一种接触网构件识别方法、装置和系统

技术领域

本发明属于工件识别技术领域，更具体地，涉及一种接触网构件识别方法、装置和系统。

背景技术

中国铁路已进入快速发展时期，特别是高速铁路建设取得辉煌成果，已建成世界规模最大的高速铁路网。接触网是电气化铁路电力牵引供电系统的重要组成部分，承担着为电力机车提供充足电力供应的任务，保证施工阶段接触网的安装进度和质量尤为重要。

在工程设施施工以及产品生产之前，物料采购部门工作人员需要依靠人力从图纸中查找汇总施工生产环节所需要的构件以利于制定相应的项目预算。该环节过于依靠人力，耗费大量时间。在缺乏经验、长时间工作的条件下，人工识别容易出现失误。铁路建设线路一般较长，涉及专业多，工程零部件的种类多、数量大。仅接触网工程涉及的零部件就包括腕臂立柱、平腕臂、斜腕臂、腕臂支撑、棒式绝缘子、套管双耳、承力索座、定位环、定位管、定位支撑、定位器、支撑卡子等，造成工程施工准备阶段的复核工作量巨大。同时，一线施工技术人员专业水平相对较低，无法保证读取图纸信息的准确性，难以避免出现施工技术人员的低级错误，导致出现返工。施工技术人员读取施工图纸中所需信息时需要反复查阅安装图纸，仅腕臂柱的类型就可能有几种甚至十几种，对应多达十几种安装图纸，技术人员需重复查阅每一种安装图纸。这种重复性工作往往非常枯燥繁琐，技术人员经常会注意力分散，导致信息读取错误，无法保证数据读取的准确性。

综上所述，在施工准备阶段中，接触网工程构件复核工作存在程序繁琐、工作量大、重复性高的特点，技术人员人工读图的工作负担较大，效率低，严重影响了项目前期进度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种接触网构件识别方法、装置和系统，其目的在于，将当前接触网工程图纸文件表示为当前多叉约束树；将所述当前多叉约束树与预先建立的构件特征库进行搜索与匹配，以识别出对应的目标接触网构件对象；由此解决现有接触网构件识别效率低、操作难度大的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种接触网构件识别方法，包括：

S1：将当前接触网工程图纸文件表示为当前多叉约束树；

S2：将所述当前多叉约束树与预先建立的构件特征库进行搜索与匹配，以识别出所述当前接触网工程图纸文件对应的目标接触网构件对象；

其中，所述构件特征库是通过提取现有接触网工程图纸文件集对应的基础内容元素的数据信息中构件特征构建的；每个所述基础内容元素的数据信息包括：基本图元类型数据及其对应的基本图元关系类型数据；所述基本图元关系类型数据包括：两图元之间关系的类型、两图元之间距离、两图元之间形成的角度。

在其中一个实施例中，所述S1之前，所述方法还包括：

S01：读取各个现有接触网工程图纸文件中的基础内容元素的数据信息；

S02：基于图形处理算法，从各个现有接触网工程图纸文件对应的所述基础内容元素的数据信息中提取出接触网构件特征；

S03：利用提取的全部所述构件特征建立所述构件特征库。

在其中一个实施例中，所述S01包括：从每个所述现有接触网工程图纸文件中各个图层上找出基础内容元素，读取各个所述基础内容元素的图元类型数据作为所述基本图元类型数据；读取每两个所述基础内容元素之间的图元关系数据作为所述基本图元关系类型数据。

在其中一个实施例中，所述S02包括：针对仅包括简单基本图元的一般构件，从各个现有接触网工程图纸文件对应的所述基础内容元素的数据信息中，仅提取用于反映构件关键几何形状的特征的第一类特征。

在其中一个实施例中，所述S02还包括：针对包括多个所述一般构件的复合构件，从各个现有接触网工程图纸文件对应的所述基础内容元素的数据信息中，提取所述第一类特征和第二类特征；所述第二类特征用于反映当前构件与其他构件所包含的相同局部几何形状的特征，以对不同构件中所包含的相同几何形状进行描述。

