非接觸式地鐵車輛弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙春明

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510380）

地鐵對(duì)于城市化進(jìn)程具有重要的推進(jìn)作用。弓網(wǎng)系統(tǒng)作為城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵供電設(shè)備，承擔(dān)著地鐵車輛的動(dòng)力供給職能，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響軌道交通的運(yùn)營(yíng)安全性和可靠性。當(dāng)弓網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成接觸網(wǎng)損壞，造成線路長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，因此，十分有必要研究和設(shè)計(jì)一種地鐵車輛弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，確保弓網(wǎng)系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，這對(duì)于地鐵的安全運(yùn)營(yíng)十分關(guān)鍵。地鐵車輛弓網(wǎng)系統(tǒng)主要由受電弓和接觸網(wǎng)及其各輔助零部件組成，弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)。近年來，弓網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)主要經(jīng)歷了以下幾種方式：

（1）人工檢測(cè)。通過安排工作人員登頂測(cè)量，獲得弓網(wǎng)系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)測(cè)量結(jié)果。人工檢測(cè)結(jié)果較為可靠，但整個(gè)檢測(cè)過程需要停車處理，耗時(shí)耗力，效率較低，無法滿足當(dāng)前地鐵在線檢測(cè)的要求。

（2）接觸式檢測(cè)。通過在地鐵車輛弓網(wǎng)系統(tǒng)加裝壓力、速度和溫度等傳感器，根據(jù)弓網(wǎng)間數(shù)學(xué)關(guān)系，對(duì)傳感器參數(shù)轉(zhuǎn)換為測(cè)量值，但傳感器標(biāo)定易受周圍環(huán)境溫度影響，抗干擾性不足，限制了它的應(yīng)用。

（3）非接觸式檢測(cè)。非接觸式檢測(cè)方式基于車輛的基礎(chǔ)視覺采集單元，獲取目標(biāo)對(duì)象的圖像數(shù)據(jù)，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)和圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，可實(shí)時(shí)獲得相關(guān)參數(shù)檢測(cè)結(jié)果，具有實(shí)時(shí)性高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)的弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)多是圍繞非接觸式檢測(cè)方式展開的，其中，文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了一種智能弓網(wǎng)在線檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)幾何參數(shù)、弓網(wǎng)接觸點(diǎn)等檢測(cè)功能。

基于此，為進(jìn)一步增強(qiáng)弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)能力，本文設(shè)計(jì)了一種地鐵車輛弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于運(yùn)營(yíng)地鐵車輛中，能夠?qū)崿F(xiàn)接觸網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)和受電弓受流參數(shù)的全方位檢測(cè)和測(cè)量，具有弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)、弓網(wǎng)溫度檢測(cè)、接觸網(wǎng)幾何檢測(cè)、接觸線磨耗檢測(cè)、弓網(wǎng)視頻監(jiān)視、接觸網(wǎng)懸掛零部件、硬點(diǎn)檢測(cè)、定位和檢測(cè)項(xiàng)目報(bào)警等功能。同時(shí)，可將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)分析并將異常情況發(fā)送給地面控制中心，以便人工檢查復(fù)核，為弓網(wǎng)系統(tǒng)的日常運(yùn)維和檢修提供科學(xué)的指導(dǎo)。

1 地鐵車輛弓網(wǎng)系統(tǒng)

地鐵車輛弓網(wǎng)系統(tǒng)由接觸網(wǎng)和受電弓組成，其中接觸網(wǎng)一般在軌道沿線上空架設(shè)，其功能是將電能傳輸至移動(dòng)的牽引子系統(tǒng)中，來供給地鐵車輛牽引動(dòng)能。按照懸掛方式，可分為剛性懸掛和柔性懸掛兩種。剛性懸掛接觸網(wǎng)主要由旋轉(zhuǎn)底座、絕緣子、匯流排和接觸線等元件組成，柔性懸掛接觸網(wǎng)主要由承力索、支柱、接觸線和吊弦等元件組成。而受電弓作為主要的受流設(shè)備，是接觸網(wǎng)與地鐵車輛的銜接環(huán)節(jié)，根據(jù)臂桿的結(jié)構(gòu)形式，可分為單臂受電弓和雙臂受電弓，受電弓通過與接觸線不間斷接觸來達(dá)到傳輸電能的目的。

