和諧型機車受電弓及車鉤狀態(tài)監(jiān)控裝置研究

任義軍

(中國鐵路西安局集團有限公司 機務處， 西安 710054)

機車車載安全防護系統(tǒng)(6A系統(tǒng))[1]自2014年在西安局批量裝車以來，對機車運用安全發(fā)揮了極其重要的作用，但在實際運用中，機車6A視頻子系統(tǒng)僅能監(jiān)視機車前端路況、司機室及機械間的視頻狀況，對機車車頂弓網(wǎng)狀態(tài)和機車兩端車鉤瞭望視覺盲區(qū)均無監(jiān)視裝置，不利于車頂受電弓運行狀態(tài)和機車兩端車鉤視覺盲區(qū)的安全卡控。

1 技術方案設計

車頂弓網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測、車鉤狀態(tài)監(jiān)測已經(jīng)在城際動車組、地鐵上有過研究[2-3]，文中針對機車，提出了在原有機車車載安全防護系統(tǒng)(6A系統(tǒng))機車自動視頻監(jiān)控及記錄子系統(tǒng)的基礎上，增加監(jiān)控受電弓攝像頭和車鉤攝像頭，通過司機室的音視頻顯示終端，實現(xiàn)實時查看機車車鉤狀態(tài)和車頂弓網(wǎng)狀態(tài)功能。

1.1 系統(tǒng)組成

在機車兩端部各加裝車鉤監(jiān)控攝像頭，在機車頂部加裝受電弓監(jiān)控攝像頭，方便司機察看確認車鉤聯(lián)掛和受電弓部位情況。

每臺機車共增加4個攝像頭，具體是兩端車鉤各1個，兩個受電弓各1個。同時每個攝像頭均配套固定結構件、防護外罩，同時，增加攝像頭信號電纜和電源電纜。

和諧機車受電弓車鉤視頻圖像監(jiān)控在6A系統(tǒng)視頻子系統(tǒng)上運行，其監(jiān)測數(shù)據(jù)同步存儲，并利用音視頻顯示終端進行視頻預覽及故障報警。

由于每個視頻采集板卡只支持8路視頻采集通道，HXD1型機車每節(jié)均有6個視頻采集通道，1個音頻采集通道， HXD1型機每節(jié)視頻子系統(tǒng)只剩余1路視頻通道，因此每節(jié)都需要增加1塊AV2視頻采集板卡，用于擴展采集視頻通道。

1.2 總體方案

1.2.1受電弓監(jiān)控攝像頭安裝方案

將受電弓監(jiān)控攝像頭安裝在機車頂部，采用專用防護罩對監(jiān)控攝像機進行集成和防護，防護罩中心距離受電弓弓頭位置中心距離約3～5 m，采用車頂開過線孔。具體安裝位置根據(jù)不同車型確定。

受電弓監(jiān)控攝像頭整體呈流線形，外罩為玻璃鋼材質(zhì)，整體開模鑄造。使用6個M12螺栓與車體連接。受電弓監(jiān)控攝像機帶白光補光燈，對夜晚較暗的環(huán)境下進行照度補償。為防止雨雪天氣對視頻監(jiān)控質(zhì)量的影響，攝像機自帶加溫玻璃，達到啟動溫度值的時候加溫玻璃自動啟動，融化雨雪冰霜等，如圖1所示。受電弓監(jiān)控攝像頭加裝后效果如圖2所示。

圖1 受電弓監(jiān)控攝像頭外形圖

受電弓監(jiān)控攝像機視場角70°，焦距4 mm，視場3～6 m范圍內(nèi)最為清晰。圖3是1∶1建模模擬3～6 m視場受電弓監(jiān)控攝像機視場覆蓋效果。

圖2 受電弓監(jiān)控攝像頭 加裝后效果圖

圖3 受電弓監(jiān)控攝像頭 視場覆蓋模擬圖

1.2.2車鉤監(jiān)控攝像頭安裝方案

將車鉤監(jiān)控攝像頭安裝在機車，采用專用防護罩對監(jiān)控攝像機進行集成和防護，其外形圖如圖4所示。防護罩中心距距離車鉤中心約0.5～1 m，采用車體開過線孔。具體安裝位置根據(jù)不同車型會有所差異。圖5為車鉤監(jiān)控攝像頭加裝后效果圖。