在其中一个实施例中，所述基本图元类型数据包含：

公共数据，是所有基础内容元素都具有的数据，包括：基础内容元素所在图层、线型以及颜色；

属性数据，是不同类型基础内容元素所独有的数据，与各基础内容元素的形状参数相关。

在其中一个实施例中，所述属性数据包括：图元基点和图元几何形状属性；

所述图元基点代表图元的几何位置；

所述图元几何形状属性用于精确描述图元的几何形状，由一组最少参数组成，且具有唯一性。

在其中一个实施例中，所述S2包括：

搜索遍历所述当前多叉约束树，将与树上节点特征匹配的构件特征库中待识别构件作为候选构件节点，建立各所述候选节点间关系以将各所述候选构件节点转换为候选图；

将所述候选图与所述当前多叉约束树对应的构件图进行匹配，识别出所述目标接触网构件对象。

按照本发明的另一方面，提供了一种接触网构件识别装置，包括：

文件解析模块，用于将当前接触网工程图纸文件表示为当前多叉约束树；

对象识别模块，用于将所述当前多叉约束树与预先建立的构件特征库进行搜索与匹配，以识别出所述当前接触网工程图纸文件对应的目标接触网构件对象；

其中，所述构件特征库是通过提取现有接触网工程图纸文件集对应的基础内容元素的数据信息中构件特征构建的；每个所述基础内容元素的数据信息包括：基本图元类型数据及其对应的基本图元关系类型数据；所述基本图元关系类型数据包括：两图元之间关系的类型、两图元之间距离、两图元之间形成的角度。

按照本发明的另一方面，提供了一种接触网构件识别系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供一种接触网构件识别方法，将当前接触网工程图纸文件表示为当前多叉约束树，在预先建立的构件特征库对其进行模式匹配，从而识别出对应的目标接触网构件对象，可以快速准确完成接触网构件识别；能够有效减少人力成本和时间成本，具有复杂构件的识别能力，同时具备较高的普适性、扩展性和复用性；此外，由于采用了基于矢量图的处理方法，避免基于图像识别构件时构件相互遮挡的问题。

(2)本方案提取各个现有接触网工程图纸文件中的基础内容元素的数据信息；基于图形处理算法从所述基础内容元素的数据信息中提取出接触网构件特征，以建立所述构件特征库；本方案构建的构件特征库内容丰富，为接触网构件识别奠定了基础。

(3)本方案从每个所述现有接触网工程图纸文件中各个图层上找出基础内容元素，可以降低查找基本内容元素的遗漏；通过提取每两个所述基础内容元素之间的图元关系数据作为所述基本图元关系类型数据，可以提高基本图元关系类型数据的提取准确性。

(4)本方案中针对仅包括简单基本图元的一般构件，仅提取用于反映构件关键几何形状的第一类特征，操作简单且降低计算复杂度，进而能够提升整个算法的执行效率。

(5)本方案中针对仅包括多个所述一般构件的复合构件，提取所述第一类特征和第二类特征；所述第二类特征用于反映当前构件与其他构件所包含的相同局部几何形状的特征；不仅考虑构件关键几何形状的特征，还考虑对不同构件中所包含的相同几何形状，能够提高构件特征的提取准确度，进而建立更为丰富且准确的构件特征库。

(6)本方案所述基本图元类型数据包含：公共数据和属性数据；公共数据，是所有基础内容元素都具有的数据；属性数据，是不同类型基础内容元素所独有的数据。考虑了图元数据的通用性和专有性，可以兼顾识别算法对图元数据描述的全面性和区分度要求，实现了算法在数据获取方面的广泛适用性。

(7)本方案所述属性数据包括：图元基点和图元几何形状属性；考虑了图元几何形状的宏观和微观特性，可以兼顾图元作为一个整体的代表性特征要求，以及图元本身用于有别于其他图元的独特性形状特性要求，实现了算法对图元形状特征表达的兼容性和可扩展性。

