0 引言

    隨著我國電氣化鐵路向高寒和偏遠(yuǎn)地區(qū)的延伸，以及惡劣天氣的頻繁出現(xiàn)，接觸網(wǎng)覆冰所帶來的影響日益凸顯。其主要危害有：由于接觸線上附著冰殼，導(dǎo)致受電弓無法正常取流；弓網(wǎng)之間由于導(dǎo)電性能降低，產(chǎn)生電弧，瞬時高溫會燒傷受電弓和導(dǎo)線；覆冰容易形成冰凌，冰凌刮蹭受電弓，導(dǎo)致受電弓磨耗加?。桓脖螅捎诰€密度增大，減小了波動傳播速度，進(jìn)而影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量；降低了接觸網(wǎng)的安全可靠性，如風(fēng)載荷和覆冰值超過設(shè)計值，出現(xiàn)覆冰舞動等現(xiàn)象^[1-3]。

    因此，需要設(shè)置覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過獲取覆冰相關(guān)參數(shù)，為除冰融冰和預(yù)防冰害事故提供技術(shù)支持。

1 接觸網(wǎng)覆冰監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    綜合接觸網(wǎng)覆冰的特點和研究現(xiàn)狀^[3]，本文設(shè)計了一款基于ARM控制傳輸、DSP圖像處理的雙核監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過視頻傳輸實現(xiàn)了監(jiān)控人員對現(xiàn)場融覆冰情況的實時監(jiān)控，并集成了覆冰厚度測量、現(xiàn)場微氣象和導(dǎo)線溫度測量。整個系統(tǒng)利用鐵路沿線的220 V交流電供電，并通過無源光纖接入技術(shù)與調(diào)度中心的計算機(jī)進(jìn)行實時可靠的通信。圖1為接觸線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，主要由測量傳感器和控制單元構(gòu)成。

    測量傳感器包括導(dǎo)線測溫傳感器、微氣象傳感器和CCD攝像機(jī)。為了方便導(dǎo)線測溫傳感器的放置，采用短距離無線方式與控制單元通信。微氣象傳感器和攝像機(jī)則可通過RS485和同軸電纜與控制單元相連。

    針對控制單元圖像處理要求高、控制參數(shù)多的特點，選用ARM9處理器S3C2410X和DSP處理器TMS320C6713的雙CPU處理方式。DSP使用流水線處理指令，擁有專用的硬件乘法器，數(shù)字信號處理能力強，但實現(xiàn)任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能較為困難；ARM是功能強大的嵌入式處理器，適合作控制芯片，在數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)通信及多任務(wù)處理上表現(xiàn)出色，但在數(shù)據(jù)處理方面不如DSP快^[4]。結(jié)合二者的優(yōu)點，可以實現(xiàn)采集導(dǎo)線溫度和微氣象數(shù)據(jù)、壓縮覆冰圖像、計算覆冰厚度、實時傳輸現(xiàn)場視頻、通過以太網(wǎng)打包傳輸數(shù)據(jù)、下發(fā)控制信號等功能。

2 測量傳感器的選擇和設(shè)計

2.1 微氣象傳感器

    微氣象傳感器包含溫濕度和風(fēng)速風(fēng)向傳感器。溫濕度傳感器采用數(shù)字溫濕度傳感器SHTxx，該傳感器集成了電容式測濕元件和能隙式測溫元件，抗干擾能力強，體型小巧，可直接安裝在控制單元殼體底部，實現(xiàn)測溫測濕；風(fēng)速風(fēng)向傳感器使用超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器MK-WT1，其安裝在支柱頂端，通過超聲波在空氣中傳播時間差來測量風(fēng)速及風(fēng)向。內(nèi)置的加熱裝置可以在嚴(yán)寒下保證正常工作，并采用聲波相位補償以及細(xì)雨、濃霧補償?shù)燃夹g(shù)實現(xiàn)較高精度的測量。

