城市軌道交通接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測及健康管理系統(tǒng)研究

朱賀，齊勝，張悅斌

（中鐵信（北京）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院有限公司，北京 100044）

1 概述

近年來，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市軌道交通成為一種較為普遍的交通方式。2019年年底之前，我國內(nèi)地已開通城軌運營的城市達到40個。共包含線路208條，總計里程達6736.2公里。特別是在一些城軌交通發(fā)展較快的城市，已經(jīng)形成了線路網(wǎng)的運營格局。列車在接觸網(wǎng)線供電制式的線路運行時，列車的受電弓與接觸網(wǎng)配合完成列車的牽引供電，是列車運行的基礎(chǔ)條件之一。接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測及維修技術(shù)也是軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施檢測領(lǐng)域的研究熱點。

目前，對于接觸網(wǎng)檢測技術(shù)已經(jīng)有了較系統(tǒng)的研究。主要可以分為接觸網(wǎng)各類型故障的自動識別技術(shù)和基于接觸狀態(tài)的維修策略制定兩部分。其中在接觸網(wǎng)狀態(tài)識別領(lǐng)域，高速鐵路接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測已經(jīng)形成了主要以高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)(6C系統(tǒng))為基礎(chǔ)的檢測體系。6C系統(tǒng)能夠通過一系列性能指標有效地確定接觸網(wǎng)狀態(tài),為維修養(yǎng)護提供依據(jù),已經(jīng)成為保障接觸網(wǎng)安全可靠的重要途徑。在接觸網(wǎng)檢測新技術(shù)中自動化和智能化已經(jīng)是主要的發(fā)展趨勢。西南交通大學劉舒康等利用自能數(shù)據(jù)增強技術(shù)和改進的yolo-v3算法實現(xiàn)了對接觸網(wǎng)吊弦和支架的實時定位?？蹈邚姷葹閷崿F(xiàn)接觸網(wǎng)支持裝置中旋轉(zhuǎn)雙耳開口銷釘缺失故障的檢測，提出一種基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和集成學習的故障檢測方法。

接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測的最終目的在于指導(dǎo)及時、有效、科學地進行檢修?；谠O(shè)備服役狀態(tài)的維修方式也逐漸成為各行業(yè)維修策略改進的發(fā)展方向。我國接觸網(wǎng)設(shè)備已經(jīng)從狀態(tài)檢測、監(jiān)測、診斷、評價以及維修分級等方面形成了較為完整的體系。接觸網(wǎng)檢測技術(shù)在城市軌道交通上的應(yīng)用尚處于起步階段，黨曉勇等提出基于物聯(lián)網(wǎng)的多線路共用接觸網(wǎng)監(jiān)測管理系統(tǒng)方案和功能架構(gòu)，為軌道交通接觸網(wǎng)檢修提供技術(shù)支撐。檢修的智能決策也是接觸網(wǎng)檢修的重要發(fā)展方向，劉家軍等，針對目前接觸網(wǎng)檢修方案的不足，提出了基于ID3決策樹算法接觸網(wǎng)檢修方案，提高了接觸網(wǎng)檢修作業(yè)的科學高效性和智能化水平。

2 接觸網(wǎng)檢測及健康管理系統(tǒng)總體方案

接觸網(wǎng)檢測及健康管理系統(tǒng)包括接觸網(wǎng)檢測和接觸網(wǎng)故障預(yù)測與健康管理兩個子系統(tǒng)，其中接觸網(wǎng)檢測子系統(tǒng)又包括弓網(wǎng)檢測和接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測兩個功能模塊，相應(yīng)的設(shè)備均以指定列車為載體，進行檢測工作機動性、靈活性較強。

弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)主要采用了圖像識別、紅外成像、紫外探測、激光測量以及牽引電流試驗檢測等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)以非接觸的方式對弓網(wǎng)性能、狀態(tài)進行檢測。主要的檢測范圍涵蓋受電弓是否具有完整的結(jié)構(gòu)，羊角是否出現(xiàn)變形以及缺失等情況，燃弧強度和時間，接觸網(wǎng)幾何參數(shù)包括拉出值、導(dǎo)高、高低差、坡度，接觸點的溫度。

