靴軌受流在線檢測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用研究

陳善樂

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，城市軌道交通發(fā)展迅速[1]。靴軌受流作為城市軌道交通一種常見的受流方式，通過集電靴側(cè)碳滑板與接觸軌接觸，實現(xiàn)地鐵車輛的動能供給[2，3]。靴軌受流系統(tǒng)主要由接觸軌、集電靴和供電系統(tǒng)組成，其狀態(tài)優(yōu)劣直接影響地鐵的安全運營，對其加強(qiáng)狀態(tài)檢測十分必要[4～6]。

靴軌受流系統(tǒng)雖然已經(jīng)存在50多年，但與之配套的靴軌在線檢測系統(tǒng)發(fā)展相對緩慢。相比弓網(wǎng)受流系統(tǒng)，由于其應(yīng)用范圍較廣，弓網(wǎng)系統(tǒng)檢測的研究較多[7，8]，而涉及靴軌受流檢測領(lǐng)域的文獻(xiàn)較少。其中，文獻(xiàn)[9]研究基于圖像處理技術(shù)實現(xiàn)接觸軌的幾何參數(shù)檢測，但該方法需要無電狀態(tài)，且只能低速檢測，限制了方法應(yīng)用。文獻(xiàn)[10]針對靴軌系統(tǒng)實際應(yīng)用過程存在的問題，提出通過在線檢測電流值進(jìn)行狀態(tài)檢測。文獻(xiàn)[3]基于激光三角測距理論，通過對接觸軌進(jìn)行幾何參數(shù)計算，獲得接觸軌幾何參數(shù)檢測值。

從上述文獻(xiàn)可知，目前對靴軌受流系統(tǒng)在線檢測技術(shù)的研究較少，而開展靴軌受流系統(tǒng)在線狀態(tài)研究能夠更好保證靴軌受流質(zhì)量，保障城市軌道交通的穩(wěn)定運營。為準(zhǔn)確評估靴軌受流系統(tǒng)的運行狀態(tài)，本文設(shè)計了一種靴軌受流系統(tǒng)在線檢測系統(tǒng)，運用激光測距、紫外光電傳感、光纖應(yīng)變傳感和光纖硬點傳感等技術(shù)實現(xiàn)對靴軌受流系統(tǒng)的動態(tài)檢測，主要包括接觸軌幾何參數(shù)檢測、靴軌接觸力檢測、集電靴硬點檢測和靴軌燃弧檢測。

1 靴軌在線檢測系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

1.1 架構(gòu)組成

靴軌在線檢測系統(tǒng)主要由車外檢測設(shè)備、車內(nèi)處理單元、遠(yuǎn)程輸送通道和地面數(shù)據(jù)中心等組成，基本結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 靴軌在線檢測系統(tǒng)架構(gòu)

基本檢測單元主要由接觸軌幾何參數(shù)檢測模塊、集電靴電流及電壓檢測模塊、硬點檢測模塊、接觸壓力檢測模塊和靴軌燃弧檢測系統(tǒng)組成。

車內(nèi)處理單元主要作用為對各檢測模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并實現(xiàn)與車輛控制與管理系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)中心的通信。

1.2 接觸軌幾何參數(shù)檢測

圖2 接觸軌幾何參數(shù)檢測原理拓?fù)?/p>

二維激光測距傳感器（2D傳感器）為圖像采集模塊中的核心組件，由相機(jī)和線激光器組成，原理是激光光源投射到接觸軌表面，利用三角成像原理，相機(jī)與激光光源成一定角度，拍攝接觸軌表面結(jié)構(gòu)光圖像，通過視覺成像模型，計算目標(biāo)點所在的世界坐標(biāo)位置2D傳感器檢測原理如圖3所示。

圖3 2D傳感器檢測原理

圖像采集模塊示意圖如圖4所示，在接觸軌幾何參數(shù)檢測過程中，處理主機(jī)采集2D傳感器圖像，經(jīng)過圖像處理、圖像識別與空間轉(zhuǎn)換后，可以獲得接觸軌目標(biāo)點相對2D傳感器的水平位置和垂直位置，通過傳感器安裝參數(shù)與動態(tài)補償技術(shù)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為接觸軌中心距離線路中心水平距離和接觸軌受流面與走行軌鋼軌頂面的垂直距離。

圖4 圖像采集模塊示意圖

將檢測到的接觸軌受流面與走行軌鋼軌頂面的垂直距離數(shù)據(jù)與綜合定位數(shù)據(jù)中的距離信息結(jié)合，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換即可得到接觸軌坡度及端部彎頭幾何參數(shù)信息。