2.2 導(dǎo)線測溫傳感器

    導(dǎo)線測溫傳感器結(jié)構(gòu)如圖2。感溫芯片使用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，每個DS18B20都內(nèi)置唯一的64位標(biāo)識號于內(nèi)部ROM存儲器中，可實現(xiàn)多點測量。電路板集成了低功耗的MSP430處理器、無線收發(fā)芯片nRF401和電源，感溫芯片可直接串口接入MSP430實現(xiàn)與控制單元的短距離無線通信。導(dǎo)線溫度傳感器主要測量電連接線夾上的溫度，防止融冰時線夾過熱出現(xiàn)故障。

2.3 攝像機(jī)

    攝像機(jī)機(jī)芯采用Sony CCD。針對現(xiàn)場的強電磁干擾，機(jī)芯采用雙層屏蔽，外殼使用不銹鋼保護(hù)防塵防雨，內(nèi)殼使用導(dǎo)磁性好的純鐵板抗干擾，增加浪涌和防雷保護(hù)功能。攝像機(jī)自身工作在-10 ℃~60 ℃，當(dāng)?shù)陀?10 ℃時，內(nèi)部感溫單元將自動開啟鏡片及內(nèi)部加熱和空氣循環(huán)系統(tǒng)。攝像機(jī)安裝在接觸網(wǎng)的支柱上，安裝于接觸線高度，安裝后需調(diào)整位置及焦距使其能準(zhǔn)確監(jiān)測到接觸線覆冰情況。

3 控制單元的硬件設(shè)計

    控制單元的硬件設(shè)計主要包括HPI接口、圖像處理模塊及通信模塊。

3.1 HPI接口

    使用ARM和DSP雙CPU主要解決兩個CPU之間的通信問題。這里采用HPI通信方式，其硬件接口如圖3所示。HPI接口是DSP專門為主機(jī)和DSP互相通信的并行端口。主機(jī)通過HPIA可以指向DSP內(nèi)外存儲單元，并通過HPID讀寫這些存儲單元中的內(nèi)容。HCNTL0/1選擇要訪問的寄存器（控制寄存器、地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器），HR/W控制對該寄存器的讀寫。HPI選用S3C2410X的BANK2作為接口地址，片選信號nGCS2連接HCS。ARM的讀寫控制線連接HDS1/2，HRDY接nWAIT，可以指示HPI寄存器的狀態(tài)，當(dāng)忙時，使ARM增加讀寫的等待周期。HINT為HPI發(fā)給主機(jī)的中斷信號。

3.2 圖像處理模塊

    圖像處理模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。CCD攝像機(jī)輸出的覆冰圖像為模擬信號，除了圖像信號外，還包含行同步、行消隱、場同步及場消隱等信號，因此使用Philips公司專門研制的視頻輸入處理芯片SAA7111對圖像進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。外部控制器ARM通過I2C總線對SAA7111內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫控制，其輸出的圖像信號通過FIFO緩存器輸入到DSP中，輸出的行同步、場同步、時鐘參考及奇偶場等信號通過CPLD控制FIFO的讀寫，由FIFO的半滿信號向DSP發(fā)出中斷申請，實現(xiàn)DSP單幀圖像的采集。

3.3 通信模塊

    系統(tǒng)通過EPON接入以實現(xiàn)與調(diào)度中心的通信。EPON是基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測系統(tǒng)只需添加以太網(wǎng)控制器RTL8019AS芯片和光纖轉(zhuǎn)換器即可接入。以太網(wǎng)傳輸層協(xié)議包含TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議。調(diào)度中心向控制單元發(fā)出的下行控制使用TCP協(xié)議傳輸，上行視頻信息等采用UDP協(xié)議，并使用ARQ誤碼重傳機(jī)制提高UDP協(xié)議的可靠性。