2 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 架構(gòu)組成

弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本框架主要由車外檢測(cè)設(shè)備、車內(nèi)處理中心、遠(yuǎn)程輸送通道和地面數(shù)據(jù)中心等四大部分組成，如圖1所示。

圖1 地鐵車輛弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

車外檢測(cè)設(shè)備：主要由弓網(wǎng)視頻圖像檢測(cè)模塊、紫外燃弧檢測(cè)模塊、紅外成像采集模塊、硬點(diǎn)檢測(cè)模塊、接觸線磨耗檢測(cè)模塊、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)模塊、車輛振動(dòng)補(bǔ)償裝置和輔助檢測(cè)系統(tǒng)組成。接觸線磨耗檢測(cè)模塊主要用于接觸線磨損情況檢測(cè)，紫外燃弧檢測(cè)模塊用于檢測(cè)弓網(wǎng)系統(tǒng)燃弧情況，紅外成像采集模塊用于采集碳滑板與接觸線接觸區(qū)域的溫度場(chǎng)，接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)模塊主要用于檢測(cè)接觸線高度和接觸線拉出值，車輛振動(dòng)補(bǔ)償裝置主要用于消除車輛振動(dòng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，輔助系統(tǒng)主要用于對(duì)車輛車號(hào)和安防系統(tǒng)的識(shí)別。車內(nèi)處理單元主要作用為對(duì)各檢測(cè)模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并實(shí)現(xiàn)與車輛控制與管理系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)中心的通信。

2.2 檢測(cè)原理

（1）接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)。接觸網(wǎng)幾何參數(shù)主要有接觸線高度和接觸線拉出值，分別指接觸線摩擦面與軌道間的垂直距離和弓網(wǎng)接觸點(diǎn)與受電弓中心點(diǎn)間的距離?；陔p目視覺的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)原理如圖2所示，通過在車輛頂部安裝兩臺(tái)線陣相機(jī)，中間安裝線結(jié)構(gòu)光投射器。整個(gè)檢測(cè)流程如圖2所示，首先完成相機(jī)的標(biāo)定，然后通過對(duì)采集的接觸網(wǎng)圖像特征提取，根據(jù)兩線陣相機(jī)內(nèi)外部相應(yīng)參數(shù)信息，基于三角測(cè)量原理，構(gòu)建接觸網(wǎng)幾何參數(shù)視覺測(cè)量模型，最終獲得接觸網(wǎng)的高度y和拉出值x。

圖2 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)原理

（2）接觸網(wǎng)磨耗檢測(cè)。接觸線磨耗檢測(cè)通過在車輛車頂安裝兩臺(tái)成像裝置，采集具有接觸線輪廓信息的圖像，根據(jù)三角測(cè)量關(guān)系，獲得對(duì)應(yīng)的灰度值圖像，并根據(jù)接觸線磨耗測(cè)量模型，獲得目標(biāo)圖像的坐標(biāo)位置，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算，最終獲得接觸線磨損值。

（3）接觸網(wǎng)燃弧檢測(cè)。通過將兩個(gè)高清相機(jī)分別置于受電弓兩側(cè)，如圖3所示，其中，S為兩相機(jī)平面圖上的安裝距離，a為相機(jī)1與目標(biāo)對(duì)象間的成像角度，b為相機(jī)2與目標(biāo)對(duì)象間的成像距離，通過將相機(jī)采集的圖像，傳輸至現(xiàn)場(chǎng)控制中心PC機(jī)中，首先對(duì)采集圖像灰度化處理，運(yùn)用圖像降噪技術(shù)對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，然后通過對(duì)圖像邊緣提取，獲取表征弓網(wǎng)燃弧的特征指標(biāo)（特征波段220～225nm或323～329nm），該燃弧檢測(cè)方法能夠較好地克服日照光源、太陽光等干擾因素，能在全天候?qū)崿F(xiàn)在線檢測(cè)，并滿足EN50317標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 接觸網(wǎng)燃弧檢測(cè)原理

