剛性接觸網在線監測裝置的研制與應用

劉 銘 關金發 吳積欽

(西南交通大學電氣工程學院， 610031，成都//第一作者，碩士研究生)

剛性接觸網作為牽引供電系統向地鐵列車提供電能的主要途徑，直接影響著地鐵列車的受流質量及牽引供電系統的安全可靠性。因此，實現剛性接觸網的在線監測，已成為各個地鐵公司的重要工作內容之一。

對于剛性接觸網的測量，分為靜態和動態測量。靜態測量，主要是測量接觸網的各部分靜態尺寸，如接觸線高度、之字值、抬升量等[1]。但隨著列車速度的提升，僅靠靜態測量不足以說明弓網之間的關系，此時，剛性接觸網的動態監測就顯得至關重要。弓網相互作用的動態參數主要是以弓網接觸力的大小作為評價指標，當弓網接觸力為零時，可認為受電弓與接觸網之間發生離線[2-3]。對于弓網接觸力的動態測量，國內進行了大量的研制。1987年國內成功研制弓網接觸力測量裝置，但由于選用的傳感器溫差性差，因此使用壽命較短[4]；1998年西南交通大學研制了采用多項傳感器技術的JJC-1型接觸網檢測車，可檢測受電弓接觸力、接觸網導線高度等參數[5]；2009年西南交通大學的吳積欽提出利用加速度傳感器對硬點進行檢測的方案[6]，目前國內仍多采用此方式。國外如德國、日本等接觸網技術較為先進的國家，對于弓網設備的檢測也十分重視。上世紀70年代末，德國設計了采用線陣雙目攝像機的檢測系統，可測量接觸網導高[7]；法國設計了特制的受電弓，在受電弓上安裝傳感器，用于測量弓網接觸力[8]；2002年日本研制了923型檢測車，可沿線路進行激光掃描，檢測弓網、軌道狀態等[9-10]；2004年德國研制了一種采用力傳感器的弓網接觸力檢測車[11]；意大利采用激光照射，利用圖像處理技術等進行接觸網檢測。

綜上所述，世界各國對于剛性接觸網的檢測都十分重視，無論是接觸式檢測還是非接觸式檢測，都或多或少地存在弊端。接觸式檢測較非接觸式檢測，費時費力，易造成受電弓結構的改變，且由于傳感器的存在，易造成受電弓重量計算等存在誤差；非接觸式檢測，需要較高的圖像識別技術及大量的數據存儲，且傳統的非接觸式檢測，無法檢測動力學參數。本文介紹的剛性接觸網在線監測裝置，為非接觸式檢測，可以實現測量弓網振動位移、分析弓網受流情況以及燃弧檢測的目的，既避免了剛性接觸網接觸式檢測技術的弊端，又可實現剛性接觸網的動力性能檢測。

1 在線監測裝置的組成

為分析受電弓及剛性接觸網振動位移、電力機車受流情況以及弓網燃弧的原因，使用高清相機、燃弧相機和高速相機組成剛性接觸網的在線監測裝置，捕捉受電弓通過剛性接觸網的弓網燃弧現象和剛性接觸網位移情況。

在線監測裝置的組成包括：外部電源、紫外相機、高速相機、高清攝像機、采集設備、數據采集計算機、光電開關模塊、光電傳輸模塊、4G傳輸模塊、路由器、云服務器和便攜式數據處理計算機。在線監測裝置系統框圖如圖1所示。

圖1 在線監測裝置系統框圖

圖1中隧道內設備主要由傳感器、采集設備、照明設備、計算機和通信設備組成，用于實現在線監測裝置的數據采集與本地儲存功能。站場設備主要由通信設備和無線傳輸設備組成。通過站場設備可以利用數據處理計算機連接路由器，遠程控制數據采集計算機，從而實現對數據采集計算機的調試和測試數據的讀取。外部移動設備包括云服務器和數據處理計算機，其中云服務器中存儲由站場中的4G模塊主動發送的燃弧和接觸線垂向位移數據，利用數據處理計算機在外部實現弓網系統的在線監控，實時掌握弓網動態行為。