4 控制單元的軟件設(shè)計

4.1 HPI軟件設(shè)計

    本系統(tǒng)使用Linux操作系統(tǒng)，在初始化程序hpi_init()中，通過調(diào)用register_chrdev(major_num,hpi_dev,&hpi_fops)為HPI注冊驅(qū)動程序，major_num為設(shè)備申請的主設(shè)備號，hpi_dev為設(shè)備名，hpi_fops為struct file_operation數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其作用是聲明設(shè)備的入口點函數(shù)，包括hpi_open、hpi_release、hpi_read、hpi_write、hpi_mmap等操作。

    ARM和DSP通過在DARAM中讀寫命令包和應(yīng)答包進(jìn)行通信，其格式為表1。

    ARM發(fā)出的命令包分為三類：

    (1)ID為0x00的命令包用以判斷DSP是否在線，無參數(shù)，DSP收到此命令后，在讀地址中放入標(biāo)識號為0x00的應(yīng)答包，并以中斷方式通知ARM讀取數(shù)據(jù)作為應(yīng)答；

    (2)ID為0x01的命令包用以命令DSP以幀為單位進(jìn)行視頻壓縮和傳輸，參數(shù)包含圖像分辨率等信息。應(yīng)答包參數(shù)為一幀圖像在SDRAM中的起始位和長度，此命令下DSP將連續(xù)以中斷方式告知ARM讀取一幀數(shù)據(jù)，形成視頻傳輸，直到其他命令到來；

    (3)ID為0x10的命令包用以命令DSP測量覆冰厚度，并傳輸一張覆冰圖像。應(yīng)答包參數(shù)包含覆冰厚度（float型）和覆冰圖像的起始位、長度。

4.2 覆冰厚度測量算法

    命令包ID為0x01時，DSP以差值編碼的方式壓縮一幀視頻圖像，以中斷方式編號發(fā)送給ARM，接著DSP處理下一幀圖像，并重復(fù)以上過程，實現(xiàn)視頻傳送。當(dāng)命令包ID為0x10時，DSP首先進(jìn)行覆冰厚度計算，其次將處理后的覆冰圖像壓縮為JPEG發(fā)送給ARM，即可等待下一步指令。這里，主要介紹覆冰厚度測量算法。

    使用DSP進(jìn)行覆冰厚度的計算主要使用邊緣檢測算法，在檢測之前，首先要對攝像機(jī)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的過程為：

    (1)圖像由彩色圖轉(zhuǎn)為灰度圖；

    (2)多幀圖像采集求平均來濾除非周期性噪聲；

    (3)采用圖像直方圖均衡化增強圖像對比度；

    (4)使用維納濾波消除導(dǎo)線因震動產(chǎn)生的單方向偏移；

    (5)使用中值濾波濾除圖像中的孤立點噪聲。

    預(yù)處理之后，就要對圖像進(jìn)行邊緣檢測。采用傳統(tǒng)的邊緣檢測算法時，檢測到的邊緣往往極為分散，一些透明覆冰無法檢測到，如果單純減小檢測的閾值，又會無法避免一些噪聲和無用的邊緣。另外，采用單一閾值無法應(yīng)對不同環(huán)境和覆冰情況。因此這里使用模極大值邊緣檢測算法結(jié)合多閾值邊緣檢測來正確定位目標(biāo)邊緣，其主要思想為使用多個閾值作模極大值邊緣檢測，從閾值較高的邊緣點中搜索8個領(lǐng)域內(nèi)小閾值下的邊緣點進(jìn)行連接。其算法步驟為：

    (1)對二維高斯函數(shù)進(jìn)行二進(jìn)小波變換，其x、y方向上變換后的結(jié)果為^[5]：

式中，x、y為離散值，取值為1~N(N為偶數(shù))。N過小會使檢測的邊緣過于分散；N過大不僅會使運算量變大，還會使卷積結(jié)果產(chǎn)生行列方向上的偏移。經(jīng)過實踐選擇N為10；s為二進(jìn)小波的尺度，定義為2^m，小波分解尺度過多，一些弱邊緣信息會被濾除，選取m=2，可有效濾除高頻噪聲且保留有用邊緣信息。

