動(dòng)車組受電弓視頻監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用與優(yōu)化建議

梁彥軍， 宋國(guó)良

（中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司運(yùn)輸調(diào)度指揮中心，北京 100844）

作為動(dòng)車組的關(guān)鍵部件，受電弓發(fā)生故障時(shí)，動(dòng)車組將失去電力供應(yīng)，不但導(dǎo)致動(dòng)車組失去動(dòng)力停在區(qū)間，而且空調(diào)換氣、給水衛(wèi)生等旅客服務(wù)設(shè)施都會(huì)停止工作，嚴(yán)重影響高鐵運(yùn)輸秩序和旅客乘坐舒適度。為提高高壓系統(tǒng)故障處置效率，確保動(dòng)車組安全，目前我國(guó)動(dòng)車組均安裝了動(dòng)車組受電弓視頻監(jiān)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）。隨著我國(guó)高鐵動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)里程不斷增加、動(dòng)車組開行列數(shù)不斷增多，系統(tǒng)在保障動(dòng)車組安全運(yùn)行和維護(hù)高鐵運(yùn)輸秩序方面發(fā)揮了重要作用。

1 系統(tǒng)發(fā)展歷程

未加裝受電弓視頻監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，動(dòng)車組在運(yùn)行中發(fā)生異常降弓、高壓接地等高壓設(shè)備故障后，僅能通過隨車機(jī)械師下車目視檢查的方式判斷故障情況，受限于線路環(huán)境復(fù)雜、視距較遠(yuǎn)、視角不佳等因素，目視檢查不能準(zhǔn)確判斷動(dòng)車組車頂高壓設(shè)備狀態(tài)，甚至有時(shí)還需要登頂檢查，導(dǎo)致區(qū)間停車時(shí)間延長(zhǎng)，嚴(yán)重干擾運(yùn)輸秩序。

2013年，原中國(guó)鐵路總公司制定了《動(dòng)車組受電弓視頻監(jiān)控系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》，在統(tǒng)型動(dòng)車組上加裝了具備視頻記錄、查看功能的受電弓視頻監(jiān)控系統(tǒng)。加裝系統(tǒng)后，隨車機(jī)械師不但可以實(shí)時(shí)監(jiān)控受電弓等高壓設(shè)備的外觀狀態(tài)，而且在動(dòng)車組發(fā)生高壓設(shè)備故障時(shí)，可以不下車、直接通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)受電弓外觀狀態(tài)進(jìn)行檢查，提高了檢查質(zhì)量，壓縮了停車時(shí)間。

2015年，原中國(guó)鐵路總公司借鑒統(tǒng)型受電弓視頻監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，組織對(duì)《動(dòng)車組受電弓視頻監(jiān)控系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》進(jìn)行修訂，并組織各主機(jī)廠制定了既有非統(tǒng)型動(dòng)車組加裝受電弓視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)方案，受電弓視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸覆蓋到所有動(dòng)車組。

2 系統(tǒng)運(yùn)用

系統(tǒng)由受電弓攝像機(jī)、監(jiān)控屏、受電弓視頻監(jiān)控服務(wù)器等組成，可直觀地監(jiān)視車頂受電弓及接觸網(wǎng)工作狀態(tài)，并可兼顧受電弓附近高壓設(shè)備工作狀態(tài)［1］，在動(dòng)車組技術(shù)狀態(tài)監(jiān)控和高壓設(shè)備故障應(yīng)急處置中發(fā)揮著重要作用。

2.1 監(jiān)控動(dòng)車組高壓設(shè)備外觀狀態(tài)和受電弓受流情況

動(dòng)車組運(yùn)行途中，特別是在大風(fēng)季節(jié)和冰雪寒潮天氣時(shí)，通過系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)動(dòng)車組受電弓掛異物、外觀狀態(tài)異常、受流不暢以及接觸網(wǎng)導(dǎo)線結(jié)冰等異常狀況（見圖1—圖4），及時(shí)采取必要措施，確保動(dòng)車組運(yùn)行安全。

圖1 受電弓掛異物

圖2 受電弓弓頭異常

圖3 受電弓異常拉弧

圖4 接觸網(wǎng)覆冰、受電弓受流不暢

2.2 輔助進(jìn)行高壓設(shè)備故障應(yīng)急處置

發(fā)生自動(dòng)降弓、網(wǎng)側(cè)過電流、高壓接地故障時(shí)，通過回放系統(tǒng)視頻檢查故障時(shí)刻高壓設(shè)備工作情況，對(duì)故障影響進(jìn)行判斷，為后續(xù)應(yīng)急處理和故障原因分析提供必要的參考和依據(jù)［2］（見圖5—圖7）。