圖1 接觸網(wǎng)檢測及健康管理系統(tǒng)總體方案

接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測系統(tǒng)具有在線檢測、自動分析、缺陷分類、歷史結(jié)果對比的成像監(jiān)測設(shè)備，基于圖像精確拍攝及缺陷自動識別技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境下激光高精度動態(tài)測量技術(shù),運用接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)成像監(jiān)測設(shè)備對高速、普速接觸網(wǎng)設(shè)備及零部件采用數(shù)字圖像處理技術(shù)進行外觀檢測與幾何參數(shù)髙精度測量,并對其結(jié)構(gòu)異常（包括完整性、移位、裂損、松脫、異物等）實現(xiàn)缺陷自動識別與分類,通過輸出分析結(jié)果與缺陷報表,為接觸網(wǎng)的質(zhì)量鑒定和維修提供依據(jù)。

接觸網(wǎng)故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)的作用是基于弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)和接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析算法，得出接觸網(wǎng)服役狀態(tài)的預(yù)測情況和檢修指導(dǎo)，并能夠?qū)崿F(xiàn)不同業(yè)務(wù)方面的展示。

3 弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)

受電弓是機車和接觸網(wǎng)之間完成能量傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，并且弓網(wǎng)之間相互作用關(guān)系和受流情況也能反映接觸網(wǎng)的狀態(tài)。弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)通過車載檢測模塊、傳感器、檢測主機以及數(shù)據(jù)服務(wù)器等組成一套自動化的設(shè)備，實現(xiàn)對弓網(wǎng)的異常監(jiān)測。

3.1 系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)

弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)的構(gòu)成包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層及應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)采集層包括受電弓檢測功能模塊、受電弓燃弧功能模塊、接觸網(wǎng)參數(shù)檢測功能模塊、定位功能模塊、電流傳感器、振動補償模塊。

數(shù)據(jù)傳輸層采用系統(tǒng)內(nèi)部組網(wǎng)的方式，通過數(shù)字通信的方式將采集層信息傳遞到系統(tǒng)處理層，由處理層對信息進行存儲、對比和分析。

數(shù)據(jù)處理層為系統(tǒng)的中樞，將采集的信息通過與設(shè)定閥值對比分析、趨勢推演等方式，做出異常判斷并實現(xiàn)告警功能。

應(yīng)用層主要面對系統(tǒng)用戶，具備人機操作功能，系統(tǒng)界面能實現(xiàn)故障程度、告警級別的顯示，同時，能追溯定期連續(xù)保存的數(shù)據(jù)信息。弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)帶信息采集層詳細拓撲圖如圖2。

圖2 弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖示意圖

3.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)在功能上主要可以分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層和應(yīng)用層三個層面。受電弓檢測系統(tǒng)通過對檢測的信息與設(shè)定的等級閾值進行綜合比對分析，實現(xiàn)弓網(wǎng)的狀態(tài)信息反饋及故障預(yù)警，并能以圖像及數(shù)據(jù)報表的形式輸出，用戶能通過系統(tǒng)進行檢測結(jié)果查詢、統(tǒng)計、綜合分析、打印、網(wǎng)絡(luò)共享管理等。

（1）數(shù)據(jù)采集功能。數(shù)據(jù)采集層綜合燃弧檢測技術(shù)、弓網(wǎng)溫度檢測技術(shù)、受電弓狀態(tài)檢測技術(shù)、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測技術(shù)、定位技術(shù)等對牽引供電弓網(wǎng)的信息進行數(shù)據(jù)化采集，作為弓網(wǎng)檢測子系統(tǒng)的輸入條件。

（2）數(shù)據(jù)處理層功能。通過對弓網(wǎng)檢測的數(shù)據(jù)進行分析，對受電弓實時狀態(tài)及狀態(tài)趨勢進行判斷，處理層應(yīng)具備自學習功能，保證系統(tǒng)有更高的可靠性，同時，考慮系統(tǒng)為實驗室子系統(tǒng)，需具備離線信息輸入的功能。

（3）應(yīng)用層功能。系統(tǒng)具備終端設(shè)備基本的操作功能，并實現(xiàn)系統(tǒng)報警、數(shù)據(jù)存儲、可視化、統(tǒng)計、打印等功能。同時預(yù)留接口，實現(xiàn)與線路工程安全檢測系統(tǒng)的信息共享。