（4）弓網(wǎng)溫度檢測(cè)。通過在地鐵車輛頂部安裝一臺(tái)全局高速紅外成像儀，基于紅外熱像儀，其像素不低于384×288，幀率不低于50Hz。運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)，根據(jù)斯忒藩-玻耳茲曼定律，可直接檢測(cè)框選區(qū)域中弓網(wǎng)接觸區(qū)的溫度值，并實(shí)現(xiàn)溫度分析和溫度過高預(yù)警。通過弓網(wǎng)溫度檢測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)和受電弓的溫度異常，提供地鐵運(yùn)營(yíng)的安全穩(wěn)定性。

（5）接觸網(wǎng)硬點(diǎn)檢測(cè)。當(dāng)存在硬點(diǎn)情況時(shí)，弓網(wǎng)間作用可視為發(fā)生一次彈性碰撞，此時(shí)，弓頭的沖擊加速度的最大值會(huì)高于正常加速度值?；谠撛恚ㄟ^在受電弓開口方向安裝高速工業(yè)相機(jī)，采集弓頭區(qū)域圖像，運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)提取弓頭位置信息，根據(jù)采集圖像各幀間像素偏差，可獲得弓頭完整的震動(dòng)曲線。通過設(shè)置硬點(diǎn)檢測(cè)判定值，結(jié)合沖擊加速度，可實(shí)現(xiàn)硬點(diǎn)的檢測(cè)。結(jié)合燃弧檢測(cè)報(bào)警情況，可進(jìn)一步提高硬點(diǎn)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

（6）接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)。接觸網(wǎng)懸掛裝置主要有匯流排、中間接頭、剛?cè)徇^渡原件、定位線夾等零部件組成，其所處狀態(tài)決定了接觸網(wǎng)的工作性能，十分有必要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。其檢測(cè)原理如下：首先是搭建接觸網(wǎng)懸掛裝置不良狀態(tài)識(shí)別模型，通過樣本庫圖像部件標(biāo)注等預(yù)處理，運(yùn)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本庫訓(xùn)練，獲得接觸網(wǎng)懸掛裝置不良狀態(tài)識(shí)別模型。最后通過接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)模塊，對(duì)接觸網(wǎng)懸掛裝置進(jìn)行抓拍。將采集圖像輸入狀態(tài)檢測(cè)模型中，實(shí)時(shí)獲得接觸網(wǎng)懸掛裝置零部件狀態(tài)。

（7）弓網(wǎng)視頻圖像監(jiān)視。弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊采用高清工業(yè)相機(jī)的檢測(cè)方式，結(jié)合高頻LED補(bǔ)光光源，對(duì)弓網(wǎng)接觸區(qū)域進(jìn)行全程實(shí)時(shí)錄像，并與檢測(cè)裝置里程信息同步，能夠自動(dòng)在圖像上疊加檢測(cè)數(shù)據(jù)，視頻圖像能實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。具備指定里程范圍內(nèi)的指定時(shí)間或空間間隔圖像導(dǎo)出功能。支持故障點(diǎn)前后5秒的影像記錄保存。

2.3 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于上述檢測(cè)原理，本文對(duì)該檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)物搭建，圖4為檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成圖。首先，將接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)模塊、燃弧檢測(cè)模塊、接觸線磨損模塊進(jìn)行集成化處理，實(shí)物如圖5所示。接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)模塊和硬件檢測(cè)模塊如圖6和圖7所示。設(shè)計(jì)了弓網(wǎng)在線地面分析系統(tǒng)，如圖8所示，能夠展示當(dāng)前列出運(yùn)行區(qū)段，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷等。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)基本組成圖

