紅外熱像儀在電氣化鐵路弓網(wǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用

張發(fā)

[摘 要] 為了實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路管理信息化、智能化的目標(biāo)，我們提出了電氣化鐵路弓網(wǎng)檢測(cè)的應(yīng)用方案。該方案采用安裝在電力機(jī)車上的網(wǎng)絡(luò)型在線式紅外熱成像儀，在電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)對(duì)接觸網(wǎng)電氣設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)不間斷的溫度狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄在存儲(chǔ)器中，通過對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的目標(biāo)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，生成數(shù)據(jù)報(bào)告，有效定位接觸網(wǎng)電氣設(shè)備的故障點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行情況表明，系統(tǒng)輸出的溫度異常信息可以為預(yù)先排除接觸網(wǎng)電氣設(shè)備故障隱患提供有力依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)檢測(cè)電氣設(shè)備管理從維護(hù)運(yùn)行到狀態(tài)運(yùn)行的重大提升。

[關(guān)鍵詞] 紅外熱像儀；在線檢測(cè)； 接觸網(wǎng)； 溫度狀態(tài)分析； 故障預(yù)警

[中圖分類號(hào)] F273 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2014）19- 0048- 03

1 引 言

鐵路作為國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈和大眾化的交通工具，在現(xiàn)代運(yùn)輸體系中發(fā)揮著重要的作用，是運(yùn)輸行業(yè)中的中流砥柱。其中，電氣化鐵路已成為最重要的組成部分。

電氣化鐵路弓網(wǎng)擔(dān)負(fù)著把從牽引變電所獲得的電能直接輸送給電力機(jī)車使用的重要任務(wù)。因此電氣化鐵路弓網(wǎng)的質(zhì)量和工作狀態(tài)將直接影響電氣化鐵路的運(yùn)輸能力。

接觸網(wǎng)是露天設(shè)置，沒有備用，且長(zhǎng)年暴露于鐵路上方，經(jīng)受污染、腐蝕和機(jī)車受電弓摩擦，線路上的負(fù)荷又是隨著電力機(jī)車的運(yùn)行而沿接觸線移動(dòng)和變化的。

紅外成像技術(shù)作為一門新技術(shù)，在電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)中有著無比的優(yōu)越性。紅外成像是以設(shè)備的熱狀態(tài)分布為依據(jù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好與否進(jìn)行診斷，它具有不停運(yùn)、不接觸、遠(yuǎn)距離、快速、直觀地對(duì)設(shè)備的熱狀態(tài)進(jìn)行成像的能力。

由于設(shè)備的熱像圖是對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下熱狀態(tài)及其溫度分布的真實(shí)描寫，而接觸網(wǎng)設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下的熱分布正常與否是判斷接觸網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)良好與否的一個(gè)重要特征。因此采用紅外成像技術(shù)可以通過對(duì)設(shè)備熱像圖的分析來診斷設(shè)備的狀態(tài)及其隱患或缺陷。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

鐵路系統(tǒng)很早就將熱像儀運(yùn)用于設(shè)備的安全檢修上，通過其對(duì)電氣設(shè)備和線路的熱缺陷進(jìn)行探測(cè)，這對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理、預(yù)防重大事故的發(fā)生可以起到非常關(guān)鍵而有效的作用。鐵路系統(tǒng)原有設(shè)備的紅外監(jiān)測(cè)方式對(duì)于接觸網(wǎng)設(shè)備基本沒有有效的監(jiān)測(cè)手段，只能靠運(yùn)行人員沿鐵軌沿線巡視來掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)（人的自覺性、行政手段、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)證構(gòu)成了目前變電站設(shè)備巡視管理的四大要素），存在著許多難以克服的問題。

原始數(shù)據(jù)積累問題：由于接觸網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)和信息的積累不足，對(duì)事故的預(yù)防及排除無法提供有用的輔助性資料。

監(jiān)測(cè)全面性問題：人工采用便攜式紅外設(shè)備檢測(cè)帶電設(shè)備的工作熱狀態(tài)，受限于操作員的身高與設(shè)備的安裝高度，對(duì)于接觸網(wǎng)設(shè)備的大部分位置無法全面觀察，而安裝在動(dòng)車車頭上的在線式紅外熱像儀監(jiān)測(cè)時(shí)就不存在該問題。

在此背景下，人們強(qiáng)烈希望能出現(xiàn)一種可以自動(dòng)控制的智能化的紅外熱像監(jiān)控診斷系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外圖像的遠(yuǎn)程控制操作。

隨著人工智能的發(fā)展和新型傳感器、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)的融合，特別是紅外熱成像圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，使得接觸網(wǎng)設(shè)備的自動(dòng)安全監(jiān)測(cè)成為可能。系統(tǒng)建成后具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)分析、自動(dòng)告警等功能。

3 應(yīng)用方案介紹

3.1 總體架構(gòu)

由于接觸網(wǎng)沿鐵軌鋪設(shè)，并位于鐵軌上方，本系統(tǒng)采用將在線式熱像儀安裝的車頂上方的方式。只要選用合適的鏡頭和合適的安裝角度，就可以獲得清晰的受電弓和接觸網(wǎng)的紅外熱像，進(jìn)而可以分析獲得接觸網(wǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)分析報(bào)告。

由于弓網(wǎng)設(shè)備發(fā)生的熱故障是非突發(fā)性的故障，自動(dòng)分析更符合實(shí)際和可靠。在自動(dòng)工作狀態(tài)下，通過控制計(jì)算機(jī)配合高采集速度的紅外熱像儀保證對(duì)指定接觸網(wǎng)設(shè)備的重要部位進(jìn)行圖像采集和溫度數(shù)據(jù)采集分析。在系統(tǒng)自動(dòng)工作狀態(tài)下，對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備接點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別后進(jìn)行測(cè)溫操作，系統(tǒng)自動(dòng)記錄所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)并保存所采集的紅外熱圖，以便對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行分析，并存儲(chǔ)入數(shù)據(jù)庫。

