一種非接觸式弓網監測系統功能原理及框架組成

趙青選　屈海洋　尚江傲

摘 要：本文介紹了一種非接觸式弓網監測系統，采用基于機器視覺以及紫外光電轉換的非接觸式檢測以及數字圖像智能分析處理等技術，對弓網系統運行中常出現的弓網燃弧問題給出一種技術監測方案，并將檢測結果用于用戶評估弓網受流質量以及指導接觸網和受電弓的維護工作。

關鍵詞：弓網監測;燃弧;接觸網;非接觸式

受電弓-接觸網系統（簡稱弓網系統）是城市軌道交通牽引供電系統最重要的關鍵環節之一。近年來，隨著城市軌道交通快速發展，運營要求降低設備故障率、縮短維修間隔時間，而由于之前缺乏合理的檢測手段，導致弓網系統運行故障診斷及事后維護問題一直未能得到有效解決。因此，采取弓網監測措施，保障弓網系統的運行正常才能最終保障鐵路的可靠安全運營。

根據相關資料調研得出，弓網系統的主要故障原因是弓網燃弧，故障后果主要表現在兩個方面。

（1）弓網燃弧的發生，會影響弓網受流質量。

（2）弓網燃弧的發生，會磨損接觸線和碳滑板，影響弓網運行關系。

本文介紹的一種非接觸式紫外弓網燃弧裝置，采用基于機器視覺以及紫外光電轉換的非接觸式檢測、數字圖像智能分析處理、自適應抗強電磁干擾等先進技術，對弓網運行關系進行監測。

1 系統工作原理

本弓網檢測裝置的基本原理是，通過檢測弓網燃弧紫外特征光來實現弓網關系的監測。

首先，通過光學采集系統采集弓網燃弧的紫外光特征量;采用紅外熱像儀實現對弓網運行狀態的全程實時監控;同時檢測弓網接觸點以及受電弓弓頭、絕緣部件等區域的紅外圖像和溫度。

其次，將燃弧光信號傳輸至紫外光電傳感系統，通過紫外光電傳感器將光信號轉換成電信號送入數據處理系統。同時，利用相應的傳感模塊同步測量列車輔助電氣量，如牽引電流信號，并通過電纜將信號傳輸至數據處理系統。

最后，數據處理系統進行數據預處理和綜合處理。檢測結果可通過無線方式發送至地面終端。

2 技術指標

本弓網監測系統主要技術參數如下表。

（1）光學采集系統。光學采集系統的功能：高效的捕捉弓網燃弧發出的特定譜段的紫外光，并濾除多余的雜散光，進而達到提取弓網燃弧特征光的作用。

（2）紫外光電傳感系統。紫外光電傳感系統集成了紫外光電傳感器、信號處理電路、電源模塊以及光纖適配器。紫外光電傳感系統的測量原理是：當進行弓網燃弧檢測時，選擇合理的紫外光電傳感器，使輸出的信號形式為模擬脈沖形式，并對燃弧模擬信號進行高速AD采樣，實現對弓網燃弧信息的量化處理。

（3）紅外測溫系統。紅外熱成像儀的成像波段在8～14um，屬于能很好反映物體溫度的遠紅外波段。在其緊湊的內部集成了高速的DSP數據處理芯片和TCP/IP網絡接口，能夠實時的傳遞出前端采集到的并經過相應數據處理的數字信號。該熱像儀可實現弓網燃弧的溫度測量，并將溫度值返回。若出現溫度超過閾值時，自動報警并將弓網燃弧信息存儲下來。

（4）輔助電氣參量測量。通過采集車輛速度、電流等信號，實時監測列車運行時的運行速度以及機車牽引電流等參數。通過對牽引電流的檢測，可有效的發現當燃弧發生時牽引電流的變化情況，并將數據記錄下來。

（5）綜合定位系統。檢測裝置速度里程信息通過車輛通訊端口提供，信號協議中的主要信號如表4所示。

（6）數據無線傳輸設備。設備通過車載無線傳輸裝置將檢測的異常點信息發送至無線終端監控中心（DCC調度中心）。檢測異常信息如表5所示。

（7）數據分析處理系統。①硬件電路。數據處理系統主要由小信號調理電路、AD轉換及發送電路、弓網監控圖像采集四部分構成。AD轉換及發送電路主要由小信號調理電路、AD采集電路、FPGA模塊電路構成。②軟件系統裝置軟件系統主要包括四個方面，分別為曲線顯示窗口，弓網監控顯示窗口、參數顯示窗口以及工作狀態顯示窗口。曲線顯示窗口主要實時顯示燃弧分布曲線。弓網監控顯示窗口主要實現實時顯示弓網運行狀態以及回放監控畫面。參數顯示窗口主要實現各參數的顯示，如燃弧率、燃弧時間、牽引電流等。工作狀態顯示窗口主要實現每個傳感器的工作狀態。

4 技術特性

本弓網檢測裝置運用非接觸式的檢測技術，具有以下主要技術特性和功能：①實時在線檢測弓網燃弧狀態功能。②對受電弓和接觸網拍攝區域的測溫功能。③實時檢測機車牽引電流信息。④實時定位弓網燃弧發生點。⑤實時定位接觸網或受電弓發熱點。⑥數據存儲功能（基于檢測日期進行循環保存，用戶可以通過離線拷貝到移動硬盤中）。⑦上電自啟動功能。⑧全程回放弓網運行狀態監測過程功能。⑨將檢測結果通知調度或運營工程師。⑩檢測結果方便用戶用于評估弓網受流質量以及指導接觸網和受電弓的維護作業。

5 結語

通過本弓網檢測裝置，可以確保受電弓與接觸網的良好匹配性，減少弓網故障率的發生，有效保證受電弓及接觸網設備使用周期。

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