一种电气化铁路接触网支持装置的光学成像检测方法

摘要

一种电气化铁路接触网支持装置的光学成像检测方法，属于电气化铁路安全检测技术领域，其特征在于，把接触网支持装置的全局图像经过均值滤波、二值化后，从中提取支持装置的整体结构，并按其形状特征及其坐标位置等识别出上、下方绝缘子，以及横腕臂、斜腕臂、斜撑、定位管、定位器。并用直线拟合算法拟合得到其所在的直线方程，并求出各杆件之间的夹角，及各杆件两两之间的交点，然后计算上述各个交点到上下方绝缘子中心的距离，并以距离和夹角作为参数，将前后两次成像处理后的数据进行比对，以比对后的值是否超出一定的阈值作为判定是否存在故障缺陷的条件，实现了接触网支持装置中由于预张力和冲击力综合作用而造成的故障的自动检测。

主权项

一种电气化铁路接触网支持装置的光学成像检测方法，其特征在于，是在计算机中依次按以下步骤实现的：步骤(1)，输入一个电气化铁路接触网支持装置的全局图像，用像素表示的图像大小为2448*2048，其中图像左上角为坐标原点，水平向右为x轴正方向，竖直向下为y轴正方向，图像视野所包含的实际范围为6m*5m；步骤(2)，依次按以下步骤对所述电气化铁路接触网支持装置的全局图像进行均值滤波：步骤(2.1)，新建一个滤波模板：所述滤波模板的高为MaskHeight＝50，宽为MaskWidth＝50，单位是像素；步骤(2.2)，将所述大小为2448*2048图像逐像素点的对准所述滤波模板的几何中心，所述滤波模板大小为50*50，并求滤波模板中所有像素的均值，g(x，y)＝1/Num∑f(x，y)，其中Num为该滤波模板中包含当前像素在内的像素总个数，即Num＝MaskHeight*MaskWidth，再把该均值赋予当前像素点(x，y)作为处理后图像在该点上的灰度值，用g(x，y)表示；步骤(3)，用Bernsen算法对步骤(2)得到的均值滤波后的图像进行二值化处理：构造一个以像素点(x，y)为中心的(2w+1)*(2w+1)窗口，2w+1为窗口的边长，w＝3，单位为像素，按下式计算步骤(2)得到的均值滤波图像中各个像素点(x，y)的阈值T(x，y)：$T(x,y)=\frac{1}{2}*\left(\underset{-w\le n\le w}{\underset{-w\le m\le w}{max}}g\right(x+m,y+n)+\underset{-w\le n\le w}{\underset{-w\le m\le w}{\min }}g(x+m,y+n\left)\right)$再对(2w+1)*(2w+1)窗口的中心像素点用下式中的b(x,y)的值逐点进行二值化：$b(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}0& g(x,y)<T(x,y)\\ 1& g(x,y)\ge T(x,y)\end{array}\right.$步骤(4)，设步骤(3)得到的二值图像为A，用一个全为1的3*3的结构元素C，对步骤(3)中二值化后的图像进行腐蚀运算：Erosion(A,C)＝{a|(a+b)∈A,a∈A,c∈C}对腐蚀运算的结果B再按下式进行膨胀运算：Dilation(B,C)＝{b+c|b∈B,c∈C}由此得到的二值图记为P(x,y)；步骤(5)，按下式计算所述二值图P(x,y)中像素的连通性：$C(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1& P(x,y)=Q(x^{\prime },y^{\prime })\\ 0& P(x,y)\ne Q(x^{\prime },y^{\prime })\end{array}\right.$也就是说，如果该像素灰度值与m个相邻像素中某一个点Q(x',y')的灰度值相等，即为1，其中m≤8，那么点P(x,y)与点Q(x',y')具有连通性；由于连通性具有传递性，从而得到具有相同连通性的像素点连通，但又与不同连通性的像素点分开的二值图；此时的二值图中包含有：绝缘子(1)，上方绝缘子(101)，下方绝缘子(102)，斜撑(2)，横腕臂(3)，斜腕臂(4)，定位器(5)，定位管(6)，步骤(6)，按以下公式计算上述步骤(5)中各个连通域的面积和其最小外接椭圆长轴的值、以及区域的方向角：步骤(6.1)，计算面积：$S=\underset{\begin{array}{c}f(x,y)=1\\ (x,y)\in R\end{array}}{\Sigma }f(x,y)$其中R为C(x,y)中具有相同连通性的各个区域，即R∈C；步骤(6.2)，计算长轴：区域的面积的归一化的矩：$n_{p,q}=\frac{1}{S}\underset{(x,y)\in R}{\Sigma }{x}^p{y}^q,$其中p∈[0,+∞],q∈[0,+∞]；其中心矩的计算公式为：$u_{p,q}=\frac{1}{S}\underset{(x,y)\in R}{\Sigma }{(x-n_{1,0})}^p{(y-n_{0,1})}^q,$其中p+q∈[2,+∞]；长轴的计算公式为：$Ra=\sqrt{2(u_{2,0}+u_{0,2}+\sqrt{{(u_{2,0}-u_{0,2})}^2+4u_{1,1}^2})}$步骤(6.3)，计算区域方向角：$\theta =-\frac{1}{2}\arctan \frac{2u_{1,1}}{u_{0,2}-u_{2,0}}$步骤(7)，按以下步骤对步骤(5)中的二值图进行绝缘子特征提取，并识别上下方绝缘子：步骤(7.1)，根据绝缘子的特征提取绝缘子：步骤(7.1.1)，首先进行粗提取：$S_{min}^{jue}=450,S_{\max }^{jue}=3000,{\mathrm{Ra}}_{\min }^{jue}=50,{\mathrm{Ra}}_{\max }^{jue}=100;$步骤(7.1.2)，按步骤(4)所述的方法对二值图R_jue进行先膨胀后腐蚀运算；步骤(7.1.3)，进一步精细提取：$R_{jue}^{\prime }=\left\{\begin{array}{cc}1& S_{\min }^{{\mathrm{jue}}^{\prime }}\le S\le S_{\max }^{{\mathrm{jue}}^{\prime }}\\ 0& else\end{array}\right.