圖4 車鉤攝像頭外形示意圖

2 硬件選型

根據(jù)以上方案設計，結合西安局現(xiàn)場運用實際，對車頂受電弓監(jiān)控攝像頭和機車兩端監(jiān)控車鉤攝像頭的技術參數(shù)選定如下。

圖5 車鉤監(jiān)控攝像頭加裝后效果圖

2.1 受電弓監(jiān)控攝像頭

受電弓監(jiān)控視頻存儲不低于8幀/s、分辨率不低于4CIF格式；實時采集受電弓監(jiān)控區(qū)域的視頻數(shù)據(jù)，且視頻可統(tǒng)一采用6A系統(tǒng)視頻子系統(tǒng)預留的第7通道。

額定功率：≤5 W(加熱功能關閉，補光功率10 W±15%)，≤25 W(加熱功能開啟，補光功率(10±15%) W。

水平分辨率(標稱)：≥700 TV Line，實測誤差不大于10%；信噪比：≥48 dB；鏡頭焦距：3.6 mm；鏡頭光圈數(shù)：F1.8；低照度：0.5LUX可正常工作。

玻璃鋼外罩；攝像頭鏡頭采用鋼化玻璃，防護等級IP67。

外形結構要求：整體開模加工，成流線型，不能帶有尖角；功能要求：帶有補光功能、防雨雪防污功能、加溫玻璃功能(可設定開啟溫限值)。

視場覆蓋要求：能覆蓋接觸網(wǎng)上方200 mm至車頂滑板內(nèi)的空間區(qū)域。

2.2 車鉤監(jiān)控攝像頭

車鉤監(jiān)控視頻存儲不低于4幀/s、分辨率不低于CIF格式；使用紅外彩色攝像頭，紅外燈自動開啟和關閉。

額定功率：≤5 W(不帶加熱，紅外補光功率(3±15%) W)，≤20 W(帶加熱，紅外補光功率(3±15%) W)。

水平分辨率(標稱)：≥700 TV Line，實測誤差不大于10%；信噪比：≥48 dB；鏡頭焦距：3.6 mm；鏡頭光圈：F1.8；低照度：0LUX可正常工作，小于10LUX轉(zhuǎn)黑白。

金屬外殼；攝像頭鏡頭采用鋼化玻璃，防護等級IP67。

3 和諧型機車加裝方案

根據(jù)以上技術方案和硬件選型，確定HXD1、HXD2及HXD3型系列機車的通用加裝方案如下：

3.1 布線部分

自6A主機接出線纜。

經(jīng)線槽將線纜分別布置到司機室后墻位置和機械間頂蓋處，司機室后墻位置通過密封體進入司機室，機械間頂蓋上車頂處通過密封體進入車頂。

引出電纜預留出200 mm的余量，且使用編織網(wǎng)管進行防護。

3.2 受電弓監(jiān)控攝像頭外罩安裝

對車頂焊接安裝過渡板，根據(jù)要求尺寸安裝受電弓外罩，完成連接后，根據(jù)調(diào)試要求進行受電弓監(jiān)控性能及角度調(diào)試。受電弓監(jiān)控外罩安裝具體步驟如下：

在車頂板上開孔，一個走線孔，6個安裝孔，走線孔直徑40 mm，需要制造自帶螺絲孔的安裝過渡平板，將過渡板焊接在車頂，用自帶螺釘將受電弓監(jiān)控外罩安裝在過渡板上，使用螺栓貫穿式禁錮，確定安裝牢固后連接線纜。

3.3 車鉤監(jiān)控攝像頭外罩安裝

對車體焊接安裝過渡板，根據(jù)要求尺寸安裝車鉤監(jiān)控攝像頭外罩，完成連接后，根據(jù)調(diào)試要求進行車鉤監(jiān)控攝像頭性能及角度調(diào)試。車鉤監(jiān)控攝像頭外罩安裝具體要求如下：

