和諧型機(jī)車受電弓及車鉤狀態(tài)監(jiān)控裝置研究

任義軍

(中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司 機(jī)務(wù)處， 西安 710054)

機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)(6A系統(tǒng))[1]自2014年在西安局批量裝車以來(lái)，對(duì)機(jī)車運(yùn)用安全發(fā)揮了極其重要的作用，但在實(shí)際運(yùn)用中，機(jī)車6A視頻子系統(tǒng)僅能監(jiān)視機(jī)車前端路況、司機(jī)室及機(jī)械間的視頻狀況，對(duì)機(jī)車車頂弓網(wǎng)狀態(tài)和機(jī)車兩端車鉤瞭望視覺盲區(qū)均無(wú)監(jiān)視裝置，不利于車頂受電弓運(yùn)行狀態(tài)和機(jī)車兩端車鉤視覺盲區(qū)的安全卡控。

1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

車頂弓網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、車鉤狀態(tài)監(jiān)測(cè)已經(jīng)在城際動(dòng)車組、地鐵上有過(guò)研究[2-3]，文中針對(duì)機(jī)車，提出了在原有機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)(6A系統(tǒng))機(jī)車自動(dòng)視頻監(jiān)控及記錄子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加監(jiān)控受電弓攝像頭和車鉤攝像頭，通過(guò)司機(jī)室的音視頻顯示終端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查看機(jī)車車鉤狀態(tài)和車頂弓網(wǎng)狀態(tài)功能。

1.1 系統(tǒng)組成

在機(jī)車兩端部各加裝車鉤監(jiān)控?cái)z像頭，在機(jī)車頂部加裝受電弓監(jiān)控?cái)z像頭，方便司機(jī)察看確認(rèn)車鉤聯(lián)掛和受電弓部位情況。

每臺(tái)機(jī)車共增加4個(gè)攝像頭，具體是兩端車鉤各1個(gè)，兩個(gè)受電弓各1個(gè)。同時(shí)每個(gè)攝像頭均配套固定結(jié)構(gòu)件、防護(hù)外罩，同時(shí)，增加攝像頭信號(hào)電纜和電源電纜。

和諧機(jī)車受電弓車鉤視頻圖像監(jiān)控在6A系統(tǒng)視頻子系統(tǒng)上運(yùn)行，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)，并利用音視頻顯示終端進(jìn)行視頻預(yù)覽及故障報(bào)警。

由于每個(gè)視頻采集板卡只支持8路視頻采集通道，HXD1型機(jī)車每節(jié)均有6個(gè)視頻采集通道，1個(gè)音頻采集通道， HXD1型機(jī)每節(jié)視頻子系統(tǒng)只剩余1路視頻通道，因此每節(jié)都需要增加1塊AV2視頻采集板卡，用于擴(kuò)展采集視頻通道。

1.2 總體方案

1.2.1受電弓監(jiān)控?cái)z像頭安裝方案

將受電弓監(jiān)控?cái)z像頭安裝在機(jī)車頂部，采用專用防護(hù)罩對(duì)監(jiān)控?cái)z像機(jī)進(jìn)行集成和防護(hù)，防護(hù)罩中心距離受電弓弓頭位置中心距離約3～5 m，采用車頂開過(guò)線孔。具體安裝位置根據(jù)不同車型確定。

受電弓監(jiān)控?cái)z像頭整體呈流線形，外罩為玻璃鋼材質(zhì)，整體開模鑄造。使用6個(gè)M12螺栓與車體連接。受電弓監(jiān)控?cái)z像機(jī)帶白光補(bǔ)光燈，對(duì)夜晚較暗的環(huán)境下進(jìn)行照度補(bǔ)償。為防止雨雪天氣對(duì)視頻監(jiān)控質(zhì)量的影響，攝像機(jī)自帶加溫玻璃，達(dá)到啟動(dòng)溫度值的時(shí)候加溫玻璃自動(dòng)啟動(dòng)，融化雨雪冰霜等，如圖1所示。受電弓監(jiān)控?cái)z像頭加裝后效果如圖2所示。

圖1 受電弓監(jiān)控?cái)z像頭外形圖

受電弓監(jiān)控?cái)z像機(jī)視場(chǎng)角70°，焦距4 mm，視場(chǎng)3～6 m范圍內(nèi)最為清晰。圖3是1∶1建模模擬3～6 m視場(chǎng)受電弓監(jiān)控?cái)z像機(jī)視場(chǎng)覆蓋效果。

圖2 受電弓監(jiān)控?cái)z像頭 加裝后效果圖

圖3 受電弓監(jiān)控?cái)z像頭 視場(chǎng)覆蓋模擬圖

1.2.2車鉤監(jiān)控?cái)z像頭安裝方案

將車鉤監(jiān)控?cái)z像頭安裝在機(jī)車，采用專用防護(hù)罩對(duì)監(jiān)控?cái)z像機(jī)進(jìn)行集成和防護(hù)，其外形圖如圖4所示。防護(hù)罩中心距距離車鉤中心約0.5～1 m，采用車體開過(guò)線孔。具體安裝位置根據(jù)不同車型會(huì)有所差異。圖5為車鉤監(jiān)控?cái)z像頭加裝后效果圖。

