0 引言

    隨著我國電氣化鐵路向高寒和偏遠地區的延伸，以及惡劣天氣的頻繁出現，接觸網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，導致受電弓無法正常取流；弓網之間由于導電性能降低，產生電弧，瞬時高溫會燒傷受電弓和導線；覆冰容易形成冰凌，冰凌刮蹭受電弓，導致受電弓磨耗加劇；覆冰后，由于線密度增大，減小了波動傳播速度，進而影響弓網受流質量；降低了接觸網的安全可靠性，如風載荷和覆冰值超過設計值，出現覆冰舞動等現象^[1-3]。

    因此，需要設置覆冰在線監測系統，通過獲取覆冰相關參數，為除冰融冰和預防冰害事故提供技術支持。

1 接觸網覆冰監測系統結構

    綜合接觸網覆冰的特點和研究現狀^[3]，本文設計了一款基于ARM控制傳輸、DSP圖像處理的雙核監測系統。該系統通過視頻傳輸實現了監控人員對現場融覆冰情況的實時監控，并集成了覆冰厚度測量、現場微氣象和導線溫度測量。整個系統利用鐵路沿線的220 V交流電供電，并通過無源光纖接入技術與調度中心的計算機進行實時可靠的通信。圖1為接觸線覆冰監測系統的結構，主要由測量傳感器和控制單元構成。

    測量傳感器包括導線測溫傳感器、微氣象傳感器和CCD攝像機。為了方便導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，數字信號處理能力強，但實現任務管理、網絡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，在數據管理、網絡通信及多任務處理上表現出色，但在數據處理方面不如DSP快^[4]。結合二者的優點，可以實現采集導線溫度和微氣象數據、壓縮覆冰圖像、計算覆冰厚度、實時傳輸現場視頻、通過以太網打包傳輸數據、下發控制信號等功能。

2 測量傳感器的選擇和設計

2.1 微氣象傳感器

    微氣象傳感器包含溫濕度和風速風向傳感器。溫濕度傳感器采用數字溫濕度傳感器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，實現測溫測濕；風速風向傳感器使用超聲波風速風向傳感器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速及風向。內置的加熱裝置可以在嚴寒下保證正常工作，并采用聲波相位補償以及細雨、濃霧補償等技術實現較高精度的測量。

2.2 導線測溫傳感器

    導線測溫傳感器結構如圖2。感溫芯片使用數字式溫度傳感器DS18B20，每個DS18B20都內置唯一的64位標識號于內部ROM存儲器中，可實現多點測量。電路板集成了低功耗的MSP430處理器、無線收發芯片nRF401和電源，感溫芯片可直接串口接入MSP430實現與控制單元的短距離無線通信。導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故障。

2.3 攝像機

    攝像機機芯采用Sony CCD。針對現場的強電磁干擾，機芯采用雙層屏蔽，外殼使用不銹鋼保護防塵防雨，內殼使用導磁性好的純鐵板抗干擾，增加浪涌和防雷保護功能。攝像機自身工作在-10 ℃~60 ℃，當低于-10 ℃時，內部感溫單元將自動開啟鏡片及內部加熱和空氣循環系統。攝像機安裝在接觸網的支柱上，安裝于接觸線高度，安裝后需調整位置及焦距使其能準確監測到接觸線覆冰情況。

3 控制單元的硬件設計

    控制單元的硬件設計主要包括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專門為主機和DSP互相通信的并行端口。主機通過HPIA可以指向DSP內外存儲單元，并通過HPID讀寫這些存儲單元中的內容。HCNTL0/1選擇要訪問的寄存器（控制寄存器、地址寄存器、數據寄存器），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，當忙時，使ARM增加讀寫的等待周期。HINT為HPI發給主機的中斷信號。

3.2 圖像處理模塊

    圖像處理模塊的硬件結構如圖4所示。CCD攝像機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對圖像進行A/D轉換。外部控制器ARM通過I2C總線對SAA7111內部寄存器進行讀寫控制，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發出中斷申請，實現DSP單幀圖像的采集。