$此时，R'_jue为存在有上下方绝缘子的二值图；步骤(7.2)，识别上下方绝缘子：按以下公式计算步骤(7.1.3)中提取出来的两个绝缘子区域的中心点坐标：$x_{center}=\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{x}_i\right)/n$$y_{center}=\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{y}_i\right)/n$其中，n为连通域中像素点的个数，(x_center,y_center)为连通域的中心点坐标；那么，上方绝缘子区域为：$R_{up\_jue}=\left\{\begin{array}{cc}1& 0\le y\le min\left(y_{center}\right)\\ 0& else\end{array}\right.$下方绝缘子区域为：$R_{down\_jue}=\left\{\begin{array}{cc}1& min\left(y_{center}\right)<y\le 2048\\ 0& else\end{array}\right.$步骤(8)，支撑杆特征提取及识别：步骤(8.1)，按以下公式对步骤(5)中的二值图进行支撑杆粗提取：其中：$S_{\min }^{Gan}=3300,S_{max}^{Gan}=99999,{\mathrm{Ra}}_{\min }^{Gan}=60,{\mathrm{Ra}}_{max}^{Gan}=100;$R_Gan区域中包含有：斜撑(2)，横腕臂(3)，斜腕臂(4)，定位器(5)，定位管(6)，步骤(8.2)，利用步骤(7.2)中的区域中心点坐标计算公式得到步骤(8.1)中所得R_Gan区域中各个连通域所在区域的中心坐标，以及上方绝缘子R_{up_jue}区域和下方绝缘子R_{down_jue}区域的中心点坐标分别为：(x_{center_upJue},y_{center_upJue})、(x_{center_downJue},y_{center_downJue})；并利用步骤(6)中的公式得出的上方绝缘子R_{up_jue}区域和下方绝缘子R_{down_jue}区域的方向角θ_{up_Jue}和θ_{down_Jue}；步骤(8.3)，按下式提取横腕臂：其中：${\theta }_{min}^{HengWB}={\theta }_{up\_Jue}-0.15,{\theta }_{max}^{HengWB}={\theta }_{up\_Jue}+0.15;$$y_{center\_min}^{HengWB}=y_{center\_upJue}-45,y_{center\_\max }^{HengWB}=y_{center\_upJue}+45;$其中θ_{up_Jue}和y_{center_upJue}是步骤(8.2)中求得的上方绝缘子区域的方向角和中心点坐标的竖坐标值；步骤(8.4)，按下式提取斜腕臂：其中：${\theta }_{\min }^{XieWB}={\theta }_{down\_jue}-0.2,{\theta }_{max}^{XieWB}={\theta }_{down\_jue}+0.2;$$y_{center\_min}^{XieWB}=y_{center\_upJue},y_{center\_max}^{XieWB}=y_{center\_downJue};$$S_{\min }^{XieWB}=15000,S_{\max }^{XieWB}=999999;$其中y_{center_upJue}是步骤(8.2)中求得的上方绝缘子区域的中心点坐标的竖坐标值；θ_{up_Jue}、y_{center_downJue}分别是步骤(8.2)中求得的下方绝缘子区域的方向角和中心点坐标的竖坐标值；步骤(8.4)，按下式提取斜撑：其中：$y_{center\_\min }^{XieCh}=y_{center\_upJue},y_{center\_max}^{XieCh}=y_{center\_upJue}+380;$$x_{center\_\min }^{XieCh}=x_{center\_upJue},x_{center\_max}^{XieCh}=x_{center\_HengWB};$$S_{\min }^{XieCh}=10000,S_{\max }^{XieCh}=99999;$其中x_{center_upJue}、y_{center_upJue}分别是步骤(8.2)中求得的上方绝缘子区域的中心点坐标的横坐标和竖坐标值；x_{center_HengWB}是根据步骤(7.2)中的方法求得的步骤(8.3)中识别出的横腕臂区域的中心点坐标的横坐标值；步骤(9)，按下式分别对斜撑(2)，横腕臂(3)，斜腕臂(4)进行基于最小二乘法的直线拟合算法，并计算其两两之间的交点和角度；步骤(9.1)，横腕臂(3)的直线方程为：f_HengWB(x,y)＝a_HengWBx+b_HengWB；$\left\{\begin{array}{c}{a}_{HengWB}=\frac{\underset{i=1}{\overset{H}{\Sigma }}{x}_i\underset{i=1}{\overset{H}{\Sigma }}{y}_i-H\underset{i=1}{\overset{H}{\Sigma }}{x}_i{y}_i}{\underset{i=1}{\overset{H}{\Sigma }}{x}_i\underset{i=1}{\overset{H}{\Sigma }}{x}_i-H\underset{i=1}{\overset{H}{\Sigma }}{x}_i{x}_i}\\ b_{HengWB}=\frac{\underset{i=1}{\overset{H}{\Sigma }}{y}_i-a_{HengWB}\underset{i=1}{\overset{H}{\Sigma }}{x}_i}{H}\end{array}\right.$其中，点(x_i,y_i)，i＝1···H为步骤(8.3)提取出来的横腕臂(3)上的所有点的坐标；斜腕臂(4)的直线方程为：f_XieWB(x,y)＝a_XieWBx+b_XieWB；$\left\{\begin{array}{c}{a}_{XieWB}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{x}_i\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{y}_i-M\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{x}_i{y}_i}{\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{x}_i\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{x}_i-M\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{x}_i{x}_i}\\ b_{XieWB}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{y}_i-a_{XieWB}\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{x}_i}{M}\end{array}\right.$其中，点(x_i,y_i)，i＝1···M为步骤(8.3)提取出来的斜腕臂(4)上的所有点的坐标；斜撑(2)的直线方程为：f_XieCh(x,y)＝a_XieChx+b_XieCh；$\left\{\begin{array}{c}{a}_{XieCh}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_i\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{y}_i-N\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_i{y}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_i\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_i-N\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_i{x}_i}\\ b_{XieCh}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{y}_i-a_{XieCh}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_i}{N}\end{array}\right.$其中，点(x_i,y_i)，i＝1···N为步骤(8.3)提取出来的斜撑(2)上的所有点的坐标；步骤(9.2)，按下式计算横腕臂(3)、斜腕臂(4)与斜撑|(2)两两之间的夹角：横腕臂(3)与斜腕臂(4)的夹角：${\beta }_{HengXieWB}=\arctan \left|\frac{a_{HengWB}-a_{XieWB}}{1+a_{HengWB}{a}_{XieWB}}\right|$横腕臂(3)与斜撑(2)的夹角：${\beta }_{HengXieCh}=\arctan \left|\frac{a_{HengWB}-a_{XieCh}}{1+a_{HengWB}{a}_{XieCh}}\right|$斜腕臂(4)与斜撑(2)的夹角：${\beta }_{XieWBCh}=\arctan \left|\frac{a_{XieWB}-a_{XieCh}}{1+a_{XieWB}{a}_{XieCh}}\right|$步骤(9.3)，判断安装方式：若β_HengXieCh≥65°则为正定位安装方式；β_HengXieCh＜65°则为反定位安装方式；步骤(9.4)，按下式计算步骤(9.1)中各杆件的交点：横腕臂(3)与斜腕臂(4)的交点坐标：(x_HengXieWB,y_HengXieWB)其中：$x_{HengXieWB}=\frac{b_{HengWB}-b_{XieWB}}{a_{XieWB}-a_{HengWB}},y_{HengXieWB}=a_{HengWB}\frac{b_{HengWB}-b_{XieWB}}{a_{XieWB}-a_{HengWB}}+b_{HengWB}$横腕臂(3)与斜撑(2)的交点坐标：(x_HengXieCh,y_HengXieCh)其中：$x_{HengXieCh}=\frac{b_{HengWB}-b_{XieCh}}{a_{XieCh}-a_{HengWB}},y_{HengXieCh}=a_{HengWB}\frac{b_{HengWB}-b_{XieCh}}{a_{XieCh}-a_{HengWB}}+b_{HengWB}$斜腕臂(4)与斜撑(2)的交点坐标：(x_XieWBCh,y_XieWBCh)其中：$x_{XieWBCh}=\frac{b_{XieWB}-b_{XieCh}}{a_{XieCh}-a_{XieWB}},y_{XieWBCh}=a_{XieWB}\frac{b_{XieWB}-b_{XieCh}}{a_{XieCh}-a_{XieWB}}+b_{XieWB}$步骤(9.5)，提取定位器(5)和定位管(6)，步骤(9.5.1)，在β_HengXieCh≥65°，即正定位安装方式下，按下式从步骤(8.1)提取到的R_Gan区域中提取出定位器(5)，其中：$y_{center\_\min }^{DingWQ}=y_{center\_downJue}-300,y_{center\_max}^{DingWQ}=y_{center\_downJue}+200;$${\theta }_{\min }^{DingWQ}=-0.1,{\theta }_{max}^{DingWQ}=0.1;$$S_{\min }^{DingWQ}=10000,S_{max}^{DingWQ}=99999;$y_{center_downJue}是步骤(8.2)中求得的下方绝缘子区域中心点坐标的竖坐标值；按下式从步骤(8.1)提取到的R_Gan区域中提取出定位管(6)，其中：$y_{center\_\min }^{DingWG}=y_{center\_downJue}-560,y_{center\_max}^{DingWG}=y_{center\_downJue};$${\theta }_{\min }^{DingWG}=-0.08,{\theta }_{\max }^{DingWG}=0.3;$$S_{\min }^{DingWG}=4500,S_{\max }^{DingWG}=99999;$y_{center_downJue}是步骤(8.2)中求得的下方绝缘子区域中心点坐标的竖坐标值；步骤(9.5.2)，在β_HengXieCh＜65°，即反定位安装方式下：按下式从步骤(8.1)提取到的R_Gan区域中提取出定位器(5)，其中：$y_{center\_\min }^{DingWQ}=y_{center\_downJue}-380,y_{center\_max}^{DingWQ}=y_{center\_downJue}+100;$${\theta }_{\min }^{DingWQ}=0.08,{\theta }_{max}^{DingWQ}=0.21;$$S_{\min }^{DingWQ}=6000,S_{max}^{DingWQ}=99999;$y_{center_downJue}是步骤(8.2)中求得的下方绝缘子区域中心点坐标的竖坐标值；按下式从步骤(8.1)提取到的R_Gan区域中提取出定位管(6)，其中：$y_{center\_\min }^{DingWG}=y_{center\_downJue}-500,y_{center\_max}^{DingWG}=y_{center\_downJue};$${\theta }_{\min }^{DingWG}=-0.1,{\theta }_{max}^{DingWG}=0.1;$$S_{\min }^{DingWG}=4500,S_{\max }^{DingWG}=99999;$y_{center_downJue}是步骤(8.2)中求得的下方绝缘子区域中心点坐标的竖坐标值；步骤(10)，按下式分别对定位器(5)、定位管(6)进行基于最小二乘法的直线拟合算法，并分别计算定位器(5)、定位管(6)与斜腕臂(4)之间的交点和角度；定位器(5)的直线方程为：f_DingWQ(x,y)＝a_DingWQx+b_DingWQ；$\left\{\begin{array}{c}{a}_{DingWQ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_i\underset{i=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{y}_i-Q\underset{i=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_i{y}_i}{\underset{i=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_i\underset{i=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_i-Q\underset{i=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_i{x}_i}\\ b_{DingWQ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{y}_i-a_{DingWQ}\underset{i=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_i}{Q}\end{array}\right.