鐵路接觸網檢測若干關鍵技術探討

胡磊

（中鐵三局集團電務工程有限公司 山西晉中 030600）

鐵路接觸網檢測若干關鍵技術探討

胡磊

（中鐵三局集團電務工程有限公司 山西晉中 030600）

在高速鐵路供電系統(tǒng)中，主要采取的是接觸式電網供電。但是這種供電方式容易造成因電網接觸不良而產生高鐵運行故障。當前，高速鐵路接觸網檢測關鍵技術問題主要體現在“高速”這一主題上，比如在高速的運行狀態(tài)下，弓網關系更為復雜等等。所以，接觸網檢測加強對接觸壓力等參數的測試與分析是十分必要的。鑒于此，本文以高速鐵路為例，對接觸網檢測存在的計算誤差、噪聲干擾等關鍵技術進行深入研究。

鐵路接觸網；抗干擾去噪；拉出值檢測；技術；研究

在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中，主要包含了牽引變電所以及接觸網兩個部分。其中，接觸網是和鐵路的安全運營有著直接關聯的架空設備。由于鐵路沿線非常復雜，所以接觸網工作環(huán)境相對惡劣。而接觸網的性能直接決定了機車受電弓的受流質量，進而影響到列車的運行安全以及運行速度。故此，隨著鐵路交通的發(fā)展，應不斷研究并創(chuàng)新高速鐵路接觸網的檢測技術，確保供電系統(tǒng)的可靠性與安全性，滿足鐵路運營的發(fā)展需求，從而實現現代化鐵路管理。因此，本文對接觸網幾項關鍵技術進行分析，并提出新的技術方法，對于鐵路運營有非常現實的意義。

1 接觸網檢測關鍵技術存在的問題

結合當前的研究資料表明，接觸網檢測關鍵技術的主要問題主要體現在以下多個方面：

（1）在機車的高速運行下，牽引網的電壓變化較大，且受電弓在空氣作用下使振動也隨之增加，電磁干擾環(huán)境變得更加惡劣。而當前接觸網檢測系統(tǒng)的抗干擾抗噪音技術難以滿足實際需求；

（2）機車在高速運行下，輪軌關系非常復雜，但由于數據庫技術有待改進，所以定位誤差較大，在很大程度上影響機車的正常運行；

（3）隨著鐵軌技術的進步，接觸網檢測模式的識別、數據的分析、故障的診斷難度都有所增加；

（4）為了滿足檢測結果的準確性以及實時性，計算機軟件、硬件系統(tǒng)的運行速度還有待進一步提升；

（5）由于車速較快，定位管坡度測試的難度加大。

總地來說，當前鐵路接觸網關鍵技術問題非常之多，鑒于此，本文對抗干擾抗噪音技術以及接觸網拉出值檢測方法進行研究探索。

2 微弱信號鏡像自適應抗干擾去噪

2.1 理論概述

抗干擾濾波是接觸網檢測技術的核心技術之一，其應用過程直接關系到檢測的準確度。在接觸網檢測系統(tǒng)中，干擾主要有四種類型。分別是電磁干擾、設備相互干擾、離線電火花干擾以及電子元器件由溫度變化導致的干擾。[1]

如圖1所示，信號濾波去噪過程主要從系統(tǒng)輸入信號開始的。系統(tǒng)輸入信號主要包括由傳感器輸出的噪聲信號n（t）以及有用信號s（t）。經過濾波器處理之后，得出無噪聲的信號。

圖1 系統(tǒng)濾波去噪過程圖

隨著自適應濾波理論的發(fā)展，自適應濾波理論與方法也得到了迅速的發(fā)展。但是，對于隨機噪聲信號的濾波，無論是自適應濾波還是傳統(tǒng)的濾波，都無法離開期望信號的經驗。所以本文構建隨機干擾的直流電平鏡像信號，然后對信號進行分時調制，以期克服傳統(tǒng)自適應濾波方法對期望信號經驗知識的過度依賴。

2.2 鏡像變送器電路的構成

如圖2所示，鏡像信號為有用信號對應設計的確知參考信號。也就是說，有用信號與鏡像信號通過分時復用方式而復合在一起，從而共享完全相同用的傳輸路線以及放大歷程。進入計算機后，對有用信號與鏡像信號進行拆分后重建，通過確知信號的疊加干擾修正有用信號中因干擾信號形成的誤差，進而提高檢測的精度。[2]

圖2 參考信號變送器電路圖

2.3 基于確知參考信號的自適應濾波器的實現

在接觸網檢測系統(tǒng)中，不同的干擾信號與被測信號，所采用的鏡像自適應算法是不同的，如圖3所示。

圖3 鏡像自適應濾波的基本原理圖

其中e（n）為差值控制信號，同時也是去噪系統(tǒng)結果的輸出。其中d（n）為期望信號，噪聲為x（n）。而當中噪聲近似輸入x（n）又主要包括噪聲干擾信號n（1/2+n）。K代表的是確知參考信號g在系統(tǒng)傳輸信道中所放大的倍數。

