CC BY
119
УДК 621.332
А. Н. Смердин, А. С. Голубков, С. Н. Найден
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ТОКОПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ОСНОВЕ ВИДЕОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
Описана перспективная система диагностики токоприемников электроподвижного состава, основанная на применении систем компьютерного зрения.
Одной из самых распространенных причин повреждения контактной сети является эксплуатация неисправных или разрегулированных токоприемников электроподвижного состава (ЭПС). Для снижения числа аварий при эксплуатации токоприемников и повышения надежности системы электроснабжения ЭПС необходимо разработать эффективную автоматизированную систему диагностики состояния токоприемников.
К числу наиболее эффективным методов автоматической диагностики относится дистанционный контроль параметров токоприемников, проходящих через контрольный пункт. Данный метод позволяет контролировать состояние всех токоприемников, выходящих из депо или поступающих на линию. Дистанционный способ диагностики позволяет осуществлять контроль непосредственно в режиме эксплуатации без необходимости остановки подвижного состава и без участия обслуживающего персонала.
Для дистанционной диагностики основных геометрических параметров токоприемников могут применяться системы компьютерного зрения. Для измерения значений статического нажатия возможно применение электромеханических датчиков, размещаемых на контактной сети в зоне контрольного пункта [1].
Системы диагностики токоприемников, основанные на принципе анализа визуальных данных, разрабатываются в России и за рубежом. Например, в шведской компании Бешу б разработана система автоматического мониторинга, предназначенная для регистрации изображения приближающегося токоприемника при помощи цифрового фотоаппарата. На основании полученных снимков происходит определение исправности токосъемных пластин токоприемника.
Основной проблемой в реализации подобных систем является сложность в реализации алгоритмов распознавания изображений токоприемников и обнаружения дефектов в автоматическом режиме без участия оператора.
Существенную сложность при видеорегистрации проходящих токоприемников создает высокая скорость движения электроподвижного состава. Движение с высокой скоростью затрудняет получение четкой картины диагностируемого объекта, что в свою очередь значительно усложняет обработку данных.
Непрерывный режим работы диагностического комплекса требует обеспечения необходимого уровня освещенности токоприемника в любое время суток. Применение прожекторов в темное время суток не представляется возможным, поскольку свет от мощного прожектора ослепляет машинистов проходящих локомотивов.
Для решения поставленных задач диагностики и устранения описанных недостатков в Омском государственном университете путей сообщения ведется разработка видеоизмерительного комплекса, предназначенного для автоматического контроля технического состояния токоприемников. Основной целью работы является повышение надежности эксплуатации устройств электроснабжения путем автоматизированной диагностики исправности токоприемников при проходе контрольных пунктов.
Специалистами лаборатории «Контактные сети и линии электропередачи» предложена конструкция стационарного комплекса для контроля технического состояния проходящих токоприемников (рисунок 1). Система состоит из следующих компонентов: видеокамера с
№ 2(10) 2012
ИЗВЕСТИЯ Транссиба
103
вертикальным направлением оптической оси 1 (вертикальная видеокамера), видеокамера с фронтальным направлением оптической оси 2 (фронтальная видеокамера), видеокамера с горизонтальным расположением оптической оси 3 (горизонтальная видеокамера), датчик прохода ЭПС 4, блок контроля и управления 5, компьютер для хранения и обработки видеоинформации 6, источник инфракрасного освещения 7.
Рисунок 1 - Схема расположения оборудования видеоизмерительного комплекса
При проходе ЭПС через контрольный пункт датчик прохода подает сигнал в блок управления, который запускает процесс записи видеоинформации. Данные с видеокамер поступают в устройство хранения и обработки информации с отметкой времени произведенной записи, после чего выполняется автоматическая оценка технического состояния токоприемника. В случае обнаружения отклонений параметров токоприемника от нормативных на пульт диспетчера подается предупреждающий сигнал и изображение токоприемника с указанием причины срабатывания системы. Для работы в темное время суток пункт оснащается источником инфракрасного освещения.
Предлагаемая автоматизированная система оценки состояния токоприемников позволяет выполнять непрерывный контроль технического состояния токоприемников, проходящих через контрольный пункт. В автоматическом режиме выполняются регистрация времени и скорости прохода ЭПС, распознавание номера локомотива, сохранение данных видеосъемки, определение типа токоприемника и оценка технического состояния. Измерение геометрических параметров и определение технического состояния контактных пластин токоприемников выполняется при помощи специализированных алгоритмов распознавания образов. Основным преимуществом данной системы является бесконтактный способ измерения, позволяющий выполнять регистрацию без влияния на исследуемый объект персонала.