$其中，点(x_i,y_i)，i＝1···Q为步骤(9.5)提取出来的定位器(5)上的所有点的坐标；定位管(6)的直线方程为：f_DingWG(x,y)＝a_DingWGx+b_DingWG，$\left\{\begin{array}{c}{a}_{DingWG}=\frac{\underset{i=1}{\overset{G}{\Sigma }}{x}_i\underset{i=1}{\overset{G}{\Sigma }}{y}_i-G\underset{i=1}{\overset{G}{\Sigma }}{x}_i{y}_i}{\underset{i=1}{\overset{G}{\Sigma }}{x}_i\underset{i=1}{\overset{G}{\Sigma }}{x}_i-G\underset{i=1}{\overset{G}{\Sigma }}{x}_i{x}_i}\\ b_{DingWG}=\frac{\underset{i=1}{\overset{G}{\Sigma }}{y}_i-a_{DingWG}\underset{i=1}{\overset{G}{\Sigma }}{x}_i}{G}\end{array}\right.$其中，点(x_i,y_i)，i＝1···G为步骤(9.5)提取出来的定位管(6)上的所有点的坐标；按下式分别计算定位器(5)、定位管(6)与斜腕臂(4)之间的夹角：定位器(5)与斜腕臂(4)的夹角：${\beta }_{DingWQXieWB}=\arctan \left|\frac{a_{DingWQ}-a_{XieWB}}{1+a_{DingWQ}{a}_{XieWB}}\right|$定位管(6)与斜腕臂(4)的夹角：${\beta }_{DingWGXieWB}=\arctan \left|\frac{a_{DingWG}-a_{XieWB}}{1+a_{DingWG}{a}_{XieWB}}\right|$定位器(5)与斜腕臂(4)的交点坐标：(x_DingWQXieWB,y_DingWQXieWB)；其中：$x_{DingWQXieWB}=\frac{b_{DingWQ}-b_{XieWB}}{a_{XieWB}-a_{DingWQ}},y_{DingWQXieWB}=a_{DingWQ}\frac{b_{DingWQ}-b_{XieWB}}{a_{XieWB}-a_{DingWQ}}+b_{DingWQ}$定位管(6)与斜腕臂(4)的交点坐标：(x_DingWGXieWB,y_DingWGXieWB)；其中：$x_{DingWGXieWB}=\frac{b_{DingWG}-b_{XieWB}}{a_{XieWB}-a_{DingWG}},y_{DingWGXieWB}=a_{DingWG}\frac{b_{DingWG}-b_{XieWB}}{a_{XieWB}-a_{DingWG}}+b_{DingWG}$步骤(11)，按下述步骤分别计算横腕臂(3)与斜腕臂(4)所在直线交点、横腕臂(3)与斜撑(2)所在直线交点到上方绝缘子(101)中心点坐标的距离，横腕臂(3)与斜腕臂(4)所在直线交点、斜腕臂(4)与定位管(6)所在直线交点、斜腕臂(4)与定位器(5)所在直线交点到下方绝缘子(102)中心的距离；利用步骤(8.2)中所得上方绝缘子R_{up_jue}区域和下方绝缘子R_{down_jue}区域的中心点坐标分别(x_{center_upJue},y_{center_upJue})、(x_{center_downJue},y_{center_downJue})，则有：横腕臂(3)与斜腕臂(4)所在直线交点到上方绝缘子(101)中心的距离：$D_{HengWB·XieWB}^{101}=\sqrt{{(x_{HengXieWB}-x_{center\_upJue})}^2+{(y_{HengXieWB}-y_{center\_upJue})}^2}$横腕臂(3)与斜撑(2)交点到上方绝缘子(101)中心的距离：$D_{HengWB·XieCh}^{101}=\sqrt{{(x_{HengXieCh}-x_{center\_upJue})}^2+{(y_{HengXieCh}-y_{center\_upJue})}^2};$横腕臂(3)与斜腕臂(4)所在直线交点到下方绝缘子(102)中心的距离：$D_{HengWB·XieWB}^{102}=\sqrt{{(x_{HengXieWB}-x_{center\_downJue})}^2+{(y_{HengXieWB}-y_{center\_downJue})}^2};$斜腕臂(4)与定位管(6)所在直线交点到下方绝缘子(102)中心的距离：$D_{DingWG·XieWB}^{102}=\sqrt{{(x_{DingWGXieWB}-x_{center\_downJue})}^2+{(y_{DingWGXieWB}-y_{center\_downJue})}^2};$斜腕臂(4)与定位器(5)所在直线交点到下方绝缘子(102)中心的距离：$D_{DingWQXie·XieWB}^{102}=\sqrt{{(x_{DingWQXieWB}-x_{center\_downJue})}^2+{(y_{DingWQXieWB}-y_{center\_downJue})}^2};$步骤(12)，将步骤(9.2)所得夹角β_HengXieWB、β_HengXieCh、β_XieWBCh及步骤(10)所得夹角β_DingWQXieWB、β_DingWGXieWB，以及步骤(11)所得距离值作为参数，将前后两次成像处理后的所述参数进行比对，距离值D若超出5个像素、夹角β超过5°则判断对应杆件存在故障。