CC BY
24
УДК 681.586.73:(62+167/168) В.Э. Каликин
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения, Новосибирск
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СКОРОСТНАЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА КОНТАКТНОГО ПРОВОДА В ДВИЖЕНИИ
V.E. Kalikin
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering (TDISIE) Russkaya 41., Novosibirsk, 630058, Russian Federation
AUTOMATED FAST OPTICAL ELECTRONIC SYSTEM FOR WIRE WARE MEASUREMENT ON THE GO
Advanced automated optoelectronic system for contact wire wear inspection on the go using the method of structural illumination is presented. 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 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 непрерывного контроля геометрических параметров изнашиваемых конструкций. Одна из актуальных на сегодняшний день задач железной дороги заключается в определении износа контактного провода и определении дефектов 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 контактного провода 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 контактный провод подвергается ряду дефектов, которые необходимо своевременно обнаруживать. Неизношенный контактный провод (рисунок 1a), и возможные дефекты показаны на рисунке 1 (b, c, d). Основной дефект, приводящий к увеличению удельного сопротивления и вероятности разрыва провода - уменьшение площади поперечного сечения из-за трения о токоприемник (рисунок 1b). Износ провода характеризуется двумя основными параметрами (рисунок 1b), а именно: шириной контактной поверхности износа (w) и глубиной износа (D).
Были сформулированы следующие требования к системе: 1) разрабатываемый метод контроля должен быть бесконтактным; 2) система должна проводить измерение износа до 4х проводов в подвеске контактной
сети одновременно, при этом, контролируемые провода могут находиться в любой точке пространства на расстоянии ± 500 мм от осевой линии по ширине и ± 750 мм по высоте; 3) погрешность измерений не должна превышать 0.2 мм; 4) система должна обеспечивать измерение параметров провода с шагом не менее 10 мм при скорости движения инспекционного вагона до 60 км/ч.
а Ь с d
♦ «у.«
те
Рис. 1. Возможные дефекты контактного провода: а) неизношенный провод; Ь) стандартный износ; с) поворот; d) дефект «шейка»
Рис. 2. Метод структурного освещения в приложении к измерению износа
контактного провода
В данной работе представлено описание усовершенствованной (по сравнению с разработанным ранее макетом [8]) скоростной автоматизированной оптико-электронной системы контроля износа контактного провода.
2. 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 контактного провода 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 нами было предложено [8] использовать метод структурного лазерного освещения для диагностирования дефектов контактной сети (см. рис. 2). 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, т. е. производится наблюдение световой формы кривой, образованной пресечением плоского луча с поверхностью провода. Более подробно метод и его возможности применительно к дефектоскопии контактного провода описаны в [7, 8].
3. Оптическая схема и элементная база
Изменение конфигурации оптической схемы модуля регистрации и элементной базы по сравнению с макетом [8] 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 А504к фирмы BASLER (США). Паспортная производительность камеры - 500 полных кадров в секунду. Оптическая схема измерительного модуля приведена на рис. 3.
Импульсный режим работы лазера обеспечивает высокую яркость рассеянного на поверхности контактного провода лазерного излучения, что значительно увеличивает соотношение сигнал/шум на регистрируемом изображении по сравнению с макетом системы. А малое время экспозиции решает проблему фоновой засветки. Таким образом, полученные снимки легче поддаются разбиению на связные области, что упрощает первичную
фильтрацию снимков. Снимки сечений изношенного и неизношенного участков провода, полученные на частотах ~1 000 Гц с помощью структурного освещения, приведены на рис. 4.
Рис. 3. Оптическая схема прототипа системы дефектоскопии контактного
провода
\J
Рис. 4. Снимки сечений неизношенного и изношенного участков
(инвертировано)
Производительность новой системы ограничивается частотой импульсов лазера, который связан с фреймграббером видеопроцессора через синхронизующую схему, и более не ограничена элементами самой видеосистемы (как было в макете системы). 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).
4. Высокоскоростная обработка изображений
Первым шагом анализа изображения является нахождение информативных участков видеоизображения, т. е. участков кадра, содержащих изображение сечения провода лучом лазера. 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 контактного провода 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]. Это является вторым шагом алгоритма анализа изображений (см. рис. 5).
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 (точки белого цвета на рис. 5). 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 (см. рис. 6).
Рис. 5. Группы центров белого цвета используются для нахождения центра
Рис. 6. По найденному центру восстановлен профиль сечения провода
Более детально алгоритм вычисления геометрического центра сечения выглядит следующим образом: а) производиться перебор всех возможных сочетаний (Д,В) где Д пробегает все точки первой группы, а Вк второй (см. рис. 5); b) для каждого сочетания производиться поиск центра круга сик с
известным радиусом R содержащего обе точки; с) вычисляется среднеквадратическое отклонение dik всех точек обеих групп от круга,
определенного на предыдущем шаге; d)после того как все комбинации
перебраны, центр сечения определяется по формуле С=(^Са. * —),
а- ' dа. dik
то есть, находится центр масс определенных прежде точек с к с весами —.
' dhk
Предполагается, что размер сечения и критическая высота износа определяются маркой провода и заданы изначально. Группы центров и результаты поиска профиля сечения показаны на рис. 5, 6.
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, как это было реализовано в [8].
По завершении сессии на основе сохраненных данных создается файл отчета, содержащий исчерпывающую информацию о состоянии исследуемого участка. 5. 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 мм и 1.5 мм2, соответственно, что позволяет принимать уверенно решения по замене изношенных участков контактной сети.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
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/
© В.Э. Каликин, 2009