圖5 受電弓撞鳥

圖6 碳滑板遭異物擊打

圖7 高壓設(shè)備故障放電

2.3 協(xié)助開展接觸網(wǎng)設(shè)備故障排查

庫(kù)內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)高壓設(shè)備遭擊打受損等異常時(shí)，通過回放受電弓監(jiān)控視頻，確定故障時(shí)刻、公里標(biāo)等信息，協(xié)助供電部門進(jìn)行故障排查處理（見圖8—圖9）。

圖8 碳滑板遭擊打掉塊

圖9 碳滑板遭擊打穿洞

鐵路車輛部門通過運(yùn)用受電弓視頻監(jiān)控系統(tǒng)，提高了高壓設(shè)備故障處置效率，壓縮了停車時(shí)間（以自動(dòng)降弓為例，停車時(shí)間由原來的30 min左右壓縮至15 min以內(nèi)），下車（登頂）檢查情況顯著減少，并協(xié)助供電部門發(fā)現(xiàn)了多起接觸網(wǎng)定位器異常、吊弦脫落等故障。

3 問題分析

系統(tǒng)運(yùn)用提高了動(dòng)車組高壓設(shè)備故障應(yīng)急處置質(zhì)量與效率，減少了對(duì)高鐵運(yùn)輸秩序的影響。但該系統(tǒng)仍然存在檢查監(jiān)控手段單一、智能化程度不高、受外界環(huán)境干擾大等問題，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

（1）不能自動(dòng)識(shí)別和記錄高壓設(shè)備異常狀況。目前，受環(huán)境因素復(fù)雜多變、故障模型尚不完善等影響，系統(tǒng)功能僅局限于人工監(jiān)控檢查分析、視頻記錄等方面，尚不具備高壓設(shè)備異常狀況自動(dòng)識(shí)別和影像信息自動(dòng)提取、記錄功能，完全依靠人工檢查判斷，分析難度高、工作量大，影響故障應(yīng)急處置質(zhì)量和效率。

（2）不能自動(dòng)調(diào)整攝像頭角度。系統(tǒng)雖然具有攝像頭角度調(diào)整和預(yù)設(shè)位置功能［3-4］，但不具備根據(jù)升降弓狀態(tài)、接觸網(wǎng)高度實(shí)現(xiàn)攝像頭自動(dòng)調(diào)整的功能，完全需要人工操作，不能滿足監(jiān)控需要。發(fā)生碳滑板超出監(jiān)控范圍的情況見圖10。

圖10 碳滑板超出監(jiān)控范圍

（3）不具備遠(yuǎn)程傳輸功能。在高壓設(shè)備故障應(yīng)急處置過程中，需要快速準(zhǔn)確地檢查回放監(jiān)控視頻，但由于目前系統(tǒng)采用的是單車存儲(chǔ)、集中監(jiān)控方案［1］，不具備遠(yuǎn)程傳輸功能，只能依靠隨車機(jī)械師回放或使用外網(wǎng)手機(jī)錄像后回傳視頻，影響隨車機(jī)械師應(yīng)急故障處理效率和質(zhì)量。

（4）監(jiān)控質(zhì)量受惡劣天氣影響。在雨雪天氣時(shí)，由于雨雪附著在監(jiān)控?cái)z像頭玻璃上，導(dǎo)致受電弓視頻監(jiān)控質(zhì)量降低，嚴(yán)重情況下由于冰雪堆積覆蓋，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常使用。冰雪覆蓋監(jiān)控?cái)z像頭玻璃的情況見圖11。

圖11 冰雪覆蓋監(jiān)控?cái)z像頭玻璃

4 優(yōu)化建議

結(jié)合現(xiàn)代科技的發(fā)展，通過運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析和圖像智能分析等技術(shù)，系統(tǒng)可在以下方面進(jìn)行升級(jí)和完善：