激光測距傳感器通過采集與線路周邊物體的距離信息，進(jìn)行濾波處理后，可確定線路中支柱位置，將每次獲得的支柱位置與綜合定位信息結(jié)合即可得到跨距數(shù)據(jù)。

1.3 靴軌動態(tài)參數(shù)檢測

靴軌動態(tài)參數(shù)檢測子系統(tǒng)可分為電氣參數(shù)檢測和機(jī)械參數(shù)檢測，其中燃弧檢測、集電靴電流/電壓檢測屬于電氣參數(shù)檢測，接觸壓力和沖擊加速度（硬點）檢測屬于機(jī)械參數(shù)檢測。

靴軌動態(tài)參數(shù)檢測子系統(tǒng)主要包括靴軌燃弧檢測模塊、牽引電流檢測模塊、集電靴電壓檢測模塊、接觸壓力檢測模塊、硬點檢測模塊、傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及供電模塊。

1.3.1 靴軌燃弧檢測模塊

據(jù)九江旅游發(fā)改委統(tǒng)計，有近七層左右的旅游者開始選擇類似于自駕游的自主意愿強(qiáng)的旅游方式。自由行的旅游者對旅游信息的需求較為強(qiáng)烈。廬山溫泉鎮(zhèn)景區(qū)沒有建設(shè)全市統(tǒng)一的旅游公眾號，作者使用百度對廬山溫泉景區(qū)進(jìn)行搜索，沒有統(tǒng)一的網(wǎng)站，僅僅只有集團(tuán)化的度假酒店官網(wǎng)能對溫泉產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)訂。美團(tuán)，途牛等網(wǎng)站也僅僅是售賣溫泉鎮(zhèn)的線路產(chǎn)品，門票。小鎮(zhèn)旅游沒有運用VR技術(shù)，3D成像技術(shù)對景區(qū)景點進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)上的導(dǎo)覽。廬山溫泉鎮(zhèn)必須意識到智慧旅游的重要性，大力發(fā)展現(xiàn)代旅游服務(wù)業(yè)。

靴軌燃弧檢測運用紫外光電檢測技術(shù)，通過檢測靴軌燃弧紫外特征光實現(xiàn)燃弧檢測。其具體檢測過程如下：首先運用光學(xué)采集設(shè)備對燃弧紫外光特征量進(jìn)行采集，然后將燃弧光信號輸入紫外光電傳感系統(tǒng)處理，主要目的是完成光信號至電信號的轉(zhuǎn)換，最終將電信號送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成檢測結(jié)果輸出。

（1）光學(xué)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由濾光片、透鏡組和接收裝置組成。該系統(tǒng)具有高強(qiáng)度抗干擾性，能夠精準(zhǔn)地對所有靴軌燃弧輻射的特定譜段紫外光進(jìn)行捕捉，同時濾光片能夠濾除多余的雜散光。

圖5 光學(xué)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

（2）紫外光電傳感系統(tǒng)主要由紫外光電傳感器、信號處理模塊、電源模塊以及光纖適配器等組成，基本構(gòu)成如圖6所示。本系統(tǒng)核心部件為紫外光電傳感器，能夠有效實時地完成靴軌燃弧特征光信號至電信號的轉(zhuǎn)換。

圖6 紫外光電傳感系統(tǒng)框架

（3）電信號采集組件由專用信號采集板卡組成，實現(xiàn)微弱信號的濾波、放大、采集、處理以及信號傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1.3.2 接觸壓力檢測模塊

接觸壓力檢測的基本原理是通過對集電靴支撐臂的形變進(jìn)行測量，考慮到集電靴處于高壓環(huán)境，特采用在集電靴上貼高靈敏度的光纖光柵應(yīng)變片的方式對集電靴支撐臂的形變進(jìn)行量化測量，利用光纖傳輸方式將信號傳輸至車內(nèi)中央數(shù)據(jù)處理主機(jī)進(jìn)行處理。同時構(gòu)建靜態(tài)標(biāo)定計算模型，通過該模型計算可實時顯示動態(tài)的接觸壓力曲線。

1.3.3 硬點檢測模塊

硬點檢測模塊采用光纖硬點傳感器信號對集電靴垂向加速度（硬點）進(jìn)行測試，通過光纖的方式引至車內(nèi)中央數(shù)據(jù)主機(jī)進(jìn)行集中處理。