(8)本方案搜索遍历多叉约束树，以满足与树上节点特征匹配的构件特征库的待识别构件作为候选构件节点，并通过建立候选节点间关系将其转换为候选图；将所述候选图与所述当前多叉约束树对应的构件图进行匹配，识别出所述目标接触网构件对象；考虑了充分利用已有构件的特征，兼具低层几何和高层语义两方面特征的匹配，缩小了特征匹配范围，避免了人为特征定义，实现了高效、准确的识别算法。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的接触网构件识别方法的工作流程图。

图2为本发明一实施例提供的步骤S01的流程图。

图3为本发明一实施例提供的步骤S02的流程图。

图4为本发明一实施例提供的接触网构件识别装置的框图。

图5为本发明一实施例提供的接触网平面布置图中的腕臂柱。

图6为本发明一实施例提供的接触网平面布置图中的腕臂柱安装图号。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种接触网构件识别方法，包括：

S1：将当前接触网工程图纸文件表示为当前多叉约束树；

S2：将当前多叉约束树与预先建立的构件特征库进行搜索与匹配，以识别出当前接触网工程图纸文件对应的目标接触网构件对象；

其中，构件特征库是通过提取现有接触网工程图纸文件集对应的基础内容元素的数据信息中构件特征构建的；每个基础内容元素的数据信息包括：基本图元类型数据及其对应的基本图元关系类型数据；基本图元关系类型数据包括：两图元之间关系的类型、两图元之间距离、两图元之间形成的角度。

接触网工程图纸内容为接触网平面布置图，包含腕臂支柱、支柱拉线、接触线、承力索，以及基本构件的数量、位置、结构形式，以及基本构件的安装形式、材料用料。

需要说明的是，接触网涉及构件的基础内容元素也即基本图元主要包括：直线段、圆、圆弧、文本，此外还有两类不太常见的图元，如：椭圆和多段线。本实施例对基础内容元素的类型不做限制。

示例性地，两图元之间的关系类型可以包括：同类型图元之间的关系和不同类型图元之间的关系。例如，直线段和直线段之间的关系是同类型图元之间关系，直线段和圆之间的关系是不同类型图元之间的关系。示例性地，两图元之间的距离可以用两图元的基点之间的距离来表示。

在其中一个实施例中，如图2所示，S1之前，本方案提供的接触网构件识别方法还包括：

S01：读取各个现有接触网工程图纸文件中的基础内容元素的数据信息；

S02：基于图形处理算法，从各个现有接触网工程图纸文件对应的基础内容元素的数据信息中提取出接触网构件特征；

S03：利用提取的全部构件特征建立构件特征库。

在其中一个实施例中，S01包括：从每个现有接触网工程图纸文件中各个图层上找出基础内容元素，读取各个基础内容元素的图元类型数据作为基本图元类型数据；读取每两个基础内容元素之间的图元关系数据作为基本图元关系类型数据。

在其中一个实施例中，S02包括：针对仅包括简单基本图元的一般构件，从各个现有接触网工程图纸文件对应的基础内容元素的数据信息中，仅提取用于反映构件关键几何形状的特征的第一类特征。

具体的，第一类特征是反映构件关键几何形状的特征，用于对构件主体几何外形进行近似描述。轮廓、骨架等都是常见的第一类特征，可使用常见的图像处理算法来提取。示例性地，以全局外轮廓作为第一类特征，从构成构件的基础内容元素中提取满足轮廓条件的基础内容元素，即轮廓图元，作为构件的第一类特征。无论是一般构件，还是复合构件，都需要提取第一类特征。一般构件是指外形相对简单的构件，一般构件仅由直线段、圆弧、字母等基本图元构成。

