ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ ОСНОВНЫХ СТЕРЖНЕЙ ФИКСАТОРОВ НА ОПОРАХ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

Полезная модель относится к области диагностики состояния проводной контактной сети электрифицированных железных дорог, и более конкретно, к телевизионной системе измерения высоты основных стержней фиксаторов на опорах контактной сети, которая устанавливается в вагоне-лаборатории для оценки состояния контактной сети электрифицированных железных дорог постоянного и переменного токов.
Проводная или воздушная контактная сеть (далее - контактная сеть (КС)) включает в себя провода контактной сети (контактный провод, несущий трос, усиливающий провод), опоры, поддерживающие устройства (консоли, гибкие и жесткие поперечины) и изоляторы. КС обеспечивает передачу электрической энергии от тяговых и совмещенных тягово-понизительных подстанций к токоприемникам электроподвижного состава на электрифицированных железных дорогах.
В отличие от других устройств электроснабжения КС не имеет резерва. Поэтому к ее надежности предъявляют повышенные требования, учитывающиеся как при проектировании и монтаже, так и при осуществлении последующего технического обслуживания и ремонта КС. В частности, необходимо регулярно (не менее 1 раза в год) выполнять оценку состояния КС, для чего используются вагоны-лаборатории, оснащенные средствами технической диагностики.
Контактный провод (КП) является основным или единственным проводом КС, осуществляющим непосредственный контакт с токоприемниками (пантографами) электроподвижного состава в процессе токосъема.
Поэтому, целью диагностики КС обычно является оценка состояния КП. В данной области техники известно множество устройств, устанавливаемых в/на вагоне-лаборатории для определения различных параметров КП, в частности, износа КП [например, патент РФ на изобретение №2120866, патент РФ на изобретение №2430331] и высоты подвеса КП [например, патент РФ на изобретение №2180621, патент РФ на изобретение №2137622].
Однако, кроме оценки состояния КП для полноценной и достоверной диагностики КС необходимо также измерение высоты основных стержней фиксаторов на опорах КС. Более конкретно, необходимо контролировать расстояние между рабочим КП и основным стержнем фиксатора. Однако, как уже отмечалось, системы для измерения высоты подвеса КП известны, поэтому задачей настоящей полезной модели является измерение высоты основных стержней фиксаторов на опорах КС.
Фиксатором КП называется устройство для фиксации положения КП в горизонтальной плоскости относительно оси токоприемника. Фиксаторы КП бывают несочлененные и сочлененные. Несочлененный фиксатор состоит из одного основного стержня, оттягивающего КП от оси токоприемника к или от опоры на размер зигзага. Несочлененные фиксаторы применяются редко, так как при их использовании образуется «жесткая точка», что ухудшает условия токосъема.
Сочлененный фиксатор состоит из трех элементов: основного стержня, стойки и дополнительного стержня, на конце которого крепится фиксирующий зажим КП. Прямой сочлененный фиксатор КП имеет основной стержень, который крепится к фиксаторному изолятору и двумя струнами подвешивается к несущему тросу цепной контактной подвески. Таким образом, масса основного стержня не передается на КП, и он воспринимает нагрузку только от части веса направленного от опоры дополнительного стержня с фиксирующим зажимом. Уменьшение нагрузки улучшает качество токосъема. Обратный сочлененный фиксатор имеет более длинный основной стержень, к которому крепится дополнительный стержень, направленный к опоре.
При малом расстоянии между основным стержнем фиксатора и КП, часть дополнительного стержня может располагаться ниже уровня подвеса КП. В такой ситуации возникает вероятность контакта (соударения) токоприемника с дополнительным стержнем при осуществлении токосъема, что в свою очередь может привести к отрыву дополнительного стержня (и соответственно, нарушению зигзага подвеса КП и провисанию КП) и/или повреждению и отрыву токоприемника.
Поэтому, наряду с высотой подвеса КП необходимо контролировать высоту основных стержней фиксаторов. Эта задача легла в основу создания настоящей полезной модели. Более конкретно, авторы полезной модели поставили задачу создания конструктивно простой системы, обеспечивающей высокоточное измерение высоты основных стержней фиксаторов вне зависимости от внешних условий, в частности, в любое время суток и при любой погоде. Простота конструкции измерительной системы подразумевает относительно невысокую стоимость ее производства.
