上海浦江線靴軌平順性測試及靴軌視頻監(jiān)測系統(tǒng)研究

劉 正 劉東亮 桑林晨

(中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運輸系統(tǒng)有限公司，241060，蕪湖//第一作者，工程師)

城市軌道交通供電電壓通常采用DC 1 500 V或DC 750 V，其車輛的主要受電方式分為架空接觸網(wǎng)受流和第三軌受流。第三軌受流根據(jù)受流靴和供電軌的相對位置，又可分為上受流、下受流和側受流3種方式。上海軌道交通浦江線是采用中間導向膠輪路軌的自動旅客運輸(APM)系統(tǒng)，采用第三軌側面受流(DC ±375 V)，接地軌上受流作為接地，與傳統(tǒng)的地鐵三軌受流差異較大。因此，有必要對浦江線APM系統(tǒng)的靴軌關系進行深入研究，確保受流可靠，列車正常運行。

本文通過采用試驗采集設備，對該線的靴軌平順性進行試驗，并對采集的數(shù)據(jù)進行分析及實際現(xiàn)場查驗，對安全隱患進行預判，及時整改。同時，通過對靴軌監(jiān)測系統(tǒng)的研究及應用，定位靴軌沖突事件并及時檢修，為線路日常的運維提供了技術支持和保障。

1 浦江線APM系統(tǒng)靴軌關系特點分析

上海軌道交通浦江線APM系統(tǒng)與傳統(tǒng)的城市軌道交通線路不同，采用橡膠輪胎，中間設置導向軌導向運行，在導向軌上通過絕緣支架架設2根C型鋼鋁復合軌、1根接地軌，供電電壓為DC ±375 V，其供電軌、接地軌斷面圖如圖1所示。

浦江線APM系統(tǒng)采用全自動無人駕駛方式運行。每個轉向架上設置了2個集電靴和1個接地靴，集電靴在DC ±375 V供電軌槽內(nèi)取電運行，接地靴通過接地軌安全接地。 供電軌、接地軌并不連續(xù)，設有絕緣接頭、膨脹接頭及在道岔位置處的分斷，任意處的安裝偏差、維護不到位均有可能導致集電靴、接地靴經(jīng)過時的不平順，嚴重時甚至可能發(fā)生集電靴滑出供電軌，對供電軌絕緣罩造成損傷，導致出現(xiàn)單級接地故障。因此，需要研究一種有效的試驗檢測方法，在系統(tǒng)投用前檢測供電軌、接地軌安裝精度是否達標，集電靴、接地靴運行是否平順，系統(tǒng)運營期間用以檢測供電軌、接地軌維護是否到位，以及集電靴、接地靴運行是否平順。

本文的靴軌平順性試驗，采用振動加速度傳感器采集集電靴、接地靴的振動加速度，通過其振動加速度值來判斷集電靴、接地靴運行是否平順，并通過定位系統(tǒng)確定不平順的位置。

圖1 上海軌道交通浦江線APM系統(tǒng)供電軌、接地軌斷面圖

2 靴軌平順性試驗研究

2. 1 試驗概況

1) 試驗內(nèi)容為上海軌道交通浦江線APM系統(tǒng)的靴軌平順性。

2) 試驗區(qū)間為沈杜公路站至匯臻路站上下行。

3) 試驗車輛為浦江線4節(jié)編組車輛，采用空載形式，集電靴、接地靴碳刷磨耗小于10%，靜態(tài)接觸壓力≥45 N。

4) 在APM車輛其中一個轉向架的2個集電靴和1個接地靴上分別安裝三軸加速度傳感器作為測試點，在車頂安裝一個全球定位系統(tǒng)(GPS)。

5) 試驗工況按正常的運行圖行車，在沈杜公路站至匯臻路站全線區(qū)間以全自動無人駕駛模式進行3個往返。

6) 試驗設備包括數(shù)據(jù)采集儀、三軸加速度傳感器、全球定位系統(tǒng)、以及筆記本電腦一臺、導線若干。試驗設備架構如圖2所示。

圖2 靴軌平順性試驗的設備架構

2. 2 試驗過程

本試驗主要在APM列車第一節(jié)車輛上進行，在其轉向架的2個集電靴和1個接地靴上分別安裝了三軸加速度傳感器。其試驗過程如下：

1) 檢查確認選擇的集電靴、接地靴碳刷磨耗小于10%，靜態(tài)接觸壓力≥45 N。

2) 將三軸加速度傳感器分別固定在2個集電靴和1個接地靴上。

3) 將GPS天線按正確方向固定在車頂上。

4) 將3個三軸加速度傳感器的9個接頭和GPS接頭分別接入Dewetron數(shù)據(jù)采集的10個通道。

5) Dewetron數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電腦連接后，設置各通道變量，包括采樣時間、采樣頻率等。