測試數據利用光電轉換模塊和光纖，實現本地與遠程計算機通信，便于對隧道內計算機的調試和數據傳輸。所有測試數據首先保存在隧道內的數據采集計算機內。間隔一定時間周期(視記錄數據的大小而定)，利用站場路由器，將數據采集計算機內數據拷貝至數據處理計算機，尤其是高清圖像和錄像數據。數據采集計算機利用無線通信手段，實時獲取采集的燃弧和接觸線垂向位移數據。

2 在線監測裝置的監測原理

2.1 紫外濾光原理

由于弓網燃弧時，會產生大量的光和熱，影響對受電弓接觸網的垂直位移檢測以及弓網動態關系的監測，因此，在線監測首先考慮的是對弓網燃弧的弧光的濾除。

由文獻[12-13]可知，當發生弓網燃弧時，其光強度主要集中在可見光及近紫外的波段。紫外線的波長范圍為10～400 nm，弓網燃弧現象特征光譜范圍受接觸線與滑板材料、牽引供電電壓、環境等多方面因素影響，不盡相同，但基本集中在393～398 nm、310～330 nm、244～269 nm這3個波段內，而可見光的波長范圍為400～760 nm，如圖2所示。顯然，二者光譜范圍并不重合，可以依據此差異進行燃弧檢測。

圖2 燃弧光譜、可見光譜、紫外光譜對比圖

此外，當發生弓網燃弧時，強烈的光會使高清攝像機無法看清弓網動態相互作用情況，為了清晰觀察記錄受電弓碳滑板與接觸線的接觸情況，將高清相機鏡頭前加裝紫外濾光片，可以抑制弧光進入相機，以此濾掉燃弧產生的雜光。

2.2 弓網位移監測原理

當電力機車高速通過剛性接觸網時，車體的振動、受電弓的上下浮動會引起接觸網的振動。當沒有發生燃弧時，利用位移相機可清晰記錄受電弓與接觸網的垂直振動位移；當發生弓網燃弧時，利用紫外濾光方法，即在位移相機鏡頭前同樣安裝紫外濾光片，濾除燃弧產生的紫外光，以此記錄弓網垂直位移。

當位移相機記錄受電弓與接觸網的位移圖像后，數據通過現場總線，進入CPU(中央處理器)，由專門的圖像識別軟件、數據庫軟件等進行識別分析，記錄弓網垂直位移情況，生成實時記錄表格。

弓網垂直位移的圖像識別原理是，通過圖像跟蹤識別接觸線上某一點的垂直位移變化。通常情況下采用邊緣檢測法或模板匹配法，由于當受電弓經過接觸線時，會影響邊緣檢測，造成誤差過大，因此采用模板匹配法。模板匹配的工作方式與直方圖的反向投影相似，原理是通過在輸入圖像上滑動圖像塊，對實際的圖像塊和輸入圖像進行匹配。

2.3 弓網燃弧監測原理

對于剛性接觸網的燃弧檢測，國內外目前主要有兩種，一種是電學檢測法，一種是光學檢測法。本文介紹的剛性接觸網在線監測裝置，采用的是光學檢測法。光學檢測法，其原理是通過光電傳感器將燃弧產生的光信號轉化成電信號，進行分析判斷。

對于剛性接觸網的燃弧檢測，可在地鐵通過的隧道壁上安裝紫外光電傳感器，當燃弧發生時，紫外光電傳感器感應到燃弧產生的紫外光，發出電信號，電信號經過放大和濾波處理，被單片機系統接收，然后進入上位機，進行數據的存儲和記錄。監測過程如圖3所示。