Из уровня техники известно устройство для измерения параметров пересечений проводов КС [патент РФ на изобретение №2445571]. Известное устройство включает в себя две телевизионные камеры, установленные на крыше вагона для получения и сохранения изображений контактных проводов на участке пути, содержащем пересечение проводов. Это устройство также содержит осветительный элемент для освещения пересечения. Известное устройство выполняет обработку сохраненных изображений для определения положения и отклонения пересечения относительно пантографа, чтобы предотвратить захлестывание КП и пантографа при прохождении вагона через участок пересечения.
Достоинством известного из патента №2445571 устройства является простота конструкции и невысокая стоимость его производства, что обеспечивается доступностью и низкой стоимостью телевизионных камер, а также высоким уровнем развития техники обработки изображений. Кроме того, достоинством указанного устройства является использование осветительного элемента для подсветки КП.
Однако описанное в патенте №2445571 устройство не обеспечивает регистрации и измерения высоты основных стержней фиксаторов на опорах КС.
Патент Японии JP 3891730 (В2) («Trolley line supporting metal fitting mounting angle measuring device») описывает устройство для измерения угла крепления дополнительного стержня фиксатора на опорах КС с движущегося с высокой скоростью вагона-лаборатории. В указанном устройстве используется оптическая система, состоящая из трех установленных на крыше вагона-лаборатории линейных лазерных источников (пространственно вытянутых излучателей, обеспечивающих плоские лазерные лучи), фотодетектора и телевизионной камеры. Источники устанавливаются на крыше вагона с ориентацией в продольном направлении (вдоль оси движения вагона) и с разнесением на некоторое расстояние в поперечном направлении. Таким образом, обеспечиваются три излучаемых вертикально вверх от крыши вагона и разнесенных в поперечном направлении плоских луча лазерного излучения, которые проецируются на дополнительный стержень фиксатора (самый низкий, т.е. наиболее близкий к крыше вагона, элемент фиксатора) при прохождении вагоном опоры, и отражаются от него. Регистрация фотодетектором отраженного от дополнительного стержня луча служит триггером для фотографирования дополнительного стержня телекамерой, расположенной под известным углом к плоскости крыши. Длина каждого из плоских лучей обеспечивает подсветку соответствующей точки падения этого луча на дополнительный стержень фиксатора на время прохода источника под ним, что фиксируется телекамерой в изображении. Далее, описанное в JP 3891730 (В2) устройство соединяет три точки падения лучей на полученном изображении прямой линией, по наклону которой вычисляют угол крепления дополнительного стержня фиксатора.
Достоинством известного из JP 3891730 (В2) устройства является измерение угла крепления дополнительного стержня фиксатора в реальном времени с движущегося с высокой скоростью вагона. Однако измеренный таким образом угол крепления дополнительного стержня фиксатора, даже в сочетании с известной высотой подвеса КП, не обеспечивает исчерпывающей информации о расстоянии между основным стержнем фиксатора и КП, которая необходима для оценки состояния КС. Кроме того, устройство в JP 3891730 (В2) не обеспечивает высокой точности измерения угла крепления дополнительного стержня фиксатора, поскольку измерение основано только на одном изображении, получаемом телекамерой во время прохода вагоном опоры (когда вагон может быть подвержен тряске или раскачиванию). Также недостатком является конструктивная сложность (следовательно, высокая стоимость) данного устройства.
Два указанных выше устройства, известных из уровня техники, является наиболее близкими по технической сущности к заявленной полезной модели. В качестве прототипа в настоящей заявке выбрано устройство, описанное в патенте РФ №2445571.
