解析非常规环境下的弓网接触位置动态监测

翟国锐，杜伟，张文静

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130113）

地铁在运行阶段，因为其车辆行驶较为特殊，使其特别容易出现弓网防线或受电弓零件脱节以及接触点位置异常等的问题，因此，需要对弓网接触位置进行动态监测，这样才可以确保地铁安全稳定运行，并且提升其运行效率。但需要注意的是，弓网监测属于非车载系统，这样就只能在地铁通过瞬时进行检测，实时性相对较差。当前，针对弓网检测来讲，对受电弓及接触网的接触点监测探究探索已经取得了不错的进展。但因为地铁运行环境相对复杂且多变，所以，在非常规环境下对弓网接触点进行监测十分关键且重要。

1 地铁车辆弓网系统分析

地铁车辆弓网系统主要是由接触网及受电弓共同组成，针对接触网来讲，其通常都是在轨道沿线上空，功能即为将电能直接传输到的牵引子系统中，进而为地铁车辆牵引动能。依照悬挂式可分为刚性悬挂及柔性悬挂两类，前者接触网是由旋转底座、绝缘子、汇流排和接触线等多个元件共同组织；后者接触网是由承力索、支柱、接触线和吊弦等多个元件共同组成。其中受电弓属于受流设备，属于接触网与地铁的连接，依照壁杆结构可划分为单臂受电弓和双臂受电弓两种，受电弓借助与接触线的连接就可以实现电能传输。

2 主要子系统功能

受电子接触网动态检测系统结构的完善性十分重要，有效构建能够生成完整的系统，在系统内需包含报警子系统、摄像子系统、传输子系统等，同时，需要注意的是，每个子系统之间都有着信息传输及控制的功能。

2.1 车辆报警子系统

针对车辆报警子系统来讲，电磁感应传感器属于这一系统的关键组成，电磁感应传感器的内部核心即为发射与接收，可以将其安装钢轨中，然后就能够生成磁场效应。在地铁车辆通行阶段，借助车轮中磁力线就可以直接发射出电流，这就说明车辆马上就会到来，随之也会发射出相应的报警信号。另外，从安装维护层面分析，电磁感应器都具有一定的优势，其可以直接安装到监控前方位置，然后在地铁车辆到达前就可以立即启动系统来拍摄，车辆通过后，则可以直接关闭，其开关信号原输出可以这与网络摄像机端口进行连接，以便快速触发开关。

2.2 摄像子系统

摄像子系统属于一种现代化数字摄像设备，主要是网络技术来作为辅助，同时系统内部还融入了电动云台与解码器等。其可以将视频进行压缩处理，并且集结到较小体积的设备内部，同时其还可以将模拟信号进行转换成为数据包，然后再借助RJ45 接口上传到网络中。其与以往传统的模拟摄像机加编码器相比，具有以下优势：安装方便、维护便捷；借助网络不仅可以调整画面大小和系统容量，还可以调节参数电及进行画面回放，回放画面也会十分清晰。但需要注意的是，部分回放有可能因为压缩编解码导致画面质量下降。

例如，某地铁弓网接触位置动态监测就应用了摄像子系统这一数字摄像机，同时还使用了压缩格式，其特点和优势则是能够在不损害画面的背景下，高清显示图面及视频内容，在这一背景下不仅节约了宽带，还进一步减少了信息传输压力。此外，这一机器还能够使昼夜彩色直接转变成为黑白色，即便是在夜间也可以提供高清图像质量。在系统内部装入防护罩就可以配置到云台中，云台能够承载机器重量，也是十分重要的承载装置。解码器也需要设置在云台附近，这样有利于接收控制器所发出的指令。

2.3 传输子系统

传输子系统主要是将摄像机图像内容传输到控制系统中，之后控制系统则可以传递出命令来对相关设备进行控制。在这一基础上，传输子系统也可依照实际情况来选择自己需要的路径，例如，网线或微波等。

2.4 中心控制子系统

中心控制子系统其能够对录像实施预处理。从监控器中能够直接看到监控点弓网接触点的实际情况，一旦出现故障，那么工作人员就可采取紧急措施来规避事故的发生。同时，这一子系统的录像功能也十分完善，能够对相关数据信息循环保存，最重要的是可以将之前录制的视频文件进行覆盖。同时系统还具有检索功能，使用人员可依照多种方式来对视频开展检索，例如，时间信息检索、报警信息检索等。此外，系统内部还可以依照使用人的实际需求来对制定数据信息进行永久保存，避免出现恶意破坏的现象。中心控制系统还能够在远端来对云台加以控制，使摄像机进行灵活移动，也能够控制摄像机镜头的调焦及变倍等功能。

3 阐述非常规环境下地铁弓网接触位置的动态监测策略

3.1 接触网几何参数监测技术

接触网几何参数监测即为测量弓网接触的位置的拉出值、导高、坡度以及高度差等多项几何参数，检测设备的主要是由几何参数测量模块及车体振动补偿模块共同组成。

（1）几何参数检测。其主要是使用两组工业相机及一组线状激光器来作为检测设备，然后再通过激光三角测量法来对接触网开展追踪，并随之测量接触线拉出值及高度值。在地铁列车行进阶段，激光器发射线性激光会直接照射在接触线上，然后就会生成光斑，接触线空间位置不同，则光斑位置也会发生改变，整个过程只要对光斑定位进行计算，就可以得出接触线高度及拉出值。另外，在不考量轨面高度变化的背景下，光斑距离图像的低端距离既可以体现出导高值。