6) 調(diào)試Dewetron數(shù)據(jù)采集軟件。

7) 調(diào)試完成后進行數(shù)據(jù)預采集；預采集后在正線進行3個往返的運行，分別采集3個三軸加速度傳感器各軸向的加速度試驗數(shù)據(jù)和GPS位置數(shù)據(jù)。

2. 3 數(shù)據(jù)分析及評價

試驗測得數(shù)據(jù)為2個集電靴、1個接地靴上的3個加速度傳感器在x、y、z3個方向上正線全線的實時加速度值。通過分析其加速度曲線發(fā)現(xiàn)，集電靴的振動加速度主要在水平方向，接地靴的振動加速度主要在垂直方向。

進行現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，導致出現(xiàn)集電靴水平方向的振動峰值主要原因是：①供電軌水平方向的對齊度不滿足要求；②絕緣接頭磨耗嚴重。通過調(diào)整供電軌水平方向的對齊度和更換磨耗過度的絕緣接頭后，集電靴水平方向的振動峰值明顯減少。供電軌調(diào)整前后振動加速度對比數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 集電靴水平方向振動加速度數(shù)據(jù)對比

產(chǎn)生接地靴垂直方向振動峰值的主要原因是接地軌垂直方向的對齊度不滿足要求，通過調(diào)整接地軌垂直方向的對齊度，接地靴垂直方向的振動峰值明顯減少，調(diào)整前后振動加速度對比數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 接地靴垂直方向振動加速度數(shù)據(jù)對比

3 靴軌視頻監(jiān)測系統(tǒng)的功能、組成及原理

3. 1 系統(tǒng)功能

車載靴軌視頻監(jiān)測系統(tǒng)采用非接觸式的電流傳感器監(jiān)測方式，可實現(xiàn)對牽引電流實時監(jiān)測。該系統(tǒng)通過監(jiān)測牽引電流的變化情況來判斷是否出現(xiàn)靴軌異常。一旦出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)的分析服務器將發(fā)送信號給視頻監(jiān)控系統(tǒng)，由視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集視頻和圖像通過車地無線傳輸通道把告警信息、視頻、圖像發(fā)送到運營控制中心。靴軌監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。運營控制中心調(diào)度人員通過查看監(jiān)控屏幕推送的報警信息及圖像，確認故障信息和圖像；根據(jù)故障的嚴重程度，安排現(xiàn)場應急處置人員，并根據(jù)相應流程實施應急處置。

圖5 靴軌監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程

3. 2 系統(tǒng)組成

靴軌視頻監(jiān)測系統(tǒng)主要由車下視頻采集、電流傳感器與傳輸設備、車內(nèi)電源模塊、交換機、分析服務器與視頻采集服務器、地面中心服務器等組成。

所有從車下視頻采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)線傳輸?shù)礁鬈噧?nèi)的交換機內(nèi)。交換機與車載主控服務器通信，主控服務器對數(shù)據(jù)進行存儲和分析處理，并通過車地無線網(wǎng)絡與控制中心的服務器進行通信。

3. 3 靴軌異常邏輯判斷原理

靴軌監(jiān)測邏輯判斷的關鍵是當出現(xiàn)集電靴異常情況時必須準確無誤地做出判斷和報警，且不能在未出現(xiàn)靴軌異常時由于正、負集電靴電流的不平衡而判斷為異常報警。因此，在邏輯計算中，要根據(jù)車輛輔助負載設計電流邏輯閾值是否高于最低負載電流值進行判斷和計算；另外，在車輛非靜態(tài)或惰行情況下進行的邏輯判斷結果更加準確，并能夠減少誤報警。按此原則進行設計，其邏輯判斷應包括：

