高鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)與監(jiān)測(cè)方法研究

陳勝藍(lán)，王嶸，劉海漁，譚立，黃亞南

1.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲，412001；2.湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南株洲，412001

0 引言

高速公路弓網(wǎng)運(yùn)行期間可能出現(xiàn)多種問(wèn)題，從而增加其工作風(fēng)險(xiǎn)。使用適合的檢測(cè)新技術(shù)能夠防止各類問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生，增強(qiáng)接觸網(wǎng)的整體性能。研究和運(yùn)用我國(guó)高鐵弓網(wǎng)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)，要堅(jiān)持采取自主化的路線。把供電6C系統(tǒng)的應(yīng)用成果作為基礎(chǔ)，關(guān)注對(duì)智能化水平低、信息共享難度大以及深層次的數(shù)據(jù)分析困難等難題解決，使用邊緣技術(shù)和5G通信等各類新技術(shù)，依次從弓網(wǎng)的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)方面著手，實(shí)現(xiàn)了對(duì)對(duì)象的全面感知，保障信息傳輸?shù)乃俣?，?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和融合，為動(dòng)車弓網(wǎng)內(nèi)部各設(shè)備維修提供參考，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)維修與決策，為高鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)工作的良好進(jìn)行創(chuàng)設(shè)有利條件。

1 供電6C系統(tǒng)的六大主系統(tǒng)研究

1.1 高速弓網(wǎng)的綜合檢測(cè)裝置

高鐵弓網(wǎng)的綜合檢測(cè)裝置應(yīng)用過(guò)程中，均是以固定的方式被安裝在高速綜合檢測(cè)的列車中，檢測(cè)期間可以獲取接觸網(wǎng)的運(yùn)行情況信息，也能夠獲取弓網(wǎng)受流參數(shù)的信息，這些信息為接觸網(wǎng)的維修提供參考依據(jù)，方便了人們對(duì)接觸網(wǎng)的維修。

1.2 接觸網(wǎng)安全巡檢裝置

高鐵接觸網(wǎng)安全巡檢裝置被臨時(shí)安裝在高鐵動(dòng)車與機(jī)車司機(jī)的副駕駛內(nèi)，是一種便捷式的視頻采集設(shè)備。工作期間高鐵車載的電流在二百二十伏上下，檢測(cè)設(shè)備功率要低于一百瓦，在做到滿足上述要求之后，依次對(duì)高鐵的接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及外部環(huán)境采用視頻的模式來(lái)采集，獲取的采集結(jié)果可以用來(lái)指導(dǎo)高鐵接觸網(wǎng)檢修及維護(hù)上。

1.3 車載接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)裝置

車載接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)裝置能夠隨著高鐵動(dòng)車組具體運(yùn)行狀態(tài)（包括運(yùn)行速度和運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性等）實(shí)施動(dòng)態(tài)化的監(jiān)測(cè)，還可以對(duì)接觸網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實(shí)施全天候與動(dòng)態(tài)化以及對(duì)高鐵接觸網(wǎng)全面覆蓋的檢測(cè)，保障了檢測(cè)效果。

1.4 接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)裝置

使用接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)的檢測(cè)裝置可以獲取接觸網(wǎng)中一些關(guān)鍵部件及其結(jié)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)與相關(guān)信息。接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)裝置，所檢測(cè)數(shù)據(jù)可以利用人工的方式進(jìn)行，也能夠自動(dòng)和智能化去識(shí)別，獲取的數(shù)據(jù)可以為接觸網(wǎng)的檢修及維護(hù)提供理有效參考。

1.5 受電弓滑板狀態(tài)檢監(jiān)測(cè)裝置

受電弓滑板狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用期間需要被安裝在電氣化鐵路內(nèi)的車站區(qū)域還有咽喉區(qū)域以及電力牽引列車的入庫(kù)區(qū)與局界口等多個(gè)位置，安裝該裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到電子弓滑板的應(yīng)用情況，還可以第一時(shí)間監(jiān)測(cè)到電子弓滑板的反常行為，為接觸網(wǎng)檢修和維修指引方向。

