本文是一篇电力论文，本文在对兰新高铁接触网正馈线的结构、运行环境分析的基础上，结合兰新高铁大风区正馈线的舞动特性，从铁路运营、现场需求、监测目的这几个方面出发，设计了一种基于视频图像处理的正馈线舞动在线监测方法，通过对算法的准确率及实验室物理半仿真平台试验，验证了在线监测系统的有效性。
1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
兰州至新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市之间的高速铁路，是世界上已建成的通车里程数最大的高速铁路之一[1,2]。兰新高铁的开通，加快了西部乃至中国与中亚、欧洲之间的经济、政治、文化之间的交流，拓展了中国西北部的发展，是“一带一路”国家战略建设的重要纽带。兰新高铁全长1775.779公里，设计最高时速可达250千米每小时，途径甘肃省和新疆自治区五大风区。五大风区占线路总长度的32.6%，其新疆境内百里风区和三十里风区最大风速可达60m/s，瞬时破坏力极强[3,4]。根据统计，该地区每年风力达到8级~13级的天数平均可达到200天，强大的风力致使所经区段多次发生列车无法运行等事故[5]。为了保证沿线列车安全运行，防止列车在大风条件下倾覆，在铁路沿线受强风影响较大的区段修建了如图1.1所示的挡风墙工程。
兰新高速铁路牵引供电采用自耦变压器供电方式（AT供电方式），正馈线是其供电回路的重要组成部分，起到屏蔽电磁、增加电能输送作用。正馈线架设于接触网支柱外侧，没有任何补偿装置，而兰新高铁线路走向与百里风区风向基本保持垂直，故极易发生风致舞动现象[6]。正馈线由于处于挡风墙后尾流加速区，在大风环境下经常发生大幅舞动。接触网正馈线舞动是在风的激励作用下产生的，其具有频率低(0.1Hz~3Hz)、振幅大（振幅可达导线直径的5倍~300倍）的特点[7,8]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 输电导线舞动研究
目前，国内外学者针对输电导线的舞动现象进行了广泛深入的研究，其主要研究可以分为两部分：第一：舞动机理内容研究，第二：舞动防治技术研究。
(1) 输电线路舞动机理研究
架空导线是一种柔性的悬索结构，振动形式属于驰振，由于其在风的激励作用下上下翻飞、犹如龙舞，故被称为舞动[9,10]。目前，现有舞动机理中最具有代表性，最被专业内所承认的有Den.Hartog的垂直舞动机理、O.Nigol的扭转舞动机理、P.Yu的偏心惯性耦合失稳机理[11-16]、中国学者尤传永提出的导线舞动动力稳定性机理、蔡延湘提出的低阻尼系统共振舞动机理[17,18]，这些机理在诠释了不同条件下导线在特定环境中发生舞动现象的原因、导线发生舞动现象时的状态、导线发生舞动现象时的运动位移等，但到目前为止，对于舞动机理的研究主要集中于在覆冰条件下导线舞动的原因及机理，对于接触网正馈线因挡风墙尾流作用影响发生舞动的研究较少，且没有出现被广泛承认的舞动机理内容。对相应舞动的研究还需大量的数据去填充内容的不足。
(2) 舞动防治技术研究
针对导线舞动的现象，国内外对于舞动防治技术进行了大量的研究，科研人员分别从改变环境、改造线路、破坏舞动条件这三个方面进行研究。为了使舞动不易发生，在新建输电线路时吸取经验，尽量避开大风及容易形成覆冰的区域，让发生舞动的概率大幅降低；为了改造线路，科研人员调整了导线的布置方式以防止线路覆冰，同时增加了杆塔和导线的刚度以增加发生舞动条件难度；为了破坏舞动发生条件，降低舞动幅值，科研人员设计了不同类型的间隔棒（相间间隔棒、相地间隔棒）、压重防舞器、斜拉绝缘子等以抑制导线间的相对运动[19-24]。上述防治技术目前大部分集中应用在大跨越输电线路，对于接触网正馈线的舞动防治技术研究较少，还需通过监测技术进一步获取数据结合振动力学对防治技术进行研究。
2 正馈线舞动在线监测系统设计
2.1 正馈线舞动监测系统设计
兰新高铁途径地区风速较大，正馈线是铁路牵引供电系统重要的组成部分，故结合当前铁路运营部门需要，通过对实际现场环境分析，结合具体条件，设计基于视频图像处理的正馈线舞动监测系统，满足对于舞动监测的需求并获取获取舞动数据，对铁路运行过程中可能出现的不确定状态进行预警。
2.1.1 兰新高铁接触网正馈线结构分析
为了设计符合实际现场的监测系统，保证舞动监测系统获得的数据可靠稳定，首先对兰新高铁接触网正馈线系统进行详细全面的分析。在建造之初，设计人员考虑到列车经过新疆境内四大风区，为了抵御沿途大风、砂砾等自然灾害对列车及轨道的影响，在部分影响较大的区域，为了避免列车倾覆，在沿途设计了挡风墙，如图2.1所示。挡风墙的建立大大减少了风沙对列车运行的影响，同时沿线铁路也因此避免了风沙的掩埋。但研究人员也发现，由于所经地区相比于其他地区风速较大，而兰新高铁也由于其独特的挡风墙结构在铁路现场形成了在大风、无覆冰情况下的正馈线舞动现象。在无覆冰情况下发生正馈线舞动现场，导致沿线金具磨损加剧、导线断股等情况发生，对铁路正常的运营产生了较大的影响。
