城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘 要：目前地鐵接觸網(wǎng)的日常檢修主要是基于固定周期修，或是根據(jù)檢測(cè)車的數(shù)據(jù)，對(duì)接觸網(wǎng)技術(shù)參數(shù)不能滿足要求的，進(jìn)行狀態(tài)修。固定周期修存在維修不足或是維修過度的狀態(tài)，而檢測(cè)車給出的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用數(shù)據(jù)因不能完全表征弓網(wǎng)正常載客運(yùn)行的狀態(tài)，其對(duì)維修的指導(dǎo)意義有限，同時(shí)由于檢測(cè)車有檢測(cè)周期和運(yùn)行速度的限制，不能實(shí)時(shí)反映弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的狀態(tài)。文章介紹了地鐵弓網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的必然性，其功能設(shè)置以及其檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性對(duì)避免大的弓網(wǎng)故障有一定的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：弓網(wǎng)故障；接觸網(wǎng)；研究

1 研究背景

地鐵現(xiàn)有弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)裝置，主要是由車輛生產(chǎn)廠家在車頂受電弓并安裝平臺(tái)，安裝一個(gè)相機(jī)，用于弓網(wǎng)視頻監(jiān)控，但由于相機(jī)分辨率不高，拍攝的圖像模糊不清，而且沒有定位功能，不能匯報(bào)故障發(fā)生的位置信息，系統(tǒng)軟件也沒有故障自動(dòng)報(bào)警功能，導(dǎo)致無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)異常情況，對(duì)弓網(wǎng)拉弧缺陷無法進(jìn)行及時(shí)處理和弓網(wǎng)故障無法進(jìn)行聯(lián)控預(yù)防。因此，有必要開發(fā)出一套弓網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)了解弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，有效避免弓網(wǎng)故障，指導(dǎo)接觸網(wǎng)工區(qū)進(jìn)行狀態(tài)修。

2 研究現(xiàn)狀

接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)裝置一般可分為四種：便攜式檢測(cè)裝置、定點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)裝置、專用車載檢測(cè)裝置和車載在線檢測(cè)設(shè)備[1]。

便攜式檢測(cè)裝置靠人工單點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量精度、工作效率、工作持續(xù)時(shí)間等都有很大的限制，只適合普通檢修作業(yè)時(shí)進(jìn)行復(fù)核測(cè)量。

定點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)接觸網(wǎng)的一些特殊區(qū)段或關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，其缺點(diǎn)是無法對(duì)全線接觸網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

專用車載檢測(cè)裝置一般安裝在接觸網(wǎng)作業(yè)車、接觸網(wǎng)檢測(cè)車等特殊車輛上，雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全線接觸網(wǎng)的檢測(cè)，但其檢測(cè)間隔時(shí)間長(zhǎng)，因此缺乏對(duì)接觸網(wǎng)各類工況下工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)性把握；而且由于專用車輛在車輛長(zhǎng)度、車輛重量、運(yùn)行速度、弓網(wǎng)相互作用、取流等方面的工作狀態(tài)與正常運(yùn)營(yíng)車輛是不同的，其檢測(cè)結(jié)果通常難以真實(shí)反映運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的弓網(wǎng)相互作用關(guān)系，在弓網(wǎng)燃弧的動(dòng)態(tài)檢測(cè)上更是無法實(shí)現(xiàn)。

國(guó)內(nèi)尚無類似電氣化鐵路的車載在線檢測(cè)裝置進(jìn)入運(yùn)營(yíng)線路實(shí)際運(yùn)行。安裝的弓網(wǎng)視頻監(jiān)控裝置僅僅能夠進(jìn)行視頻監(jiān)控，無法完成故障自動(dòng)報(bào)警功能，及對(duì)應(yīng)的軟件分析功能。因此有必要結(jié)合地鐵接觸網(wǎng)檢修的實(shí)際情況，開發(fā)一套具有故障自動(dòng)報(bào)警以及數(shù)據(jù)分析功能的弓網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)功能模塊劃分

弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是依據(jù)弓網(wǎng)接觸力，弓網(wǎng)燃弧率的大小以及接觸線的抬升量進(jìn)行評(píng)估。目前弓網(wǎng)接觸力的測(cè)量還主要是依據(jù)接觸式檢測(cè)方式，需對(duì)弓頭進(jìn)行相應(yīng)的改裝，該改裝會(huì)對(duì)受電弓的動(dòng)態(tài)性能造成一定的影響，在運(yùn)營(yíng)車輛安裝，存在一定安全隱患。因此，弓網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能模塊主要以實(shí)現(xiàn)以下三方面的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）弓網(wǎng)高清視頻錄像及接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)導(dǎo)高測(cè)量模塊。

