УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О СОСТОЯНИИ КОНТАКТНОГО ПРОВОДА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Настоящая полезная модель относится к области диагностики состояния проводной контактной сети электрифицированных железных дорог, и более конкретно к осветительно-измерительному устройству для автоматического получения информации о состоянии контактного провода, которое устанавливается на вагоне для оценки состояния контактной сети электрифицированных железных дорог постоянного и переменного токов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для обеспечения безотказного функционирования сети железных дорог необходимо постоянно контролировать рабочее состояние проводной контактной сети железных дорог для детектирования отклонений от номинальных значений оцениваемых параметров контактной сети, что позволит своевременно спланировать и произвести необходимые работы по ремонту или замене износившихся или поврежденных участков сети.
В отличие от других устройств электроснабжения контактная сеть не имеет резерва, поэтому к ее надежности предъявляют повышенные требования, которые учитываются как при проектировании и монтаже контактной сети, так и при осуществлении последующего ее технического обслуживания и ремонта. В частности, необходимо регулярно (не менее 1 раза в год) выполнять оценку состояния контактной сети, для чего, как правило, используются вагоны-лаборатории, оснащенные средствами технической диагностики. Особенно это касается токоподводящего контактного провода (КП), чрезмерный износ которого может привести к обрыву КП с непредсказуемыми последствиями, т.к. КП является единственным проводом КС, осуществляющим непосредственный контакт с токоприёмниками (пантографами) электроподвижного состава в процессе токосъема. Поэтому целью диагностики контактной сети обычно в первую очередь является оценка состояния КП.
В данной области техники известно множество устройств, устанавливаемых в/на вагоне-лаборатории, для определения различных параметров КП, и в первую очередь, износа КП, например, решения, раскрытые в патенте RU 2120866 C1, озаглавленном «Устройство для замера и регистрации износа контактного провода», и патенте RU 2430331 C2, озаглавленном «Устройство для измерения износа контактного провода путем обработки изображения».
В качестве прототипа заявленной полезной модели рассматривается решение, раскрытое в патенте RU 2486466 C2 («Способ автоматического измерения износа контактного провода»), причем данное решение раскрывает систему автоматического измерения износа контактного провода электрифицированных железных дорог постоянного и переменного токов, выполненную с возможностью установки в/на измерительном вагоне-лаборатории. Известная система автоматического измерения износа контактного провода состоит из двух самостоятельных устройств, а именно, осветительно-измерительного устройства и информационно-вычислительного комплекса рабочего места оператора, а также из дуплексной волоконно оптической линии связи, предназначенной для обмена измерительной и телеметрической информацией между двумя выше обозначенными устройствами системы.
Известное осветительно-измерительное устройство системы автоматического измерения износа контактного провода размещено в металлическом корпусе, жестко закрепленном на отдельном измерительном токоприемнике на крыше вагона-лаборатории. Данное устройство работает под потенциалом контактной сети и состоит из четырех идентичных электронно-оптических модулей (МЭО), каждый из которых содержит: высокоскоростную цифровую матричную телевизионную камеру, выполненную с возможностью фиксации изображения участка КП, наблюдаемого в поле зрения телевизионной камеры; два лазерных генератора веерного луча, расположенных симметрично по обе стороны телевизионной камеры, выполненных с возможностью подсветки КП лазерными световыми лучами с веерными диаграммами направленности; два блока управления лазером (лазерными генераторами), выполненные с возможностью синхронизации черезкадровой импульсной лазерной подсветки КП с работой телевизионной камеры; и блок питания. Питание всех МЭО осуществляется от преобразователя 220В АС/24В DC, который также находится под потенциалом контактной сети и подключен к разделительному высоковольтному трансформатору.
Лазерный генератор известного устройства формирует коллимированный луч подсветки КП с плоской веерной диаграммой направленности в вертикальной плоскости, перпендикулярной КП, причем диаграммы направленности двух лазерных генераторов каждого МЭО расположены в параллельных плоскостях симметрично относительно оптической оси визирования объектива телевизионной камеры. При попадании КП в веерный луч света на поверхности провода образуется видимая линия пересечения поверхности провода с плоскостью, в которой лежит верный луч. Эта линия пересечения и выделяется системой обработки из полученного изображения текущего кадра телевизионной камеры. При этом форма фиксируемой линии слабо зависит от наклона КП и определяется в основном износом КП.