圖5 集成化檢測(cè)模塊

圖6 接觸網(wǎng)懸掛裝置檢測(cè)模塊

圖7 硬點(diǎn)檢測(cè)模塊

圖8 地面數(shù)據(jù)中心

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

將該地鐵車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于廣州地鐵某線路，主要對(duì)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、燃弧檢測(cè)、接觸線磨損檢測(cè)、弓網(wǎng)溫度檢測(cè)、硬點(diǎn)檢測(cè)等檢測(cè)效果進(jìn)行了測(cè)試，其中測(cè)試線路包含地下區(qū)段和地面及高架區(qū)段，地下區(qū)段采用剛性懸掛，接觸線高度為4040mm，最小高度為4000mm，地面及高架區(qū)段采用柔性懸掛方式，接觸線高度為5000mm，最小高度為4400mm，最大高度為5700mm，檢測(cè)效果如下所述。

3.1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)

地鐵車輛行車平均速度為60m/s左右，通過在線路往返測(cè)試，測(cè)量接觸線高度和拉出值等檢測(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)結(jié)果

從表1可知，接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的實(shí)際檢測(cè)誤差都在允許誤差區(qū)間內(nèi)，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。同時(shí)，在測(cè)試應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)某上行區(qū)段K43+113處，當(dāng)時(shí)行車速度為57m/s，檢測(cè)拉出值為469mm，超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值，通過對(duì)該處進(jìn)行檢查，原因?yàn)槎ㄎ还懿环祥L(zhǎng)度。

3.2 接觸網(wǎng)燃弧檢測(cè)

運(yùn)行測(cè)試條件同上，對(duì)燃弧情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 燃弧檢測(cè)結(jié)果

如表2所示，本弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)燃弧現(xiàn)象和時(shí)長(zhǎng)檢測(cè)，并具有燃弧報(bào)警功能，能夠檢測(cè)到時(shí)長(zhǎng)為3ms燃弧時(shí)長(zhǎng)，高于燃弧時(shí)長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)要求，滿足實(shí)際應(yīng)用。

3.3 接觸網(wǎng)溫度檢測(cè)

圖9為測(cè)試某時(shí)刻弓網(wǎng)溫度檢測(cè)系統(tǒng)采集的溫度場(chǎng)分布圖，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域最高溫度高達(dá)107度，超過正常運(yùn)行最大溫度值。通過人工檢測(cè)復(fù)核，發(fā)現(xiàn)此處存在硬點(diǎn)情況。

圖9 某時(shí)刻受電弓區(qū)域溫度場(chǎng)

3.4 接觸網(wǎng)硬點(diǎn)檢測(cè)

地鐵車輛根據(jù)正常運(yùn)行時(shí)刻表在該線路往返運(yùn)行一次及以上，測(cè)試在運(yùn)行過程中受電弓受到的垂向加速度，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 硬點(diǎn)檢測(cè)測(cè)試結(jié)果

3.5 接觸線磨損檢測(cè)

接觸線與受電弓長(zhǎng)時(shí)間處于接觸狀態(tài)，由于摩擦作用，會(huì)使得接觸線出現(xiàn)磨耗現(xiàn)象。將地鐵車輛按照正常運(yùn)行時(shí)刻表往返線路一次，獲得接觸線磨耗值，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4結(jié)果，本系統(tǒng)磨損檢測(cè)實(shí)際誤差為±0.3mm，低于標(biāo)準(zhǔn)誤差要求，達(dá)到應(yīng)用要求。綜上所述，通過對(duì)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、燃弧、硬點(diǎn)、弓網(wǎng)溫度和接觸線磨損檢測(cè)測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果表明，本系統(tǒng)檢測(cè)誤差滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求，同時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)存在安全隱患，為線路運(yùn)營(yíng)維修管理提供科學(xué)指導(dǎo)，保障地鐵的運(yùn)營(yíng)安全。

表4 接觸線磨損檢測(cè)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語

本文提出的一種非接觸式的地鐵車輛弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，通過多技術(shù)融合，能夠?qū)崿F(xiàn)接觸幾何參數(shù)檢測(cè)、磨耗檢測(cè)、弓網(wǎng)溫度檢測(cè)和硬點(diǎn)檢測(cè)等功能，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，具有安全可靠、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠及時(shí)對(duì)異常情況報(bào)警，極大地提高了城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性。