鐵路接觸網(wǎng)檢測若干關(guān)鍵技術(shù)探討

胡磊

（中鐵三局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司 山西晉中 030600）

鐵路接觸網(wǎng)檢測若干關(guān)鍵技術(shù)探討

胡磊

（中鐵三局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司 山西晉中 030600）

在高速鐵路供電系統(tǒng)中，主要采取的是接觸式電網(wǎng)供電。但是這種供電方式容易造成因電網(wǎng)接觸不良而產(chǎn)生高鐵運(yùn)行故障。當(dāng)前，高速鐵路接觸網(wǎng)檢測關(guān)鍵技術(shù)問題主要體現(xiàn)在“高速”這一主題上，比如在高速的運(yùn)行狀態(tài)下，弓網(wǎng)關(guān)系更為復(fù)雜等等。所以，接觸網(wǎng)檢測加強(qiáng)對接觸壓力等參數(shù)的測試與分析是十分必要的。鑒于此，本文以高速鐵路為例，對接觸網(wǎng)檢測存在的計(jì)算誤差、噪聲干擾等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。

鐵路接觸網(wǎng)；抗干擾去噪；拉出值檢測；技術(shù)；研究

在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中，主要包含了牽引變電所以及接觸網(wǎng)兩個(gè)部分。其中，接觸網(wǎng)是和鐵路的安全運(yùn)營有著直接關(guān)聯(lián)的架空設(shè)備。由于鐵路沿線非常復(fù)雜，所以接觸網(wǎng)工作環(huán)境相對惡劣。而接觸網(wǎng)的性能直接決定了機(jī)車受電弓的受流質(zhì)量，進(jìn)而影響到列車的運(yùn)行安全以及運(yùn)行速度。故此，隨著鐵路交通的發(fā)展，應(yīng)不斷研究并創(chuàng)新高速鐵路接觸網(wǎng)的檢測技術(shù)，確保供電系統(tǒng)的可靠性與安全性，滿足鐵路運(yùn)營的發(fā)展需求，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化鐵路管理。因此，本文對接觸網(wǎng)幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并提出新的技術(shù)方法，對于鐵路運(yùn)營有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

1 接觸網(wǎng)檢測關(guān)鍵技術(shù)存在的問題

結(jié)合當(dāng)前的研究資料表明，接觸網(wǎng)檢測關(guān)鍵技術(shù)的主要問題主要體現(xiàn)在以下多個(gè)方面：

（1）在機(jī)車的高速運(yùn)行下，牽引網(wǎng)的電壓變化較大，且受電弓在空氣作用下使振動(dòng)也隨之增加，電磁干擾環(huán)境變得更加惡劣。而當(dāng)前接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)的抗干擾抗噪音技術(shù)難以滿足實(shí)際需求；

（2）機(jī)車在高速運(yùn)行下，輪軌關(guān)系非常復(fù)雜，但由于數(shù)據(jù)庫技術(shù)有待改進(jìn)，所以定位誤差較大，在很大程度上影響機(jī)車的正常運(yùn)行；

（3）隨著鐵軌技術(shù)的進(jìn)步，接觸網(wǎng)檢測模式的識別、數(shù)據(jù)的分析、故障的診斷難度都有所增加；

（4）為了滿足檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性以及實(shí)時(shí)性，計(jì)算機(jī)軟件、硬件系統(tǒng)的運(yùn)行速度還有待進(jìn)一步提升；

（5）由于車速較快，定位管坡度測試的難度加大。

總地來說，當(dāng)前鐵路接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)問題非常之多，鑒于此，本文對抗干擾抗噪音技術(shù)以及接觸網(wǎng)拉出值檢測方法進(jìn)行研究探索。

2 微弱信號鏡像自適應(yīng)抗干擾去噪

2.1 理論概述

抗干擾濾波是接觸網(wǎng)檢測技術(shù)的核心技術(shù)之一，其應(yīng)用過程直接關(guān)系到檢測的準(zhǔn)確度。在接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)中，干擾主要有四種類型。分別是電磁干擾、設(shè)備相互干擾、離線電火花干擾以及電子元器件由溫度變化導(dǎo)致的干擾。[1]