В режиме черезкадровой импульсной подсветки КП телевизионная камера регистрирует два соседних кадра – один кадр с подсветкой КП, а второй кадр без подсветки КП, затем кадр без подсветки вычитается из кадра с подсветкой, в результате чего выделяется только полезный сигнал (без фоновой подсветки) изображения линии пересечения лазерного луча с КП, который и регистрируется.
Далее в телевизионной камере осуществляется сжатие выделенного сигнала изображения линии пересечения для уменьшения трафика передаваемых данных по дуплексным волоконно-оптическим линиям связи в информационно-вычислительный комплекс рабочего места оператора. Сжатие данных осуществляется в телевизионной камере путем выделения изображения линии пересечения лазерного луча с КП и преобразования этого изображения линии пересечения в отображение указанной линии пересечения в векторном формате. С выхода телевизионной камеры координаты векторов векторного отображения линии пересечения лазерного луча с КП передаются по дуплексной волоконно-оптической линии связи в информационно-вычислительный комплекс рабочего места оператора системы автоматического измерения износа КП. По этой же линии связи передается телеметрическая информация.
Информационно-вычислительный комплекс рабочего места оператора расположен во внутренних помещениях вагона-лаборатории и содержит четыре блока цифровой обработки сигналов, выполненных с возможностью осуществления первичной обработки поступающей от МЭО информации и восстановления графического отображения линии пересечения лазерного луча с КП по полученным данным о координатах векторов, и промышленную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ), которая, анализируя графическое отображение линии пересечения лазерного луча с КП, осуществляет расчет величины износа КП по специально разработанным алгоритмам. Одновременно видеосигнал графического отображения линии пересечения лазерного луча с КП выводится на монитор рабочего места оператора для визуального контроля износа КП и оценки степени его опасности. Синхронизация и управление работой всех телевизионных камер, блоков управления лазером и быстродействующей импульсной светодиодной подсветкой при этом осуществляется ПЭВМ через блоки цифровой обработки сигналов. Однако в процессе эксплуатации системы автоматического измерения износа контактного провода были выявлены следующие недостатки, присущие осветительно-измерительному устройству системы автоматического измерения износа контактного провода.
Так как значительная часть профиля КП, а также элементы КП (фиксирующие, струновые, соединительные и питающие зажимы КП), автоматически отфильтровываются в процессе оптического захвата узкого отраженного от КП луча лазера, в процессе работы программного обеспечения ПЭВМ информационно-вычислительного комплекса были выявлены дефекты КП двух классов: дефекты, не вызывающие сомнения и однозначно идентифицируемые ПЭВМ (величина износа КП), и неясные состояния, которые предъявляются оператору для выявления и анализа иных дефектов КП и его элементов и оценки степени их опасности. Однако выводимое на экран монитора оператора графическое отображение линии пересечения лазерного луча с КП содержит информацию об износе КП и не несет никакой информации о состоянии самого КП и его элементов, а потому не обладает достаточной информативностью о состоянии КП, чтобы позволить оператору полноценно анализировать представленное неясное состояние КП и выявлять помимо износа КП другие возможные дефекты КП, такие как скручивание (поворот вокруг своей оси) КП, профиль износа КП, наплывы, трещины и т.п., а также состояние элементов КП, и оценивать степень опасности выявленных дефектов. Также следует отметить, что регистрируемое телевизионной камерой изображение КП при применении лазерной подсветки представляет собой по сути теневое (монотонно черное) отображение КП и также не содержит информации о состоянии самого КП.