1.6 接觸網(wǎng)供電設(shè)備地面監(jiān)測(cè)裝置

接觸網(wǎng)供電設(shè)備地面監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接觸網(wǎng)的張力和線索的溫度進(jìn)行檢測(cè)，也可以對(duì)振動(dòng)與接觸網(wǎng)張力實(shí)施檢測(cè)，對(duì)供電設(shè)備絕緣狀態(tài)還有補(bǔ)償位移以及電纜頭溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)過(guò)程中能夠得到一個(gè)完整的檢測(cè)參數(shù)，把檢測(cè)參數(shù)當(dāng)作是接觸網(wǎng)以及供電設(shè)備和其相關(guān)裝置的檢修與維護(hù)上[1]。

2 高鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用舉措

在電氣化鐵路停電與停運(yùn)的大小事故中，要屬弓網(wǎng)事故所占的比例最大，約為百分之八十。所以，在確保電弓可以正常進(jìn)行運(yùn)行前提下，還要消滅弓網(wǎng)事故。高鐵弓網(wǎng)事故的處理和解決是軌道交通領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，更是當(dāng)下城市軌道建設(shè)和發(fā)展需要解決的主要問(wèn)題之一。為了做好接觸網(wǎng)的運(yùn)行管理和維護(hù)工作，延長(zhǎng)零部件的應(yīng)用壽命，不斷提高設(shè)備的管理水平，加大對(duì)高鐵弓網(wǎng)狀態(tài)的監(jiān)管和診斷技術(shù)的研究是十分重要和有現(xiàn)實(shí)研究意義與價(jià)值的。接觸網(wǎng)是地鐵軌道工程一個(gè)主要構(gòu)成內(nèi)容，詳細(xì)來(lái)說(shuō)主要包括用在和受電工摩擦接觸的接觸線以及接觸線的軌道上按照之字形進(jìn)行架設(shè)。考慮到可能會(huì)出現(xiàn)受電弓的滑板偏磨以及羊角變形與接觸網(wǎng)中異物脫落與接觸網(wǎng)的破損等問(wèn)題，由于此類問(wèn)題一旦出現(xiàn)，會(huì)引發(fā)不同程度的弓網(wǎng)事故，所以，實(shí)時(shí)對(duì)接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是極為必要的。

高鐵弓網(wǎng)接觸網(wǎng)被劃分成柔性接觸網(wǎng)與剛性接觸網(wǎng)，其中剛性接觸網(wǎng)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的特征和安裝工藝上的優(yōu)勢(shì)，使其被廣泛應(yīng)用到隧道結(jié)構(gòu)軌道的軌道電氣列車等相關(guān)工程中。當(dāng)下針對(duì)剛性接觸網(wǎng)下受電弓實(shí)施監(jiān)測(cè)，被劃分成接觸式與非接觸式這兩種不同檢測(cè)內(nèi)容。其中接觸式的檢測(cè)方法在運(yùn)用過(guò)程中主要是利用在受電弓機(jī)構(gòu)內(nèi)安裝一些相匹配傳感器設(shè)備來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，包括增速傳感器設(shè)備與接近開(kāi)關(guān)等；而接觸式的方法則是利用激光雷達(dá)以及線陣相機(jī)以及面陣相機(jī)等各類裝置，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。具體來(lái)說(shuō)，剛性接觸網(wǎng)的受電弓檢測(cè)可以依據(jù)如下順序和采用以下方式來(lái)進(jìn)行：首先要對(duì)加裝傳感器設(shè)備實(shí)施檢測(cè)，之后對(duì)單目照相機(jī)設(shè)備實(shí)施檢測(cè)，最后對(duì)列車實(shí)施檢測(cè)。在檢測(cè)過(guò)程中，使用相機(jī)實(shí)施視頻監(jiān)測(cè)的方法是非接觸式的監(jiān)測(cè)，利于維護(hù)，有著較低的成本，因此十分常用。不過(guò)結(jié)合現(xiàn)在來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的剛性接觸網(wǎng)時(shí)常被輻射在隧道內(nèi)，考慮到隧道內(nèi)部光線很弱，因此，會(huì)利用相機(jī)以視頻的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該監(jiān)測(cè)方式無(wú)法很好地對(duì)接觸線進(jìn)行識(shí)別[2]。