如圖1所示，信號濾波去噪過程主要從系統(tǒng)輸入信號開始的。系統(tǒng)輸入信號主要包括由傳感器輸出的噪聲信號n（t）以及有用信號s（t）。經(jīng)過濾波器處理之后，得出無噪聲的信號。

圖1 系統(tǒng)濾波去噪過程圖

隨著自適應(yīng)濾波理論的發(fā)展，自適應(yīng)濾波理論與方法也得到了迅速的發(fā)展。但是，對于隨機(jī)噪聲信號的濾波，無論是自適應(yīng)濾波還是傳統(tǒng)的濾波，都無法離開期望信號的經(jīng)驗(yàn)。所以本文構(gòu)建隨機(jī)干擾的直流電平鏡像信號，然后對信號進(jìn)行分時(shí)調(diào)制，以期克服傳統(tǒng)自適應(yīng)濾波方法對期望信號經(jīng)驗(yàn)知識的過度依賴。

2.2 鏡像變送器電路的構(gòu)成

如圖2所示，鏡像信號為有用信號對應(yīng)設(shè)計(jì)的確知參考信號。也就是說，有用信號與鏡像信號通過分時(shí)復(fù)用方式而復(fù)合在一起，從而共享完全相同用的傳輸路線以及放大歷程。進(jìn)入計(jì)算機(jī)后，對有用信號與鏡像信號進(jìn)行拆分后重建，通過確知信號的疊加干擾修正有用信號中因干擾信號形成的誤差，進(jìn)而提高檢測的精度。[2]

圖2 參考信號變送器電路圖

2.3 基于確知參考信號的自適應(yīng)濾波器的實(shí)現(xiàn)

在接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)中，不同的干擾信號與被測信號，所采用的鏡像自適應(yīng)算法是不同的，如圖3所示。

圖3 鏡像自適應(yīng)濾波的基本原理圖

其中e（n）為差值控制信號，同時(shí)也是去噪系統(tǒng)結(jié)果的輸出。其中d（n）為期望信號，噪聲為x（n）。而當(dāng)中噪聲近似輸入x（n）又主要包括噪聲干擾信號n（1/2+n）。K代表的是確知參考信號g在系統(tǒng)傳輸信道中所放大的倍數(shù)。

結(jié)合以上分析，對于由溫度變化引起的干擾以及由振動(dòng)引起的干擾，可以采用一項(xiàng)差值處理方法，而對于沖擊、壓力等項(xiàng)目檢測隨機(jī)干擾，宜采取統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行自適應(yīng)處理。[3]

總地而言，對于小于采樣頻率的噪聲，可以通過移相差值法來得到和有用信號相位相對應(yīng)的噪聲，然后從帶有噪聲的有用信號中減去插值噪聲，可以達(dá)到系統(tǒng)去噪的目的。而對于隨機(jī)噪聲，可以通過引入兩路觀察樣本，將參考信號觀察樣本作為濾波器輸入，將含噪聲的有用信號樣本作為期望信號，然后由輸出信號和期望信號的差值，基于最小均方準(zhǔn)則，計(jì)算出自適應(yīng)濾波器的權(quán)系數(shù)最佳值。[4]

3 接觸網(wǎng)拉出值檢測方法

3.1 理論概述

接觸網(wǎng)拉出值是鐵路供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工以及維護(hù)中非常重要的參考技術(shù)。拉出值過小就無法均勻地磨耗滑板，從而容易使滑條形成裂縫，甚至是鉆弓。而拉出值過大，在車速變化時(shí)，接觸網(wǎng)接觸線就容易超出受電弓有效工作寬度，形成鉆弓或者刮弓事故。

接觸網(wǎng)拉出值的檢測所使用的傳統(tǒng)方法如圖4所示，在受電弓滑條下安裝數(shù)個(gè)接近傳感器，從而形成一個(gè)檢測陣列，陣列和接觸線水平投影相交，接觸網(wǎng)的偏移值為交點(diǎn)至滑板中心的距離，在定位點(diǎn)處，此偏移值也就是拉出值。