（2）车体振动补偿。地铁车体来振动时，其也会对拉出值及导高值的几何参数检测带来影响，因此，应对检测开展修正处理。地铁车体振动补偿测量可借助机器视觉原理来在车体底部安装相应的补偿模块，通常两个即可。线激光呈现出角度时，其从侧面就可以直接照射到钢轨轮廓上，相机则可以直接对钢轨的激光畸变图像开展采集，使弓网动态监测的主机来对进行分析，然后测算出地铁车体与轨道面的偏移情况。最后，将偏移量随之补偿到车顶三角测距模块中，这样就可以得出导高值及拉出值。

3.2 视频图像中弓网接触位置的识别

（1）YOLO v3-tiny 网络结构。YOLO v3-tiny 网络结构与YOLO v3 相同，两者都是运用了多尺度检测机制，但需要注意的是，前者仅用了13×13、26×26两个尺度的像素，其他则大致相同。主要因素即为YOLO v3-tiny 是由卷积层及池化层共同的组成的，整体都相对简便。另外，YOLO v3-tiny 网络结构特征即为参数少且计算量小，对计算机的要求相对偏低，最重要的是可以很好地输入信息进行推理及计算。但需要注意的是，其也具有一定的缺陷，即为了提升计算速度，就容易降低检测的精准度。因为YOLO v3-tiny网络结构较为便捷，特征提取阶段存在不充分的现象。因此，为进一步强化和提升其检测的准确度，可以借助YOLO v3-tiny 网络结构来对ROIcanny 开展训练，通过这一算法处理来对视频进行跟踪是被，以此得出弓网接触位置。

（2）YOLO v3-tiny-strong 结构。YOLO v3-tinystrong 结构十分适合运用在受电弓图识别中，这一结构是YOLO v3-tiny 网络结构的优化升级。主要体现即为以下几点：其一，则是对网络结构进行了全面拓展和扩充。在深层次学习网络中，浅层次网络提取也十分关键，需要对物体的刚性结构及纹理结构来进行提取，因为这些结构的特点都较为明显。在过程中，可以使用大特征图像来丰富和优化细节。针对YOLO v3-tiny 网络结构来讲，其在第二层就进行了特征采集，通过这种方式可以全面减少网络计算量。因此，可以在网络第一、二层中间再加入1×1 卷积层和3×3 卷积层2 层网络，这样就可以强化对浅层特征的提取。在1×1 卷积层的加入中，其作用体现为以下两点：①可以实现平滑过度，即为确保第一层所提取到的特征直接添加到3×3 的卷积层中，这样的方式在传递视频时也不会出现损坏现象；②充分降低了网络参数量的体现。如果直接在网络第一层中就加入了3×3 网络，则参数量体现则会较多，长时间卷积层计算量就增加，且降低检测速度。因此，需要在这之前就加入1×1 卷积层，这样就可以很好地减少网络参数，并且在特征提取时确保检测速度的加快。

其二，则是在26×26 像素尺度检测工作开展前，加入相应的卷积层，全部完成以后提取特征。这种的操作模式虽然使用了route 合并功能，并且还融合了深浅层特征，但需要注意的是，由于后者仅有1 层3X3 卷层实施了特征提取，所提取到的抽象特征则会有所减少。因此，可以使用YOLO v3 多尺度检测层的功能，并且在深层网络中加入2 个3×3 的卷积层，这样的方式可以有效对深层特征进行提取，进而完善模型，完善后的模型则是YOLO v3-tiny-strong，其与YOLO v3-tiny 网络结构相比虽然有一定的区别，但能够进一步提升YOLO v3-tiny-strong 检测的准确度。在这一基础上，还可以开展多种模型的横向对比，然后计算平均值，进而全面强化输出的准确度。

另外，Fast R-CNN 网络由于其固有的二阶网络结构，其检测的准确度较高，特别是在候选窗推荐阶段，其与其他网络相比都有明显的优势，同时还能进一步提升目标检测效能。YOLO v3 网络所运用的网络结构即为darknet-53，可以通过强化网络层数来提升特征的提取能力，并且也使用了多元化的检测方式对目标进行检测，能够促进检测精准度的提升。同时，YOLO v3 网络中的下采样操作使用了步长2 的卷积层，能够有效规避采样阶段一些细节问题的出现，借助技术的完善就能够促进YOLO v3 网络检测精准度的提高，并且输出的平均准确性也较强。通过对比能够发现YOLO v3-tiny-srong 与YOLO v3-tiny 相比，前者的准确度有明显提升，提升幅度大约为15%。此外，也可以在带有NVIDIAGTX980GPU的情况下，对多个算法的检测速度进行测试，通过传输速度来对模型处理速度进行对比，在这一背景下，虽然修改后的YOLO v3-tiny-srong 其检测速度有所下降，但准确度却得到了全面提升，可以充分满足实时检测的要求。

4 结语

结合全文，地铁弓网接触位置的动态监测十分关键，有效监测不仅可以降低弓网事故的发生，并且还可以确保地铁车辆安全稳定地运行。另外，弓网接触位置动态监测也可以为地铁列车提速及降低噪声等有一定的帮助。