基于紅外熱像儀的接觸網載流安全檢測系統

羅軍，張偉，劉家軍，馬世平，劉小川

（1.西安鐵路局 供電段，陜西 西安 710054；2.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048）

基于紅外熱像儀的接觸網載流安全檢測系統

羅軍1，張偉2，劉家軍2，馬世平1，劉小川1

（1.西安鐵路局 供電段，陜西 西安 710054；2.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048）

接觸網是電氣化鐵路的重要組成部分，它的運行狀況與行車安全密切相關。高速運行的機車通過接觸網獲取電能，帶電運行的接觸網運行異常會出現溫度升高的現象，利用紅外熱成像技術，可對接觸網進行帶電檢測。結合當前成熟的紅外熱成像技術，設計了以LPC2368為核心處理芯片的圖像采集與GPRS通信平臺，并針對接觸網的車載檢測和列車高速運動的實際情況加入了GPS定位設計，精確故障位置，有利于合理安排檢修任務。

接觸網；紅外熱成像；GPRS通信；GPS定位

我國輕軌和鐵路列車牽引方式主要為電力機車牽引。電力牽引具有功率大、速度快、能耗低、效率高等特點，電力牽引區段運輸能力明顯提高，運輸成本大為降低[1]。在鐵路建設中，鐵路沿線環境地形復雜多變，氣候不定，接觸網作為常年架空設備非常容易受本身使用壽命與環境因素的影響，因此在電氣化鐵道設備故障中，接觸網故障所占比例相當大[2-3]。電氣化鐵道接觸網紅外測溫是檢查主導流回路的各個接續部位是否接觸良好可靠的主要手段，如果存在接觸不良的現象，在有負荷電流時，就會引起線夾、線索的溫度升高，從而造成燒傷，嚴重時會造成斷線故障，影響列車的運行[4-5]。

現在的接觸網綜合狀態檢測多依靠人工作業，在接觸網有正常負載電流的情況下，接觸網工人站到距離線路較近的位置進行測量；而客運專列的車速較高，造成的空氣負壓足以將人帶入車下，而且線路的80%左右是高架橋，測量人員站到距離線路較近的位置是不允許的，因此不可能近距離測量。如果遠距離測量，有效測量距離和光學分辨率兩項參數必須重新選擇，測溫儀成本也會大幅增加。在當前客運專線的牽引供電管理中，已廣泛地采用了微機化維修管理系統（CMMS）。這種系統具有參數輸入和分析功能，并能夠找出缺陷，下達維修命令工單。為了將現場的測量數據及時轉入CMMS中，這就需要開發一種接觸網綜合狀態智能化檢測系統來適應當前的復雜環境與自動化需求[6-10]。

1 紅外檢測系統總體設計及工作原理

接觸網載流安全紅外檢測系統由圖像采集與信息傳輸終端和監測與控制終端兩部分組成。通過二者的相互配合完成整個檢測和安排維修任務的功能。

圖像采集終與信息傳輸端的工作原理是：圖像采集單元負責采集接觸網當前工作狀態的紅外熱圖像，數據傳輸單元則將圖像及其他數據信息傳到監測與控治終端。監測與控治終端由計算機及監控系統構成，主要負責的任務是：接收圖像及數據信息，并通過圖像處理軟件分析紅外熱圖，歸納數據，得出結論，發出相應控制指令。系統的總體結構見圖1。

圖1 系統總體結構Fig.1 0verall structure of the system

本次研究是基于現有紅外熱像儀的二次開發，重點在于圖像的采集與信息的傳輸。通過完成具有圖1框內功能的檢測系統，來配合后臺對維修任務的安排。

2 系統硬件設計

監測終端的硬件結構如圖2所示。

2.1 主處理模塊

硬件電路的設計以ARM7-LPC2368微處理器為核心。它100 MIPS的性能和0.25 mW/MHz的平均功耗能夠適應一般無線數據傳輸和處理系統所需要的計算能力。在提高整機性能的同時大大降低整機功耗，而且多余的計算能力還可以用在其他一些輔助的應用功能上[11]。LPC2368處理器的最高頻率達到72 MHz，含有高達512 kB的片內flash和58 kB的片內SRAM存儲器，有豐富的功能接口，特別適合工業產品控制[12-13]。