1) 單節(jié)車輛正極性或負極性單個集電靴脫靴報警。對所有集電靴的電流監(jiān)測適用。如果正極性或負極性的集電靴電流總值在55 A以上，監(jiān)測到其中有集電靴電流值在1 A以下，且持續(xù)時間超過5 s，其異常集電靴則進行脫靴報警。

2) 單節(jié)車輛正極性或負極性單側集電靴脫靴報警。對4節(jié)車輛之間的集電靴電流總和進行對比，如有車輛電流的平均值在1 A以下 ，同時有其他車輛所有集電靴正極性或負極性電流總值在50 A以上、持續(xù)時間為5 s以上時，對應的單節(jié)車輛所有集電靴脫靴報警。

3) 單節(jié)車輛正極性或負極性單側集電靴脫靴接地報警。對每個車輛的集電靴電流值進行實時監(jiān)測。如果系統(tǒng)監(jiān)測到單個集電靴的電流值在600 A以上，則立刻脫靴報警；如果監(jiān)測到正極性電流值總和與負極電流值總和不等，且兩個總和的差值在50 A以上，則可以判斷總和值比較大的那邊極性有集電靴接地問題。取2個同極性集電靴中電流值較小的判斷為集電靴脫落接地，啟動報警機制。

4) 單節(jié)車輛正極性或負極性單側集電靴脫靴受流不穩(wěn)報警的第1種情況。對所有集電靴的電流監(jiān)測適用。如正極性或負極性的集電靴電流總值在50 A以上、監(jiān)測到其中有集電靴電流值在1 A以下且在1 min內(nèi)累計持續(xù)時間在5 s以上時，其異常集電靴進行異常預警類型報警。

5) 單節(jié)車輛正極性或負極性單側集電靴脫靴受流不穩(wěn)報警的第2種情況。如果單側電流值急速下降，其電流值的導數(shù)為接近于無窮大(電流值微分處理)，即電流值急速下降，則可以判斷集電靴有脫落風險，應進行脫靴預警。

6) 單節(jié)車輛正極性或負極性單側集電靴脫靴受流不穩(wěn)報警的第3種情況。將車內(nèi)不同集電靴的數(shù)據(jù)離散程度進行分析，獲取差異化，基于差異化進行分析，按照離散差異超過20%進行脫靴預警。

3. 4 試驗驗證

根據(jù)上述靴軌異常邏輯判斷原理，對相關邏輯判斷進行了實驗室試驗驗證和實車試驗驗證。限于篇幅，本文僅給出實車測試中單個集電靴脫靴的電流數(shù)據(jù)。對單節(jié)車輛中的4個集電靴分別編號為1號、2號、3號和4號集電靴。在列車運行過程中，通過絕緣傳動裝置使3號集電靴脫離供電軌，滿足了上文第1種邏輯判斷：正負集電靴電流總值在55 A以上，3號集電靴電流值在1 A以下，且持續(xù)時間5 s以上，集電靴電流曲線如圖6所示，因而監(jiān)測系統(tǒng)觸發(fā)3號集電靴脫靴報警，并將報警信息及圖像值推送至控制中心。

圖6 集電靴電流曲線

4 結語

本文通過靴軌平順性試驗測試得到的結果是：

在連續(xù)的供電軌、接地軌區(qū)段，靴軌平順性指標良好;而在道岔分段處，靴軌的平順性受供電軌、接地軌的對齊精度影響較大。通過定期進行靴軌平順性試驗，對大量試驗數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計出其振動加速度峰值數(shù)據(jù)，進行預防性維護，可極大地降低靴軌沖突事件的發(fā)生。

本文通過對靴軌視頻監(jiān)測系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了對無人駕駛APM系統(tǒng)列車靴軌狀態(tài)的實時監(jiān)測。該監(jiān)測系統(tǒng)能自動識別并監(jiān)測絕大部分靴軌運行的異常現(xiàn)象，可利用車地無線通信網(wǎng)絡向控制中心推送故障報警信息和故障視頻及圖像，再由控制中心對所有列車進行集中管控。

靴軌平順性測試為預防性維護提供了依據(jù)，結合運營過程中靴軌視頻監(jiān)測系統(tǒng)的應用，可極大地提高APM系統(tǒng)靴軌運營安全監(jiān)測和管理維護效率。