    (2)圖像f(x，y)與高斯小波函數(shù)在兩個方向上的二維小波變換為：

    (3)求每一點的模值(式5)和相角的正切值(式6)，沿一個點的8個方向?qū)ふ夷O大值點。

    (4)分別定義3個閾值T1=0.4、T2=0.1、T3=0.05（該值反復(fù)實踐后能較好地實現(xiàn)不同情況下的覆冰檢測），尋找符合閾值條件的模極大值點，并賦值為1，此時T1、T2、T3中的圖像為二值圖。

    (5)遍歷T2中的點，如果該點為1，則將周圍8個點賦值為T3中對應(yīng)坐標(biāo)的值。使用T1和T2重復(fù)該過程，最后結(jié)果保存在T1中。

    (6)為了使目標(biāo)邊緣更為平滑，使用各向同性的圓盤形結(jié)構(gòu)元素對T1中的圖像進(jìn)行膨脹腐蝕填充，最后標(biāo)出輪廓線。

    傳統(tǒng)電力線覆冰厚度計算中，使用橫向線型結(jié)構(gòu)元素腐蝕圖像中的冰凌，以去除對測量結(jié)果的影響^[6]，該方法明顯會縮小正常的覆冰厚度，引起誤差。因此，這里采用的算法為：

    在最初安裝完攝像機(jī)時，對沒有覆冰的接觸線進(jìn)行拍攝，由于接觸線厚度C已知，兩邊緣之間像素個數(shù)為N，則每一像素對應(yīng)的長度x=C/N；由上到下掃描每一列，尋找每列中兩個間隔最遠(yuǎn)的點，計算兩點之間的間隔nx(x為列下標(biāo))；設(shè)定冰凌長度閾值T（統(tǒng)計nx后得出），分別將nx中小于T的部分和大于T的部分相加求平均，則覆冰厚度為

    平均覆冰厚度的公式為：

5 系統(tǒng)應(yīng)用

    本系統(tǒng)運行后可以觀看到由現(xiàn)場傳來的視頻信號，連續(xù)準(zhǔn)確，無卡幀現(xiàn)象。監(jiān)測系統(tǒng)得到的邊緣圖像能夠準(zhǔn)確反映原圖的覆冰情況，邊緣為單一像素，連續(xù)性好，且沒有噪聲。覆冰圖像如圖5所示，測量結(jié)果如表2所示。

    分析后發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)速為4~6 m/s且環(huán)境濕度較大時，圖像測量和人工測量的覆冰厚度有較大出入。這是因為在該條件下容易形成冰凌，人工測量選取的測量點較少，容易忽略冰凌的影響，而圖像測量對每一個位置都進(jìn)行掃描，測量值更為有效準(zhǔn)確，其覆冰厚度的測量誤差不大于兩個像素間的距離2x。

6 結(jié)論

    接觸線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)集成了視頻采集、覆冰厚度測量、導(dǎo)線溫度測量和現(xiàn)場微氣象采集，為接觸網(wǎng)巡視提供新的方法：

    (1)針對現(xiàn)場特點，對傳感器部分均進(jìn)行特殊選型設(shè)計，實現(xiàn)惡劣環(huán)境以及正常行車下的接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測。

    (2)采用3種命令包與應(yīng)答包的HPI接口通信方式，使ARM和DSP分工協(xié)作，保證視頻傳輸速率和復(fù)雜覆冰厚度計算。

    (3)針對不同情況下的覆冰邊緣，在使用傳統(tǒng)的模極大值邊緣檢測算法后，融合多閾值下的覆冰圖像，提高邊緣提取的準(zhǔn)確度和連續(xù)性；提出了覆冰厚度與冰凌長度的計算公式，彌補了傳統(tǒng)測量中只能測量覆冰厚度的不足。該計算方法的誤差不大于兩個像素間的距離2x。

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