本文以剛性接觸網(wǎng)中弓網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法為例，力求通過(guò)使用弓網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)解決掉以往接觸線檢測(cè)困難引起的無(wú)錯(cuò)誤報(bào)警與漏報(bào)警等一系列問(wèn)題。以下是基于接觸線檢測(cè)困難，解決接觸線的錯(cuò)誤報(bào)警和漏報(bào)警所使用的技術(shù)以及技術(shù)應(yīng)用舉措：①使用弓網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)獲取到所述弓網(wǎng)接觸線和電弓之間的相交區(qū)域中原始圖像，所述的原始圖像應(yīng)涵蓋視角相對(duì)和同步采集到的首個(gè)圖像與第二個(gè)圖像；②利用直線提取的算法，獲取到首個(gè)圖像內(nèi)所描述的接觸線直線的特征，還有所述的第二個(gè)圖像內(nèi)所述的接觸線所具備的直線特征；③結(jié)合所述首個(gè)圖像與所述的第二個(gè)圖像內(nèi)所描述的接觸線具有的直線特征，利用動(dòng)態(tài)權(quán)重的直線聚類方法，模擬合成體現(xiàn)所述首個(gè)圖像和第二個(gè)圖像所述的虛擬的接觸線的2維模型；④立體匹配所述首個(gè)圖像與第二個(gè)圖像所述的接觸線二者構(gòu)成的虛擬化二維模型，可以獲取所述說(shuō)接觸線視差的信息；⑤結(jié)合所述的接觸線的視差數(shù)據(jù)信息，可獲取所述的接觸線的三維信息，之后根據(jù)上述信息構(gòu)建一個(gè)虛擬化所述接觸線的三維模型；⑥依據(jù)所述接觸線的虛擬三維模型，還有所述受電弓的虛擬化三維模型，可以得到所述弓網(wǎng)的具體狀態(tài)信息[3]。

3 高鐵弓網(wǎng)檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用建議

3.1 弓網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用

伴隨我國(guó)高鐵交通建設(shè)的不斷發(fā)展，對(duì)高鐵列車運(yùn)行安全性與智能性以及可靠性要求更為嚴(yán)格。受到電弓與接觸網(wǎng)之間十分復(fù)雜關(guān)系的影響，增加地鐵安全評(píng)估的難度，出現(xiàn)嚴(yán)重的故障，對(duì)地鐵交通運(yùn)營(yíng)帶來(lái)很大影響。受到上述因素的影響，使弓網(wǎng)的關(guān)系備受關(guān)注，成為高鐵列車研究的重點(diǎn)。弓網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)可以對(duì)運(yùn)行的地鐵列車弓網(wǎng)運(yùn)行情況實(shí)施監(jiān)測(cè)，把弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)安裝在地鐵列車上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)與情況的數(shù)據(jù)信息[4]。自動(dòng)識(shí)別電弓的羊角變形、缺失和脫落等結(jié)構(gòu)異常問(wèn)題；可以良好地對(duì)電弓碳滑板的磨損程度進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)電弓異常燃弧進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)對(duì)電弓異常燃弧率進(jìn)行檢測(cè)；能夠檢測(cè)出接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)，如拉出值和接觸線的高低偏差與坡度，還有導(dǎo)高等；能夠?qū)κ资茈姽c接觸網(wǎng)的溫度實(shí)施檢測(cè)；可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)發(fā)生的故障，并且迅速對(duì)弓網(wǎng)故障進(jìn)行定位，降低由于地鐵弓網(wǎng)故障引發(fā)一些了的重大事故，保障地鐵線路運(yùn)營(yíng)的安全性和穩(wěn)定性。另外，弓網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，也可以對(duì)弓網(wǎng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)有效統(tǒng)計(jì)與分析，可以為弓網(wǎng)檢修故障人員的弓網(wǎng)檢修工作進(jìn)行和開(kāi)展提供有效數(shù)據(jù)作為檢修參考依據(jù)[5]。

