城市軌道交通接觸網系統在線監測系統設計研究

摘 要：目前地鐵接觸網的日常檢修主要是基于固定周期修，或是根據檢測車的數據，對接觸網技術參數不能滿足要求的，進行狀態修。固定周期修存在維修不足或是維修過度的狀態，而檢測車給出的弓網動態相互作用數據因不能完全表征弓網正常載客運行的狀態，其對維修的指導意義有限，同時由于檢測車有檢測周期和運行速度的限制，不能實時反映弓網動態運行的狀態。文章介紹了地鐵弓網在線監測系統存在的必然性，其功能設置以及其檢測數據的實時性對避免大的弓網故障有一定的實際意義。

關鍵詞：弓網故障；接觸網；研究

1 研究背景

地鐵現有弓網監測裝置，主要是由車輛生產廠家在車頂受電弓并安裝平臺，安裝一個相機，用于弓網視頻監控，但由于相機分辨率不高，拍攝的圖像模糊不清，而且沒有定位功能，不能匯報故障發生的位置信息，系統軟件也沒有故障自動報警功能，導致無法及時發現弓網異常情況，對弓網拉弧缺陷無法進行及時處理和弓網故障無法進行聯控預防。因此，有必要開發出一套弓網在線監測裝置，實時了解弓網動態運行狀態，有效避免弓網故障，指導接觸網工區進行狀態修。

2 研究現狀

接觸網狀態檢測裝置一般可分為四種：便攜式檢測裝置、定點在線監測裝置、專用車載檢測裝置和車載在線檢測設備[1]。

便攜式檢測裝置靠人工單點測量，測量精度、工作效率、工作持續時間等都有很大的限制，只適合普通檢修作業時進行復核測量。

定點在線監測裝置，對接觸網的一些特殊區段或關鍵節點進行定點監測，其缺點是無法對全線接觸網進行監測。

專用車載檢測裝置一般安裝在接觸網作業車、接觸網檢測車等特殊車輛上，雖然可以實現對全線接觸網的檢測，但其檢測間隔時間長，因此缺乏對接觸網各類工況下工作狀態的實時性把握；而且由于專用車輛在車輛長度、車輛重量、運行速度、弓網相互作用、取流等方面的工作狀態與正常運營車輛是不同的，其檢測結果通常難以真實反映運營狀態下的弓網相互作用關系，在弓網燃弧的動態檢測上更是無法實現。

國內尚無類似電氣化鐵路的車載在線檢測裝置進入運營線路實際運行。安裝的弓網視頻監控裝置僅僅能夠進行視頻監控，無法完成故障自動報警功能，及對應的軟件分析功能。因此有必要結合地鐵接觸網檢修的實際情況，開發一套具有故障自動報警以及數據分析功能的弓網在線監測系統。

3 系統功能模塊劃分

弓網動態相互作用的評價指標主要是依據弓網接觸力，弓網燃弧率的大小以及接觸線的抬升量進行評估。目前弓網接觸力的測量還主要是依據接觸式檢測方式，需對弓頭進行相應的改裝，該改裝會對受電弓的動態性能造成一定的影響，在運營車輛安裝，存在一定安全隱患。因此，弓網在線監測系統的功能模塊主要以實現以下三方面的功能進行設計。

（1）弓網高清視頻錄像及接觸網動態導高測量模塊。

（2）弓網電弧檢測模塊。

（3）系統定位模塊。

3.1 弓網高清視頻錄像及接觸網動態導高測量模塊

該模塊由安裝在車頂的高速數字相機及照明構成，主要完成對弓網視頻進行高清錄像及在車輛運行過程中的接觸網動態導高進行高精度測量。采用的相機分辨率為204×1088，采樣頻率為110幀/秒，通過選用50W×2的高亮度LED光源進行照明補強，光源采用頻閃方式與相機拍照同步工作，測量精度為5mm，通過模板匹配的方式測量接觸網的動態導高，測量誤差為10mm。

弓網視頻監控錄像能清晰的再現弓網動態運行的狀態，對于事后接觸網檢修和弓網故障回放具有實際的意義。

3.2 弓網在線電弧檢測模塊

該模塊實現列車運行過程中的弓網電弧檢測及弓網電弧錄像功能。其由安裝車頂的高精度紫外波段相應的紫外相機進行電弧檢測。根據EN50317弓網電弧檢測中，采用銅和銅合金的接觸線，弓網電弧的頻率主要集中在220nm～225nm或者是323nm～329nm[2]，同時考慮該標準中要求的電弧能量密度進行傳感器的選型。滿足EN50367中規定的弓網燃弧測量的最小燃弧時間為5ms的要求[3]。

3.3 系統定位模塊

系統定位分成三個部分：定位識別模塊、速度測量模塊、車站位置定位模塊，整個系統采用圖像分析方法實現。車站定位模塊采用RFID電子標簽的方式來獲取列車進站信號，從而對列車進行定位。

測量時根據列車運行的起始站區識別，結合圖像處理的方法，準確定位定位點的位置和接觸網的典型結構，結合識別的電子標簽的車站信息對檢測數據進行準確定位。

4 結束語

（1）弓網在線監測裝置采用圖像模板識別技術直接對接觸線及受電弓滑板進行模式匹配，對動態導高進行高精度測量。測量結果能反映弓網動態運行的實際狀態。

（2）本系統同時采用高精度紫外相機進行測量，增加濾波設施，測量結果準確，能保證在不同的光照條件下均可正常使用。

（3）弓網在線監測裝置定位準確，能幫助接觸網維修工區進行故障設備的準確定位，提高維修效率。

（4）弓網視頻監控錄像清晰，對接觸網事后故障分析提供弓網動態運行再現的分析手段，能重現受電弓通過時的技術狀態，對實現弓網聯控，查明故障原因具有現實意義。

（5）本系統安裝在運營電客車上，隨著運營電客車的日常運營而長時間反復對弓網相互作用進行監控和檢測，為弓網動態相互作用關系的研究提供數據支持。

系統若能兼顧測量弓網運行中的異常溫升以及接觸網零部件的技術狀態的智能分析，則對于接觸網的健康管理和故障預測提供數據支撐，這可能是弓網在線監測系統的發展方向。

參考文獻

[1]吳積欽.受電弓與接觸網系統[M].成都：西南交通大學出版社，2010.

[2]EN50317 Railway applications-Current collection systems-Requirement for a validation of measurements of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact lines[S].Brussels：CENELEC，2002.

[3]EN50367 Railway applications-Current collection systems -Technical criteria for the interaction between pantograph and overhead line （to achieve free access）[S].Brussels：CENELEC，2002.