在其中一个实施例中，S02还包括：针对包括多个一般构件的复合构件，从各个现有接触网工程图纸文件对应的基础内容元素的数据信息中，提取第一类特征和第二类特征；第二类特征用于反映当前构件与其他构件所包含的相同局部几何形状的特征，以对不同构件中所包含的相同几何形状进行描述。

具体的，复合构件是指外形相对较为复杂的构件，复合构件往往包含椭圆、多段线等更复杂的基本图元，复合构件包含至少一个一般构件。

如图3所示，针对任一构件的特征提取过程如下：

S021：构建由第一类特征表达的构件特征模型。

示例性地，以全局外轮廓作为构件第一类特征，提取得到一组轮廓图元后，进一步计算所有轮廓图元两两之间的距离，则以轮廓图元为节点，以轮廓图元之间距离为边，可构建一个图，称为轮廓特征图，这就是由第一类特征表达的构件特征模型。

S022：若构件为复合构件，则继续提取其第二类特征。

第二类特征是反映构件与其他构件所包含的相同局部几何形状的特征，用于对不同构件中所包含的相同几何形状进行描述。设计复杂的构件往往由多个设计简单的构件所组成，这些外形设计简单构件的形状可作为第二类特征。

S023.构建由第二类特征表达的特征模型。

示例性地，以标准件作为构件第二类特征，从复合构件所包含的基础内容元素中提取标准件，并进一步计算所有标准件两两之间距离，则以标准件为节点，以标准件之间距离为边，可构建一个图，称为标准件特征图，这就是由第二类特征表达的特征模型。

S024.计算特征之间关系。

不同构件之间可能存在局部形状极为相似的情况，使得构件的特征也可能存在局部相同，甚至出现一个特征完全包含另一个特征的情况。针对上述情况，定义特征之间关系，将一个特征完全包含另一个特征的情况定义为特征之间具有包含关系，否则，特征之间为一般关系。

在其中一个实施例中，基本图元类型数据包含：

公共数据，是所有基础内容元素都具有的数据，包括：基础内容元素所在图层、线型以及颜色；

属性数据，是不同类型基础内容元素所独有的数据，与各基础内容元素的形状参数相关。

具体的，读取每个基础内容元素也即图元的公共数据，读取或计算每个图元的属性数据。

在其中一个实施例中，属性数据包括：图元基点和图元几何形状属性；

图元基点代表图元的几何位置；

图元几何形状属性用于精确描述图元的几何形状，由一组最少参数组成，且具有唯一性。

其中，图元具有一些公共数据，例如，图元所在图层、线型、颜色。图元属性数据包括图元基点和图元几何形状属性，其中，图元基点代表图元的几何位置，图元几何形状属性用于精确描述图元的几何形状，由一组最少参数组成，且具有唯一性。例如，直线类型的图元的基点可用直线段的中点来表示，其几何形状属性包括：直线段起点和终点的位置。

在其中一个实施例中，S2包括：搜索遍历多叉约束树，以将与树上节点特征匹配的构件特征库的待识别构件作为候选构件节点，并通过建立候选节点间关系将其转换为候选图；将候选图与当前多叉约束树对应的构件图进行匹配，识别出目标接触网构件对象。

按照本发明的另一方面，提供了一种接触网构件识别装置，包括：

文件解析模块，用于将当前接触网工程图纸文件表示为当前多叉约束树；

对象识别模块，用于将当前多叉约束树与预先建立的构件特征库进行搜索与匹配，以识别出当前接触网工程图纸文件对应的目标接触网构件对象；

其中，构件特征库是通过提取现有接触网工程图纸文件集对应的基础内容元素的数据信息中构件特征构建的；每个基础内容元素的数据信息包括：基本图元类型数据及其对应的基本图元关系类型数据；基本图元关系类型数据包括：两图元之间关系的类型、两图元之间距离、两图元之间形成的角度。

如图4所示，除了包括文件解析模块3和对象识别模块6。还可以包括如下功能模块：数据读取模块1、基础资料库模块2、基础元素提取模块4、特征提取模块5、参数配置模块7、数据存储模块8、结果查看及导出模块9和主控模块10。