Для решения поставленных задач, авторы полезной модели воспользовались следующими наблюдениями. Элементы опоры КС, в частности основной стержень фиксатора, всегда расположены поперек (т.е. перпендикулярно или практически перпендикулярно) оси движения вагона-лаборатории. Причем основной стержень фиксатора является самым низко расположенным (наиболее близким к крыше вагона) поперечным элементом опоры КС, за исключением дополнительного стержня. Однако размеры дополнительного стержня позволяют исключить его из рассмотрения, выбрав поле зрения, в которое попадает основной стержень, но не попадает дополнительный стержень фиксатора. В частности, установка телевизионной камеру сбоку (по борту) вагона-лаборатории позволяет исключить дополнительный стержень фиксатора из поля зрения камеры. Эти аспекты используются в полезной модели для выделения основного стержня фиксатора из числа остальных элементов опоры КС. Принцип измерения высоты основных стержней фиксаторов в полезной модели основан на зависимости угловой скорости перемещения объекта от расстояния между наблюдателем и объектом при постоянной линейной скорости перемещения наблюдателя относительно объекта.
Сущность полезной модели иллюстрируется на Фигурах 1-2, и более подробно поясняется ниже описанием вариантов осуществления полезной модели.
На Фиг.1 изображена упрощенная блок-схема системы измерения высоты основных стержней фиксаторов. На Фиг.2 представлено примерное изображение, содержащее координаты угловых положений двух объектов, зарегистрированные системой при прохождении вагоном-лабораторией расстояния в 6,4 метра.
Для измерения угловой скорости перемещения элементов опоры КС относительно вагона-лаборатории в заявленной системе используется установленный по одному из бортов вагона (в или на вагоне, например, в окнах или на крыше вагона) оптический модуль, содержащий две цифровые телевизионные камеры с фотоприемниками на линейках ПЗС. Поля зрения (продольные оси линеек ПЗС) камер ориентированы вдоль оси движения вагона и развернуты одно относительного другого в направлении поперек оси движения. Две камеры одновременно регистрируют изображение и выдают цифровой видеосигнал в виде векторных отсчетов из пикселей линеек ПЗС. Пиксели в каждом отсчете представляют угловые положения объектов, зарегистрированных камерой в соответствующей точке пути вагона-лаборатории. Работа камер регулируется системой синхронизации с использованием информации о мгновенной скорости вагона, поступающей от внешнего датчика скорости и пути, так, что камеры регистрируют изображение через равные малые расстояния по пути вагона, вне зависимости от его скорости движения. В конкретном варианте осуществления измерительной системы, в качестве внешнего датчика скорости и пути используется датчик угла поворота колеса вагона, и система синхронизации обеспечивает считывание изображения с линеек ПЗС через каждые 10 см пути.
Для селекции в изображении телекамер целевых объектов (предположительно, являющихся элементами опор КС) на фоне неба с неравномерной освещенностью, например, при наличии ярких белых облаков, видеосигналы от соседних отсчетов в телевизионных камерах вычитаются. Поскольку объекты в соседних отсчетах смещены на малое расстояние (10 см), а фон неба практически неподвижен, происходит выделение сигналов от целевых объектов (элементов опор) при практически полной компенсации фона неба. Работа системы с разностными сигналами обеспечивает практически независимость измерений высоты фиксаторов от условий внешней освещенности.
Таким образом, телевизионные камеры в оптическом модуле обеспечивают изображения, содержащие угловые положение целевых объектов в их поле зрения через равные малые расстояния (через каждые 10 см) по пути следования вагона-лаборатории.
Положения объектов в пикселях линейки ПЗС камер передаются в модуль сигнальной обработки, в котором организован буфер для накопления отсчетов. Модуль сигнальной обработки может быть реализован с использованием микропроцессорного контроллера с буфером, например, на 64 отсчета (эквивалентно протяженности пути 6,4 метра). Таким образом, модуль сигнальной обработки накапливает отсчеты и получает двумерное изображение на плоскости с осями «путь» (в метрах) и «угловое положение» (в пикселях линейки ПЗС), содержащее координаты зарегистрированных одной камерой объектов. Пример такого изображения приведен на Фиг.2.