考慮到接觸軌受流面與鋼軌平面的垂直距離為200 mm，集電靴降靴狀態(tài)限界要求集電靴最低點距離軌面高度為95 mm，故集電靴受流臂底面安裝加速度傳感器方案不可行。為保證限界距離，加速度計位于靴臂中間的空檔處。靴臂厚度約為 60 mm，加速度計厚度為55 mm，保證加速度計安裝后不會超過靴臂厚度，故視為不超限界。如圖7中所示，借用集電靴上的2顆螺栓，制作一個T形連接板固定加速度計；加速度計安裝后會增加約0.6 kg重量。為確保動態(tài)測量過程中人身安全，安裝過程中應(yīng)進(jìn)行絕緣處理。

圖7 加速度信號檢測流程

2 靴軌在線檢測系統(tǒng)實例驗證

2.1 靴軌燃弧檢測

為驗證本系統(tǒng)的有效性，選取廣州地鐵某區(qū)間線路作為測試線路，選取燃弧次數(shù)、燃弧持續(xù)時間和燃弧率作為評價指標(biāo)，燃弧持續(xù)時間tarc指所測區(qū)段每個所測燃弧持續(xù)時間的總和，計算式為

式中：ti為所測區(qū)段的第i次燃弧的持續(xù)時間，ms。

燃弧率NQ為所測區(qū)段的燃弧總時間與測量時間的比值：

式中：ttotal為所測區(qū)段的測量時間，ms。

靴軌受流在線檢測系統(tǒng)可針對燃弧現(xiàn)象檢測燃弧率和最長燃弧時間等指標(biāo)，同時設(shè)有燃弧報警功能。表1為該系統(tǒng)的燃弧檢測結(jié)果，可以看出其能夠檢測出最短4 ms燃弧時長，具有較高檢測靈敏度，最長燃弧時長和燃弧率分別為 41 ms和0.019%，滿足標(biāo)準(zhǔn)檢測要求。

表1 燃弧檢測結(jié)果

2.2 靴軌接觸力檢測

實驗條件同上，采用接觸力平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差作為評價指標(biāo)，接觸力平均值Fm指所測區(qū)段所有壓力值的平均值（N）。接觸力平均值可以反映高速運行時靴軌接觸的整體狀態(tài)。

接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ指所測區(qū)段接觸力真實值與壓力均值的偏差；接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差可以反映整個靴軌接觸力的波動范圍及離散程度，是評判靴軌運行質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。

式中：Fn為采樣點r處的靴軌動態(tài)接觸力值，N；N為整個所測區(qū)段內(nèi)采樣點的總個數(shù)。

圖8所示為測試線路的動態(tài)接觸力分布曲線，可以看出，最小接觸力為123 N，最大接觸力為211 N，滿足實驗要求。經(jīng)在線檢測系統(tǒng)檢測并計算，得到靴軌接觸力平均值為123.7 N，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.1 N，滿足要求。

圖8 接觸力分布曲線

2.3 靴軌硬點檢測

由于硬點具有離散性，且是反映接觸軌平順性的重要指標(biāo)，故需對一個區(qū)間內(nèi)所有硬點值均進(jìn)行分析，同時輸出硬點最大值。本文選用硬點加速度作為評價指標(biāo)，即所測區(qū)間內(nèi)集電靴對接觸軌的垂向加速度（硬點），計算式為

式中：Gmax為所測區(qū)間內(nèi)最大硬點值；G(i)為所測的第i個垂向加速度，m/s2，0≤i≤I。

圖9所示為所測得的硬點分布曲線。由圖可知，上行線路的最大瞬時硬點為412.6 m/s2，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的集電靴垂向加速度（硬點）應(yīng)小于490 m/s2。

圖9 硬點分布曲線

綜上所述，測試線路上行線員村站至金杭站全線各檢測指標(biāo)均在要求范圍內(nèi)，具有較好的運行狀態(tài)。同時，本系統(tǒng)各項指標(biāo)檢測準(zhǔn)確度均滿足要求，具有良好的實際應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

借鑒弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗，本文設(shè)計了一種靴軌受流在線檢測裝置。運用激光測距、紫外光電傳感、光纖應(yīng)變傳感和光纖硬點傳感等技術(shù)實現(xiàn)對靴軌接觸力、集電靴硬點和靴軌燃弧等關(guān)鍵指標(biāo)的檢測。通過對廣州地鐵員村站至金杭站實際線路測試，本系統(tǒng)能夠檢測時長為4 ms的燃弧現(xiàn)象，接觸力檢測標(biāo)準(zhǔn)偏差為 2.1 N，最大瞬時硬點 412.6 m/s2，具有良好的檢測精度和靈敏度，為靴軌受流系統(tǒng)狀態(tài)評估奠定良好基礎(chǔ)。下一步將對提高檢測系統(tǒng)的精準(zhǔn)度作進(jìn)一步研究，以提升靴軌系統(tǒng)狀態(tài)評估的準(zhǔn)確性。