车载式铁路接触线微波除冰追踪系统研究

作     者：于瀚博 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜官峰;袁智

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：接触线覆冰 微波除冰 DiMP-50算法 增量式PID 追踪系统 

摘      要：随着我国铁路的飞速发展,部分铁路干线易受到区域性寒潮冰冻影响。接触线覆冰已严重影响了我国铁路运营安全。接触线覆冰会导致受电弓无法取流,铁路干线停运,严重时会发生重大安全事故,造成严重的经济损失。目前,针对接触线防融冰的研究较多,但是在利用能量除冰方面研究较少,如微波除冰。微波除冰具有效率高,能量利用率高,易调控的优点,具有广泛的研究前景。然而,接触线的‘Z’字形布线结构给除冰机车微波能量持续聚焦带来了挑战,微波发生器难以持续精确瞄准接触线加热融冰。本文基于此难点进行了车载式铁路接触线微波除冰追踪系统研究。 首先,分析了微波能量与接触线覆冰的吸收关系,建立了Tvt微波除冰模型,得出了在已知覆冰厚度和除冰时间的情况下,覆冰厚度、微波发生器功率以及除冰机车速度之间的函数关系。通过实验进行模型验证,利用覆冰厚度和微波发生器功率评估除冰时间。在覆冰厚度为7 mm,微波发生器功率为1500 W的条件下,除冰时间与模型计算时间基本一致,验证了Tvt微波除冰模型的准确性。当操作人员根据除冰机车速度设定1 s内融化覆冰的目标时,可依据Tvt微波除冰模型计算出所需的微波发生器功率为138 k W,可选择150 k W的微波发生器进行除冰工作。该模型为选择合适的微波发生器功率提供了理论依据,有助于优化接触线除冰工程。 其次,为了解决因接触线‘Z’字形结构微波发生器无法瞄准的问题,利用DiMP-50算法设计追踪模型。利用Coco、La SOT、Tracking Net、GOT10k四个开源数据集训练模型基本权重值,并对现场第一帧接触线框选并进行在线训练,更新权重值,训练出DiMP-50追踪模型,完成追踪任务。追踪模型的交并比(Io U)为91.47%,帧率(FPS)为32 fps。利用各帧图像的标记信息提取坐标,并在上位机中计算坐标偏差,实现接触线’Z’字形坐标获取。通过与U-net和Deeplabv3+两种经典方法的比较,DiMP-50的Io U参数值比U-net高1.53%,比Deeplabv3+高26.15%。FPS参数值比U-net高26.72 fps,比Deeplabv3+高29.27 fps,展现了本文追踪模型良好的抗干扰能力和较高的运算能力,完成了在算法上对接触线的追踪。 然后,为实现硬件对接触线的追踪,对微波除冰装置的随动控制进行了设计,使其能够搭载微波发生器,持续瞄准‘Z’字形接触线。当下位机单片机接收到坐标偏差值时,通过增量式PID输出脉冲,控制微波发生器底部滑轨电机旋转相应角度,带动丝杆滑轨运动,使微波发生器持续瞄准接触线加热融冰。此外基于追踪模型的误差和除冰车的震动偏差设计了偏差阈值,防止电机误动,实现了系统的机械跟随。 最后,为了提高铁路接触线微波除冰的追踪效率,本文开发了一套基于Py Qt5的人机交互GUI软件系统。该系统包括控制选择单元、电机控制单元和数据反馈单元三个主要单元。控制选择单元负责管理用户界面操作,如打开误差曲线图、开启或关闭摄像头以及重新框选接触线。电机控制单元则控制电机的旋转方向和速度,以适应除冰操作的需要。数据反馈单元监控接触线的坐标偏差,实现系统的实时可视化监控。通过这一系统,用户能够更精准地控制除冰过程,提高除冰效率和安全性。为验证系统性能,搭建了车载式铁路接触线微波除冰追踪系统实验台,设置模拟机车丝杆滑轨速度为1 m/s,观察系统运行情况,并对比实际坐标和追踪坐标,检查电机是否发生误动或旋转方向错误。结果表明,在覆冰厚度为7 mm且车速为1 m/s的条件下,本文提出的系统能够实时精准地瞄准接触线进行加热融冰,适用于复杂的铁路除冰工程。