圖2 監測終端硬件結構及功能示意圖Fig.2 The hardware structure and function diagram of the monitoring terminal

2.2 圖像采集模塊

系統中，采用DM60系列非制冷在線式紅外熱像儀。基于DM60紅外熱像儀的RS485輸出串口，可以通過串口的連接進行圖像的傳輸。選用MAX3485串口芯片，該芯片符合RS485串行協議的電氣規范，數據傳輸速率可高達10 Mb/s（帶負載）。模塊接線圖如圖3所示。

圖3 RS485模塊接線圖Fig.3 RS485 module wiring diagram

RO、DI分別為輸出輸入接口，采用單一+3.3 V電源，通過RE輸出使能及DE輸入使能控制輸入輸出模式。

2.3 GPRS通信模塊

將采集到的紅外圖片壓縮為比例適中的JPG格式，以適應GPRS窄帶寬的傳輸需求。GPRS無線通信模塊采用支持彩信功能的TR800模塊，該模塊起橋梁作用，連接檢測裝置與監測終端，以實現它們之間的通信。它具體負責將環境數據通過GPRS通信方式上傳給監控中心[14]。TR800外圍電路主要有：通訊接口電路、電源電路以及SIM卡電路。由于TR800內置了AT指令集，并且配備有UART接口，所以直接通過處理器芯片與TR800的UART接口進行指令和數據傳輸，TR800連接原理如圖4所示。

圖4 TR800連接原理圖Fig.4 TR800 connection diagram

2.4 GPS模塊

由于檢測與維修并非同時進行，為了使系統能夠更準確地下達維修命令，因而在系統中加入了GPS定位功能。GPS采用u-blox6模塊，該模塊集成度高，硬件簡單，易于開發，并且具有較好的經濟性。通過TXdl與ARM芯片的RXdl，RXdl與ARM芯片的TXdl相連接，就可以實現GPS與單片機的簡單通信，再通過SPI接口的接入，就可以實現芯片對GPS的控制。

圖5 GPS模塊接線圖Fig.5 GPS module wiring diagram

2.5 操作鍵盤和LCD液晶顯示模塊

操作鍵盤輸入和LCD液晶屏顯示輸出實現了裝置的人機交互功能，它的主要功能是：

1）通過操作鍵盤輸入，可以進行參數設置和顯示內容的選擇。

2）LCD液晶顯示可以顯示采集到的信息量，包括紅外圖像，故障定位以及當前裝置溫度等內容。

2.6 電源模塊

為裝置內各芯片提供電源，本裝置擁有兩種電壓等級。本次設計選用電源芯片LM2596s為GPRS模塊、GPS模塊與LCD顯示模塊供電，該芯片的輸入電壓為+8 V，芯片起振，正常工作之后，能夠產生+5 V電壓；選用電源芯片LM1117為ARM芯片及其他功能電路供電，該芯片的輸入電壓為+5 V，輸出電壓+3.3 V。

3 系統軟件設計

本裝置主要功能是完成接觸網運行狀態數據的接收和上傳功能。圖6所示為程序整體框架，由初始化和主循環體兩部分組成。

圖6 程序整體框架Fig.6 0verall program framework

3.1 主程序設計

主程序是執行程序的主要函數體，負責調用子程序。采用將子程序的聲明和定義寫在主函數體之前，當需要執行子程序時，在主函數體中調用子程序。這種方式可以提高執行效率，減小代碼錯誤率。主程序結構化流程如圖7所示。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Main program flow chart

3.2 通信連接程序

本裝置中ARM7微處理器的串行通信采用查詢的方式進行，通過設置主循環周期，在每個主循環周期中，查詢來自通信接口中接收fifo的空信號標志，若不為空，則讀取fifo中的數據，并進行相應的操作；若為空，則處于查詢等待狀態。其中串行通信中循環查詢主程序的流程圖如圖8所示。