Горизонтальная камера (см. рисунок 1) оценивает величину отжатия контактного провода в момент прохода токоприемника, что позволяет оценить величину силы контактного нажатия токоприемника на основании известной жесткости подвески (рисунок 2) [2].
При малых скоростях движения ЭПС (до 30 км/ч) сила нажатия токоприемника на контактный провод близка к величине статического нажатия, которая в свою очередь зависит от регулировки токоприемника. В случае значительного отклонения силы нажатия токоприемника от нормативного статического нажатия при малых скоростях движения можно сделать вывод о неправильной регулировке токоприемника.
При движении с более высокой скоростью отжатие подвески контактной сети зависит от типа токоприемника, но используемые алгоритмы позволяют определить отклонения статического нажатия от нормы и в этом случае.
104 ИЗВЕСТИ* I Транссиба м2 2120)
Вертикальная камера (см. рисунок 1) позволяет оценить состояние износа токосъемных пластин на полозах токоприемника по форме и структуре изображения контактной поверхности (рисунок 3). Система позволяет определить наличие подгаров и сколов на контактных элементах, их количество и размер по отношению к общей площади контактной поверхности.
1
Масштабная метка
Рисунок 2 - Определение отжатия контактного провода при проходе токоприемника: а - нормальное положение контактного провода; б - положение контактного провода при проходе токоприемника
Рисунок 3 - Определение состояния токосъемных пластин: а - фотография полоза токоприемника; б - обработанное изображение; в - гистограмма уровней яркости по длине полоза
С помощью фронтальной камеры (см. рисунок 1) определяются геометрическое положение и форма токоприемника (рисунок 4).
Профиль токоприемника должен вписываться в допустимые габариты. Путем сравнения профиля токоприемника с шаблонными изображениями выявляются механические повреж-дения полоза и системы подвижных рам.
При приближении электроподвижного состава фронтальная камера регистрирует изображение ЭПС, на котором при помощи системы распознавания символов определяются номер и марка локомотива (рисунок 5).
№ 2(10
Методика и оборудование для диагностики токоприемников прошли апробацию в рамках лабораторных и натурных испытаний. В ходе лабораторных экспериментов были установлены необходимые параметры оборудования диагностического комплекса для надежной работы при оценке состояния движущегося токоприемника.
Рисунок 4 - Определение формы токоприемника: а - исходное изображение токоприемника; б - выделенный профиль токоприемника с указанием характерных линий
Фронтальная камера должна иметь высокое разрешение для обеспечения точности измерения геометрии полоза и рам токоприемника. Для повышения точности измерения геометрических параметров комплекс может дополняться цифровым фотоаппаратом высокого разрешения, производящим снимки профиля токоприемника.
Рисунок 5 - Определение номера локомотива по видеоизображению
Вертикальная видеокамера должна обеспечивать съемку со скоростью не менее 400 кадров в секунду и величиной экспозиции не более 1/1000 с, разрешение кадра видеоизображения при этом должно быть не менее 1280*720 точек для получения четкого изображения поверхности полоза.
Для анализа изображений применяется многошаговый алгоритм, состоящий из этапов применения графических фильтров к исходному изображению, выделения значимых элементов и сравнения итогового изображения с набором шаблонов. Алгоритм работы системы обработки видеоизображения приведен на рисунке 6.
На первом этапе обработки к изображению применяется адаптивный пороговый фильтр,
10)
12В
результатом которого является изображение, полученное по соотношению:
Т= т,1 - 0,2 /
(1)
где Тц - величина яркости изображения в точке с координатами (¡, -);
т^ - математическое ожидание яркости изображения в области (/ ± Ь, - ± Ь); <з,- - среднеквадратическое отклонение яркости изображения в области (/ ± Ь, - ± Ь); Ь - размер окна адаптивного порогового фильтра.
Рисунок 6 - Алгоритм определения технического состояния токоприемника по видеоизображению
Выделение границ на изображении производится при помощи функции свертки [3]:
№2 п21120) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 107
N N
Ii, j ~ ^^ gk^-k, j-I , (2)
k=0 I=0
где - величина яркости результирующего изображения в точке с координатами (/,/); g - матрица ядра свертки.
Сравнение рабочего изображения с шаблонным изображением токоприемника выполняется путем вычисления коэффициентов корреляции для каждой точки изображения:
S S
1 x+i,y+ j D x,y x=0 y=0
=, (3)
k,j =
S S S S
TT I2- ■ -TT D2
/ i / i x+i,y+ j / i / i x,y
x=0 y=0 x=0 y=0
где S - размер шаблонного изображения в точках растра;
i, j - координаты точки рабочего изображения, для которой вычисляется коэффициент корреляции;
D и I - матрицы уровней яркости шаблонного и рабочего изображения.