3.3 通信模塊

    系統通過EPON接入以實現與調度中心的通信。EPON是基于以太網的無源光網絡，監測系統只需添加以太網控制器RTL8019AS芯片和光纖轉換器即可接入。以太網傳輸層協議包含TCP/IP協議和UDP協議。調度中心向控制單元發出的下行控制使用TCP協議傳輸，上行視頻信息等采用UDP協議，并使用ARQ誤碼重傳機制提高UDP協議的可靠性。

4 控制單元的軟件設計

4.1 HPI軟件設計

    本系統使用Linux操作系統，在初始化程序hpi_init()中，通過調用register_chrdev(major_num,hpi_dev,&hpi_fops)為HPI注冊驅動程序，major_num為設備申請的主設備號，hpi_dev為設備名，hpi_fops為struct file_operation數據結構，其作用是聲明設備的入口點函數，包括hpi_open、hpi_release、hpi_read、hpi_write、hpi_mmap等操作。

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

    ARM發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，DSP收到此命令后，在讀地址中放入標識號為0x00的應答包，并以中斷方式通知ARM讀取數據作為應答；

    (2)ID為0x01的命令包用以命令DSP以幀為單位進行視頻壓縮和傳輸，參數包含圖像分辨率等信息。應答包參數為一幀圖像在SDRAM中的起始位和長度，此命令下DSP將連續以中斷方式告知ARM讀取一幀數據，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。應答包參數包含覆冰厚度（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，以中斷方式編號發送給ARM，接著DSP處理下一幀圖像，并重復以上過程，實現視頻傳送。當命令包ID為0x10時，DSP首先進行覆冰厚度計算，其次將處理后的覆冰圖像壓縮為JPEG發送給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，首先要對攝像機采集到的圖像進行預處理。預處理的過程為：

    (1)圖像由彩色圖轉為灰度圖；

    (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線因震動產生的單方向偏移；

    (5)使用中值濾波濾除圖像中的孤立點噪聲。

    預處理之后，就要對圖像進行邊緣檢測。采用傳統的邊緣檢測算法時，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對不同環境和覆冰情況。因此這里使用模極大值邊緣檢測算法結合多閾值邊緣檢測來正確定位目標邊緣，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個領域內小閾值下的邊緣點進行連接。其算法步驟為：

    (1)對二維高斯函數進行二進小波變換，其x、y方向上變換后的結果為^[5]：

式中，x、y為離散值，取值為1~N(N為偶數)。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，還會使卷積結果產生行列方向上的偏移。經過實踐選擇N為10；s為二進小波的尺度，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個方向尋找模極大值點。

    (4)分別定義3個閾值T1=0.4、T2=0.1、T3=0.05（該值反復實踐后能較好地實現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中對應坐標的值。使用T1和T2重復該過程，最后結果保存在T1中。

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

    傳統電力線覆冰厚度計算中，使用橫向線型結構元素腐蝕圖像中的冰凌，以去除對測量結果的影響^[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時，對沒有覆冰的接觸線進行拍攝，由于接觸線厚度C已知，兩邊緣之間像素個數為N，則每一像素對應的長度x=C/N；由上到下掃描每一列，尋找每列中兩個間隔最遠的點，計算兩點之間的間隔nx(x為列下標)；設定冰凌長度閾值T（統計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 系統應用

    本系統運行后可以觀看到由現場傳來的視頻信號，連續準確，無卡幀現象。監測系統得到的邊緣圖像能夠準確反映原圖的覆冰情況，邊緣為單一像素，連續性好，且沒有噪聲。覆冰圖像如圖5所示，測量結果如表2所示。

    分析后發現，在風速為4~6 m/s且環境濕度較大時，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行掃描，測量值更為有效準確，其覆冰厚度的測量誤差不大于兩個像素間的距離2x。

6 結論

    接觸線覆冰監測系統集成了視頻采集、覆冰厚度測量、導線溫度測量和現場微氣象采集，為接觸網巡視提供新的方法：

    (1)針對現場特點，對傳感器部分均進行特殊選型設計，實現惡劣環境以及正常行車下的接觸網覆冰在線監測。

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

    (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，提高邊緣提取的準確度和連續性；提出了覆冰厚度與冰凌長度的計算公式，彌補了傳統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。

參考文獻

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