Задачей настоящей полезной модели является расширение функциональных возможностей осветительно-измерительного устройства для автоматического получения информации о состоянии контактного провода. В частности, настоящее решение направлено на обеспечение устройства со следующими преимуществами по сравнению с известными решениями: увеличение информативности кадров изображения КП, получаемых от телевизионных камер осветительно-измерительного устройства, и обеспечение возможности передачи с высокой скоростью этих полнокадровых изображений КП для предоставления оператору с целью реализации возможности разрешения неясных состояний в режиме реального времени путем визуальной оценки оператором полученных кадров изображения, соответствующих вызывающему вопросы участку КП.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Поставленная задача разрешается за счёт обеспечения осветительно-измерительного устройства для автоматического получения информации о состоянии КП, устанавливаемого на отдельном измерительном токоприемнике на крыше вагона, в частности измерительного вагона-лаборатории, и содержащего четыре идентичных электронно-оптических модуля, причем каждый электронно-оптический модуль содержит
цифровую матричную телевизионную камеру, содержащую объектив и выполненную с возможностью регистрации последовательностей изображений в поле зрения упомянутой телевизионной камеры во время движения вагона, при этом оптическая ось объектива телевизионной камеры направлена вертикально вверх для захвата части области возможного нахождения КП;
левый и правый лазерные генераторы веерного луча, расположенные симметрично относительно телевизионной камеры и выполненные с возможностью осуществления лазерной подсветки путем формирования коллимированного светового луча с веерной диаграммой направленности, ориентированной в вертикальной плоскости;
блок управления левым лазерным генератором веерного луча и блок управления правым лазерным генератором веерного луча, каждый из которых выполнен с возможностью синхронизации работы соответствующего лазерного генератора веерного луча с работой телевизионной камеры и предписания соответствующему лазерному генератору веерного луча осуществлять лазерную подсветку в импульсном режиме; и
блок светодиодной подсветки, выполненный с возможностью осуществления светодиодной подсветки в пределах поля зрения упомянутой телевизионной камеры в импульсном режиме, отличном от импульсного режима лазерной подсветки, и синхронизации своей работы с работой телевизионной камеры, причем работа телевизионной камеры, лазерных генераторов веерного луча и блока светодиодной подсветки синхронизированы таким образом, что телевизионная камера выполнена с возможностью регистрации изображения без подсветки, регистрации изображения только при лазерной подсветке и регистрации изображения при совместной лазерной и светодиодной подсветке,
при этом электронно-оптические модули расположены таким образом, что поля зрения упомянутых электронно-оптических модулей совместно захватывают всю область возможного нахождения КП, и телевизионная камера, в поле зрения которой находится КП, дополнительно выполнена с возможностью осуществления обработки зарегистрированных изображений путем подавления фоновых сигналов помехи на изображениях, полученных только при лазерной подсветке, для выделения линии пересечения веерного луча с поверхностью КП, измерения основных параметров выделенной линии пересечения и формирования полнокадровых изображений, полученных при совместной лазерной и светодиодной подсветке, для получения информации о состоянии КП.
Веерные диаграммы направленности лазерных генераторов веерного луча при этом расположены симметрично относительно оптической оси объектива телевизионной камеры, а каждая телевизионная камера выполнена с возможностью подавления фоновых сигналов помехи на изображениях, полученных только при лазерной подсветке для выделения линии пересечения веерного луча с поверхностью КП, путем вычитания из изображений, полученных только при лазерной подсветке КП, изображений, полученных без подсветки, из той же последовательности изображений, а также подавления фоновых сигналов помехи на изображениях, полученных при совместной лазерной и светодиодной подсветке для получения полнокадрового изображения КП, путем вычитания из изображений, полученных при совместной лазерной и светодиодной подсветке, изображений, полученных без подсветки, из той же последовательности изображений.
Опционально, каждая последовательность изображений содержит три кадра (т.е. анализируемая последовательность представляет собой серию из трёх последовательных кадров изображения, при этом каждая телевизионная камера 2 выполнена с возможностью получения множества таких последовательностей), и каждый блок управления левым лазерным генератором веерного луча и блок управления правым лазерным генератором веерного луча выполнены с возможностью предписания соответствующему лазерному генератору веерного луча осуществлять лазерную подсветку в импульсном режиме при фиксации телевизионной камерой каждых второго и третьего кадров в последовательности изображений, и каждый блок светодиодной подсветки выполнен с возможностью осуществления подсветки при фиксации телевизионной камерой каждого третьего кадра в последовательности изображений.
Каждый электронно-оптический модуль дополнительно содержит блок сжатия сигнала полнокадрового изображения, выполненный с возможностью получения информации о состоянии КП от телевизионной камеры и сжатия полученной информации.
Кроме того, каждый электронно-оптический модуль дополнительно содержит мультиплексор, выполненный с возможностью получения от телевизионной камеры информации о выделенной линии пересечения веерного луча с поверхностью КП и от блока сжатия сигнала сжатой информации о состоянии КП и осуществления двустороннего обмена информацией по дуплексной волоконно-оптической линии связи с внешним информационно-вычислительным комплексом.