3.3 GPS定位程序

本裝置的GPS定位模塊采用的是NMEA 0183標準協議，該協議算法主要完成對GPS定位數據信息的合理分類，使用戶可以通過這些語句很方便地獲取所想要的信息。此外該協議算法也對每條GPS輸出的語句進行CRC校驗，如果某條語句校驗錯誤，認為此條語句無效。NMEA 0183協議算法流程圖如圖9所示。

圖8 串行通信程序流程圖Fig.8 Serial communication program flow chart

圖9 NMEA 0183協議算法Fig.9 NMEA 0183 protocol algorithm

GPS模塊接收到的數據時原始數據，要進行數據的進一步利用就需要對數據進行處理，如分離處時間、經度、緯度等。GPS數據處理流程圖如圖10所示。

3.4 彩信發送程序

實現彩信功能的核心，是在GPRS無線分組業務下的XMODEM協議，彩信傳輸圖片附件數據時需要使用該通訊協議。XMODEM協議算法主要實現對數據的正確分包，以及按幀格式封裝并上傳至GPRS/ GSM模塊。具體流程圖如圖11所示。

由于主程序在初始化時，已經對MMSC彩信中心地址、接入點、彩信編碼格式以及MMS通訊模式進行了設置，因此，彩信發送程序主要完成編輯并發送彩信的功能。TR800內置了彩信底層協議，因此可直接調用相應的AT命令。具體流程如圖12所示。

圖10 GPS數據處理流程圖Fig.10 GPS data processing flow chart

圖11 XM0DEM協議算法流程圖Fig.11 XM0DEM protocol algorithm flow chart

4 結語

本文研究的接觸網載流安全紅外檢測系統是在當前紅外熱像儀的基礎上進行的二次開發。通過RS485串口接收紅外熱像儀所采集到的接觸網狀態圖，并匹配檢測點的GPS信息，借助GPRS網絡將綜合信息傳輸至后臺管理系統，進行圖像處理，分析檢測結果，下達維修命令。它可以很好地與客運專線的牽引供電管理所采用的CMMS系統相適應，有利于提升接觸網檢修工作的自動化水平。除此之外，它還具有廣闊的應用前景，可以擴展到電力系統中的熱故障檢測中去。

圖12 彩信發送程序流程圖Fig.12 MMS program flow chart

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（編輯 李沈）

The Catenary Current-Carrying Safety Inspection System Based on the Infrared Thermal Imager

LUO Jun1，ZHANG Wei2，LIU Jiajun2，MA Shiping1，LIU Xiaochuan1
（1.Supply Power Department of Xi’an Railway Bureau，Xi’an 710054，Shaanxi，China；2.Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

The contact net is an important part of the electrified railway，and its running status is closely related to the driving safety.The high-speed train gets electricity by the contact net and faults occurred on the contact net in operation normally give rise to temperature rises，and the infrared thermal imaging technology can be used to detect the faults on the net.However，the artificial fixed-point detection and vehicle detection routine inspection of the traditional method normally cannot meet the real-time and reliability requirements.Based on the mature technology of infrared thermal imaging，this paper designs a real time image processing and communication platform with LPC2368 as the core processing chip and in view of the actual situation of the catenary detection on the train and high-speed movement of the train，the GPS positioning function is added to the design to realize the accurate fault 1ocation for the reasonable arrangement of the inspection and maintenance.KEY W0RDS：contact net；infrared thermal imaging；GPRS communication；GPS position

2015-02-06。

羅 軍（1971），男，工程師，主要從事牽引供電系統運營與生產工作；

張 偉（1990），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統的測量、保護與控制；

劉家軍（1967），男，教授，博士生導師，主要研究領域為電力系統自動化；

馬世平（1965），男，工程師，主要從事牽引供電運營管理工作；

劉小川（1985），男，工程師，主要從事牽引供電運營檢修工作。

西安鐵路局科技研究開發計劃（2014GJ205）。

Xi’an Railway Bureau of Science and Technology Research and Development plan（2014GJ205）.

1674-3814（2015）08-0010-05

U226.5+1

A