Результатом вычисления коэффициентов корреляции является матрица корреляции. В случае совпадения изображения шаблона с рабочим изображением матрица корреляции будет иметь выраженный максимум в области совпадения шаблона и рабочего изображения. На основании выявленного совпадения определяется тип токоприемника. Для нахождения механических повреждений системы подвижных рам и полозов токоприемника производится вычисление отклонений изображения токоприемника от шаблона. По величине отклонения можно определить вероятность наличия дефекта токоприемника.
Внедрение предложенной системы позволит сократить количество повреждений токоприемников и контактной подвески и снизить эксплуатационные расходы, связанные с ремонтом контактной сети и задержками поездов, что особенно важно в условиях создания скоростных линий и международных транспортных магистралей. Повреждения контактной сети приводят к значительному экономическому ущербу, связанному с задержками поездов и необходимостью проведения ремонтных работ. Если в результате применения нового технического средства предотвращен отказ оборудования и необходимость в проведении ремонтных работ отсутствует, то рассчитать экономический эффект сложно, так как основой расчета являются затраты на восстановление работоспособности оборудования [4]. Диагностирование состояния устройств токосъема позволяет снизить как ущерб от повреждений, так и необходимость оценки такого ущерба.
Список литературы
1. Ковалев, А. А. Повышение безопасности устройств энергоснабжения [Текст] / А. А. Ковалев, А. В. Микава // Энергетика, электропривод, энергосбережение и экономика предприятий, организаций, учреждений: Материалы молодежной межрегион. науч.-практ. конф. / Российский гос. проф.-пед. ун-т. - Екатеринбург, 2011. - С. 21 - 25.
2. Сидоров, О. А. Методика измерения отжатий проводов контактных подвесок с использованием скоростных видеоанализаторов [Текст] / О. А. Сидоров, А. С. Голубков, А. Н. Смердин // Тез. докл. третьего междунар. симпозиума «Eltrans' 2005» / Петербургский гос. ун-т путей сообщения. - СПб, 2005. - С. 128, 129.
3. Canny, J. A computational approach to edge detection / J. Canny / Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEE Transactions on, PAMI-8(6): 679 - 698, Nov. 1986.
108 ИЗВЕСТИ* I Транссиба N; n2i1,0)
Информационные технологии, автоматика, связь, телекоммуникаЩШ
4. Троицкий, В. А. Технические требования и стандарты в процессе международной интеграции систем железнодорожного транспорта [Текст] / В. А. Троицкий / Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - 2011. - № 4. - С. 99 - 106.
УДК 004.9:621.9.07:621.833
А. А. Ляшков
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС МЕТОДОМ ЦЕНТРОНДНОГО ОГИБАНИЯ
В статье приводится геометрическое и компьютерное моделирование формообразования зубчатых колес инструментальной рейкой и долбяком. Решается обратная задача формообразования. В процессе компьютерного моделирования зубонарезания показана возможность получения твердотельных моделей срезаемых слоев и их качественных и количественных характеристик.
Обеспечение требований точности профилирования поверхностей таких деталей, как зубчатые колеса, шлицевые валики, звездочки цепных передач ит. п., во многом определяется формой режущей части применяемого инструмента. Поэтому одним из важных элементов процесса проектирования режущего инструмента является конструирование его формообразующей поверхности. Решению этой задачи посвящено большое количество работ: [1 - 3] и др. Во многих из них для выполнения расчета требуется вывод соответствующих зависимостей применительно к различным исходным данным. Часто такие зависимости имеют форму трансцендентных уравнений. Для их решения используют численные методы. Все это усложняет процесс профилирования инструмента.
Кроме того, во многих случаях профиль детали состоит не только из участков, полученных огибанием соответствующих участков инструмента, но и из переходных кривых, линий
х/ подрезов. В этих случаях процесс профилиро-
' вания носит итеративный характер. При этом
Т на отдельных этапах проектирования осуще-
ствляется проверка полученных результатов
ЕВ-1> X графическими или аналитическими методами
[1]. Это также усложняет процесс профилиро-
Центроида
вания.
Современные информационные технологии, предоставляя возможность моделирования процесса формообразования, позволяют исследовать влияния различных параметров инструмента на форму профиля детали и наоборот [4].
В данной работе предлагаются алгоритмы программ, выполняющих в автоматизированном режиме моделирование формообразова-Рисунок 1 - Контур инструментальной рейки ния обкаточного инструмента для обработки
зубчатых колес. Решается и обратная задача -моделирование формообразования зубчатого колеса по заданному инструменту. Кроме того, в процессе моделирования могут быть определены некоторые количественные и качественные характеристики срезаемых слоев.
№2п21120) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 109