Дополнительно информация о состоянии КП также включает в себя информацию о состоянии элементов КП, находящихся в поле зрения телевизионной камеры совместно с КП.
Технический результат, достигаемый посредством использования настоящей полезной модели, заключается в реализации назначения заявленного осветительно-измерительного устройства для автоматического получения информации о состоянии контактного провода.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие признаки и преимущества настоящей полезной модели станут очевидны после прочтения нижеследующего описания и просмотра сопроводительных чертежей, на которых:
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для автоматического получения информации о состоянии контактного провода согласно варианту осуществления настоящей полезной модели;
На фиг. 2 представлена фотография устройства для автоматического получения информации о состоянии контактного провода согласно варианту осуществления настоящей полезной модели, установленного на отдельном измерительном токоприемнике на крыше вагона;
На фиг. 3 представлено графическое отображение линии пересечения веерного луча с поверхностью КП, выявленной с помощью устройства для автоматического получения информации о состоянии контактного провода только при лазерной подсветке;
На фиг. 4 представлена серия кадров изображения КП, зарегистрированных только при лазерной подсветке КП с помощью устройства для автоматического получения информации о состоянии контактного провода;
На фиг. 5 представлено полнокадровое изображение КП, зарегистрированное при использовании совместной лазерной и светодиодной подсветки КП с помощью устройства для автоматического получения информации о состоянии контактного провода согласно варианту осуществления настоящей полезной модели;
На фиг. 6 представлено полнокадровое изображение зажима КП, зарегистрированное при использовании совместной лазерной и светодиодной подсветки КП с помощью устройства для автоматического получения информации о состоянии контактного провода согласно варианту осуществления настоящей полезной модели.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Заявленная полезная модель описывается в дальнейшем более подробно со ссылкой на чертежи. В контексте настоящей полезной модели под вагоном подразумевается измерительный вагон-лаборатория или любой вагон, приспособленный для установки осветительно-измерительного устройства для автоматического получения информации о состоянии контактного провода, описанного ниже.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для автоматического получения информации о состоянии контактного провода согласно варианту осуществления настоящей полезной модели. Предложенное осветительно-измерительное устройство для автоматического получения информации о состоянии контактного провода согласно варианту осуществления содержит четыре идентичных электронно-оптических модуля 1, каждый из которых содержит: высокоскоростную цифровую матричную телевизионную камеру 2 с объективом 3, выполненную с возможностью регистрации последовательностей изображений во время движения вагона в поле зрения этой телевизионной камеры 2, в частности, кадров изображения КП и его элементов в поле зрения этой телевизионной камеры 2, при этом оптическая ось объектива 3 телевизионной камеры 2 направлена вертикально вверх и, соответственно, поле зрения телевизионной камеры ориентировано вертикально вверх; левый и правый лазерные генераторы 4 веерного луча, расположенные симметрично относительно телевизионной камеры 2 и выполненные с возможностью формирования коллимированного светового луча с веерной диаграммой направленности, ориентированной в вертикальной плоскости, перпендикулярной КП, причем веерные диаграммы направленности лазерных генераторов 4 веерного луча расположены симметрично относительно оптической оси объектива 3 телевизионной камеры 2, обеспечивая тем самым левым лазерным генератором 4 подсветку КП снизу и слева и правым лазерным генератором 4 подсветку КП снизу и справа, что расширяет угол захвата веерными лучами боковых поверхностей площадок износа КП; два блока управления лазерным генератором - блок 5 управления левым лазерным генератором 4 веерного луча и блок 5 управления правым лазерным генератором 4 веерного луча, каждый из которых выполнен с возможностью синхронизации работы соответствующего левого или правого лазерного генератора 4 веерного луча с работой телевизионной камеры 2, причем блок управления левым лазерным генератором предписывает левому лазерному генератору осуществлять подсветку КП лазерным генератором веерного луча (лазерную подсветку КП) в импульсном режиме при фиксации телевизионной камерой 2 каждых второго и третьего кадров в каждой последовательности регистрируемых кадров изображения КП, а блок управления правым лазерным генератором предписывает правому лазерному генератору осуществлять лазерную подсветку КП в импульсном режиме при фиксации телевизионной камерой 2 каждых второго и третьего кадров в каждой последовательности регистрируемых кадров изображения КП. Каждый электронно-оптический модуль 1 также содержит быстродействующий блок 6 светодиодной подсветки, выполненный с возможностью осуществления светодиодной подсветки КП в пределах всей ширины поля зрения телевизионной камеры в импульсном режиме при фиксации телевизионной камерой 2 каждого третьего кадра в каждой последовательности регистрируемых кадров изображения КП, причем блок 6 светодиодной подсветки также выполнен с возможностью синхронизации своей работы с работой телевизионной камеры 2.