数据读取模块1，与基础资料库模2和主动模块10相连，用于读取用户输入的接触网专业工程图纸文件，并将文件保存到基础资料库；

基础资料库模块4，与数据读取模块8和主动模块10相连，用于存储用户输入的接触网专业图纸文件；

文件解析模块3，分别与基础资料库模块2、数据存储模块8和主动模块10相连，用于读取基础资料库中保存的图纸文件的内容，并转为便于查询的结构化数据，结果提交给数据存储模8块进行存储；

基础元素提取模块4，与数据存储模块8和主动模块10相连，用于根据已读取的图纸内容结构化数据，从中提取出基础内容元素，结果提交给数据存储模块8进行存储；

特征提取模块5，与数据存储模块8相连，用于从数据存储模块8中读取基础内容元素相关数据，并根据设置的参数，提取特征，结果提交给数据存储模块8进行存储；

对象识别模块6，与数据存储模块8相连，用于从数据存储模块8读取待识别图纸相关基础内容元素数据和目标构件相关特征数据，并根据设置的参数，识别接触网专业构件对象，识别的结果提交给数据存储模块8进行存储；

参数配置模块7，与数据存储模块8相连，将用户设置的参数提交给数据存储模块8进行存储；

数据存储模块8，分别与文件解析模块3、参数配置模块7、基础元素提取模块2、特征提取模块5、对象识别模块6、结果查看及导出模块9相连，用于存储构件识别流程中多个环节的中间数据、涉及的计算参数、以及最终结果，最终结果输出给结果查看及导出模块9；

结果查看及导出模块9，与数据存储模块8相连，用于查看构件识别流程中的部分中间结果，以及将构件识别结果输出为文件，保存在用户指定的本地路径下。

下面以实际应用场景为例描述本发明提供的接触网构件识别方法的具体实施过程：

举例1：选择某铁路施工项目的接触网施工为实施例，该铁路等级为客运专线，设计时速250km/h，线路全长312.606km，选择其中一段所对应的接触网平面布置图，接触网工程量自动计算范围为两个锚段长度，含与之相邻的锚段关节(DK44+082.5-DK46+594.8)。提取的部分基础元素数据如下：

(1)线段数据

直线段的属性数据包括：直线段基点P

(2)圆数据

圆的属性数据包括：圆基点P

(3)圆弧数据

圆弧的属性数据包括：圆弧基点P

(4)文本数据

文本属性数据包括：文本基点P

举例2：选择某铁路施工项目的接触网施工为实施例，该铁路等级为客运专线，设计时速250km/h，线路全长312.606km，选择其中一段所对应的接触网平面布置图，接触网工程量自动计算范围为两个锚段长度，含与之相邻的锚段关节(DK44+082.5-DK46+594.8)。识别的部分构件对象数据如下：

(1)腕臂柱

腕臂柱对象的数据主要包括：腕臂柱最小包围盒对应左下角和右上角坐标P

(2)腕臂柱安装图号数据

腕臂柱安装图号对象数据主要包括：安装图号文本text、文本最小包围盒左下角坐标(x

(3)锚段标注数据

锚段标注对象数据主要包括：锚段标注最小包围盒对应左下角和右上角坐标P

参照图6所示，图中所识别的两个锚段标注数据如下：

举例3：选择某铁路施工项目的接触网施工为实施例，该铁路等级为客运专线，设计时速250km/h，线路全长312.606km，选择其中一段所对应的接触网平面布置图，接触网工程量自动计算范围为两个锚段长度，含与之相邻的锚段关节(DK44+082.5-DK46+594.8)。图纸中包含类型1腕臂柱34根，类型2腕臂柱12根，类型3腕臂柱8根，类型4腕臂柱2根，类型5腕臂柱52根，总计108根腕臂柱；电连接8处；接触网、承力索长度为2742.341米。

按照本发明的另一方面，提供了一种接触网构件识别系统，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。

按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。