Две линии из точек на Фиг.2 соответствуют двум элементам опоры КС, угловые положения которых камера зарегистрировала на протяжении 6,4 метров пути вагона-лаборатории. Как известно, чем выше расположен объект, тем меньше угловая скорость его перемещения относительно наблюдателя. Соответственно, прямая линия 1 соответствует более низко расположенному элементу опоры контактной сети, чем элемент, которому соответствует прямая линия 2. При этом объект 2 дольше находился в поле зрения линейки ПЗС телевизионной камеры, т.к. линия 2 имеет больше точек. Регистрация отсчетов через малое расстояние, такое как 10 см, обеспечивает возможность определения угловой скорости движения объектов в поле зрения камер с высокой точность.
Модуль сигнальной обработки выделяет все прямые линии в изображениях, полученных из накопленных в буфере отсчетов от каждой камеры. Наличие в оптическом модуле двух телевизионных камер, поля зрения которых развернуты поперек оси движения вагона-лаборатории, как указано выше, позволяет осуществлять отбраковку мешающих объектов, расположенных не строго поперек оси движения вагона (т.е. объектов, не относящихся к элементам опоры КС, которыми могут быть отходящие ветви КП на анкеровках, стрелки и т.п.). Выбор линий, соответствующих таким объектам, осуществляется на основе анализа смещения прямых линий вдоль оси «путь в метрах» на двумерных изображениях (как на фиг.2) для двух телевизионных камер. Если объект расположен перпендикулярно оси движения вагона-лаборатории, то соответствующая ему прямая линия на изображениях с разных камер не будет смещена. Наличие смещения указывает неперпендикулярный объект, причем, чем больше смещение, тем сильнее расположение объекта отличается от перпендикуляра относительно оси движения вагона.
Далее, модулем сигнальной обработки выбирается прямая линия с минимальным наклоном, которая соответствует самому низко расположенному объекту, т.е. основному стержню фиксатора опоры КС, и координаты всех точек выбранной линии передаются в вычислительный модуль, которым может быть ЭВМ с соответствующим программным обеспечением. Передача данных между оптическим и вычислительным модулями может осуществляться по меньшей мере по одному последовательному каналу и/или через многоканальный мультиплексор.
Вычислительный модуль по полученным координатам точек выбранной линии определяет посредством статистической обработки (например, методом максимального правдоподобия) тангенс ее наклона относительно оси «угловое положение», который с точность до коэффициента соответствует высоте расположения основного стержня фиксатора на опоре КС. Кроме того, вычислительный модуль может определять положение опоры на пути вагона по положению прямой линии на оси «путь» (фиг.2).
Для обеспечения работы измерительной системы в ночное время суток оптический модуль имеет встроенные системы адаптации к изменяющимся условиям освещенности: телевизионные камеры работают с негативным сигналом днем и позитивным ночью. Также система включает в себя осветительный модуль, используемый для подсветки КС в ночном режиме работы. Осветительный модуль может состоять из галогенных ламп накаливания, например, из оптических элементов автомобильных противотуманных фар.
Для работы системы в плохих погодных условиях оптический модуль оснащен средствами защиты телевизионных камер от атмосферных воздействий. В одном варианте осуществления, в верхней части корпуса оптического модуля установлен вращающийся иллюминатор, предназначенный для защиты оптических систем телевизионных камер от атмосферных воздействий. Дополнительно, поверх вращающегося иллюминатора может устанавливаться крышка с приводом для защиты иллюминатора от атмосферных воздействий и механических повреждений в нерабочем состоянии.
В одном варианте осуществления измерительная система может содержать два оптических модуля, каждый из которых имеет описанную выше конструкцию и функциональные возможности, и которые устанавливаются по правому и левому борту вагона-лаборатории, соответственно. В этом случае измерительная система может содержать два аналогичных модуля сигнальной обработки для обработки телевизионного сигнала от соответствующих оптических модулей. Также, осветительный модуль может содержать два набора галогенных ламп накаливания, установленных на крыше вдоль бортов вагона-лаборатории для подсветки по обе стороны от него.
Этот вариант осуществления системы обеспечивает возможность измерения высоты фиксаторов на опорах с обеих сторон вагона-лаборатории. Также, двойная система обеспечивает возможность одновременной регистрации основного стрежня обратного сочлененного фиксатора оптическими модулями с двух сторон от вагона-лаборатории, что повышает точность измерения высоты такого основного стрежня.