圖4 傳統(tǒng)的拉出值檢測傳感器安裝圖

這一方法對于低速接觸網(wǎng)線路比較適用，但是對于高速接觸網(wǎng)線路還存在分辨率低、成本高、受電弓離線增大等缺陷。[5]故此，為了降低拉出值誤差，本文基于信號頻譜分析、數(shù)字濾波處理以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等原理，提出新的計(jì)算方法。

3.2 測試數(shù)據(jù)頻譜分析及數(shù)字濾波處理

僅僅使用接觸壓力傳感器計(jì)算出拉出值，拉出值曲線如圖5所示。然后進(jìn)行功率密度頻譜分析，結(jié)果表明主要能量都集中在50Hz內(nèi)，而曲線抖動(dòng)的小波浪，則對應(yīng)高頻部分。為了使這一問題得到解決，本文設(shè)計(jì)了新的數(shù)字濾波器，得出拉出值曲線如圖6所示。

圖5 經(jīng)典力學(xué)模型得出的原始拉出值曲線圖

圖6 濾波后的拉出值曲線圖

在計(jì)算機(jī)的周期采樣中，兩個(gè)相鄰采樣點(diǎn)的拉出值相差并不大，但是如果設(shè)置一個(gè)閥值，兩相鄰點(diǎn)變化絕對值小于這一值時(shí)給予保留，大于改值予以清除。因此，采用低通濾波器進(jìn)行計(jì)算，無錯(cuò)誤濾除發(fā)生。

3.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的拉出值計(jì)算

（1）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

如圖7所示，本文采用的BP網(wǎng)絡(luò)為一種單向傳播的多層錢箱網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)不僅包含輸出輸入節(jié)點(diǎn)，還包含多層隱層節(jié)點(diǎn)，在同層節(jié)點(diǎn)中無任何耦合。

圖7 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上而言，表現(xiàn)出了一個(gè)從輸入至輸出高度的非線性映射關(guān)系，也就是：F：Rm→Rm，f（x）=Y。通過相關(guān)計(jì)算，可以得出映射f，在最小二乘意義下，f為g的最佳逼近。[6]

（2）BP算法的實(shí)現(xiàn)

BP算法用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的流程為：

①設(shè)置壓力計(jì)算節(jié)點(diǎn)，引入拉出值計(jì)算公式；

②進(jìn)行初始化，設(shè)定閾值初值；

③提供期望輸出與輸入向量；

④計(jì)算實(shí)際輸出值；

⑤掉證權(quán)值，并按誤差反向傳播方向，從輸出接點(diǎn)返回至隱層，進(jìn)行權(quán)值修正；

⑥返回至第3步進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，直到誤差滿足相關(guān)要求為止。

4 結(jié)束語

本文主要對高速鐵路接觸網(wǎng)檢測關(guān)鍵技術(shù)的不足以及相關(guān)的傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了分析，然后結(jié)合理論提出了新的技術(shù)方法?？偟囟?，高速鐵路接觸網(wǎng)檢測是一項(xiàng)復(fù)雜的、系統(tǒng)地、科學(xué)的、專業(yè)的內(nèi)容，但是，接觸網(wǎng)檢測方面依然存在許多需要不斷改進(jìn)與完善的地方。因此，本文不夠詳盡之處也是日后需要不斷努力的方向，以期為鐵路發(fā)展提供更加積極的作用。

[1]陳唐龍.高速鐵路接觸網(wǎng)檢測若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2006，08（12）：77～79.

[2]謝將劍.基于棘輪補(bǔ)償器參數(shù)檢測的接觸網(wǎng)在線監(jiān)測技術(shù)的研究[D].北京交通大學(xué)，2013，05（23）：12～14.

[3]陳燕華.接觸網(wǎng)關(guān)鍵部件的視頻圖像檢測與識別技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2013，07（18）：171～172.

[4]徐建芳.基于三維模型的接觸網(wǎng)檢測技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2014，05（23）：66～67.

[5]姚俊杰.接觸網(wǎng)懸掛檢測識別技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2014，08（14）：141.

[6]陳建明.高速鐵路接觸網(wǎng)技術(shù)研究及應(yīng)用[D].中南大學(xué)，2004，03（11）：88～89.

U225

A

1004-7344（2016）06-0076-02

2016-2-10

胡磊（1984-），男，助理工程師，大專，主要從事電氣化專業(yè)技術(shù)工作。