Ширина диаграммы направленности телевизионной камеры 2 в области возможного местонахождения КП равна ~300 мм, а ширина области возможного нахождения КП вследствие его зигзагообразной подвески составляет около 1000 мм (см. Фиг. 1). Следовательно, чтобы обеспечить непрерывное наблюдение за всем диапазоном пространства возможного местонахождения КП, предложенное осветительно-измерительное устройство содержит четыре идентичных электронно-оптических модуля 1, как указано выше, при этом суммарная ширина диаграмм направленности всех четырех телевизионных камер 2 перекрывает весь диапазон возможного местонахождения КП. При попадании КП в лазерный веерный луч света на поверхности КП образуется видимая линия пересечения поверхности КП с плоскостью, в которой находится лазерный веерный луч. Изображение линии пересечения фиксируется телевизионной камерой 2, в поле зрения которой находится КП, причем форма линии пересечения плоскости лазерного растра и поверхности КП, зафиксированной на изображении, не зависит от угла наклона КП. В частности, на Фиг. 1 КП изображен находящимся в поле зрения телевизионной камеры 2 второго электронно-оптического модуля 1. Лазерные генераторы 4 веерного луча и телевизионные камеры 2 предложенного осветительно-измерительного устройства размещены таким образом, что для получения изображения используется диффузная составляющая отраженного лазерного луча.
Кроме того, каждый электронно-оптический модуль 1 также содержит блок 7 сжатия сигнала полнокадрового изображения, выполненный с возможностью получения сигнала полнокадрового изображения подсвеченного КП и его элементов от телевизионной камеры 2 и сжатия полученного сигнала для сокращения его объема; и мультиплексор 8, выполненный с возможностью получения от телевизионной камеры 2 информации о выделенной линии пересечения веерного луча с поверхностью КП и от блока 7 сжатия сигнала сжатой информации о состоянии КП, в частности, сжатого сигнала полнокадрового изображения подсвеченного КП и его элементов, и осуществления двустороннего обмена информацией по дуплексной волоконно-оптической линии связи с соответствующим информационно-вычислительным комплексом, в частности, передачи сигнала графического отображения выделенной линии пересечения веерного луча с поверхностью КП и сжатого сигнала полнокадрового изображения в соответствующий информационно-вычислительный комплекс. Кроме того, мультиплексор 8 выполнен с возможностью приема сигналов управления от этого комплекса.
Первичная обработка последовательностей кадров изображения осуществляется в телевизионной камере 2, при которой осуществляется подавление мешающих сигналов от фона путем вычитания из кадров изображения, полученных при лазерной подсветке КП и при совместной лазерной и светодиодной подсветке КП, кадров изображения, полученных без подсветки. В частности, телевизионная камера 2, в поле зрения которой находится КП, фиксирует последовательности чередующихся кадров изображения КП и его элементов, причем каждая последовательность состоит из трех кадров изображений. Каждый первый кадр из последовательности чередующихся кадров фиксируется при отсутствии подсветки КП, каждый второй кадр из последовательности чередующихся кадров фиксируется при лазерной подсветке КП, и каждый третий кадр из последовательности чередующихся кадров фиксируется при совместной лазерной и светодиодной подсветке КП, причем в телевизионной камере 2 используется режим с междукадровой компенсацией, при котором из кадра изображения с лазерной подсветкой и из кадра изображения с совместной лазерной и светодиодной подсветкой вычитается кадр изображения без подсветки, тем самым выделяются только полезные сигналы (без фоновых сигналов помехи), которые и регистрируются в телевизионной камере 2.
