转存。

（11）数据处理分析模块采用高性能服务器实现接触网图像的采集、处理、存储，并对其图片进行管理。主要功能如下：按照触发控制模块的触发信号及时采集图像；压缩采集到的图像并存储；获得杆位信息与图像信息融合；提供管理成像记录的管理界面。

（12）整个系统软件功能依赖于服务器实现，高速图像采集和海量数据存储处理对CPU性能要求很高，本系统采用高性能的服务器、扩展网卡和数据采集卡，实现工业相机的图像采集和地标里程检测输入。

本系统从软件功能上划分为：支吊柱/定位点识别功能模块、实时成像采集处理模块、成像信息融合与存储模块、车地传输控制模块、数据分析处理模块。

图3-4 系统软件功能框图

（1）支吊柱/定位点识别功能模块

主要功能：基于线阵相机图像处理的方法，实现从复杂背景中提取目标特征，在高速动态中实时判定是否到达支吊柱所在位置。在开机启动时初始化线阵相机，实时获取外部线扫描图像数据，其工作流程为：首先应用模式识别算法判定目标是否存在于图像中，再利用了三角测距原理判定目标物高度辅助判定是否干扰，为适应背景亮度变化设计了主动调节相机曝光时间和输出增益的动态自适应机制。

（2）实时成像采集控制模块

主要功能：对各高清相机进行初始化和参数设置管理，在运行过程中实时监控各相机状态，在每次杆位到达时刻自动获取拍摄的图像数据，实时显示在界面中，并在后台进行图像数据的压缩处理。

（3）成像信息融合与存储模块

主要功能：将实时获取的行车定位信息，与高速相机获取的图像数据进行处理，构成实时对应的映射关系，形成统一的记录，将图像数据和定位信息合并存入自定义的数据库中。

（4）车地无线控制模块

主要功能：通过无线传输车载端软件即可完成检测数据自动传输至终端主机。同时实现无线网络质量检测、UPS电量监控、磁盘容量监控、当前传输进度等状态信息的实时显示。

（5）数据分析处理模块

主要功能：对自定义数据库中的巡线图像记录进行管理。支持图像局部放大和图片转存功能，显示所属站区、杆号、公里标等定位信息。具备查询功能，能够通过站区、杆号的选择输入，直接跳转到该定位图片进行显示。能对成像区域内的接触悬挂、支持装置、附加悬挂、吊柱等关键零部件的状态进行实时检测、智能分析，自动识别缺陷，判别结构异常部件。

4、创新点与特色点

创新点1：研究了兼顾成都地铁刚性及柔性接触网的接触网悬挂智能巡检系统；

创新点2：研究了满足成都地铁刚性及柔性接触网悬挂零部件的全覆盖、无遗漏检测方法；

创新点3：研究了基于深度机器学习在成都地铁刚性及柔性接触网悬挂关键零部件的缺陷智能识别技术；

创新点4：研究了成都地铁刚性及柔性接触网的接触网悬挂智能巡检系统获取的海量图像数据的车地无线传输方式。

特色点：鉴于成都地铁既有线的应用与新建线路的规划，线路结构的多样化：从刚性接触网到柔性接触网；供电制式的多样化：从直流到交流供电；接触线高度的多样化：从接触线高度4040mm到5000mm。本科研项目研制了适应成都地铁各线路适用的接触网悬挂智能巡检系统。

5、取得的效果

(1)本成果形成了具有完全自主知识产权的地铁接触网悬挂状态智能巡检系统技术，该系统已经在成都地铁2号线、4号线成功的进行了测试，测试结果表明此系统能大大节省人力和时间成本，并且提高了巡检的准确率；

(2)在成都地铁实施基于接触网状态悬挂检测监测装置的接触网自动化维修办法；

(3)在成都地铁推行缺陷自动识别技术，进一步扩展到其它铁路公司维修体系中；

(4)在成都地铁实行基于接触网零部件当前状态的状态修模式，这对其他基础设施的检修也有重要借鉴作用。

6、推广应用情况

本成果形成了具有完全自主知识产权的地铁接触网悬挂状态智能巡检系统技术，该系统已在成都地铁4号线隧道成功测试，测试结果表明能够大大的提高了隐患检测检修效率，节约了时间及人力、物力，具有广阔的应用前景。同时本设备也先后在重庆地铁、西安地铁、呼和浩特地铁、苏州地铁等得到了相关应用。

应用该成果，通过研究成都地铁接触网悬挂一杆一档数据库，结合成都地铁接触网检修现状，理论分析了成都地铁管内各线路接触网零部件全寿命周期。项目中提出的基于深度学习接触网悬挂零部件图像智能识别研究方法，可以在今后形成论文成果以实现核心期刊发表。

7、社会效益

（1）随着城市轨道交通在各大城市的迅猛发展，大量隧道进入到了运营和维护期，隧道病害的检测也成为了日常养护的重要课题，而隧道成像系统的引入大大的改变了当前隧道检修与养护的工作方式，压缩了隧道检修的工作时间，节约了隧道运营、维护成本，提高了检修和维护人员的工作效率，具有良好的经济和社会效益。

（2）丰富与发展了隧道成像检测监测、服役性态评估等关键技术与理论；实现隧道成像技术与装备的自主创新，推动了行业科学技术进步。

（3）隧道成像系统的上线能够提供了隧道检修与维护的依据，保障了城市轨道交通安全运营。