圖4 車鉤攝像頭外形示意圖

2 硬件選型

根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)，結(jié)合西安局現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用實(shí)際，對(duì)車頂受電弓監(jiān)控?cái)z像頭和機(jī)車兩端監(jiān)控車鉤攝像頭的技術(shù)參數(shù)選定如下。

圖5 車鉤監(jiān)控?cái)z像頭加裝后效果圖

2.1 受電弓監(jiān)控?cái)z像頭

受電弓監(jiān)控視頻存儲(chǔ)不低于8幀/s、分辨率不低于4CIF格式；實(shí)時(shí)采集受電弓監(jiān)控區(qū)域的視頻數(shù)據(jù)，且視頻可統(tǒng)一采用6A系統(tǒng)視頻子系統(tǒng)預(yù)留的第7通道。

額定功率：≤5 W(加熱功能關(guān)閉，補(bǔ)光功率10 W±15%)，≤25 W(加熱功能開啟，補(bǔ)光功率(10±15%) W。

水平分辨率(標(biāo)稱)：≥700 TV Line，實(shí)測(cè)誤差不大于10%；信噪比：≥48 dB；鏡頭焦距：3.6 mm；鏡頭光圈數(shù)：F1.8；低照度：0.5LUX可正常工作。

玻璃鋼外罩；攝像頭鏡頭采用鋼化玻璃，防護(hù)等級(jí)IP67。

外形結(jié)構(gòu)要求：整體開模加工，成流線型，不能帶有尖角；功能要求：帶有補(bǔ)光功能、防雨雪防污功能、加溫玻璃功能(可設(shè)定開啟溫限值)。

視場(chǎng)覆蓋要求：能覆蓋接觸網(wǎng)上方200 mm至車頂滑板內(nèi)的空間區(qū)域。

2.2 車鉤監(jiān)控?cái)z像頭

車鉤監(jiān)控視頻存儲(chǔ)不低于4幀/s、分辨率不低于CIF格式；使用紅外彩色攝像頭，紅外燈自動(dòng)開啟和關(guān)閉。

額定功率：≤5 W(不帶加熱，紅外補(bǔ)光功率(3±15%) W)，≤20 W(帶加熱，紅外補(bǔ)光功率(3±15%) W)。

水平分辨率(標(biāo)稱)：≥700 TV Line，實(shí)測(cè)誤差不大于10%；信噪比：≥48 dB；鏡頭焦距：3.6 mm；鏡頭光圈：F1.8；低照度：0LUX可正常工作，小于10LUX轉(zhuǎn)黑白。

金屬外殼；攝像頭鏡頭采用鋼化玻璃，防護(hù)等級(jí)IP67。

3 和諧型機(jī)車加裝方案

根據(jù)以上技術(shù)方案和硬件選型，確定HXD1、HXD2及HXD3型系列機(jī)車的通用加裝方案如下：

3.1 布線部分

自6A主機(jī)接出線纜。

經(jīng)線槽將線纜分別布置到司機(jī)室后墻位置和機(jī)械間頂蓋處，司機(jī)室后墻位置通過(guò)密封體進(jìn)入司機(jī)室，機(jī)械間頂蓋上車頂處通過(guò)密封體進(jìn)入車頂。

引出電纜預(yù)留出200 mm的余量，且使用編織網(wǎng)管進(jìn)行防護(hù)。

3.2 受電弓監(jiān)控?cái)z像頭外罩安裝

對(duì)車頂焊接安裝過(guò)渡板，根據(jù)要求尺寸安裝受電弓外罩，完成連接后，根據(jù)調(diào)試要求進(jìn)行受電弓監(jiān)控性能及角度調(diào)試。受電弓監(jiān)控外罩安裝具體步驟如下：

在車頂板上開孔，一個(gè)走線孔，6個(gè)安裝孔，走線孔直徑40 mm，需要制造自帶螺絲孔的安裝過(guò)渡平板，將過(guò)渡板焊接在車頂，用自帶螺釘將受電弓監(jiān)控外罩安裝在過(guò)渡板上，使用螺栓貫穿式禁錮，確定安裝牢固后連接線纜。

3.3 車鉤監(jiān)控?cái)z像頭外罩安裝

對(duì)車體焊接安裝過(guò)渡板，根據(jù)要求尺寸安裝車鉤監(jiān)控?cái)z像頭外罩，完成連接后，根據(jù)調(diào)試要求進(jìn)行車鉤監(jiān)控?cái)z像頭性能及角度調(diào)試。車鉤監(jiān)控?cái)z像頭外罩安裝具體要求如下：