Далее при обработке в телевизионной камере 2 кадра, полученного при подсветке КП только лазерным лучом, осуществляется выделение линии пересечения лазерного веерного луча с поверхностью КП и его элементов (в частности, зажимов КП) и преобразование изображения указанной линии пересечения в отображение в векторном формате для последующей передачи полученной информации по дуплексной волоконно-оптической линии связи в соответствующий информационно-вычислительный комплекс для дальнейшей обработки. Сигнал полнокадрового изображения, полученного при совместной лазерной и светодиодной подсветке КП, содержащий видеоинформацию о подсвеченном участке КП, после обработки в телевизионной камере (устранения фоновых сигналов) также должен передаваться в информационно-вычислительный комплекс для дальнейшей обработки, в частности, для отображения на мониторе оператора для визуальной оценки состояния КП и его элементов и, при обнаружении износа КП или иных дефектов, оценки степени их опасности, а также для возможной дальнейшей обработки, например, для автоматического обнаружения отсутствующих или незатянутых гаек зажимов КП и т.п. Выделенная линия пересечения веерного луча с поверхностью КП и его элементов и сигнал полнокадрового изображения и представляют собой информацию о состоянии КП, получаемую от телевизионной камеры 2 и подлежащую передаче в соответствующий информационно-вычислительный комплекс для дальнейшей обработки и вычисления параметров износа КП и выявления возможных дефектов КП и его элементов.
Функционирование упомянутого осветительно-измерительного устройства для автоматического получения информации о состоянии КП при использовании только лазерной подсветки аналогично функционированию устройства, описанного в прототипе, потому в данном документе его описание опускается. Питание электронно-оптических модулей 1 также осуществляется аналогично питанию устройства, описанного в прототипе. Далее приводится описание функционирования упомянутого осветительно-измерительного устройства для автоматического получения информации о состоянии КП при совместном использовании лазерной подсветки КП и импульсной светодиодной подсветки КП.
рег.
изобр.
рег.
рег
Введение в состав каждого электронно-оптического модуля 1 блока 7 сжатия сигнала полнокадрового изображения КП обусловлено следующим обстоятельством. Исходя из оптических характеристик объективов 3 телевизионных камер 2, разрешения кадров и дистанции, на которой располагаются телевизионные камеры 2 относительно измеряемых объектов, поле зрения телевизионных камер 2 вдоль КП составляет L ~ 40мм. Максимально допустимая скорость движения, например, вагона-лаборатории во время проведения аппаратного контроля состояния контактной сети ограничена и составляет ʋ = 72 км/ч (20 м/с). Поскольку реализованный в заявляемом устройстве способ обработки кадров изображения предполагает использование группы из трех последовательных кадров изображения, регистрируемых телевизионной камерой 2 без подсветки КП, при лазерной подсветке КП и при совместной лазерной и светодиодной подсветке КП, максимально возможное время Ƭ получения одной серии из трех последовательных кадров изображения КП, при котором обеспечивается непрерывное сканирование КП, определяется следующим выражением: Ƭ = L/ʋ. При заданных значениях L и ʋ величина Ƭ = 0,002 c, следовательно, частота регистрируемых телевизионной камерой 2 кадров, как минимум, должна быть следующей: ƒ=(1/Ƭ)*3=1500 кадр/с. При этом частота полнокадровых изображений, получаемых с выхода телевизионной камеры 2 и поступающих на вход блока 7 сжатия сигнала, составляет, как минимум, ƒ=ƒ/3=500 кадр/c. Требуемая пропускная способность C канала связи для передачи только несжатого изображения КП для кадра с разрешением r и разрядностью одного пиксела n определяется следующим выражением: C=r*n*ƒ, где ƒ это частота получения кадров. Следовательно, используемые в заявляемом устройстве матричные телевизионные камеры 2 имеют, например, следующие параметры: r = 1280*128 и n=10, и требуемая пропускная способность равна:
С1=(1280*128)*10*500=819200000 бит/сек или 819,2 Мб/с.
Пропускная способность дуплексной волоконно-оптической линии связи, используемой в известной системе автоматического измерения износа контактного провода, составляет 250 Мб/с, из которых 125 Мб/с отводятся на передачу сжатых сигналов отображения линии пересечения лазерного веерного луча с поверхностью КП и его элементов (полученных при использовании только лазерной подсветки) и на передачу телеметрической информации и сигналов управления работой осветительно-измерительного устройства от информационно-вычислительного комплекса рабочего места оператора. Таким образом, при такой реализации на передачу сигнала полнокадрового изображения остается 125 Мб/с. Возможность передачи полнокадрового изображения от каждой телевизионной камеры 2 предложенного осветительно-измерительного устройства по дуплексной волоконно-оптической линии связи в настоящей полезной модели обеспечивается за счет применения процедуры сжатия сигнала полнокадрового изображения подсвеченного участка КП с коэффициентом сжатия не менее k=819,2 (Мб/с) / 125 (Мб/с)=6,5536.