結合以上分析，對于由溫度變化引起的干擾以及由振動引起的干擾，可以采用一項差值處理方法，而對于沖擊、壓力等項目檢測隨機干擾，宜采取統(tǒng)計方法進行自適應處理。[3]

總地而言，對于小于采樣頻率的噪聲，可以通過移相差值法來得到和有用信號相位相對應的噪聲，然后從帶有噪聲的有用信號中減去插值噪聲，可以達到系統(tǒng)去噪的目的。而對于隨機噪聲，可以通過引入兩路觀察樣本，將參考信號觀察樣本作為濾波器輸入，將含噪聲的有用信號樣本作為期望信號，然后由輸出信號和期望信號的差值，基于最小均方準則，計算出自適應濾波器的權系數最佳值。[4]

3 接觸網拉出值檢測方法

3.1 理論概述

接觸網拉出值是鐵路供電系統(tǒng)設計、施工以及維護中非常重要的參考技術。拉出值過小就無法均勻地磨耗滑板，從而容易使滑條形成裂縫，甚至是鉆弓。而拉出值過大，在車速變化時，接觸網接觸線就容易超出受電弓有效工作寬度，形成鉆弓或者刮弓事故。

接觸網拉出值的檢測所使用的傳統(tǒng)方法如圖4所示，在受電弓滑條下安裝數個接近傳感器，從而形成一個檢測陣列，陣列和接觸線水平投影相交，接觸網的偏移值為交點至滑板中心的距離，在定位點處，此偏移值也就是拉出值。

圖4 傳統(tǒng)的拉出值檢測傳感器安裝圖

這一方法對于低速接觸網線路比較適用，但是對于高速接觸網線路還存在分辨率低、成本高、受電弓離線增大等缺陷。[5]故此，為了降低拉出值誤差，本文基于信號頻譜分析、數字濾波處理以及神經網絡等原理，提出新的計算方法。

3.2 測試數據頻譜分析及數字濾波處理

僅僅使用接觸壓力傳感器計算出拉出值，拉出值曲線如圖5所示。然后進行功率密度頻譜分析，結果表明主要能量都集中在50Hz內，而曲線抖動的小波浪，則對應高頻部分。為了使這一問題得到解決，本文設計了新的數字濾波器，得出拉出值曲線如圖6所示。

圖5 經典力學模型得出的原始拉出值曲線圖

圖6 濾波后的拉出值曲線圖

在計算機的周期采樣中，兩個相鄰采樣點的拉出值相差并不大，但是如果設置一個閥值，兩相鄰點變化絕對值小于這一值時給予保留，大于改值予以清除。因此，采用低通濾波器進行計算，無錯誤濾除發(fā)生。

3.3 基于神經網絡模型的拉出值計算

（1）BP神經網絡模型結構

如圖7所示，本文采用的BP網絡為一種單向傳播的多層錢箱網絡。該網絡不僅包含輸出輸入節(jié)點，還包含多層隱層節(jié)點，在同層節(jié)點中無任何耦合。

圖7 BP網絡結構示意圖

從網絡系統(tǒng)結構上而言，表現出了一個從輸入至輸出高度的非線性映射關系，也就是：F：Rm→Rm，f（x）=Y。通過相關計算，可以得出映射f，在最小二乘意義下，f為g的最佳逼近。[6]

（2）BP算法的實現

BP算法用計算機實現的流程為：

①設置壓力計算節(jié)點，引入拉出值計算公式；

②進行初始化，設定閾值初值；

③提供期望輸出與輸入向量；

④計算實際輸出值；

⑤掉證權值，并按誤差反向傳播方向，從輸出接點返回至隱層，進行權值修正；

⑥返回至第3步進行重復計算，直到誤差滿足相關要求為止。

4 結束語

本文主要對高速鐵路接觸網檢測關鍵技術的不足以及相關的傳統(tǒng)技術進行了分析，然后結合理論提出了新的技術方法。總地而言，高速鐵路接觸網檢測是一項復雜的、系統(tǒng)地、科學的、專業(yè)的內容，但是，接觸網檢測方面依然存在許多需要不斷改進與完善的地方。因此，本文不夠詳盡之處也是日后需要不斷努力的方向，以期為鐵路發(fā)展提供更加積極的作用。

[1]陳唐龍.高速鐵路接觸網檢測若干關鍵技術研究[D].西南交通大學，2006，08（12）：77～79.

[2]謝將劍.基于棘輪補償器參數檢測的接觸網在線監(jiān)測技術的研究[D].北京交通大學，2013，05（23）：12～14.

[3]陳燕華.接觸網關鍵部件的視頻圖像檢測與識別技術研究[D].西南交通大學，2013，07（18）：171～172.

[4]徐建芳.基于三維模型的接觸網檢測技術研究[D].西南交通大學，2014，05（23）：66～67.

[5]姚俊杰.接觸網懸掛檢測識別技術研究[D].西南交通大學，2014，08（14）：141.

[6]陳建明.高速鐵路接觸網技術研究及應用[D].中南大學，2004，03（11）：88～89.

U225

A

1004-7344（2016）06-0076-02

2016-2-10

胡磊（1984-），男，助理工程師，大專，主要從事電氣化專業(yè)技術工作。