（1）實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備故障智能分析。與常規(guī)的客流、站場(chǎng)、動(dòng)車組（機(jī)車）司機(jī)室監(jiān)控應(yīng)用有較大區(qū)別，受電弓視頻監(jiān)控對(duì)象較為單一（受電弓及附近區(qū)域），但由于動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)背景變化迅速、光照變化復(fù)雜、氣候環(huán)境多變，導(dǎo)致傳統(tǒng)的圖像識(shí)別精度并不高?？墒褂脠D像形態(tài)學(xué)及深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的建模方法，構(gòu)建受電弓結(jié)構(gòu)和高壓故障特征識(shí)別模型，即運(yùn)用圖像形態(tài)學(xué)方法對(duì)監(jiān)控圖像進(jìn)行處理，突出監(jiān)控對(duì)象結(jié)構(gòu)特征、排除干擾，通過搜集大量的受電弓形態(tài)及火花數(shù)據(jù)，采用深度學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行特征統(tǒng)計(jì)，得到高壓故障的檢測(cè)模型，采用特征提取、模型匹配、圖像對(duì)比等智能分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)受電弓火花、弓頭偏轉(zhuǎn)及弓網(wǎng)分離、弓頭區(qū)域異物、受電弓結(jié)構(gòu)異常等故障的檢測(cè)［5-9］（見圖12）。

圖12 受電弓故障智能分析

（2）優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)用功能。根據(jù)受電弓升降弓狀態(tài)、運(yùn)行區(qū)段接觸網(wǎng)高度（或受電弓弓頭位置特征）等信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)z像頭自動(dòng)調(diào)整功能，達(dá)到最優(yōu)的監(jiān)控效果；與動(dòng)車組建立數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)受電弓狀態(tài)和故障信息通信、動(dòng)車組監(jiān)控屏彈屏報(bào)警等功能；根據(jù)動(dòng)車組自動(dòng)降弓、網(wǎng)側(cè)過電流等高壓故障報(bào)警或系統(tǒng)智能識(shí)別情況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截圖、存儲(chǔ)異常視頻片段功能，簡(jiǎn)化人工操作，提高工作效率。

（3）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程回傳功能。建立受電弓視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，利用鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和公眾移動(dòng)通信網(wǎng)（未來可利用鐵路4G/5G通信網(wǎng)絡(luò)），采用負(fù)載評(píng)估算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)［10］，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量和地面技術(shù)人員分析診斷需求，按照質(zhì)量?jī)?yōu)先的原則自動(dòng)調(diào)整推送視頻流的幀數(shù)、速度及碼率，使視頻傳輸過程和波動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相匹配，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組受電弓監(jiān)控視頻遠(yuǎn)程回傳功能。地面技術(shù)人員通過回放視頻或點(diǎn)播故障記錄信息參與動(dòng)車組故障診斷分析，提高動(dòng)車組弓網(wǎng)故障應(yīng)急處置效率。

（4）提高環(huán)境適應(yīng)性。進(jìn)一步強(qiáng)化監(jiān)控?cái)z像機(jī)的除霧、融雪功能，通過優(yōu)化玻璃電熱方式（如增加導(dǎo)電膜式加熱器）、增大玻璃加熱功率、使用特殊涂層等手段［11-12］，減少監(jiān)控?cái)z像頭玻璃的雨雪附著，提高雨雪霧等惡劣天氣下視頻監(jiān)控的質(zhì)量；優(yōu)化圖像識(shí)別算法，通過圖像增強(qiáng)技術(shù)，將監(jiān)控重點(diǎn)部位細(xì)節(jié)進(jìn)行增強(qiáng)，突出關(guān)注的部分（受電弓結(jié)構(gòu)等），適當(dāng)調(diào)整（減弱）周圍環(huán)境，提高復(fù)雜多變光線環(huán)境下智能分析的準(zhǔn)確率［13］。

5 結(jié)束語

作為動(dòng)車組車載監(jiān)控設(shè)備的重要組成部分，受電弓視頻監(jiān)控系統(tǒng)在保障動(dòng)車組運(yùn)行安全、維護(hù)高鐵運(yùn)輸秩序方面發(fā)揮了重大作用。隨著運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富、積累數(shù)據(jù)的不斷增多、檢測(cè)模型的不斷完善，通過運(yùn)用圖像智能識(shí)別、自動(dòng)控制、通信和除霧融雪技術(shù)，系統(tǒng)功能可進(jìn)一步優(yōu)化完善，以提高動(dòng)車組高壓設(shè)備故障應(yīng)急處置效率，保障動(dòng)車組運(yùn)行安全。