Согласно варианту осуществления настоящей полезной модели блок 7 сжатия сигнала полнокадрового изображения с выбранным коэффициентом сжатия k=7 построен на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) типа FPGA (программируемая пользователем вентильная матрица). Для данной интегральной схемы была разработана и внедрена программа, реализующая стандартный алгоритм сжатия JPEG, позволяющий эффективно использовать ограниченный объем внутренней оперативной памяти ПЛИС, тем самым повышая скорость кодирования при незначительной потере в степени сжатия изображения. Подробно алгоритм сжатия сигнала изображения описан в документе «Fast discrete cosine transform approximation for jpeg image compression», Leonid V. Kasperovich, Vladimir F. Babkin, Space Research Institute. 84/32 Profsoyuznaya st, Moscow, 5th International Conference, CAIP'93 Budapest, Hungary, September 13–15, 1993.
Таким образом, блок 7 сжатия сигнала полнокадрового изображения выполнен с возможностью преобразования исходного полнокадрового изображения, получаемого от телевизионной камеры 2, в полнокадровое изображение формата JPEG с выбранным коэффициентом сжатия k=7. При этом требуемая максимальная скорость передачи сжатых данных (т.е. требуемая пропускная способность линии связи) равна С2=819,2/7=117 Мб/с, что полностью удовлетворяет условию обеспечения передачи полнокадрового изображения по существующей дуплексной оптоволоконной линии связи с пропускной способностью в 125 Мб/с. Однако следует заметить, что обмен информацией между заявляемым устройством для автоматического получения информации о состоянии КП и соответствующим информационно-вычислительным комплексом возможно организовать не только по оптоволоконной линии связи, но и иным способом, например, с помощью дуплексной беспроводной линии связи.
Сжатое полнокадровое изображение формата JPEG с выхода блока 7 сжатия сигнала полнокадрового изображения передается через мультиплексор 8 по дуплексной волоконно-оптической линии связи в информационно-вычислительный комплекс, а именно, в соответствующие блоки цифровой обработки сигналов информационно-вычислительного комплекса. В частности, такой информационно-вычислительный комплекс может содержать четыре блока цифровой обработки сигналов, каждый из которых принимает данные от соответствующего электронно-оптического модуля 1. В качестве блока 7 сжатия сигнала полнокадрового изображения может также быть использовано любое другое устройство, аналогичное по своему назначению и обеспечивающее решение задачи сжатия сигнала полнокадрового изображения КП согласно вышеприведенным расчетам не менее чем в k=6,6 раз при сохранении информативности изображения.
В блоках цифровой обработки сигналов информационно-вычислительного комплекса осуществляется восстановление по полученным от электронно-оптических модулей 1 данным графического отображения линии пересечения лазерного веерного луча с поверхностью КП путем обратного преобразования векторного формата отображения этой линии и передача восстановленного графического отображения в промышленную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ) рабочего места оператора для автоматического расчета износа КП по специальным алгоритмам. Также в блоках цифровой обработки сигналов осуществляется восстановление полнокадрового цифрового изображения КП без фоновых помех, полученного на выходе соответствующей телевизионной камеры 2 при использовании совместной лазерной и светодиодной подсветки, которое отображается на мониторе для визуальной оценки в режиме реального времени оператором состояния КП и, при выявлении дефектов КП и/или его элементов, оценки оператором степени их опасности. Кроме того, в информационно-вычислительном комплексе имеется возможность осуществления видеозаписи полнокадровых изображений КП для их дальнейшего анализа.