4 接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測系統(tǒng)

盡管列車車輛檢測系統(tǒng)中安裝了受電弓檢測系統(tǒng)，但其針對弓網(wǎng)的監(jiān)測主要以受電弓狀態(tài)監(jiān)測為主，并能針對弓網(wǎng)燃弧、拉伸值、導(dǎo)高值、高低差、弓網(wǎng)接觸點溫度等進行監(jiān)測。因此，針對接觸網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)進一步的監(jiān)測則通過接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測系統(tǒng)裝置來實現(xiàn)，該系統(tǒng)采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)裝置進行檢測，通過系統(tǒng)中的故障自動識別與數(shù)據(jù)自動分析等功能得到檢測結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)能夠根據(jù)發(fā)現(xiàn)的故障情況，以及檢測數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢，給出相應(yīng)的維修建議，從而消除故障隱患。

4.1 系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)

接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測子系統(tǒng)裝置主要有幾何參數(shù)測量、高清成像檢測、數(shù)據(jù)分析處理等模塊組成。各個模塊的主要功能如下：

（1）幾何參數(shù)測量模塊：得到靜態(tài)情況下接觸網(wǎng)各項幾何參數(shù)的測量值。

（2）高清成像檢測模塊：采用高清成像和數(shù)字圖像處理技術(shù)進行懸掛、支持裝置中的常見故障自動識別。

（3）數(shù)據(jù)分析模塊：分析處理采集到的檢測數(shù)據(jù)，并對歷史檢測結(jié)果進行對比，及時做出故障預(yù)警、報警。

4.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)備相應(yīng)的功能包括： ①幾何參數(shù)連續(xù)測量；②接觸網(wǎng)碗臂安裝支柱的位置準確定位；③兩側(cè)拍攝支持裝置圖像；④接觸懸掛圖像拍攝；⑤附加懸掛區(qū)域圖像拍攝；⑥拍攝吊柱座區(qū)域圖像；⑦記錄接觸懸掛的連續(xù)視頻；⑧對成像區(qū)域的缺陷進行識別；⑨分析和存儲缺陷數(shù)據(jù)，并提供分類匯總報告；⑩形成一桿一檔的數(shù)據(jù)庫，能對同一位置的歷史數(shù)據(jù)檢測結(jié)果（圖像、幾何參數(shù)等）進行對比分析。

5 接觸網(wǎng)故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)

雖然線路工程檢測子系統(tǒng)中設(shè)置了接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測系統(tǒng)，但考慮到接觸網(wǎng)故障的影響大、范圍廣、處理難度大等實際因素，有必要通過建設(shè)相對獨立的接觸網(wǎng)故障預(yù)測與健康管理（PHM）子系統(tǒng)。接觸網(wǎng)故障預(yù)警與健康管理系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)搭建主要分為數(shù)據(jù)采集感知層、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層、基礎(chǔ)設(shè)施層、運維管理層、應(yīng)用展示層。詳細如下：

圖3 接觸網(wǎng)故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)采集層及基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)接觸網(wǎng)PHM系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息收集功能，實驗室階段可以采用離線輸入的方式采集展示及驗證所需數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)設(shè)施層主要是系統(tǒng)的服務(wù)器和存儲設(shè)備，系統(tǒng)依托服務(wù)器進行相關(guān)數(shù)據(jù)分析，并達成關(guān)鍵信息的輸出和展示。

運維管理層通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征分析、人工智能挖掘等，達到故障診斷、性能預(yù)測、監(jiān)管管理、維修決策的目的。

應(yīng)用展示層完成系統(tǒng)可視化呈現(xiàn)，形成綜合診斷報告等。

6 結(jié)語

接觸網(wǎng)檢測及健康管理在城市軌道交通上的應(yīng)用尚處于起步階段,本文根據(jù)現(xiàn)有的接觸網(wǎng)檢測技術(shù)特別是高速鐵路接觸網(wǎng)檢測的相關(guān)經(jīng)驗，結(jié)合城軌的特點構(gòu)建了一套城市軌道交通接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測及健康管理系統(tǒng)，能夠為城市軌道交通接觸網(wǎng)實現(xiàn)基于服役狀態(tài)的檢修模式提供指導(dǎo)。