圖3 燃弧監測過程

綜上所述，在線監測裝置利用弧光與可見光波段的不同進行濾光，并依據弧光波段捕獲的原理進行燃弧檢測，同時利用模塊匹配法進行圖像識別，記錄弓網垂直位移。

此外，為盡量減少不必要的多余數據進行存儲記錄，可在實際操作中增加觸發裝置，即圖1中的光電開關。在剛性接觸網在線檢測裝置的列車駛入方向安裝紅外感應開關，該裝置通過數據線連接到照明設備及數據采集計算機。當列車駛來時，觸發紅外感應開關，開始數據采集工作，高清攝像機、燃弧攝像機等開始記錄，進行數據存儲工作。

3 在線監測裝置的應用

3.1 應用方案分析

在國內某地鐵的剛性接觸網監測中，應用了本文介紹的在線監測裝置。該線路某段區域內膨脹接頭附近燃弧嚴重，因此，采用的方案是，對于要監測的區域，監測裝置安裝于對應的隧道壁上，具體相機的安裝位置如圖4所示，3個位移相機對準跨中，2個高清錄像相機中，1個為遠端整體拍攝，1個為近端局部拍攝，燃弧相機拍攝燃弧較大的區域。同時，在列車駛入方向的隧道壁上，安裝紅外感應裝置，作為系統的光電開關。

在線監測裝置中相機和燈具安裝于隧道壁上的電纜排上，計算機安裝于人員疏散通道下方。

圖4 在線監測設備安裝位置

利用該裝置測到的燃弧和接觸線垂向位移數據通過云服務器存儲，由站場中的4G模塊主動發送，利用數據處理計算機在外部實現弓網系統的在線監控，實時掌握弓網動態行為。

為便于調試和數據傳輸，在線監測設備采用了4G網絡通信，可實現遠程控制計算機，隨時隨地遠程訪問。

3.2 應用結果分析

由高清攝像機、燃弧相機、位移相機拍攝的圖像實時傳到上位機進行存儲。除了高清圖像記錄外，在線監測裝置還記錄了燃弧時間和3個跨中點的位移，以及對應高清圖片的幀序號，如圖5所示。所有數據做到了同步記錄，即某一時刻記錄圖片對應幀號、燃弧時間和位移大小。

監測試驗通過對兩列裝有不同型號受電弓的列車進行監測，統計兩列車的燃弧時間，見圖6與圖7。發現兩種型號受電弓通過該監測區域時，均產生燃弧，但累計燃弧時間相差100 ms，說明該膨脹接頭對不同型號受電弓的燃弧存在差異性。

圖6 兩列車通過監測點的瞬時燃弧記錄

圖7 兩列車通過監測點的累計燃弧記錄

圖8為某列車通過監測點后的3個跨中點的位移時間曲線。由圖8可知，膨脹接頭的位移變化最小，錨段前跨中次之，錨段后跨中最大。

分析發現，由于該膨脹接頭重量過重，當受電弓通過時，抬升量較其他接觸網部分小，因此無法保持受電弓與接觸線的良好接觸，易產生燃弧。因此，建議該地鐵改良該膨脹接頭結構，減輕其重量，或在日后設計建設中，使用代替產品，如其他膨脹接頭或錨段關節，但該建議方案效果未定，可使用本文所介紹的剛性接觸網在線監測裝置進行重新評估。

圖8 某列車通過監測點后的3個跨中點的位移時間曲線

總之，通過應用剛性接觸網在線監測裝置，實現了對國內某地鐵線路的在線監測，記錄了列車通過時的燃弧情況以及弓網垂直位移情況，發現了該線路段的燃弧原因，對該路段剛性接觸網的檢修及改善具有實際意義。同時，驗證了該在線監測裝置的可靠性與安全性，效果理想。

4 結論

(1) 該系統主要由在線監測裝置、紫外光電傳感器、便攜式數據處理計算機等組成；依據弧光波段捕獲的原理進行燃弧檢測，利用模塊匹配法進行圖像識別，記錄弓網垂直位移。

(2) 實際測試效果理想，能準確發現故障。

(3) 該系統可實現數據實時同步，安裝便捷，可遠程操作，穩定性高，可移植性高，為剛性接觸網的日常維護提供了一種有效手段。