在車體上1個(gè)走線孔，4個(gè)安裝孔，走線孔直徑40 mm；

自帶螺絲孔的安裝過(guò)渡平板，并將過(guò)渡板焊接在車底；

用自帶螺釘將車鉤監(jiān)控?cái)z像頭(帶外罩)安裝在過(guò)渡板上，使用螺栓貫穿式禁錮，確定安裝牢固后連接線纜；

固定膠進(jìn)行防水密封及螺栓固定，防止脫落。

4 HXD3D型機(jī)車試裝方案

4.1 電氣接口及布線

受電弓視頻監(jiān)控的電源線和信號(hào)線從6A系統(tǒng)主機(jī)柜布到機(jī)械間頂棚處，為方便頂蓋的拆卸，在頂蓋上車頂處進(jìn)行打斷處理。車鉤視頻監(jiān)控的電源線和信號(hào)線從6A系統(tǒng)主機(jī)柜布到司機(jī)室，從司機(jī)室底部開孔過(guò)線到車鉤攝像頭位置。

線纜連接器電氣接口，主機(jī)端具體通道關(guān)系需根據(jù)不同車型及車號(hào)確定。PWR-34連接點(diǎn)位對(duì)照表如表1。過(guò)渡線纜連接點(diǎn)位對(duì)照表如表2。

表1 PWR-34連接點(diǎn)位對(duì)照表

表2 過(guò)渡線纜連接點(diǎn)位對(duì)照表

線纜的現(xiàn)場(chǎng)操作方法：找到PWR-34，查看PWR-34插座25、21、34、17點(diǎn)位是否有插針，如無(wú)插針，則說(shuō)明未被占用，可以使用；如有插針，則需另找點(diǎn)位。

(1)用M3螺絲刀將PWR-34插頭拆解，如圖6所示依次拆除緊固螺釘，然后按照線纜定義使用送針器分別將待加裝線纜加入到插頭中，將電源線一端插入到PWR-34插頭的相應(yīng)點(diǎn)位(定義點(diǎn)位參照線纜定義表)。注意：新加裝的線纜應(yīng)從原線纜的黃色線號(hào)(φ25 mm)里面穿過(guò)。

圖6 連接器示意圖

(2)恢復(fù)PW-34插頭，將其插入到主機(jī)箱相應(yīng)插座中并用螺釘緊固，完成后用萬(wàn)用表測(cè)試線纜導(dǎo)通情況。注意：恢復(fù)時(shí)，保證連接器的點(diǎn)位方向與其出線方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系與原來(lái)一致。

4.2 車鉤監(jiān)控?cái)z像頭

安裝位置：車前端車鉤上部平臺(tái)偏右，如圖7所示。

走線：沿車鉤安裝座下至既有車體開孔，進(jìn)入車底后，沿車底既有走線路徑至3軸附近車底上車孔，進(jìn)入機(jī)械間。沿側(cè)墻走線槽走至6A機(jī)柜附近，下至機(jī)械間地板，由地板進(jìn)入6A主機(jī)柜。

走線要求：線纜上車處打斷，其余不打斷。

圖7 HXD3D車鉤攝像頭安裝位置

圖8 車鉤攝像頭安裝接口尺寸圖

4.3 受電弓攝像頭

安裝位置：機(jī)車中央頂蓋車頂天窗兩側(cè)(或一側(cè))，如圖9所示。分別照射兩端受電弓。

走線：車頂下穿至車體過(guò)渡插頭位置。沿側(cè)墻至6A主機(jī)附近，下至機(jī)械間地板，由地板進(jìn)入6A主機(jī)柜。

線長(zhǎng)：車頂與車體過(guò)渡位置打斷，其余不打斷。

圖9 HXD3D受電弓 攝像頭安裝位置

圖10 受電弓攝像頭安裝尺寸圖

4.4 視頻通道設(shè)置

表3 視頻通道設(shè)置表

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果及結(jié)論

通過(guò)在安康機(jī)務(wù)段HXD3D 0359號(hào)機(jī)車上的試裝，該視頻監(jiān)控裝置庫(kù)內(nèi)靜態(tài)測(cè)試和上線運(yùn)用測(cè)試均良好，車鉤視頻監(jiān)控界面如圖11所示，受電弓視頻監(jiān)控界面如圖12所示。視頻數(shù)據(jù)流暢穩(wěn)定，與6A系統(tǒng)主機(jī)通訊正常，6A音視頻顯示終端視頻顯示正常，目前正在進(jìn)行進(jìn)一步的運(yùn)用考核。

圖11 車鉤視頻監(jiān)控界面

圖12 受電弓視頻監(jiān)控界面

通過(guò)該裝置的研發(fā)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車運(yùn)行中車頂弓網(wǎng)狀態(tài)和機(jī)車前后兩端瞭望盲區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)一步提升對(duì)機(jī)車安全隱患的預(yù)防預(yù)控。