（2）弓網(wǎng)電弧檢測(cè)模塊。

（3）系統(tǒng)定位模塊。

3.1 弓網(wǎng)高清視頻錄像及接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)導(dǎo)高測(cè)量模塊

該模塊由安裝在車頂?shù)母咚贁?shù)字相機(jī)及照明構(gòu)成，主要完成對(duì)弓網(wǎng)視頻進(jìn)行高清錄像及在車輛運(yùn)行過程中的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)導(dǎo)高進(jìn)行高精度測(cè)量。采用的相機(jī)分辨率為204×1088，采樣頻率為110幀/秒，通過選用50W×2的高亮度LED光源進(jìn)行照明補(bǔ)強(qiáng)，光源采用頻閃方式與相機(jī)拍照同步工作，測(cè)量精度為5mm，通過模板匹配的方式測(cè)量接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)導(dǎo)高，測(cè)量誤差為10mm。

弓網(wǎng)視頻監(jiān)控錄像能清晰的再現(xiàn)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的狀態(tài)，對(duì)于事后接觸網(wǎng)檢修和弓網(wǎng)故障回放具有實(shí)際的意義。

3.2 弓網(wǎng)在線電弧檢測(cè)模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行過程中的弓網(wǎng)電弧檢測(cè)及弓網(wǎng)電弧錄像功能。其由安裝車頂?shù)母呔茸贤獠ǘ蜗鄳?yīng)的紫外相機(jī)進(jìn)行電弧檢測(cè)。根據(jù)EN50317弓網(wǎng)電弧檢測(cè)中，采用銅和銅合金的接觸線，弓網(wǎng)電弧的頻率主要集中在220nm～225nm或者是323nm～329nm[2]，同時(shí)考慮該標(biāo)準(zhǔn)中要求的電弧能量密度進(jìn)行傳感器的選型。滿足EN50367中規(guī)定的弓網(wǎng)燃弧測(cè)量的最小燃弧時(shí)間為5ms的要求[3]。

3.3 系統(tǒng)定位模塊

系統(tǒng)定位分成三個(gè)部分：定位識(shí)別模塊、速度測(cè)量模塊、車站位置定位模塊，整個(gè)系統(tǒng)采用圖像分析方法實(shí)現(xiàn)。車站定位模塊采用RFID電子標(biāo)簽的方式來獲取列車進(jìn)站信號(hào)，從而對(duì)列車進(jìn)行定位。

測(cè)量時(shí)根據(jù)列車運(yùn)行的起始站區(qū)識(shí)別，結(jié)合圖像處理的方法，準(zhǔn)確定位定位點(diǎn)的位置和接觸網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)，結(jié)合識(shí)別的電子標(biāo)簽的車站信息對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

4 結(jié)束語

（1）弓網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)裝置采用圖像模板識(shí)別技術(shù)直接對(duì)接觸線及受電弓滑板進(jìn)行模式匹配，對(duì)動(dòng)態(tài)導(dǎo)高進(jìn)行高精度測(cè)量。測(cè)量結(jié)果能反映弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)。

（2）本系統(tǒng)同時(shí)采用高精度紫外相機(jī)進(jìn)行測(cè)量，增加濾波設(shè)施，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，能保證在不同的光照條件下均可正常使用。

（3）弓網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)裝置定位準(zhǔn)確，能幫助接觸網(wǎng)維修工區(qū)進(jìn)行故障設(shè)備的準(zhǔn)確定位，提高維修效率。

（4）弓網(wǎng)視頻監(jiān)控錄像清晰，對(duì)接觸網(wǎng)事后故障分析提供弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行再現(xiàn)的分析手段，能重現(xiàn)受電弓通過時(shí)的技術(shù)狀態(tài)，對(duì)實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)聯(lián)控，查明故障原因具有現(xiàn)實(shí)意義。

（5）本系統(tǒng)安裝在運(yùn)營(yíng)電客車上，隨著運(yùn)營(yíng)電客車的日常運(yùn)營(yíng)而長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)對(duì)弓網(wǎng)相互作用進(jìn)行監(jiān)控和檢測(cè)，為弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用關(guān)系的研究提供數(shù)據(jù)支持。

系統(tǒng)若能兼顧測(cè)量弓網(wǎng)運(yùn)行中的異常溫升以及接觸網(wǎng)零部件的技術(shù)狀態(tài)的智能分析，則對(duì)于接觸網(wǎng)的健康管理和故障預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐，這可能是弓網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1]吳積欽.受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

[2]EN50317 Railway applications-Current collection systems-Requirement for a validation of measurements of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact lines[S].Brussels：CENELEC，2002.

[3]EN50367 Railway applications-Current collection systems -Technical criteria for the interaction between pantograph and overhead line （to achieve free access）[S].Brussels：CENELEC，2002.