На фиг. 2 представлена фотография осветительно-измерительного устройства для автоматического получения информации о состоянии контактного провода согласно варианту осуществления настоящей полезной модели, установленного на крыше вагона. Рассматриваемое осветительно-измерительное устройство размещается в металлическом корпусе и устанавливается на отдельном измерительном токоприемнике на крыше вагона. Расположение осветительно-измерительного устройства на отдельном токоприемнике позволяет фиксировать расстояние от КП до объектива 3 телевизионной камеры 2 в пределах 80-100мм, что обеспечивает постоянное получение четкого изображения износа КП при движении вагона. Согласно варианту осуществления настоящей полезной модели к осветительно-измерительному устройству подключена дуплексная волоконно-оптическая линия связи, обеспечивающая обмен соответствующей измерительной и телеметрической информацией между осветительно-измерительным устройством и информационно-вычислительным комплексом рабочего места оператора, расположенном во внутреннем помещении вагона.
На фиг. 3 представлено графическое отображение линии пересечения лазерного веерного луча с поверхностью КП, выделенной с помощью устройства для автоматического получения информации о состоянии контактного провода только при лазерной подсветке. В частности, на данной фигуре представлено графическое отображение линии пересечения лазерного веерного луча с поверхностью КП (слева на фигуре отображен КП, справа – фиксирующий зажим КП), выделенной телевизионной камерой 2 при обработке кадра, полученного при подсветке КП только лазерным лучом (второго кадра).
На фиг. 4 представлена серия кадров изображения КП с фиксирующим зажимом КП, зарегистрированных только при лазерной подсветке КП с помощью устройства для автоматического получения информации о состоянии КП. Данная серия кадров представляет собой по сути теневое (монотонно черное) отображение КП и не содержит информации о состоянии самого КП, что компенсируется за счет регистрации телевизионной камерой 2 кадров при совместной лазерной и светодиодной подсветке КП.
На фиг. 5 представлено полнокадровое изображение КП, зарегистрированное при использовании совместной лазерной и светодиодной подсветки КП с помощью устройства для автоматического получения информации о состоянии КП, а на фиг. 6 представлено полнокадровое изображение фиксирующего зажима КП, зарегистрированное при использовании совместной лазерной и светодиодной подсветки КП с помощью устройства для автоматического получения информации о состоянии КП согласно варианту осуществления настоящей полезной модели. Полнокадровые изображения КП и фиксирующего зажима КП, представленные на Фиг. 5 и Фиг.6, соответственно, зарегистрированы при использовании совместной лазерной и светодиодной подсветки КП соответствующей телевизионной камерой 2, в поле зрения которой в момент регистрации находился КП. Данные полнокадровые изображения в дальнейшем подлежат передаче в соответствующий информационно-вычислительный комплекс для отображения на мониторе промышленной электронно-вычислительной машины рабочего места оператора. Как наглядно следует из Фиг. 5 и Фиг. 6, эти изображения являются значительно более информативными по сравнению с графическим отображением линии пересечения лазерного веерного луча с КП, полученной только при лазерной подсветке КП, представленным на серии кадров изображения КП с фиксирующим зажимом КП на Фиг. 4. Следовательно, данные полнокадровые изображения позволяют оператору осуществлять в режиме реального времени более результативную визуальную оценку состояния КП и зажимов КП. Кроме того, предложенное осветительно-измерительное устройство для автоматического получения информации о состоянии контактного провода также позволяет осуществлять видеозапись полнокадровых изображений КП с помощью соответствующей телевизионной камеры 2 для последующего более тщательного анализа состояния КП и зажимов КП.
Синхронизация и управление работой телевизионных камер 2, блоков 4 лазерной подсветки и блоков 6 светодиодной подсветки всех электронно-оптических модулей 1 может осуществляться через блоки цифровой обработки сигналов информационно-вычислительного комплекса, в частности, путем передачи соответствующих сигналов управления от этих блоков цифровой обработки сигналов информационно-вычислительного комплекса в мультиплексор 8 каждого электронно-оптического модуля 1.
Таким образом, предложено осветительно-измерительное устройство для автоматического получения информации о состоянии КП, выполненное с возможностью получения кадров изображения КП, передаваемых от телевизионной камеры 2 осветительно-измерительного устройства на монитор оператора, с повышенной информативностью, и передачи соответствующих полнокадровых изображений подсвеченных участков КП и его элементов с высокой скоростью в информационно-вычислительный комплекс оператору для непрерывного контроля и анализа интересующих объектов в режиме реального времени. Кроме того, обеспечена возможность осуществления видеозаписи полнокадровых изображений КП для последующего более тщательного анализа состояния КП и элементов КП.