采用統(tǒng)一智能識(shí)別分析處理模塊對(duì)所有的數(shù)據(jù)分析比較后，利用設(shè)定的判據(jù)，確定設(shè)備的工作狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)故障后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并可在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的支持下，分析故障設(shè)備的劣化狀況。在分析過程中若發(fā)現(xiàn)目標(biāo)設(shè)備溫度越限，系統(tǒng)發(fā)出文字報(bào)警信息和聲音報(bào)警信息以便運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)、跟蹤并處理故障。

根據(jù)包頭段實(shí)際情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為二級(jí)管理框架，建立一個(gè)管理中心作為整個(gè)系統(tǒng)的管理中樞，在各巡檢動(dòng)車上安裝實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)，為巡檢結(jié)點(diǎn)。通過專用外置存儲(chǔ)器，定時(shí)將巡檢數(shù)據(jù)復(fù)制到管理中心，建立一個(gè)整體的紅外在線接觸網(wǎng)設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)管理。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：（1）紅外熱圖實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)模塊；（2）紅外熱圖智能識(shí)別分析處理模塊。

紅外熱圖實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)模塊的主要作用是在動(dòng)車運(yùn)行過程中，以每秒25幀的速度采集紅外熱圖，并存儲(chǔ)到系統(tǒng)中，在存儲(chǔ)熱圖的同時(shí)，還從其他控制系統(tǒng)中獲得同步數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)，例如當(dāng)前運(yùn)行的公里數(shù)，當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，當(dāng)前的GPS定位信息等。

紅外熱圖實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)模塊采集的熱圖數(shù)據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。系統(tǒng)采用的DM6X系列紅外熱像儀采樣速度高，在具備數(shù)字視頻和模擬視頻信號(hào)的同時(shí)還具備可分析熱圖數(shù)據(jù)的輸出。儀器輸出的模擬視頻信號(hào)通過視頻線傳輸?shù)接脖P錄像機(jī)，以壓縮視頻的方式存儲(chǔ)下來；儀器輸出的溫度場(chǎng)信號(hào)通過TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)酱鎯?chǔ)管理控制器，以溫度場(chǎng)溫度的方式存儲(chǔ)下來。

存儲(chǔ)管理控制器是整個(gè)系統(tǒng)的處理核心。系統(tǒng)在加電時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，開始采集熱像，并按照快速經(jīng)濟(jì)的原則將DM6X熱像儀輸出的熱像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外置存儲(chǔ)器中。使用外置存儲(chǔ)器的目的是為了方便數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，因?yàn)榧t外熱圖實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)模塊一般安裝在列車上，而紅外熱圖智能識(shí)別分析處理模塊一般由專業(yè)技術(shù)人員集中處理。

紅外熱圖智能識(shí)別分析處理模塊的主要作用如下：

海量數(shù)據(jù)管理維護(hù)：紅外熱圖實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)模塊每次工作都產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)要根據(jù)運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行地點(diǎn)等信息自動(dòng)分類管理，方便查詢回放。系統(tǒng)可以按時(shí)間、車次、線路等信息查詢檢索數(shù)據(jù)。

自動(dòng)設(shè)備故障識(shí)別：對(duì)上述海量數(shù)據(jù)，自動(dòng)進(jìn)行設(shè)備識(shí)別，判斷每張熱圖上的設(shè)備是否有故障現(xiàn)象。自動(dòng)將故障設(shè)備的地理位置、熱圖數(shù)據(jù)、故障時(shí)間等信息形成報(bào)告。

4 接觸網(wǎng)故障診斷

4.1 接觸網(wǎng)故障判斷方法

本系統(tǒng)建成后，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車運(yùn)行過程中自動(dòng)對(duì)所有經(jīng)過的線路接觸網(wǎng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可以按預(yù)先設(shè)定的預(yù)警觸發(fā)條件發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)，提醒運(yùn)行人員（或值班監(jiān)控人員）及時(shí)采取相應(yīng)的措施，確保接觸網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行的安全，提高維護(hù)運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備缺陷的識(shí)別能力和預(yù)見性。

4.2 接觸網(wǎng)溫度圖像分析實(shí)例

采用了本系統(tǒng)從根本上提高了接觸網(wǎng)設(shè)備的巡檢效率，有效地降低了巡檢人員的工作強(qiáng)度。

4.3 應(yīng)注意事項(xiàng)

采用紅外圖像法測(cè)量接觸網(wǎng)溫度，測(cè)量結(jié)果無可避免的會(huì)受到檢測(cè)位置環(huán)境的影響，如果在檢測(cè)過程中，正好太陽進(jìn)入測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)中，將在圖像上形成一個(gè)溫度很大的光斑，引起系統(tǒng)誤判。

5 結(jié)束語

采用接觸網(wǎng)設(shè)備自動(dòng)紅外在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在保證接觸網(wǎng)設(shè)備健康運(yùn)行的同時(shí)，也為接觸網(wǎng)設(shè)備檢修重點(diǎn)提供了科學(xué)的依據(jù)，也就相應(yīng)增加了接觸網(wǎng)設(shè)備的可用率，較大程度上提高了工作效率，為減人增效提供了可能，實(shí)現(xiàn)管理的信息化、智能化，確保了接觸網(wǎng)設(shè)備管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，為鐵路運(yùn)行安全乃至社會(huì)的穩(wěn)定提供了技術(shù)保障。

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