Pantograf-katener sistemlerinde görüntü işleme tabanlı temassız izleme yöntemlerinin geliştirilmesi
Development of image processing based contactless monitoring methods in pantograf-catenary systems
Yazar: ORHAN YAMAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MEHMET KARAKÖSE
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Arıza tespiti = Fault diagnosis ; Demir yolları = Railways ; Görüntü işleme = Image processing ; Termal görüntüleme = Thermal imaging

Özet:
Günümüzde önemli bir ulaşım aracı olan elektrikli trenler hızlı, güvenilir ve konforlu bir yapıya sahiptir. Demiryolu ulaşımı bu avantajlarının yanında izlenmesi, bakımı, arızası ve kazaları açısından oldukça maliyetlidir. Bundan dolayı raylı sistemler için doğruluğu yüksek izleme ve tespit algoritmaları geliştirilmektedir. Bir demiryolu aracı için tekerleklerin üzerinde hareket ettiği raylar ve elektriğin iletimini sağlayan pantograf-katener sistemi en önemli bileşenlerdir. Bu tez çalışmasında pantograf-katener sistemleri için görüntü işleme tabanlı izleme ve arıza teşhisine yönelik yöntemler geliştirilmiştir. Özellikle hızlı trenlerde pantograf-katener sistemlerinde arklar, aşırı sürtünme, yanlış temas kuvveti, pantograf üst çubuğu arızası ve katener hattı arızaları gibi birçok arızalar oluşabilir. Literatürde bu arızaların teşhisi için temaslı ve temassız teknikler olmakla birlikte günümüzde görme tabanlı temassız tekniklerin kullanımı zorunlu hale gelmiştir. 
Bu tez çalışmasında pantograf-katener sistemlerinin görme tabanlı izlenmesi ve arıza teşhisi için üç temel çalışma sunulmaktadır. Birinci çalışma görüntü işleme kullanılarak pantograf modellerinin çıkarılmasına yöneliktir. Trenlerde çeşitli şekillerde kullanılabilen pantograf tiplerinin belirlenmesi doğru bir izleme ve arıza tespiti için önemlidir. Burada kenar çıkarma algoritmaları ile pantograf doğruları bulunarak, bu doğruların konum ve açı bilgisinden pantograf tipi tespit edilmektedir. İkinci çalışma katener hattının pantografa temas ettiği noktanın tespitine ve izlenmesine yöneliktir. Görüntü işleme ile bulunan katener hattı ve pantograf üst çubuğunun kesiştiği nokta, geliştirilen algoritmalarla tespit edilerek katener hattının pantograf yüzeyinde düzenli olarak gezindiği izlenmektedir. Son çalışmada termal kameralardan alınan görüntüler ile temas noktasında oluşan ark noktaları da tespit edilebilmektedir. Burada pantograf üst bölgesi sürekli izlenerek pantografın ömrü ve oluşabilecek arızalara yönelik çıkarımlar elde edilmekte, hem de oluşan çeşitli arızaların tespitine yönelik önerilen algoritmalar FPGA ile gerçekleştirilmektedir. 
Sonuç olarak bu tez çalışmasında raylı sistemlerde pantograf-katener sistemlerinin yüksek doğrulukla izlenmesi ve arızaların teşhis edilmesine yönelik görüntü işleme tabanlı yöntemler geliştirilmiş ve gerçek veriler ile doğrulanmıştır. Bu tez çalışması 112E067'nolu TÜBİTAK 1001 programı kapsamında yürütülen araştırma projesi ile desteklenmiş, yapılan çalışmalar çeşitli ulusal ve uluslararası yayınlar ile sonuçlandırılmıştır.

Abstract:
Nowadays, electric trains, an important mode of transport, have fast, reliable and comfortable structure. In addition to these advantages of rail transport, it is costly in terms of  monitoring, maintenance, downtime and accidents. Therefore, monitoring detection algorithms with high accuracy for rail systems are developed.For a railway vehicle, the rails that wheels moves on and pantograph-catenary system that enables the transmission of electricity are the most important components. In this study, image processing-based monitoring and diagnostics methods for the pantograph-catenary systems have been developed. Especially, many failures can be occured in high-speed railways such as arcs, excessive friction, incorrect contact force, the top bar of the pantograph and catenary line failures. In the literature, however, there is contact and contactless tecniques for the diagnosis of faults, nowadays usage of the vision based contactless technical techniques has become mandatory. 
In this study, three main studies are proposed for vision-based monitoring and fault diagnosis on pantograph-catenary systems. The first study aims to determine the pantograph models by using image processing. For an accurate monitoring and fault detection it is important that determine the types of pantograph which can be used in various ways on trains.  Here, the pantograph lines are determined by edge detection algorithms and the pantograph type is determined from the information of the position and angle of these lines. The second study aims to detect and monitor the point of contact of the pantograph. The catenery line has monitored the it navigates on the surface of the pantograph regularly by detecting the point of contant between the top bar of pantograph and catenery line detemined by image processing with proposed algorithms. In recent study, arcs at the point of contact can be detected too with images from thermal camera. Here, the inferences about the life of pantograph and failures can be ocur are obtained by monitoring upper region of pantograph continuously and also, proposed algorithms that aims to detect various failures are implemented on FPGAs. 
Consequently, in this study, image processing-based methods that aims to monitor and fault diagnosis of pantograph-catenary systems in the rail system with high accuracy have been developed and has been verified with real data. This study hes been supported by a research project in TUBITAK 1001 programme under Project No: 112E067 and the studies were concluded with various national and international publications.