2.2 正馈线图像特征
作为铁路供电系统中的重要的组成部分，接触网及附加导线所处环境复杂多变。相比于传统大跨越输电线路，铁路牵引供电系统导线众多，结构多变，除传统意义上与铁轨相平行的水平接触网以外，有吊弦、支柱等附加物[49]。兰新高铁所处环境复杂，所经线路营造了变化较大的铁路通道，舞动监测所获得的视频图像中背景多变，环境区别大，为了更好的对视频图像选择合适的预处理算法及边缘特征检测方法，需要对所传输视频图像特征进行分析。
2.2.1 正馈线图像及分类
对采集视频图像进行预处理效果比较差，故首先对传输获得图像做进一步的分析。一般来说，在传统数字图像中正馈线具体可以将其特点概括为以下几点：拓扑结构、光谱特性、几何特征[50]。拓扑结构是指在实际线路中各个导线形成的网络结构；光谱特性指导线在视频监测中表面所呈现出来的光泽等信息；几何特性是指导线在图像中所的形状、像素比例、弧垂等关键信息。
为选择合适的图像预处理及边缘特征检测提取方法，首先必须分析图像特征及对比各种图像增强算法的优劣性，而铁路一般建在远离城区的区域，车站等又处于大量建筑物之中，综合背景较为复杂。正馈线局部环境比较单一，单独对图像中正馈线进行分析不具有代表性，故在文中进行图像特征分析、预处理增强、边缘检测与提取等步骤时，选择复杂背景下的铁路接触网图像中正馈线目标（包含正馈线）进行处理统计。
对于接触网正馈线图像，在视频图像采集方面，主要有三个方面的因素影响图像质量，一是拍摄环境复杂多变，铁路的独特性导致采集到的图像包含大量不相关物体；二是图像模糊，受气流等影响，图像质量变化差异较大；三是图像明暗不一，由于曝光等条件影响，图像质量下降。
3 接触网正馈线图像预处理 ....................... 16
3.1 图像色彩模型 .......................... 16
3.2 图像灰度化 ...................................... 18
4 接触网正馈线图像边缘特征检测与提取 .................................. 27
4.1 图像边缘检测 ........................................... 27
4.1.1 Roberts边缘检测算子 ........................ 28
4.1.2 Canny边缘检测算子 ................... 29
5 基于视频监测结果的正馈线数据提取 ..................... 39
5.1 舞动监测原理 ................................... 39
5.2 正馈线舞动数据提取与分析 ............................ 41
5 基于视频监测结果的正馈线数据提取
5.1 舞动监测原理
视频监测终端对实物目标的成像模型属于小孔成像，为了对图中目标特征点的求解，首先构造世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系、像素坐标系四者之间的关系。如图5.1为接触网位置与相机图像信息之间的映射关系。
(1) 世界坐标系：表征物体在现实世界中的客观坐标，在图像中表示为-w w w wO X Y Z；
(2) 相机坐标系：以光学中心作为原点，表示相机坐标，在图像中表示为c-c c cO X Y Z；
(3) 图像坐标系：相机与图像平面的交点作为原点，在图像中表示为-iO xy；
(4) 像素坐标系：表示二维图像中的目标位置，在图像中表示为-pO uv；
将接触网正馈线上的目标测点坐标(,,)w w wD X Y Z，经过坐标系之间的转换得到在二维数字图像中的坐标，表示为d(x,y)。
结论
本文在对兰新高铁接触网正馈线的结构、运行环境分析的基础上，结合兰新高铁大风区正馈线的舞动特性，从铁路运营、现场需求、监测目的这几个方面出发，设计了一种基于视频图像处理的正馈线舞动在线监测方法，通过对算法的准确率及实验室物理半仿真平台试验，验证了在线监测系统的有效性。为了选择合适的图像预处理算法，对不同的滤波处理算法及灰度化等进行选择，确定了终端图像增强方法及步骤。针对图像处理算法出现的不易检测边缘、边缘检测断股等问题，基于改进Ratio算子进行边缘检测，运用区域链码聚类分析，对图像中正馈线目标进行边缘提取。为了对系统进行检验，在实验室搭建了半物理仿真平台，通过相机标定等，完成对于舞动监测结果的幅值、频率提取，对于视频图像处理系统进行了验证。
本文完成的主要研究成果如下：
(1) 舞动在线监测方式设计方面，分析了兰新高铁接触网结构、正馈线的位置、大风区环境，提出了一种基于视频图像处理的非接触式舞动在线监测方法。为了符合现场环境，确保系统运行安全可靠，同时