3.2 應(yīng)用信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的共享

為了適應(yīng)高鐵發(fā)展現(xiàn)狀，滿足高鐵安全生產(chǎn)與管理工作的實(shí)際需求，我國(guó)一直致力于智能化與信息技術(shù)的應(yīng)用與推廣，在持續(xù)努力下積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，如在高鐵公務(wù)安全生產(chǎn)與管理系統(tǒng)、高鐵綜合維修和生產(chǎn)管理系統(tǒng)、高鐵接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和綜合管網(wǎng)系統(tǒng)、高鐵6C數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)研究上取得明顯成效。隨著這些系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，積累了設(shè)備的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，也在高鐵安全運(yùn)營(yíng)和專業(yè)管理等各個(gè)方面積累了豐富和有效的數(shù)據(jù)資源，為高鐵弓網(wǎng)檢修和維護(hù)等工作的進(jìn)行提供了技術(shù)支撐與理論參考依據(jù)。但是由于前期各個(gè)專業(yè)保持著相對(duì)獨(dú)立的狀態(tài)，無(wú)法全面實(shí)施，存在對(duì)數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)量以及數(shù)據(jù)流向和數(shù)量規(guī)模等各個(gè)方面需求較不明確等問(wèn)題，出現(xiàn)帶寬不足及傳輸通道的覆蓋面不夠完善和全面等現(xiàn)象[6]。此外，在數(shù)據(jù)共享方面，因?yàn)閿?shù)據(jù)大部分是跨專業(yè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置分布在各個(gè)區(qū)域，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法良好共享與分享，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題。常使用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備數(shù)量很多，所采集的數(shù)據(jù)其格式不同，缺少一致的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析依舊簡(jiǎn)單停留在初期統(tǒng)計(jì)環(huán)節(jié)，綜合數(shù)據(jù)的分析深度以及數(shù)據(jù)挖掘深度與應(yīng)用出現(xiàn)不足，對(duì)弓電的養(yǎng)護(hù)和維修質(zhì)量帶來(lái)很大影響，如影響到維護(hù)與檢修的可預(yù)見(jiàn)性和精準(zhǔn)性。當(dāng)下迫切需要一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與管理規(guī)范，需要組織數(shù)據(jù)實(shí)施集中化的管理，進(jìn)行多源大數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用，保障檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源能夠發(fā)揮出最大的作用和應(yīng)用價(jià)值[7]。

3.3 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)弓網(wǎng)狀態(tài)的多參數(shù)及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的檢測(cè)，具體檢測(cè)參數(shù)涵蓋如下內(nèi)容。①接觸導(dǎo)線的拉出值和硬點(diǎn)，以及導(dǎo)線的高度與接觸力和離線電弧等。檢測(cè)設(shè)備被安裝于運(yùn)行的機(jī)車上，能夠?qū)W(wǎng)整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的檢測(cè)。②高低電壓隔離的高速數(shù)據(jù)的傳輸通道。從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用安全角度考慮，機(jī)車車頂?shù)陌惭b和維護(hù)并不那么復(fù)雜，維護(hù)簡(jiǎn)便，也考慮到信號(hào)傳輸?shù)木嚯x等各因素，可以采取空氣隔離紅外光信號(hào)這一傳輸方式，可以傳輸高低電壓的隔離信號(hào)。③該技術(shù)采用了浮充技術(shù)，使用該技術(shù)高電壓側(cè)電源可以使用7毫安可充的蓄電池來(lái)供電，系統(tǒng)運(yùn)行期間，由高壓換能器設(shè)備與高壓浮充電控制器設(shè)備，經(jīng)機(jī)車高壓的導(dǎo)電桿來(lái)為蓄電池進(jìn)行供電，省去對(duì)高壓側(cè)蓄電池進(jìn)行維護(hù)這一環(huán)節(jié)。與此同時(shí)，從檢測(cè)的方式分析，弓網(wǎng)裝置是真正意義上的動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置，其被安裝于運(yùn)行的電力動(dòng)車中，運(yùn)行期間電力機(jī)車可以直接對(duì)弓網(wǎng)的故障實(shí)施檢測(cè)，便于切實(shí)反映出相對(duì)真實(shí)的弓網(wǎng)的特征。作為一種動(dòng)態(tài)化的檢測(cè)方式，其檢測(cè)的精準(zhǔn)性有保障[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

高速鐵路的建設(shè)與良好發(fā)展是拉動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要途徑和手段之一，此外，高速鐵路的不斷發(fā)展逐漸成為我國(guó)鐵路建設(shè)的特有標(biāo)志。本文從6C系統(tǒng)展開(kāi)討論和研究，分析介紹了弓網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)與弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，提高弓網(wǎng)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)的整體發(fā)展水平，形成良好的系統(tǒng)檢測(cè)與檢測(cè)平臺(tái)，保障高鐵弓網(wǎng)的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加健全，為高鐵檢修和維護(hù)提供參考依據(jù)和指引方向；解決以往剛性接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)期間，接觸線錯(cuò)報(bào)與漏報(bào)警等一系列問(wèn)題，改善以往接觸網(wǎng)關(guān)系復(fù)雜以及安全評(píng)估困難和運(yùn)營(yíng)難度大等現(xiàn)狀，為高鐵動(dòng)車運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性提供保障，促使高速鐵路進(jìn)一步發(fā)展。