在車體上1個走線孔，4個安裝孔，走線孔直徑40 mm；

自帶螺絲孔的安裝過渡平板，并將過渡板焊接在車底；

用自帶螺釘將車鉤監(jiān)控攝像頭(帶外罩)安裝在過渡板上，使用螺栓貫穿式禁錮，確定安裝牢固后連接線纜；

固定膠進行防水密封及螺栓固定，防止脫落。

4 HXD3D型機車試裝方案

4.1 電氣接口及布線

受電弓視頻監(jiān)控的電源線和信號線從6A系統(tǒng)主機柜布到機械間頂棚處，為方便頂蓋的拆卸，在頂蓋上車頂處進行打斷處理。車鉤視頻監(jiān)控的電源線和信號線從6A系統(tǒng)主機柜布到司機室，從司機室底部開孔過線到車鉤攝像頭位置。

線纜連接器電氣接口，主機端具體通道關系需根據(jù)不同車型及車號確定。PWR-34連接點位對照表如表1。過渡線纜連接點位對照表如表2。

表1 PWR-34連接點位對照表

表2 過渡線纜連接點位對照表

線纜的現(xiàn)場操作方法：找到PWR-34，查看PWR-34插座25、21、34、17點位是否有插針，如無插針，則說明未被占用，可以使用；如有插針，則需另找點位。

(1)用M3螺絲刀將PWR-34插頭拆解，如圖6所示依次拆除緊固螺釘，然后按照線纜定義使用送針器分別將待加裝線纜加入到插頭中，將電源線一端插入到PWR-34插頭的相應點位(定義點位參照線纜定義表)。注意：新加裝的線纜應從原線纜的黃色線號(φ25 mm)里面穿過。

圖6 連接器示意圖

(2)恢復PW-34插頭，將其插入到主機箱相應插座中并用螺釘緊固，完成后用萬用表測試線纜導通情況。注意：恢復時，保證連接器的點位方向與其出線方向的對應關系與原來一致。

4.2 車鉤監(jiān)控攝像頭

安裝位置：車前端車鉤上部平臺偏右，如圖7所示。

走線：沿車鉤安裝座下至既有車體開孔，進入車底后，沿車底既有走線路徑至3軸附近車底上車孔，進入機械間。沿側(cè)墻走線槽走至6A機柜附近，下至機械間地板，由地板進入6A主機柜。

走線要求：線纜上車處打斷，其余不打斷。

圖7 HXD3D車鉤攝像頭安裝位置

圖8 車鉤攝像頭安裝接口尺寸圖

4.3 受電弓攝像頭

安裝位置：機車中央頂蓋車頂天窗兩側(cè)(或一側(cè))，如圖9所示。分別照射兩端受電弓。

走線：車頂下穿至車體過渡插頭位置。沿側(cè)墻至6A主機附近，下至機械間地板，由地板進入6A主機柜。

線長：車頂與車體過渡位置打斷，其余不打斷。

圖9 HXD3D受電弓 攝像頭安裝位置

圖10 受電弓攝像頭安裝尺寸圖

4.4 視頻通道設置

表3 視頻通道設置表

5 現(xiàn)場測試效果及結論

通過在安康機務段HXD3D 0359號機車上的試裝，該視頻監(jiān)控裝置庫內(nèi)靜態(tài)測試和上線運用測試均良好，車鉤視頻監(jiān)控界面如圖11所示，受電弓視頻監(jiān)控界面如圖12所示。視頻數(shù)據(jù)流暢穩(wěn)定，與6A系統(tǒng)主機通訊正常，6A音視頻顯示終端視頻顯示正常，目前正在進行進一步的運用考核。

圖11 車鉤視頻監(jiān)控界面

圖12 受電弓視頻監(jiān)控界面

通過該裝置的研發(fā)和應用，實現(xiàn)對機車運行中車頂弓網(wǎng)狀態(tài)和機車前后兩端瞭望盲區(qū)的實時監(jiān)控，進一步提升對機車安全隱患的預防預控。